ESTUDIO NUMÉRICO DEL EFECTO DE LA INTERFASE SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN MATERIAL COMPUESTO DE ALUMINIO REFORZADO CON NANOTUBOS DE CARBONO

Abstract

El siguiente trabajo expone los resultados de la caracterización de las propiedades mecánicas(Módulo de Young y coefi ciente de Poisson) de un material compuesto de una matriz metálica dealuminio reforzada con nanotubos de carbono (NTC) por medio del Método de Elementos Finitos(MEF). Para ello se simula un ensayo de compresión uniaxial a modelos que van desde 0.18% a 2.25%de refuerzo, afectos a la presencia de carburo de aluminio entre las fases del material.El procedimiento a usar en este estudio consiste en modelar 89 Volumenes RepresentativosElementales (RVE por sus siglas en inglés) del material en estudio, creando 4 grupos de muestrassegún el espesor del carburo de aluminio presente en los refuerzos de éstas (1 [nm], 5 [nm], 10 [nm]y 15[nm]). Se idealiza en el proceso de modelado el conjunto del carburo más el refuerzo como un único material mediante la regla de las mezclas. Tanto la idealización del refuerzo como la elección delos RVE responde al requerimiento de reducir el costo computacional del problema. Posteriormente sesimula un ensayo de compresión sobre los RVE usando MEF generando una deformación del 1% paraobservar la fuerza de respuesta que éstos ofrecen.Al aplicar MEF, se determinan las propiedades mecánicas del material compuesto acá presentado,obteniéndose los siguiente resultados: para el caso de la menor cantidad de refuerzo (0.18 %)con el carburo más grueso (15 [nm]) se obtuvo una disminución de la rigidez de un 0.11% respectodel carburo más delgado (1 [nm]). Para el caso de la mayor cantidad de refuerzo (2.25 %), con el carburo más grueso (15 [nm]) se obtuvo una disminución de la rigidez del 0.94% respecto del carburomás delgado (1 [nm]). Respecto del coe ficiente de Poisson, los resultados no presentan patrón alguno,encontrándose su valores en el rango de 0.335 [-] a 0.35 [-].Al aplicar la metodología expuesta en este trabajo se reduce el costo y el tiempo involucradosen estudiar un material respecto de hacerlo por medio de experimentos. En relación a los resultados,se puede observar que la influencia del espesor del carburo de aluminio es pequeña sobre la rigidez delmaterial compuesto de matriz metálica, permitiendo una oportuna predicción y futura estandarizaciónde sus propiedades.

The following work exposes the results of the characterization of mechanical properties (YoungModulus and Poisson ratio) of a MMC (Metal Matrix Composite) with aluminum matrix reinforcedwith carbon nanotubes (CNT) using the Finite Elements Method (MEF). For that purpose a simulatedcompression test is accomplished to samples reinforced with 0.18% to 2.25% CNT, which experiencesthe presence of aluminum carbide into the material interlayer.The procedure in this work is modeling 89 MMC Representative Volume Elements (RVE),creating 4 groups based on the thickness of the carbide layer between the aluminum matrix and theCNT reinforcement (1 [nm], 5 [nm], 10 [nm] y 15[nm]). On this modeling, the reinforcement and itscarbide are conceptualized as an unique material using the mixture rule. These previuos decisionsare choosen to achieve lower computing complexity in order to make this problem computable. Thesimulation consists on emulate a compress test over each RVE using FEM applying an 1% strain toget its reaction force.By applying FEM some MMC properties are discovered, with the following results. In the0.18% reinforcement case, with thicker carbide layer (15 [nm]) Young Modulus lower its value about0.11% against the thinner layer (1 [nm]). In the 2.25% reinforcement case, with thicker carbide layer(15 [nm]) Young Modulus lower its value about 0.94% against the thinner layer (1 [nm]). The resultsdon't show a pattern for Poisson ratio, its values are in [0.335 - 0.35] range.By applying the previuos method the costs and time involved on studying MMC propertiesare saved against the experimental way to do it. About results, the aluminum carbide layer thicknesshas little effect on MMC stiffness, making possible to predict and standarize its properties on thefuture.