Optimization of Electrical Conductivity in Screw Extruded Wires: The effect of aluminium oxide particles on screw extruded wires of pure aluminium

Abstract

Elektrisk ledende tråder av en aluminium-matrise kompositt (aluminium matrix composite (AMC)) ble produsert gjennom kontinuerlig skrueekstrudering av metaller (Metal continuous screw extrusion (MCSE)). Kompositten bestod av kommersielt renaluminium (AA1370) som matrise og Al2O3 partikler som armeringsmateriale. Tre parametere ble variert ved produksjon av trådene; konsentrasjonen av Al2O3, partikkelstørrelsen av Al2O3 og materialmatehastigheter (AA1370 granuler og Al2O3 partikler). De ulike partikkelstørrelsene av Al2O3 partikler var 0.5 µm, 5 µm and 50 µm. Effekten Al2O3 partikler hadde på den elektriske ledningsevnen av trådene ble undersøkt gjennom resistansmålinger og kalkulasjon av elektrisk ledningsevne. Mikrostrukturen av trådene ble undersøkt via lysoptisk mikroskopi (LOM) og sveipelektronmikroskopi (SEM). Hardhetsmålinger og strekktester ble gjennomført for å undersøke trådenes mekaniske styrke. I tillegg ble en partikkelanalyse gjennomført ved prosessering av mikroskopbilder i programvaren ImageJ. Partikkelanalysen ga en estimert verdi av Al2O3 konsentrasjonen i trådene. En av parallellene som hadde høyest verdi for elektrisk ledningsevne oppnådde en elektrisk ledningsevne på (64.33 ± 0.26)%IACS og en maksimal strekkfasthet på (64.44 ± 0.76) MPa. Denne parallellen hadde den laveste Al2O3 konsentrasjonen (2.72 wt% Al2O3) og en spiral partikkelfordeling. Parallellen med den høyeste Al2O3 konsentrasjonen (7.47 wt% Al2O3) og en uniform partikkelfordeling hadde den laveste elektriske ledningsevnen med (56.54 ± 0.21)%IACS og en maksimal strekkfasthet på (99.45 ± 3.00) MPa. Det ble fastslått at den elektriske ledningsevnen til kompositten ble påvirket av konsentrasjonen og fordelingen av armeringspartiklene. Økende mengde armeringspartikler ledet til redusert elektriske ledningsevne av de skrueekstruderte trådene. Når det gjelder partikkelfordelingen hadde tråder med en spiral partikkelfordeling områder med store korn og lavt innhold av armeringspartikler, og dermed høy elektronmobilitet. I tråder med en uniform partikkelfordeling støter elektroner oftere på armeringspartikler og dermed blir elektronmobiliteten og den elektriske ledningsevnen redusert. Det var ikke mulig å vurdere hvilken effekt partikkelstørrelse hadde på den elektriske ledningsevnen. Det ble bevist at matehastigheten av materialet sterkt påvirket partikkelfordelingen, som igjen påvirket den mekaniske styrken av trådene. En uniform fordeling av partikler ble oppnådd ved lav matehastighet. Dette førte til sterke tråder på grunn av den finkornede mikrostrukturen som ble oppnådd gjennom "Zener pinning". En høy matehastighet førte til en spiral partikkelfordeling med en kompakt partikkelkjerne. Store korn ble observert mellom spiralringene da disse områdene var tilnærmet frie for partikler. En spiral partikkelfordeling la til rette for en mikrostruktur som inneholdt store korn, og dermed førte til svakere tråder. Egenskapene som ble oppnådd for de skrueekstruderte AA1370 trådene med Al2O3 ble ikke ansett som tilstrekkelige for å kunne fungere som konkurransedyktig elektriske ledere for øyeblikket. Skrueekstruderte tråder med en spiral partikkelfordelingen skaper imidlertid nye muligheter. Slike tråder kan potensielt fungere som hengende kraftledninger. Når det gjelder mating av armeringspartikler ble det fastslått at mating av armeringspartikler gjennom en skruemater ga en jevn strøm og fordeling av materiale.

Electrical conducting wires of an aluminium matrix composite (AMC) were successfully produced by the novel production method of metal continuous screw extrusion (MCSE). The AMC consisted of a matrix of commercially pure aluminium (AA1370) and Al2O3 particles as the reinforcement material. The wires were produced with three varying parameters: the concentration of Al2O3 particles, the particle size of Al2O3 and the feeding rates of material (AA1370 granules and Al2O3 particles). The different particle sizes of Al2O3 particles were 0.5 µm, 5 µm and 50 µm. The effect of Al2O3 particles on the electrical conductivity of the wires was investigated through resistance measurements and conductivity calculations. The microstructure of the wires was investigated through light optical microscopy (LOM) and scanning electron microscopy (SEM). Hardness measurements and tensile testing were performed to investigate the mechanical strength of the wires. In addition, a particle analysis was carried out by image processing of micrographs in the software ImageJ. The particle analysis yielded an estimation of the Al2O3 concentration of the wires. A parallel that exhibited one of the highest values for electrical conductivity obtained an electrical conductivity of (64.33 ± 0.26)%IACS with an ultimate tensile strength of (64.44 ± 0.76) MPa. This parallel had the lowest concentration of Al2O3 (2.72 wt% Al2O3) and a spiral particle distribution. The parallel with the highest Al2O3 concentration (7.47 wt% Al2O3) and a uniform particle distribution had the lowest electrical conductivity with (56.54 ± 0.21)%IACS and an ultimate tensile strength of (99.45 ± 3.00) MPa. It was established that the electrical conductivity of the composite was affected by the concentration and distribution of reinforcement particles. Increased amounts of reinforcement particles led to decreased electrical conductivity of the screw extruded wires. In terms of particle distribution, wires with a spiral distribution of particles possessed areas with large grains and a low presence of reinforcement particles, thus high electron mobility. In wires with a uniform particle distribution, electrons more frequently encounter reinforcement particles, subsequently reducing electron mobility and electrical conductivity. The effect of particle size on the electrical conductivity was not possible to assess. The feeding rate of material was proven to strongly influence the particle distribution and, therefore, affected the mechanical strength of the wires. A uniform distribution of particles was obtained by a low feeding rate. This leads to strong wires due to the fine-grained microstructure obtained by Zener pinning. A high feeding rate led to a spiral particle distribution with a dense core of particles. Large grains were observed between the spiral rings, as these areas were almost free of particles. Hence, a spiral particle distribution facilitated a microstructure that contained large grains, leading to weaker wires. The properties obtained for the screw extruded AA1370 wires containing Al2O3 were not considered sufficient in order to act as competitive electrical conductors at present. However, screw extruded wires with a spiral particle distribution creates new opportunities. Such wires could potentially serve as overhead power lines. Regarding the feeding of reinforcement particles, it was found that feeding of reinforcement particles through a screw feeder yielded an even flow and distribution of material.