ما هي خصائص سيراميك الألومينا؟

يقيس معامل يونج صلابة المادة ومقاومتها للتشوه من خلال تطبيق القوة عليها.

يقيس معامل يونج صلابة المواد ومقاومتها للتمدد. نظرًا لأن الأنظمة الحقيقية نادرًا ما تتعرض لظروف تحميل أحادية المحور، ينبغي أيضًا مراعاة اختبار الالتواء عند اختبار قيم معامل يونج.

معامل يونغ

يقيس معامل يونج النسبة بين الإجهاد المرن والإجهاد لأي مادة معينة، مما يوفر مؤشراً على تشوهها تحت الشد أو الانضغاط ومقدار الانحراف عند تعرضها لأحمال عند نقاط محددة بين الدعامات. يلعب معامل يونج دورًا أساسيًا في التطبيقات الهندسية مثل تصميم الجسور والمباني حيث يتنبأ بمدى تمدد قضيب متساوي الخواص تحت الشد أو الانضغاط تحت الضغط - وهي خصائص أساسية للتطبيقات الهندسية التي تستخدم المواد كعناصر تصميم إنشائي مثل الجسور والمباني؛ كما أنه يلعب دورًا أساسيًا عند قياس الانحراف عند تعريض الأحمال بين الدعامات عند نقاط بين الدعامات - وهي خصائص يعتمد عليها المهندسون بشكل كبير.

يتغير معامل يونج مع تغير درجة الحرارة، مما يجعله أحد الأصول التي لا تقدر بثمن في مواد الاختبار غير التدميرية (NDT) والحراريات. يؤدي التلف الناتج عن الصدمات الناجم عن درجة الحرارة إلى انخفاض في معاملات المرونة ونسبة بواسون بينما يزداد التخميد. إن أنظمة Sonelastic(r) قادرة على قياس معاملات المرونة الديناميكية (معامل يونج ومعامل القص ونسبة بواسون) وتخميد الخرسانة والمواد الحرارية في درجات الحرارة المنخفضة والعالية على حد سواء.

تم إنجاز التوصيف الميكانيكي للألومينا المستضدة بالحرارة باستخدام العديد من تقنيات القياس مثل اختبار الانتفاخ باستخدام أجهزة القياس مثل اختبار الانتفاخ ودوران المؤشر. مكّنت هذه القياسات الباحثين من حساب معامل يونغ وصلابة بيركوفيتش العالمية بالإضافة إلى قيم الإجهاد الداخلي لهذه المادة.

يعتمد معامل مرونة المواد على بنيتها وتركيبها؛ وتحديداً الترابط بين الذرات داخلها، والذي يمكن حسابه بالمعادلة E=B(E-B(E)(E-B(E)). يتغير معامل يونج في المعادن مع تغير درجة الحرارة بسبب التغيرات في دالة الشغل الإلكتروني.

قد تتغيّر الخواص الميكانيكية للمواد المركبة بشكل كبير حسب اتجاه القوة المطبقة، وهو ما يُعرف باسم تباين الخواص الذي يميز العديد من المواد. يزداد معامل يونغ في ألياف الكربون عند تحميلها بشكل موازٍ لبنية حبيباتها أكثر من تحميلها بشكل عمودي؛ وتنطبق مبادئ مماثلة على الحراريات والخرسانات - وبالتالي من الضروري أن يعرف المرء ما إذا كانت مادة معينة متباينة الخواص أم لا.

معامل المرونة

المعامل المرن هو خاصية المادة التي تقيس صلابتها أو مقاومتها للتشوه المرن تحت الإجهاد. ويمكن حساب هذا الثابت من ميل منحنى الإجهاد-الإجهاد للمادة، ويعبّر عنه بالضغط لكل وحدة مساحة (Pa أو psi). ارتفاع معامل المرونة يعني مقاومة أكبر ضد التشوه دون حدوث تلف.

إن معامل يونغ العالي لأكسيد الألومينا يجعله مناسبًا للعديد من التطبيقات الهندسية نظرًا لقدرته على تحمل الإجهاد الكبير قبل أن ينكسر. ومع ذلك، من الضروري أن يفهم المهندسون تمامًا كيفية اختلاف هذه الخاصية مع درجة الحرارة بسبب التأثيرات المحتملة من عدم التطابق بين عدم التطابق بين عدم التطابق بين التمدد الحراري لجزيئات المصفوفة وجزيئات التسليح أو بسبب الضغوط المتبقية أثناء التصنيع أو كسر الجسيمات بسبب التشوه التدريجي.

تبحث هذه المقالة في الخصائص المرنة لأكسيد الألومينا وسيراميك الزركونيا عند تسخينها، وتحديدًا تباينها في معاملات الشد والضغط المرنة. ثم تتم مقارنة هذه النتائج مع بلورات الألومينا والزركونيا الأحادية متعددة البلورات التقليدية لأغراض المقارنة. وبالإضافة إلى ذلك، يتم استكشاف متغيرات الحرق على مرونة المسحوق المضغوط مثل معامل يونج أو نسبة بواسون كما هو محدد من خلال مزيج درجة الحرارة/الوقت الأقصى للحرق؛ مع التركيز بشكل خاص على ما يؤثر وما لا يؤثر على كثافة المادة.

