Studie stellt Strategie zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Aluminiumverbundwerkstoffen vor

Partikelverstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe (PRAMCs), bei denen die Aluminiummatrix mit Nanopartikeln verstärkt ist, bieten großes Potenzial für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie. Diese Materialien vereinen die Vorteile von Aluminiummatrix und Verstärkungspartikeln, darunter hohe spezifische Festigkeit, hoher spezifischer Modul und gute Verschleißfestigkeit.

Aus diesem Grund gelten PRAMCs als die vielversprechendsten und wirtschaftlichsten Materialien zur Verbesserung der Energieeffizienz und Reduzierung der Emissionen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Der Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität schränkt ihre Anwendung jedoch stark ein.

Ein Forscherteam aus China unter der Leitung von Professor Jin-feng Nie und Professor Yong-hao Zhao vom Nano and Heterogeneous Materials Center an der School of Materials Science and Engineering der Nanjing University of Science and Technology hat sich dieser seit langem bestehenden Herausforderung angenommen entwickelte eine neue Strategie zur Verbesserung der Festigkeits- und Duktilitätssynergie von PRAMCs. Ihre Ergebnisse wurden am 2. Mai 2024 online verfügbar gemacht und veröffentlicht in Transaktionen der Nonferrous Metals Society of China.

Prof. Zhao erläutert die Motivation hinter ihrer Studie wie folgt: „Studien haben gezeigt, dass die räumliche Konfiguration von Verstärkungspartikeln eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Festigkeit und Duktilität von PRAMCs spielt. Darüber hinaus kann die Einführung einer heterogenen Struktur in die Aluminiummatrix, die aus Zonen von Nanopartikeln mit dramatisch anderen Eigenschaften als die Masse besteht, die Festigkeit und Duktilität herkömmlicher Materialien verbessern.

„Daher haben wir eine Strategie zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von PRAMCs entwickelt, indem wir eine heterogene Struktur einführen und ihre Partikelkonfiguration regulieren.“

Die Forscher stellten zunächst einen heterostrukturierten Aluminiumnitrid/Aluminium (AlNp/Al)-Verbundstoff mithilfe einer Flüssig-Fest-Reaktion her, gefolgt von Heißextrusion. Der resultierende Verbundstoff bestand aus großen Clustern von AlNp-Partikeln, die in der Al-Matrix verteilt waren und sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften auswirkten. Um die räumliche Partikelverteilung zu regulieren, unterzogen die Forscher den extrudierten Verbundwerkstoff einem Warmwalzen.

Dr. Nie erläutert: „Bei plastischen Verformungsverfahren wie Walzen, Torsion unter hohem Druck usw. kommt es zu großen plastischen Verformungen im Material, die die heterogene Mikrostruktur regulieren können.“ Das Warmwalzen wurde bei 500 °C mit äquivalenten Dehnungen von 0,7–1,4 durchgeführt.

Abhängig von den äquivalenten Dehnungen wurden drei Arten von Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen räumlichen Konfigurationen von AlNp gebildet. Die drei Verbundwerkstoffe, Clustered-AlNp/Al, Networked-AlNp/Al und Uniformed-AlNp/Al genannt, wiesen Partikelverteilungen als Cluster, Netzwerke bzw. gleichmäßige Dispersion auf. Bei der Bewertung der mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe stellten die Forscher fest, dass sich ihre Eigenschaften mit der Partikelverfeinerung verbesserten.

Bemerkenswert ist, dass die Streckgrenze und Zugfestigkeit des Uniformed-AlNp/Al-Verbundwerkstoffs 334,6 und 387,4 MPa betrugen, was 55 und 52,9 MPa höher war als die des Clustered-AlNp/Al-Verbundwerkstoffs. Darüber hinaus stieg die Bruchdehnung von 6,8 % auf 9,1 %, was auf ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität hindeutet und den zuvor berichteten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen überlegen ist.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass die heterodeformationsinduzierte Spannung (HDI), die sich auf die Spannung bezieht, die in Verbundwerkstoffen aufgrund des unterschiedlichen Verformungsverhaltens der einzelnen Materialien entsteht, eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung der Festigkeit und Duktilität des Verbundwerkstoffs spielt . Die HDI-Spannung war im Uniformed-AlNp/Al-Verbund am höchsten.

Prof. Zhao hebt die Bedeutung der Studie hervor: „Unsere vorgeschlagene Strategie wird neue Erkenntnisse und Leitlinien für die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit überlegenen Kombinationen aus Festigkeit und Duktilität liefern.“

Insgesamt können die Ergebnisse der Studie den Weg für die Entwicklung neuartiger Verbundwerkstoffe ebnen, die zur Reduzierung von Emissionen und zur Steigerung der Effizienz von Automobilen und Flugzeugen beitragen können.