Mechanical, fatigue and wear properties of sintered Carbon Nanotube-based functionally graded materials

Abstract

This PhD thesis is concerned with the development of nickel coated carbon nanotubes (CNTs) functionally graded metal matrix composites, based on an aluminium-silicon alloy matrix, obtained by powder metallurgy. Besides their development and production, this thesis focus on these composites characterization when regarding metallurgical, mechanical, fatigue and wear behaviour. The experimental and theoretical work undertaken on this thesis was performed through the following steps: Assessment of several mixing processes for mixing aluminium powders and the reinforcement; Assessment of the optimum reinforcement fraction for these composites; Study and explanation of the effective reinforcing mechanisms on these composites (tensile, fatigue and wear) and Development of an equipment to obtain components with selected graded composition and design of a graded composition (reinforcement distribution) for piston rings production. CNTs dispersion is a common issue, to which great efforts are being placed by the scientific community. This work also faced this topic, with CNT agglomerates being found in these composites produced with several mixing procedures. This thesis allowed to conclude that higher improvements on CNTs dispersion is possible by using a combination of different mixing processes. Several CNT-reinforced composites were produced, aiming to assess the optimum reinforcement fraction for several properties. The 2 wt.% CNT-reinforced composite revealed the highest tensile strength, showing that, for CNT’s reinforcement wt.% higher than 2%, the detrimental effect of agglomerates is higher that the beneficial effect of well dispersed CNTs. In spite of the reduction on mechanical properties for higher CNT content, a wear resistance increase was verified. This work also showed that the fatigue behaviour was found to increase by adding CNTs until a certain percentage. Regarding wear behaviour the agglomerates may also contribute to improved wear performance. In this thesis, hybrid composites reinforced by CNTs and SiCp were also produced and characterized. It was possible to conclude that the addition of a second reinforcement brought a beneficial effect on tribological and mechanical behaviours, unachievable by using solely one of the reinforcements. The final outcome of this thesis was the development of an equipment to produce components with selected graded composition (functionally graded material - FGM) by powder metallurgy. This development also included the design of a graded composition (CNT distribution). This equipment was found adequate for the production of these graded composites. This study is very appealing for components design once it allows to develop controlled materials gradients suited for particular requirements. This work developed a possible solution for a piston ring, but a similar analysis/process can be applied to other components, where there is differential mechanical and wear requirements along a component. This study also showed, that the use of commercial aluminium alloys (at least Al-Si alloys) reinforced with Ni coated CNTs seems to be adequate for industrial applications.

Esta tese de doutoramento está relacionada com o desenvolvimento de compósitos de nanotubos de carbono com gradiente de composição, por via da metalurgia dos pós. Além do seu desenvolvimento e produção, esta tese foca-se na caracterização metalúrgica, mecânica, fadiga e desgaste dos compósitos produzidos. O trabalho experimental e teórico realizado nesta tese seguiu as seguintes etapas: avaliação de vários processos de mistura para misturar o pó da matriz e reforço; avaliação da fracção óptima de reforço nos compósitos; estudo e explicação dos mecanismos de reforço nos compósitos (tração, fadiga e desgaste) e desenvolvimento de um equipamento de obtenção de componentes com gradiente de composição e design de um gradiente de composição (distribuição do reforço) para a produção de segmento de motor de combustão. A dispersão dos nanotubos de carbono é um problema comum, para o qual grandes esforços têm sido levados a cabo pela comunidade científica. Este trabalho também enfrentou o mesmo problema, visto que os aglomerados de nanotubos de carbono foram encontrados nos compósitos produzidos através de vários procedimentos de mistura. Esta tese permitiu concluir que as melhorias no processo de dispersão de nanotubos de carbono são possíveis, usando uma combinação de diferentes processos de mistura. Vários compósitos reforçados com nanotubos de carbono foram produzidos com o objectivo de avaliar a fração ideal de reforço para várias propriedades. O compósito com 2 % em massa de nanotubos de carbono foi o compósito que revelou a mais elevada resistência à tração, e para maiores percentagens de reforço, o efeito prejudicial dos aglomerados é maior que o efeito benéfico de nanotubos de carbono bem dispersos. Apesar da redução nas propriedades mecânicas para maior fração de nanotubos de carbono, foi verificado um aumento de resistência ao desgaste. Este trabalho também mostrou que o comportamento de fadiga melhora com adição de nanotubos de carbono até uma determinada percentagem. Em relação ao comportamento de desgaste, os aglomerados também podem contribuir para um melhor desempenho. Nesta tese, compósitos híbridos reforçados por nanotubos de carbono e carboneto de silício também foram produzidos e caracterizados. Foi possível concluir que a adição de um segundo reforço tem um efeito benéfico sobre o desempenho tribológico e mecânico, inatingível utilizando unicamente um dos reforços. O resultado final desta tese foi o desenvolvimento de um equipamento para produzir componentes com gradiente específico de composição por metalurgia dos pós. Este desenvolvimento também incluiu a concepção de um gradiente de composição (distribuição do reforço). Este equipamento mostrou-se adequado para a produção de compósitos com gradiente de composição. Este estudo é muito atrativo para o projeto de componentes mecânicos, uma vez que permite desenvolver materiais com gradiente de composição adequados para necessidades específicas. Este trabalho desenvolveu uma possível solução para segmentos de motor de combustão, mas uma análise semelhante pode ser aplicada em outros componentes mecânicos, onde há diferencial de requisitos mecânicos e de desgaste ao longo de um componente. Este estudo também demonstrou que a utilização de ligas de alumínio comerciais (pelo menos ligas de Al-Si) reforçadas com nanotubos de carbono revestido a Ni parece ser adequada para aplicações industriais.