Estudio numérico del efecto de la incorporación de partículas de Al2O3 como material de refuerzo sobre las propiedades mecánicas de espumas de Al fabricadas por infiltración

Abstract

Los materiales celulares se caracterizan por su estructura interna llena de celdas o poros, que pueden ser cerrados o interconectados. Esta estructura les confiere propiedades valiosas en aplicaciones ingenieriles, tales como un bajo peso específico, alta rigidez específica, ductilidad y una gran capacidad de absorción de energía, entre otras. El desarrollo y estudio de estos materiales ha avanzado significativamente debido a los esfuerzos científicos orientados a perfeccionar sus métodos de fabricación y optimizar las propiedades resultantes. Estas investigaciones han permitido establecer ecuaciones empíricas y teóricas para calcular las propiedades resultantes de estos materiales, logrando así caracterizar algunas de las propiedades fundamentales para el diseño de aplicaciones específicas. Una de las técnicas más utilizadas para la fabricación de espumas metálicas es la infiltración. Esta técnica consiste en introducir un metal fundido en un preformado poroso compuesto de partículas espaciadoras, generalmente de materiales no metálicos. El metal en estado líquido se desplaza a través de los poros del preformado y se solidifica en su interior, creando así la espuma metálica. Posteriormente, el preformado se elimina sumergiéndolo en agua. Un material compuesto resulta de la combinación de dos o más materiales distintos, buscando propiedades que los componentes originales no poseen, como características mecánicas, físicas, térmicas o eléctricas. Estos materiales generalmente constan de dos componentes esenciales: la matriz y el refuerzo. Dependiendo de estos elementos, pueden clasificarse en varias categorías. En este trabajo, se realiza un estudio numérico de ciertos parámetros esenciales para determinar las propiedades de una espuma de Al al incorporar partículas de Al2O3 como material de refuerzo, empleando el método de infiltración. Se analiza el comportamiento mecánico de dichas espumas, poniendo énfasis en los efectos de algunas de sus características, como la distribución de partículas de refuerzo y poros, el porcentaje de refuerzos y sus características morfológicas. Para ello, se emplean dos modelos con distintos diámetros de poros y partículas de refuerzo, y para cada modelo, se consideran tres distribuciones volumétricas distintas entre poros y partículas. Para obtener información, utilizando los software LIGGGHTS® y ANSYS®, se generan geometrías porosas acorde a características previamente establecidas. A partir de estas, se determina la porosidad y los porcentajes de aluminio y refuerzo. Además, mediante el uso de códigos escritos en lenguaje Python, se evalúan aspectos específicos de las geometrías, como la interconexión entre poros y el espesor de pared promedio. Posteriormente, estas geometrías son sometidas a una simulación de prueba de compresión para determinar sus módulos de Young. Tras revisar los resultados, se puede concluir que las modificaciones en los diámetros y distribuciones de partículas de refuerzo y poros influyen notablemente en la morfología y estructura de la espuma. Específicamente, se observan variaciones en la porosidad, interconexión, espesor de pared, así como en los modelos y distribuciones usados. Cada una de estas alteraciones repercute directamente en el módulo de elasticidad aparente de la espuma. Al analizar los efectos de los modelos y distribuciones, se observa que las espumas con mayor diámetro de poro y menor diámetro de partículas muestran una mejora más significativa. Esto se debe a que, con una mayor dispersión de partículas de refuerzo, la media del espesor de pared aumenta, lo que conlleva a una mayor mejora porcentual del módulo de elasticidad aparente, incluso utilizando una menor cantidad de refuerzos en la espuma. Sin embargo, este incremento en la media del espesor de pared afecta al porcentaje de interconexión. Por ello, se sugiere evitar porosidades demasiado bajas, ya que la interconexión disminuiría y, durante el proceso de fabricación, no todas las partículas espaciadoras se eliminarían en la estructura de la espuma metálica. A pesar de que para todas las simulaciones se presentaba una mejora con relación a las espumas sin refuerzos y que se aprecia el comportamiento descrito anteriormente, se recomienda continuar con el estudio del efecto de las partículas de refuerzo evaluando numéricamente con distintos modelos y distribuciones para determinar los efectos individuales de cada parámetro y tener a futuro un mayor entendimiento y control de las propiedades de estos materiales.