Preview

Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Высокопрочные композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные микро- и наноструктурами (миниобзор)

https://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-4-62-72

Полный текст:

Аннотация

Настоящий миниобзор посвящен анализу последних достижений в области разработки композиционных материалов (КМ) на основе алюминия, упрочненных микро- и наноструктурами. Рассматриваются методы получения КМ, различные упрочняющие добавки (Al2O3, AlN, SiC, CuO, B4C, Li3N, C, BN) и их морфологические типы (нанотрубки, нанопластины, микро- и наночастицы), а также структура и свойства КМ. Показана важность методов теоретического моделирования при изучении прочности границ раздела в КМ.

Об авторах

А. С. Конопацкий
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».
Россия

Канд. техн. наук, науч. сотр. научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы».

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.



Х. У. Юсупов
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».
Россия

Инженер той же лаборатории.

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.



С. Corthay
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».
Россия

Лаборант той же лаборатории, аспирант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП).

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.



А. Т. Матвеев
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».
Россия

Канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. той же лаборатории.

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.



А. М. Ковальский
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».
Россия

Канд. геол.-минер. наук, ст. науч. сотр. той же лаборатории.

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.



Д. В. Штанский
Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС».
Россия

Докт. физ.-мат. наук, зав. науч.-исслед. лабораторией «Неорганические наноматериалы», проф. кафедры ПМиФП, гл. науч. cотр. Научно-учебного центра СВС.

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.



Список литературы

1. Choi H., Shin J., Min B., Park J., Bae D. Reinforcing effects of carbon nanotubes in structural aluminum matrix nanocomposites. J. Mater. Res. 2009. Vol. 24. P. 2610—2616.

2. Alizadeh M., Paydar M.H. Fabrication of nanostructure Al/SiCP composite by accumulative roll-bonding (ARB) process. J. Alloys Compd. 2010. Vol. 492. P. 231—235.

3. Casati R., Wei X., Xia K., Dellasega D., Tuissi A., Villa E., Vedani M. Mechanical and functional properties of ultrafine grained Al wires reinforced by nano-Al2O3 particles. Mater. Des. 2014. Vol. 64. P. 102—109.

4. Yang X., Zou T., Shi C., Liu E., He C., Zhao N. Effect of carbon nanotube (CNT) content on the properties of in-situ synthesis CNT reinforced Al composites. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 660. P. 11—18.

5. Rahimian M., Parvin N., Ehsani N. Investigation of particle size and amount of alumina on microstructure and mechanical properties of Al matrix composite made by powder metallurgy. Mater. Sci. Eng. A. 2010. Vol. 527. P. 1031—1038.

6. Zabihi M., Toroghinejad M.R., Shafyei A. Application of powder metallurgy and hot rolling processes for manufacturing aluminum/alumina composite strips. Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 560. P. 567—574.

7. Sweet G.A., Brochu M., Hexemer R.L., Donaldson I.W., Bishop D.P. Consolidation of aluminum-based metal matrix composites via spark plasma sintering. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 648. P. 123—133.

8. Chen C., Guo L., Luo J., Hao J., Guo Z., Volinsky A.A. Aluminum powder size and microstructure effectson properties of boron nitride reinforced aluminum matrix composites fabricated by semi-solid powder metallurgy. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 646. P. 306—314.

9. Saheb N., Iqbal Z., Khalil A., Hakeem A.S., Aqeeli N.A., Laoui T., Al-Qutub A., Kirchner R. Spark plasma sintering of metals and metal matrix nanocomposites: A review. J. Nanomater. 2012. Vol. 2012. Article 983470.

10. Udhayabanu V., Ravi K.R., Murty B.S. Development of in situ NiAl—Al2O3 nanocomposite by reactive milling and spark plasma sintering. J. Alloys Compd. 2011. Vol. 509. P. S223—S228.

11. Zhang Z.H., Liu Z.F., Lu J.F., Shen X.B., Wang F.C., Wang Y.D. The sintering mechanism in spark plasma sintering – Proof of the occurrence of spark discharge. Scr. Mater. 2014. Vol. 81. P. 56—59.

12. Lahiri D., Hadjikhani A., Zhanga C., Xing T., Li L.H., Chen Y., Agarwal A. Boron nitride nanotubes reinforced aluminum composites prepared by spark plasma sintering: Microstructure, mechanical properties and deformation behavior. Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 574. P. 149—156.

13. Xue Y., Jiang B., Bourgeois L., Dai P., Mitome M., Zhang C., Yamaguchi M., Matveev A., Tang C., Bando Y., Tsuchiya K., Golberg D. Aluminum matrix composites reinforced with multi-walled boron nitride nanotubes fabricated by a high-pressure torsion technique. Mater. Des. 2015. Vol. 88. P. 451—460.

14. Tavoosi M., Karimzadeh F., Enayati M.H., Heidarpour A. Bulk Al-Zn/Al2O3 nanocomposite prepared by reactive milling and hot pressing methods. J. Alloys Compd. 2009. Vol. 475. P. 198—201.

