Fabrication and characterization of aluminum - magnetic shape memory alloy composites
Fabrication and characterization of aluminum - magnetic shape memory alloy composites
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铝磁形状记忆合金复合材料的制备及表征
DOI：
10.1016/j.msea.2020.140549
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Karaman, I.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Barta, N.E.;Fincher, C.;Bolon, A.M.;Attari, V.;Higgins, W.;Arroyave, R.;Radovic, M.;Pharr, G.M.;Karaman, I.
智能复合材料，与嵌入式功能材料制造，持有一种新型的结构健康监测系统的潜力。本文的工作重点是如何嵌入Ni 43 Co 7 Mn 39 Sn 11变磁性形状记忆合金（MMSMA）传感器颗粒到纯铝基体修改两种材料的化学组成和机械性能。纯铝或铝合金中的马氏体相变颗粒可以与裂纹尖端应力场相互作用，发生应力诱发马氏体相变。该过程发出声学信号并改变颗粒的磁性状态，然后可以使用声学监测器和/或磁性传感器来确定裂纹位置。这些复合材料的制造由含有10体积%的Ni 43 Co 7 Mn 39 Sn 11 MMSMA颗粒的均匀混合的粉末前体的固结组成。使用波长色散光谱法和仪器化纳米压痕法测定嵌入颗粒的元素组成、硬度和弹性模量以及颗粒与基质之间的扩散区域。烧结的块状复合材料的弹性常数也实验确定使用共振超声光谱（罗斯）。成分分析表明，扩散区含有不同的金属间化合物。纳米压痕结果表明，与具有4.5 ± 0.4GPa的硬度和127 ± 6 GPa的弹性模量的嵌入颗粒相比，扩散区域表现出10.0 ± 0.3GPa的高硬度值和163 ± 5GPa的弹性模量。泊松比和刚度张量分量（C11，C12和C44）被发现是0.34，214 GPa，111 GPa和52 GPa，分别通过罗斯。在本研究中确定的重要的材料性能，特别是界面性能，可以用来模拟的复合材料系统，以优化颗粒的尺寸，分布，和所需的散装机械性能和损伤传感能力的接口的大小。
Smart composites, manufactured with embedded functional materials, hold the potential for a new type of structural health monitoring systems. The work herein focuses on how embedding Ni43Co7Mn39Sn11metamagnetic shape memory alloy (MMSMA) sensory particles into pure aluminum matrix modifies the chemical constitution and mechanical properties of both materials. Martensitically transforming particles in pure Al or Al alloys can interact with crack tip stress fields and undergo stress-induced martensitic transformation. This process emits acoustic signals and changes the magnetic state of the particles, which can then be exploited using acoustic monitors and/or magnetic sensors to determine the crack locations. Fabrication of these composites consisted of consolidation of homogeneously mixed powder precursors containing 10 vol% of Ni43Co7Mn39Sn11MMSMA particles. Elemental composition, hardness, and elastic modulus of the embedded particles and resulting diffusion region between the particles and the matrix were determined using wavelength dispersive spectrometry and instrumented nanoindentation. Elastic constants of the sintered bulk composites were also experimentally determined using resonant ultrasonic spectroscopy (RUS). Compositional analysis revealed that the diffusion region contained a diverse group of intermetallics. Nanoindentation results demonstrated that the diffusion region exhibits a high hardness value of 10.0 ± 0.3 GPa and an elastic modulus of 163 ± 5 GPa, as compared to the embedded particles having a hardness of 4.5 ± 0.4 GPa, and elastic modulus of 127 ± 6 GPa. Poisson's ratio and the stiffness tensor components (C11, C12, and C44) were found to be 0.34, 214 GPa, 111 GPa, and 52 GPa, respectively, through RUS. The important material properties determined in the present study, especially the interface properties, can be used to model the composite system to optimize the particle size, distribution, and the size of the interfaces for desired bulk mechanical properties and damage sensing ability.
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