Mechanical Properties of The Ceramic Open-Cell Foams of Variable Cell Sizes

• Autorzy: Nowak Z. , Nowak M. , Pęcherski R. B. , Potoczek M. , Śliwa R. E.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0333

Warianty tytułu

PL

Własności mechaniczne pianek ceramicznych o otwartych komórkach i różnej porowatości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The mechanical properties and numerical model of ceramic alumina open-cell foam, which is produced by the chemical method of gelcasting with different cell sizes (porosities) are presented. Geometric characteristics of real foam samples were estimated from tomographic and scanning electron microscopy images. Using this information, numerical foam model was proposed. A good agreement between the numerical model and the results elaborated from microtomography was obtained. To simulate the deformation processes the finite element program ABAQUS was used. The main goal of this computation was to obtain macroscopic force as a function of applied vertical displacement in compression test. As a result of numerical simulation of compression test of alumina foam for different values of porosity, the Young modulus and the strength of such foams were estimated.

PL

W pracy określono własności mechaniczne i przedstawiono model numeryczny ceramicznej pianki korundowej (α-Al₂O₃) o komórkach otwartych i różnej porowatości, otrzymanej metodą żelowania spienionej zawiesiny (gelcasting). Metoda ta pozwala na tworzenia pianek zawierających różnej wielkości komórki a w konsekwencji na otrzymywanie pianek o różnej porowatości. Wielkości charakteryzujące geometrię rzeczywistych pianek ustalono z wykorzystaniem tomograficznych obrazów 3D oraz obrazów z mikroskopu skaningowego. Informacje te wykorzystano przy opracowywaniu modelu numerycznego takiej pianki. Uzyskano model numeryczny o duż ej zgodności symulowanej mikrostruktury z obrazami otrzymanymi z mikrotomografu. Symulacje numeryczne procesu deformacji przeprowadzono przy użyciu programu elementów skończonych ABAQUS. Z symulacji numerycznych otrzymano zmianę wielkości siły w funkcji przemieszczenia górnej powierzchni. Określono również zmianę modułu Younga oraz wytrzymałości na ściskanie pianek korundowych w funkcji porowatości.

Słowa kluczowe

EN

mechanical properties of foams; alumina open-cell foam; Young modulus; strength of alumina foams

PL

właściwości mechaniczne pianek; pianka aluminiowa o otwartych komórkach; moduł Younga; strength of alumina foams

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 3A
• Strony: 1957--1963
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr., wzory

Twórcy

autor

Nowak Z.

• Institute Of Fundamental Technological Research, Polish Academy Of Sciences, 02-106 Warszawa, Pawinskiego 5b, Poland

autor

Nowak M.

• Institute Of Fundamental Technological Research, Polish Academy Of Sciences, 02-106 Warszawa, Pawinskiego 5b, Poland

autor

Pęcherski R. B.

• Institute Of Fundamental Technological Research, Polish Academy Of Sciences, 02-106 Warszawa, Pawinskiego 5b, Poland

autor

Potoczek M.

• Rzeszów University of Technology, 35-959 Rzeszów, Al. Powstanców Warszawy 12, Poland

autor

Śliwa R. E.

• Rzeszów University of Technology, 35-959 Rzeszów, Al. Powstanców Warszawy 12, Poland