15. Umbrajkar S.M., Seshadri S., Schoenitz M., Hoffmann V.K., Dreizin E.L. Aluminum-rich Al—MoO3 nanocomposite powders prepared by arrested reactive milling. J. Propuls. Power. 2008. Vol. 24. P. 192—189.

16. Firestein K.L., Corthay S., Steinman A.E., Matveev A.T., Kovalskii A.M., Sukhorukova I.V., Golbergb D., Shtansky D.V. High-strength aluminum-based composites reinforced with BN, AlB2 and AlN particles fabricated via reactive spark plasma sintering of Al—BN powder mixtures. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 681. P. 1—9.

17. Firestein K.L., Steinman A.E., Golovin I.S., Cifre J., Obraztsova E.A., Matveev A.T., Kovalskii A.M., Lebedev O.I., Shtansky D.V., Golberg D. Fabrication, characterization, and mechanical properties of spark plasma sintered Al—BN nanoparticle composites. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 642. P. 104—112.

18. Liu Z.Y., Zhao K., Xiao B.L., Wang W.G., Ma Z.Y. Fabrication of CNT/Al composites with low damage to CNTs by a novel solution-assisted wet mixing combined with powder metallurgy processing. Mater. Des. 2016. Vol. 97. P. 424—430.

19. Gao Q., Wu S., Lü S., Duan X., An P. Preparation of in-situ 5 vol.% TiB2 particulate reinforced Al—4.5Cu alloy matrix composites assisted by improved mechanical stirring process. Mater. Des. 2016. Vol. 94. P. 79—86.

20. Zhou Y., Wang H. An Al/Al2O3/SiO2/polyimide composite with multilayer coating structure fillers based on self-passivated aluminum cores. Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. P. 132901.

21. Zhang L., Xu H., Wang Z., Li Q., Wu J. Mechanical properties and corrosion behavior of Al/SiC composites. J. Alloys Compd. 2016. Vol. 678. P. 23—30.

22. Kongshaug D.R., Ferguson J.B., Schultz B.F., Rohatgi P.K. Reactive stir mixing of Al—Mg/Al2O3np metal matrix nanocomposites: Effects of Mg and reinforcement concentration and method of reinforcement incorporation. J. Mater. Sci. 2014. Vol. 49. P. 2106—2116.

23. Kukuła-Kurzyniec A., Dutkiewicz J., Góral A., Coddet C., Dembinski L., Perrière L. Aluminium based composites strengthened with metallic amorphous phase or ceramic (Al2O3) particles. Mater. Des. 2014. Vol. 59. P. 246—251.

24. Ferguson J.B., Aguirre I., Lopez H., Schultz B.F., Cho K., Rohatgi P.K. Tensile properties of reactive stir-mixed and squeeze cast Al/CuOnp-based metal matrix nanocomposites. Mater. Sci. Eng. A. 2014. Vol. 611. P. 326—332.

25. Steinman A.E., Corthay S., Firestein K.L., Kvashnin D.G., Kovalskii A.M., Matveev A.T., Sorokin P.B., Golberg D.V., Shtansky D.V. Al-based composites reinforced with AlB2, AlN and BN phases: Experimental and theoretical studies. Mater. Des. 2018. Vol. 141. P. 88—98.

26. Yuan L., Han J., Liu J., Jiang Z. Mechanical properties and tribological behavior of aluminum matrix composites reinforced with in-situ AlB2 particles. Tribol. Int. 2016. Vol. 98. P. 41—47.

27. Yamaguchi M., Bernhardt J., Faerstein K., Shtansky D., Bandoa Y., Golovin I.S., Sinning H.-R., Golberg D. Fabrication and characteristics of melt-spun Al ribbons reinforced with nano/micro-BN phases. Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 7604—7615.

28. Choi H.J., Kwon G.B., Lee G.Y., Bae D.H. Reinforcement with carbon nanotubes in aluminum matrix composites. Scr. Mater. 2008. Vol. 59. P. 360—363.

29. Singhal S., Srivastava A., Pasricha R., Mathur R. Fabrication of Al-matrix composites reinforced with amino functionalized boron nitride nanotubes. J. Nanosci. Nanotechnol. 2011. Vol. 11. P. 5179—5186.

30. Ferguson J.B., Lopez H.F., Rohatgi P.K., Cho K., Kim C.S. Impact of volume fraction and size of reinforcement particles on the grain size in metal-matrix micro and nanocomposites. Metall. Mater. Trans. A. 2014. Vol. 45. P. 4055—4061.

31. Lee K.B., Sim H.S., Heo S.W., Yoo H.R., Cho S.Y., Kwon H. Tensile properties and microstructures of Al composite reinforced with BN particles. Compos. A. 2002. Vol. 33. P. 709—715.

32. Ma X., Zhao Y.F., Tian W.J., Qian Z., Chen H.W., Wu Y.Y., Liu X.F. A novel Al matrix composite reinforced by nano-AlN p network. Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 1—8.

33. Sun Y., Zhang C., Liu B., Meng Q., Ma S., Dai W. Reduced graphene oxide reinforced 7075 Al matrix composites: Powder synthesis and mechanical properties. Metals. 2017. Vol. 7. P. 499.

