Hvordan tykkelsen på SUS304 interlaget påvirker bindingsstyrken til Cu/Al laminater

Undersøkelser av peeling-overflatene til Cu/Al-laminater med SUS304-interlag kan gi innsikt i hvordan interlagets tykkelse påvirker både mikrostruktur og mekaniske egenskaper av laminatene. Ved å endre tykkelsen på SUS304 interlaget kan vi kontrollere dannelsen av intermetalliske forbindelser (IMC), fragmentering av SUS304, kontakt mellom Cu- og Al-matrikser, samt graden av skjærdeformasjon. Resultatene viser at et tykkere SUS304-interlag fører til en betydelig forbedring i peelingstyrken, et forhold som er tett knyttet til mekanismen som styrer sprekkpropagering gjennom interfasen mellom Cu og Al.

Når vi ser nærmere på XRD-spektra av peeling-overflatene, kan vi identifisere de viktigste IMCene som dannes på Cu- og Al-overflatene. De mest observerte IMCene er Cu9Al4 og CuAl2, der Cu9Al4 er langt mer fremtredende. Etter hvert som tykkelsen på SUS304 interlaget øker, øker også andelen Cu-matriks, samtidig som mengden Al-matriks og Cu-Al IMCene minker. Dette er i tråd med SEM-observasjoner, som viser at Cu-matriksdominerte områder dannes mer synlig når SUS304 interlaget er tykkere.

Det finnes tre hovedmekanismer som styrker bindingen i Cu/Al laminater når SUS304 interlaget introduseres. Den første mekanismen er optimaliseringen av IMC-typen, der Cu/Fe og Al/Fe-forbindelser, som dannes på interfasen, har betydelig høyere koheziv energi enn Cu-Al IMCene. Dette betyr at mer energi kreves for å bryte interfasen mellom Cu, SUS304 og Al enn for Cu-Al interfasen. Den andre mekanismen involverer den økte skjærdeformasjonen ved grensesnittet som følge av tilstedeværelsen av SUS304. Et tykkere interlag gjør det lettere å oppnå større skjærdeformasjon på overflaten, noe som forbedrer laminatets bindingsstyrke. Den tredje mekanismen er forbedringen av den mekaniske "joggen" i Cu/Al-matriksen på grunn av SUS304-fragmenter. SUS304 har høyere mikrohardehet enn Cu-Al IMCene, og fragmenteringen av SUS304 under rullkladding gir en mekanisk forsterkning av Cu/Al-matriksen.

For laminater med tykkere SUS304-interlag, viser peelingkurven en mer kompleks oppførsel. Den viser en økning i peelingstyrken under deformasjon, etterfulgt av et plutselig fall, før den igjen øker. Denne variasjonen kan forklares ved at tykkere SUS304-interlag tåler større deformasjon, og dermed gir sterkere binding mellom Cu/Al-matriks og SUS304-fragmenter. Tykkere interlag gir derfor en større grad av plastisk deformasjon før sprekkdannelse, mens tynnere interlag eller ingen interlag gir svakere adhesion.

Disse resultatene understreker viktigheten av å forstå hvordan interlagets tykkelse kan kontrollere både de kjemiske og mekaniske egenskapene til Cu/Al-laminater. Forbindelsene som dannes på grensesnittet og hvordan de påvirker sprekkpropagering, er avgjørende for å optimere laminatene for anvendelser der høyere mekanisk styrke er nødvendig. Derfor er det viktig å ikke bare se på de fysiske egenskapene til interlaget, men også på hvordan det samhandler med de underliggende matriksene for å maksimere den overordnede ytelsen til materialet.

Hvordan kryogeniske temperaturer påvirker mekaniske egenskaper av Al/HEAp MMCs

Den mekaniske styrken til Al/HEAp MMCs forbedres betydelig når materialene utsettes for kryogeniske temperaturer, som 173 K. Denne styrkeøkningen er primært knyttet til økt densitet av gitterdefekter, kjent som GND (Geometrically Necessary Dislocations), som oppstår i et kryogenisk miljø. Økningen i dislokasjonsdensiteten ved lave temperaturer fører til en styrking av materialet. Beregninger har vist at dislokasjonsdannelsen mellom 298 K og 173 K gir en økning i styrken på omtrent 23,2 MPa. Dette skjer fordi, ved så lave temperaturer, forbedres bindingene mellom forsterkningspartiklene og aluminiummatriksen, noe som resulterer i et mer robust materialsystem.

En annen viktig mekanisme for styrkeøkningen i et kryogenisk miljø er den såkalte Peirls-Nabarro-stressformelen, som beskriver hvordan motstanden mot dislokasjonsbevegelse endres når gitteret krymper ved lave temperaturer. Når gitteret trekker seg sammen, reduseres avstanden mellom atomene, og dette gir et større motstand mot dislokasjonsbevegelse. Som et resultat hemmes dislokasjonene i større grad, og et tettere gitter fører til ytterligere styrking gjennom sammenfiltring og pinning av dislokasjoner.

Men det er ikke bare styrken som forbedres ved lave temperaturer. Duktiliteten, eller evnen til å deformeres uten å briste, øker også. Dette vises tydelig når man sammenligner materialets elongering ved 173 K og 298 K. Ved kryogeniske temperaturer viser Al/HEAp MMCs en høyere elongering, et resultat av at void (tomrom) dannes i mindre grad og i et langsommere tempo enn ved romtemperatur. Dette skjer fordi spenningen som kreves for å danne voids er høyere ved lave temperaturer, og dermed blir materialet mer motstandsdyktig mot brudd under deformasjonsprosessen.