Bibliografia

• [1] M. Nowak, Z. Nowak, R. B. Pęcherski, M. Potoczek, R. E. Śliwa, On the reconstruction method of ceramic foam structures and the methodology of young modulus determination, Archives of Metallurgy and Materials. 58, 1219–1222 (2013).
• [2] M. Potoczek. Gelcasting of alumina foams using agarose solutions, Ceramics International. 34, 661–667 (2008).
• [3] M. Potoczek. Design of the Microsturcture of Alumina Foams (in Polish), Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów (2012).
• [4] F. S. Ortega, P. Sepulveda, V. C. Pandolfelli, Monomer systems for the gelcasting of foams, J. Eur. Ceram. Soc. 22, 1395–1401 (2002).
• [5] F. S. Ortega, F. A. O. Valenzuela, C. H. Scuracchio, V. C. Pandolfelli, Alternative gelling agents for the gelcasting of ceramic foams, J. Eur. Ceram. Soc. 23, 75–80 (2003).
• [6] L. J. Gibson M. F. Ashby, Cellular Solids, Structure and Properties, 2nd edition, Cambridge (1999).
• [7] A. P. Roberts, E. J. Garboczi, Elastic moduli of model random three-dimensional closed-cell cellular solids, Acta Mater. 49, 189–197 (2001).
• [8] M. Kirca, Computational modeling of micro-cellular carbon foams, Finite Elements in Analysis and Design. 44, 45–52 (2007).
• [9] N. Michailidis, F. Stergioudi, H. Omar, D. N. Tsipas, An image-based reconstruction of the 3D geometry of an Al open-cell foam and FEM modeling of the material response, Mechanics of Materials. 42, 142–147 (2010).
• [10] W. Burzyński, Selected passages from Włodzimierz Burzyński doctoral dissertation Study on Material Effort Hypotheses, Engineering Transactions. 57, 185-215 (2009). Published orginally in Polish: W. Burzyński, Studium nad hipotezami wytężenia, Nakładem Akademii Nauk Technicznych, 1-192, Lwów 1928, also: W. Burzyński, Dzieła Wybrane, tom I, 67-258, PWN Warszawa 1982.
• [11] W. Burzyński, Theoretical foundations of the hypotheses of material effort, Engineering Transactions. 56, No. 3, 269–305 (2008) – the English translation of the paper published in Polish, Czasopismo Techniczne. 47, 1-41 (1929). [12]
• [12] T. Frąś, Z. Kowalewski, R. B. Pęcherski, A. Rusinek, Applications of Burzyński failure criteria, Part I. Isotropic materials with asymmetry of elastic range, Engng. Trans. 58 (1-2), 3-13 (2010).
• [13] G. Vadillo, J. Fernandez-Saez, R. B. Pęcherski, Some applications of Burzyński yield condition in metal plasticity, Materials and Design. 32, 628-635 (2011).
• [14] R. B. Pęcherski, K. Nalepka, T. Frąś, M. Nowak, Inelastic Flow and Failure of Metallic Solids. Material Effort: Study Across Scales, in: T. Łodygowski, A. Rusinek (Eds.), Constitutive Relations under Impact Loadings, Experiments, Theoretical and Numerical Aspects, Springer, 552, 245-285, CISM, Udine (2014).
• [15] W. -Y. Jang, A. M. Kraynik, S. Kyriakides, On the microstructure of open-cell foams and its effect on elastic properties, Int. J. Solids Struct. 45, 1845–1875 (2008).
• [16] M. Nowak, Analysis of deformation and failure of ceramic foam structures in application to numerical simulation of infiltration processes of alumina foam by liquid metal, PhD thesis in Polish, IPPT PAN, Warsaw (2014).
• [17] T. G. Nieh, K. Higashi, J. Wadsworth, Effect of cell morphology on the compressive properties of open-cell aluminum foams, Materials Science and Engineering. 283, 105–110 (2000).
• [18] J. Zhou, P. Shrotriya, W. O. Soboyejo, Mechanisms and mechanics of compressive deformation in open-cell al foams, Mechanics of Materials. 36, 781–797 (2004).
• [19] N. Michailidis, F. Stergioudi, H. Omar, D. N. Tsipas, An image-based reconstruction of the 3D geometry of an al open-cell foam and fem modeling of the material response, Mechanics of Materials. 42, 142–147 (2010).

Uwagi

EN

Financial support of Structural Funds in the Operational Program Innovative Economy (IE OP) financed from the European Regional Development Fund Project “Modern material technologies in aerospace industry”, Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 is gratefully acknowledged