Термо

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 11076 (2022) Цитировать эту статью

1622 Доступа

Подробности о метриках

Для эффективных вставок режущего инструмента, которые поглощают термический удар при различных градиентах температуры, необходимы улучшенная теплопроводность и прочность. Кроме того, такие параметры, как коэффициент теплового расширения, необходимо поддерживать в разумных пределах. В этой работе представлена ​​новая основа проектирования материалов, основанная на подходе многомасштабного моделирования, который предлагает композиты из оксида алюминия, армированного никелем (Ni) (Al2O3), для адаптации механических и термических свойств, необходимых для керамических режущих инструментов, путем рассмотрения многочисленных параметров композита. Репрезентативные элементы объема (RVE) генерируются с использованием программы DREAM.3D, а выходные данные импортируются в коммерческую программу конечных элементов ABAQUS. RVE, которые содержат несколько частиц Ni с различной пористостью и объемной долей, используются для прогнозирования эффективных тепловых и механических свойств с использованием методов вычислительной гомогенизации при соответствующих граничных условиях (BC). Структура RVE подтверждена спеканием композитов Al2O3-Ni различных составов. Прогнозируемые численные результаты хорошо согласуются с измеренными тепловыми и структурными свойствами. Свойства, предсказанные численной моделью, сопоставимы со свойствами, полученными с использованием правил смесей и SwiftComp, а также метода вычислительной гомогенизации на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Результаты показывают, что результаты ABAQUS, SwiftComp и FFT довольно близки друг к другу. Также исследовано влияние пористости и объемной доли Ni на механические и термические свойства. Замечено, что механические свойства и теплопроводность уменьшаются с увеличением пористости, в то время как тепловое расширение остается неизменным. Предложенное комплексное моделирование и эмпирический подход могут способствовать разработке уникальных композитов Al2O3-металл с желаемыми термическими и механическими свойствами для керамических режущих пластин.

Керамика на основе Al2O3 в настоящее время является наиболее зрелым материалом для керамических режущих инструментов благодаря ее устойчивости к тепловым ударам, химической стабильности, огнеупорным характеристикам и хорошо зарекомендовавшим себя направлениям разработки, таким как спекание. Однако его внутренняя хрупкость и низкая теплопроводность являются основными недостатками при резке. Было предпринято множество попыток повысить жесткость, ударную вязкость и теплопроводность Al2O3 без значительного ущерба для желаемого низкого коэффициента теплового расширения, который является важным требованием к инструментальным материалам, особенно для операций прерывистой обработки. Ожидается, что включение металлических частиц в Al2O3 повысит теплопроводность и ударную вязкость благодаря собственным термическим и структурным свойствам, поэтому они являются потенциальными кандидатами на роль композитов с матрицей Al2O3. Таким образом, реализация вычислительной гомогенизации для адаптации свойств Al2O3, упрочненного Ni, необходима для лучшего проектирования перед изготовлением композиционных материалов. Свойства гетерогенных материалов, таких как композиты Al2O3, состоящие из различных фаз, можно адаптировать с помощью многомасштабного моделирования (ММ). Такой подход позволяет оценить результирующие эффективные термические и механические свойства композитов, одновременно принимая во внимание внутренние свойства частиц и материала матрицы. Эти свойства затем используются в моделировании RVE на микроскопическом уровне. Подход масштабирования, основанный на RVE(s), позволяет количественно оценить влияние как материала, так и геометрических параметров на эффективные механические свойства рассматриваемого материала1,2,3,4.

Крайне важно изучить эффективные свойства Al2O3, поскольку они влияют на тепловые характеристики и другие свойства, такие как термостойкость, модуль упругости и электропроводность5,6,7,8. Пористость, объемная доля и распределение оказывают существенное влияние на эффективную теплопроводность9,10. Хорошо известно, что вязкость разрушения хрупкой керамики Al2O3 можно повысить за счет включения пластичных металлов11. Существует большой потенциал использования металлокерамических композитов в различных областях техники благодаря их повышенным термическим, механическим и электрическим свойствам. Обработка и физические свойства металлокерамических композитов часто описаны в литературе12,13. Межфазное термическое сопротивление в композите между различными составляющими фазами обусловлено сочетанием плохой химической и механической адгезии на границе раздела и несоответствием теплового расширения этих фаз. Это межфазное сопротивление обычно называют сопротивлением Капицы, в честь Капицы, который обнаружил наличие разрыва в распределении температуры на границе раздела металл-жидкость. Сообщается, что на межфазное тепловое сопротивление существенно влияет теплопроводность различных композитных материалов14.