Mikrostrukturelle analyser og simuleringer har vist at void-volumfraksjonen (VVF) er lavere ved 173 K enn ved 298 K, noe som betyr at Al/HEAp MMCs har en høyere motstand mot skade ved kryogeniske temperaturer. Når materialet strekkes, forblir tomrommene stabilt i de tidlige stadiene av deformasjonen, og de vokser langsommere ved lave temperaturer. Dette forsinker bruddprosessen og forbedrer materialets duktilitet.

Videre undersøkelser viser at ved kryogeniske temperaturer har Al/HEAp MMCs en mer kompleks bruddmorfologi, karakterisert av en zigzag-aktig sprekkvekst sammenlignet med den relativt rette bruddlinjen som observeres ved romtemperatur. Dette reflekterer den forbedrede evnen til materialet til å motstå plutselig brudd og sprekkdannelse, ettersom det er flere slip-bånd og større vinkelspredning i dislokasjonene under deformasjonen ved lav temperatur.

Det er viktig å merke seg at disse forbedrede mekaniske egenskapene ikke nødvendigvis er permanente ved temperaturer over de kryogeniske nivåene. Al/HEAp MMCs viser fortsatt en høyere styrke ved lavere temperaturer, men ved høyere temperaturer vil materialets oppførsel endres, og mekanismene som er effektive ved 173 K kan ikke ha samme innvirkning på høyere temperaturer. Dette er et aspekt som bør tas i betraktning i materialvalg og design for spesifikke applikasjoner der kryogeniske forhold kan være relevante.

Hvordan komposittmaterialer forbedrer beskyttelse og energieffektivitet i moderne teknologi

Reduksjon av vekt og forbedret støtbestandighet har vært hovedmålene for forskning på beskyttelsesteknologi. Tradisjonelle rustninger består vanligvis av ett enkelt materiale, for eksempel stål eller aluminiumlegeringer, kjent som homogen rustning. Med økt penetrasjon fra antitank-artilleri, raketter og missiler har imidlertid homogen rustning hatt vanskelig for å motstå angrep fra slike våpen. Å øke tykkelsen på rustningen kan forbedre beskyttelsen, men økt vekt går på bekostning av mobiliteten til kjøretøyet. Som et resultat har forskere og ingeniører utviklet kompositt-rustning, som kombinerer ulike materialer. Denne typen rustning består ofte av flere lag av både metalliske og ikke-metalliske komponenter, strategisk stablet for å danne en struktur med fire til fem lag som skifter mellom metall og ikke-metalliske materialer, og skaper et gap mellom lagene for å absorbere og disipere energi fra innkommende trusler.

Ved å bruke lettvektslegeringer kombinert med høyfast legeringskompositt, kan man redusere vekten på materialet samtidig som ytelsen forbedres. Vecchio et al. (2016) viste at laminater laget ved å blande 20% Ti-6Al-4V med 80% Al3Ti hadde utmerkede ballistiske egenskaper. I dag er militære laminatkomposittmaterialer ikke begrenset til rent metallbaserte materialer; bruk av glassfiber, epoksyharpiks, karbonfiber, keramikk og andre materialer i samspill med metalliske kompositter kan ofte gi bedre ytelse. For eksempel kan laminatkomposittmaterialer bestående av høyytelsesmetaller og høyfast keramikk redusere vekten på pansrede kjøretøy, samtidig som de forbedrer både mobilitet og ballistiske egenskaper. Videre kan piezoelektriske sensorer integrert i de laminat-metalliske komposittene øke kjøretøyenes evne til å registrere og reagere på omgivelsene, noe som er viktig for fremtidens intelligente pansrede kjøretøy.

Kjernekomponenter i kjernekraftverk, som brenselsrør, er også av stor betydning. Disse spiller en avgjørende rolle i å regulere intensiteten i kjernefysiske reaksjoner i reaktorkjernen. En ny type sandwich-kompositt bestående av stål-vanadium-stål har blitt utviklet av det nasjonale universitetet for vitenskap og teknologi "MISIS" (NUST MISIS), og har vist seg å tåle temperaturer på opptil 700°C, harde strålingseksponeringer, mekanisk stress og kjemisk påvirkning over lengre tid. Dette komposittmaterialet har potensial til å brukes i innkapsling av kjernekraftreaktorer, noe som kan forbedre både sikkerheten og effektiviteten i kjernekraftproduksjon. Fremtidig forskning vil sannsynligvis føre til utvikling av flere metallkompositter som er spesialtilpasset nye kjernekraftreaktordesign.

Samlet sett har metalliske og andre kompositter tjent menneskeheten i tusenvis av år, og jakten på høyytelses metallkompositter fortsetter. For kompositter som er tilpasset spesifikke arbeidsforhold, er det fortsatt en stor utfordring å velge de rette materialene og forbedre fremstillings- og bearbeidingsprosessene. Dette krever ikke bare grundig teoretisk forskning, men også betydelige menneskelige og materielle ressurser for å utføre omfattende eksperimentelle undersøkelser.