34. Sadeghian Z., Lotfi B., Enayati M.H., Beiss P. Microstructural and mechanical evaluation of Al—TiB2 nanostructured composite fabricated by mechanical alloying. J. Alloys Compd. 2011. Vol. 509. P. 7758—7763.

35. Kurita H., Kwon H., Estili M., Kawasaki A. Multi-walled carbon nanotube-aluminum matrix composites prepared by combination of hetero-agglomeration method, spark plasma sintering and hot extrusion. Mater. Trans. 2011. Vol. 52. P. 1960—1965.

36. Bodunrin M.O., Alaneme K.K., Chown L.H. Aluminium matrix hybrid composites: A review of reinforcement philosophies; Mechanical, corrosion and tribological characteristics. J. Mater. Res. Technol. 2015. Vol. 4. P. 434—445.

37. Zhang W.W., Hu Y., Wang Z., Yang C., Zhang G.Q., Prashanth K.G., Suryanarayana C. A novel high-strength Albased nanocomposite reinforced with Ti-based metallic glass nanoparticles produced by powder metallurgy. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 734. P. 34—41.

38. Zhang Z., Topping T., Li Y., Vogt R., Zhou Y., Haines C., Paras J., Kapoor D., Schoenunga J.M., Lavernia E.J. Mechanical behavior of ultrafine-grained Al composites reinforced with B4C nanoparticles. Scr. Mater. 2011. Vol. 65. P. 652—655.

39. Mobasherpour I., Tofigh A.A., Ebrahimi M. Effect of nano-size Al2O3 reinforcement on the mechanical behavior of synthesis 7075 aluminum alloy composites by mechanical alloying. Mater. Chem. Phys. 2013. Vol. 138. P. 535—541.

40. Poovazhagan L., Kalaichelvan K., Rajadurai A., Senthilvelan V. Characterization of hybrid silicon carbide and boron carbide nanoparticles-reinforced aluminum alloy composites. Procedia Eng. 2013. Vol. 64. P. 681—689.

41. Pramanik A., Basak A.K., Dong Y., Shankar S., Littlefair G. Milling of nanoparticles reinforced Al-based metal matrix composites. J. Compos. Sci. 2018. Vol. 2. P. 13.

42. Semenic T., Hu J., Kraemer S., Housley R., Sudre O. High hardness cubic boron nitride with nanograin microstructure produced by high-energy milling. J. Am. Ceram. Soc. 2018. Vol. 101. P. 1—11.

43. Guo B., Chen B., Zhang X., Cen X., Wang X., Song M., Ni S., Yi J., Shen T., Du Y. Exploring the size effects of Al4C3 on the mechanical properties and thermal behaviors of Al based composites reinforced by SiC and carbon nanotubes. Carbon. 2018. Vol. 135. P. 224—235.

44. Kelly P.M. The effect of particle shape on dispersion hardening. Scr. Metall. 1972. Vol. 6. P. 647—656.

45. Krasheninnikov A.V., Berseneva N., Kvashnin D.G., Enkovaara J., Björkman T., Sorokin P., Shtansky D., Nieminen R.M., Golberg D. Toward stronger Al—BN nanotube composite materials: Insights into bonding at the Al/BN interface from first-principles calculations. J. Phys. Chem. C. 2014. Vol. 118. P. 26894—26901.

46. Kvashnin D.G., Ghorbani-Asl M., Shtansky D.V., Golberg D., Krasheninnikov A.V., Sorokin P.B. Mechanical properties and current-carrying capacity of Al reinforced with graphene/BN nanoribbons: a computational study. Nanoscale. 2016. Vol. 8. P. 20080—20089.

47. Kashyap K.T., Koppad P.G., Puneeth K.B., Aniruddha Ram H.R., Mallikarjuna H.M. Elastic modulus of multiwalled carbon nanotubes reinforced aluminium matrix nanocomposite — A theoretical approach. Comput. Mater. Sci. 2011. Vol. 50. P. 2493—2495.

48. Silvestre N., Faria B., Canongia Lopes J.N. Compressive behavior of CNT-reinforced aluminum composites using molecular dynamics. Compos. Sci. Technol. 2014. Vol. 90. P. 16—24.

49. Hassanzadeh-Aghdam M.K., Mahmoodi M.J. A comprehensive analysis of mechanical characteristics of carbon nanotube-metal matrix nanocomposites. Mater. Sci. Eng. A. Vol. 701. P. 34—44.


Для цитирования:


Конопацкий А.С., Юсупов Х.У., Corthay С., Матвеев А.Т., Ковальский А.М., Штанский Д.В. Высокопрочные композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные микро- и наноструктурами (миниобзор). Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2018;(4):62-72. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-4-62-72

For citation:


Konopatsky A.S., Yusupov K.U., Corthay C., Matveev A.T., Kovalskii A.M., Shtansky D.V. High-strength composite materials based on aluminum reinforced by micro and nanostructures (mini review). Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya. 2018;(4):62-72. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-4-62-72

Просмотров: 194


ISSN 1997-308X (Print)
ISSN 2412-8767 (Online)