Synthesis and characterization of aluminum based nanocomposites

Aluminum based nanocomposites were produced by different powder metallurgy routes. Dry nano-particles of alumina, colloidal suspension of nano-alumina and carbon nano-horns (CNHs) were adopted as reinforcing agents. Mixtures of micrometric Al powders and reinforcing phase were mechanically ground through high energy ball milling (BM). Different milling times and intensity (soft and severe) were taken into account. SEM and X-ray investigations were executed on powders subjected to BM using different parameters in order to estimate morphological/structural modifications of the matrix particles. Powder consolidation was carried out via Equal Channel Angular Pressing (ECAP) and Hot Extrusion (HE). The billets were subjected to 12 ECAP passes to improve the dispersion of the reinforcement. Metal matrix nanocomposite (MMnC) wires were also obtained by cold rolling of hot extruded samples. SEM analysis, which was carried out on sintered samples, showed a good dispersion of the nanoparticles in sample subjected to 12 ECAP passes and to rolling after HE. Grains size, evaluated through electron back scattering diffraction (EBSD), revealed to be in the submicrometric range. The composites showed better mechanical behavior (45% of increase in hardness), damping properties and only a small drop in electrical conductivity (9%) if compared with the pure Al samples. A prediction of the strengthening effect induced by the addition of nano alumina particles was formulated identifying six strengthening contributes and evaluating their magnitude through theoretical equations.

Attraverso diverse processi di metallurgia delle polveri sono stati prodotti nano compositi a matrice di alluminio. Sono stati presi in considerazione tre differenti fasi di rinforzo: nano particelle solide di allumina, una sospensione colloidale di nano allumina e infine Carbon Nano-Horns (CNHs). Al fine di miscelare omogeneamente e di disperdere la fase di rinforzo all’interno della matrice metallica di alluminio si è ricorso a una macinazione delle polveri ad alta energia (High Energy Ball Milling, BM). Sono stati considerati diversi tempi di macinazione e si è ricorso a due intensità di macinazione, denominate “soft” and “severe”. Al termine del processo di macinazione le polveri sono state sottoposte a microscopia SEM ed analizzate ai raggi X allo scopo di identificare variazioni morfologiche e strutturali. La sinterizzazione delle polveri è stata ottenuta attraverso due tecniche: Equal Channel Angular Pressing (ECAP) ed Hot Extrusion (HE). I campioni processati attraverso ECAP hanno subito fino a 12 passaggi all’interno dello stampo allo scopo di migliorare, passo dopo passo, la dispersione del rinforzo. Nano compositi in forma di fili falso-quadri sono stati prodotti attraverso laminazione a freddo di campioni estrusi a caldo. Le analisi SEM eseguite sui campioni sinterizzati hanno mostrato una dispersione omogenea del rinforzo nei campioni prodotti con 12 passi ECAP e in quelli laminati a seguito di estrusione a caldo. Le dimensioni dei grani, misurate attraverso diffrazione degli elettroni retro diffusivi (EBSD), rientrano nel range sub micrometrico. I compositi hanno dimostrato possedere migliori proprietà meccaniche (45% di incremento di durezza), migliori proprietà di damping e solo un limitato calo della conducibilità elettrica (9%). Infine, si è formulato un sistema per prevedere l’effetto di rafforzamento indotto dalla presenza delle nano particelle all’interno della matrice, identificando sei contributi di rinforzo e stimandone l’intensità attraverso equazioni teoriche.