Study of light weight, high strength, multifunctional composite material: Aluminum reinforced with AIB2 particles

Abstract

Aluminum, its alloys and composites are widely used in many modern life applications, such as microelectromechanical systems. In this research, an aluminum matrix composite reinforced with AlB2 particles was studied in bulk and in thin films. Bulk samples were manufactured by centrifugal casting the composite with different levels of boron forming AlB2 particles. The effect of embedded particles on the aluminum matrix was evaluated using Brinell hardness and nanoindentation. Brinell hardness increased from 250 MPa to 450 MPa as a result of particle content. The nanoindentation technique showed that the mechanical improvement is a result of the combined action between the two phases present. Thin films were made from pure aluminum and the Al-4wt. %B (Al-4B) composite using sputtering magnetron by radio frequency at different discharge power on glass substrates and silicon wafers (100). Nanoindentation revealed a higher modulus of elasticity, hardness and adhesion in the Al-4B films. The surface morphology of the films was studied using atomic force microscopy. The surface of the aluminum films presented a greater roughness and grain size with respect to the composite films. Additionally, in composite films the hillock formation was significantly reduced. The structural evaluation of the material via x-ray diffraction exposed in the aluminum samples a larger lattice strain. In addition, temperature effects were studied in samples deposited at 200 watts of sputtering power via hot stage tests using nanoindentation and x-ray diffraction. The materials exhibited softening by heating effect that expands the structure reducing mechanical properties. Additionally, the samples presented material annealing as result of the temperature cycle used in the tests. This was reflected in the mechanical behavior and the crystal structure.

El aluminio, sus aleaciones y compuestos son extensamente utilizados en muchas aplicaciones de la vida moderna, como los sistemas micro-electromecánicos. En esta investigación, un compuesto de matriz de aluminio reforzado con partículas de AlB2 fue estudiado a granel y en películas delgadas. Las muestras a granel fueron fabricadas por medio de fundición centrifuga para diferentes niveles de boro formando partículas de AlB2. El efecto de las partículas en la matriz de aluminio fue evaluado usando la dureza Brinell y nanoindentación. La dureza Brinell aumento de 250 MPa a 450 MPa como resultado del contenido de partículas. La técnica de nanoindentación demostró que el mejoramiento mecánico fue resultado de la acción combinada entre las dos fases presentes. Las películas delgadas fueron fabricadas con aluminio puro y el compuesto Al-4wt %B (Al-4B) vía pulverización catódica con magnetos usando radio frecuencia a diferentes potencias de descarga sobre sustratos de vidrio y obleas de silicio (100). La nanoindentación reveló un mayor módulo de elasticidad, dureza y adhesión en las películas de Al-4B. La morfología de la superficie de las películas fue estudiada usando un microscopio de fuerza atómica. La superficie de las películas de aluminio presentó una mayor rugosidad y tamaño de grano con respecto a las películas compuestas. Adicionalmente, en las películas compuestas la formación de montículos se redujo significativamente. La evaluación estructural del material por medio de la difracción por rayos X expuso en las muestras de aluminio mayor deformación estructural del material. También, los efectos de temperatura fueron estudiados en las muestras depositadas a 200 watts de potencia de pulverización a partir de ensayos en fase caliente usando nanoindentación y difracción de rayos X. Los materiales exhibieron ablandamiento por efecto del calor que expande la estructura del cristal reduciendo las propiedades mecánicas. Adicionalmente, el material de las muestras presentó recocido por el ciclo de temperatura usado en las pruebas, lo cual se vio reflejado en el comportamiento mecánico y en la deformación de la estructura del material.