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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11076 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Per inserti per utensili da taglio efficaci che assorbono lo shock termico a diversi gradienti di temperatura, sono necessarie una migliore conduttività termica e tenacità. Inoltre, parametri come il coefficiente di dilatazione termica devono essere mantenuti entro un intervallo ragionevole. Questo lavoro presenta un nuovo quadro di progettazione dei materiali basato su un approccio di modellazione multiscala che propone compositi di allumina (Al2O3) rinforzati con nichel (Ni) per personalizzare le proprietà meccaniche e termiche richieste per gli utensili da taglio ceramici considerando numerosi parametri compositi. Gli elementi di volume rappresentativi (RVE) vengono generati utilizzando il programma software DREAM.3D e l'output viene importato in un software commerciale a elementi finiti ABAQUS. Gli RVE che contengono più particelle di Ni con porosità e frazioni di volume variabili vengono utilizzati per prevedere le proprietà termiche e meccaniche effettive utilizzando i metodi di omogeneizzazione computazionale in condizioni al contorno appropriate (BC). La struttura RVE è convalidata dalla sinterizzazione di compositi Al2O3-Ni in varie composizioni. I risultati numerici previsti concordano bene con le proprietà termiche e strutturali misurate. Le proprietà previste dal modello numerico sono paragonabili a quelle ottenute utilizzando le regole delle miscele e SwiftComp, nonché il metodo di omogeneizzazione computazionale basato sulla Trasformata Veloce di Fourier (FFT). I risultati mostrano che i risultati di ABAQUS, SwiftComp e FFT sono abbastanza vicini tra loro. Vengono inoltre studiati gli effetti della porosità e della frazione volumetrica del Ni sulle proprietà meccaniche e termiche. Si osserva che le proprietà meccaniche e la conducibilità termica diminuiscono con la porosità, mentre la dilatazione termica rimane inalterata. La modellazione integrata e l'approccio empirico proposti potrebbero facilitare lo sviluppo di compositi Al2O3-metallo unici con le proprietà termiche e meccaniche desiderate per gli inserti da taglio ceramici.

Le ceramiche a base di Al2O3 sono attualmente il materiale ceramico per utensili da taglio più maturo grazie alla loro resistenza agli shock termici, stabilità chimica, caratteristiche refrattarie e percorsi di sviluppo consolidati come la sinterizzazione. Tuttavia, la sua fragilità intrinseca e la bassa conduttività termica rappresentano i principali svantaggi per le applicazioni di taglio. Sono stati fatti molti tentativi per migliorare la rigidità, la tenacità e la conduttività termica di Al2O3 senza compromettere molto il basso coefficiente di dilatazione termica desiderato che è un requisito importante nei materiali per utensili, in particolare per le operazioni di lavorazione intermittenti. Si prevede che l'incorporazione di particelle metalliche in Al2O3 aumenti la conduttività termica e la tenacità a causa delle proprietà termiche e strutturali intrinseche, quindi sono potenziali candidati per i compositi a matrice Al2O3. Pertanto, l’implementazione dell’omogeneizzazione computazionale per personalizzare le proprietà dell’Al2O3 rinforzato con Ni è necessaria per una migliore progettazione prima della fabbricazione dei materiali compositi. Le proprietà di materiali eterogenei come i compositi Al2O3, composti da varie fasi, possono essere personalizzate utilizzando la modellazione multiscala (MM). Questo approccio porta ad una stima delle proprietà termiche e meccaniche effettive risultanti dei compositi, prendendo allo stesso tempo in considerazione le proprietà intrinseche delle particelle e del materiale della matrice. Queste proprietà vengono quindi utilizzate nelle simulazioni RVE a livello microscopico. L'approccio di upscaling basato su RVE(s) consente di quantificare l'influenza sia dei parametri materiali che geometrici sulle proprietà meccaniche effettive del materiale in esame1,2,3,4.

È fondamentale studiare le proprietà effettive di Al2O3 poiché influenzano le prestazioni termiche e altre proprietà come la resistenza allo shock termico, il modulo di elasticità e la conduttività elettrica5,6,7,8. La porosità, la frazione volumetrica e la distribuzione hanno un effetto significativo sulla conduttività termica effettiva9,10. È noto che la resistenza alla frattura della fragile ceramica Al2O3 può essere aumentata mediante l'incorporazione di metalli duttili11. Esiste un grande potenziale per l’utilizzo di compositi ceramica-metallo in diversi campi dell’ingegneria grazie alle loro proprietà termiche, meccaniche ed elettriche migliorate. La lavorazione e le proprietà fisiche dei compositi metallo/ceramica sono riportate frequentemente in letteratura12,13. La resistenza termica interfacciale in un composito tra diverse fasi costituenti è dovuta a una combinazione di scarsa aderenza chimica e meccanica all'interfaccia e a un disadattamento dell'espansione termica di queste fasi. Questa resistenza interfacciale è solitamente chiamata resistenza di Kapitza, dal nome di Kapitza che scoprì la presenza di discontinuità nella distribuzione della temperatura all'interfaccia metallo-liquido. È stato riportato che la resistenza termica interfacciale è notevolmente influenzata dalla conduttività termica di diversi materiali compositi14.