تتمتع مساحيق الألومينا-زركونيا المضغوطة بمعامل يونج أكبر بكثير من نظيراتها أحادية البلورة، على الرغم من أن هذه الخاصية يبدو أنها تنخفض مع زيادة درجة الحرارة بسبب التغيرات في معامل المرونة لمرحلة الزركونيا أثناء انتقالها بين المرحلة رباعية الزركونيا وأحادية السلسلة أثناء الحرق وكذلك الزيادات في معامل القص لكلا المرحلتين.

يسمح اختبار الأنظمة الصوتية المرنة في كل من درجات حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة بتوصيف دقيق لخصائص مرونة الزجاج، حيث يتم حساب قيم معاملات معامل القص الانضغاط ونسبة بواسون من قياسات سرعة موجات الضغط/القص المأخوذة في هذه الاختبارات. يمكن بعد ذلك استخدام هذه البيانات لأغراض مراقبة الجودة مثل استنتاج كثافة الجسم الخزفي المحروق من قياسات سرعة انتشارها.

الصلابة

يُعد معامل يونغ وصلابة مادة سيراميك الألومينا من الخصائص الرئيسية التي يجب ملاحظتها، حيث تقيس الصلابة مقاومة المادة للإجهاد الميكانيكي والتشوه.

يمكن قياس الصلابة بقياس القوة المطلوبة لإحداث مسافة بادئة على العينة. ويستخدم هذا الاختبار عادةً أحمالاً مضبوطة (مثل أطراف الماس) يتم تطبيقها مباشرةً على سطح المادة، ثم قياس أي فجوات ناتجة. تتميز الألومينا بصلابة أعلى بكثير من مواد الفولاذ أو كربيد التنغستن، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة ضد التآكل والتآكل الميكانيكي.

صلابة سيراميك الألومينا [31]، عادةً ما يتميز السيراميك الملبد جزئيًا ببنى مجهرية متباينة ذات مسام محدبة أو مقعرة تخلق تراتبية معقدة من الفراغات المسامية التي تشكل بنيتها المجهرية، مما يعطي صلابة هذه المادة استخدامًا إضافيًا كمؤشر تنبؤي لخصائص أخرى مثل التوصيل الحراري [32،33].

الألومينا مادة صلبة بشكل استثنائي، كما يتضح من تصنيفها 9 على مقياس موس. وتتيح هذه الصلابة للألومينا تحمل الأحمال الثقيلة دون تشقق أو تكسر، مما يجعلها خيارًا شائعًا للاستخدامات الصناعية مثل بطانات أنظمة المزالق والناقلات المقاومة للتآكل.

تستخدم جميع أدوات القطع وشمعات الإشعال وركائز أشباه الموصلات ذات الأغشية السميكة السيراميك التقني المتقدم المصنوع من الزركونيا لخصائصها، لذا أصبح تطويره أيضًا عاملًا أساسيًا.

يمكن زيادة الصلابة في مركبات الألومينا-زركونيا بشكل كبير عن طريق إضافة تحول طور الزركونيا إلى مصفوفة الألومينا الخاصة بها، مما يؤدي إلى توسع حجم 3-5% ويعمل على منع انتشار تشقق القص في مواد مصفوفة الألومينا. يعزّز تحميل ZrO2 صلابة الكسر لسيراميك الألومينا-زركونيا مثل ZTA أو Y-TZP بثلاثة أضعاف مقارنةً بسيراميك الألومينا النقي، مثل ZTA أو Y-TZP، بأكثر من ثلاثة أضعاف، بسبب انخفاض حجم البلورات بسبب تحميل ZrO2 وصلابة الطحن، مما يزيد من مقاومة التآكل للمواد. علاوةً على ذلك، يعمل وجود سد الحبيبات مثل "ممتص الصدمات"، حيث يعمل على تشتيت إجهادات الشد داخل مصفوفة مصفوفة الألومينا النقية.

معامل الاحتكاك

يُعرّف معامل الاحتكاك للمادة بأنه النسبة بين قوة الاحتكاك والقوة العمودية، ويقاس بمقياس الاحتكاك الذي يطبق قوى محكومة بين سطحين والتفاعل الناتج عنه؛ ويمكن أن يختلف معامل الاحتكاك تبعاً لظروف السطح ودرجة الحرارة ومستويات التزييت وعوامل أخرى تؤثر على التفاعل بين الأسطح؛ وعلاوة على ذلك فإنه يؤثر بشكل مباشر على فقدان الطاقة داخل الأنظمة الميكانيكية. يلعب معامل احتكاك الألومينا دوراً رئيسياً بشكل خاص بسبب هذه العلاقة المباشرة بأداء النظام.

في هذه الدراسة، تم فحص خمس درجات من سيراميك الألومينا المنزلق على فولاذ الأدوات في ظل ظروف جافة ومشحمة بالماء. أظهرت نتائج البحث أن السلوك الاحتكاكي يعتمد على تركيبها - وعلى وجه الخصوص، مقدار ما تمت إضافته من طور السيليكات الزجاجية والزركونيا - حيث أن تلك التي تحتوي على نسبة أكبر من المواد المضافة لها معدلات تآكل أقل من غيرها التي تحتوي على نسبة أقل من هذه المراحل.

تُظهر الألومينا التي تحتوي على محتويات أعلى من المراحل الزجاجية السيليكاتية والزركونيا قابلية تشغيل آلي فائقة؛ حيث تزيد الكميات المنخفضة من هذه المراحل من قوى التشغيل الآلي بشكل كبير. وتعتمد خصائص الاحتكاك أيضًا على زوايا التلامس بين الطبقة الثلاثية وأسطح فولاذ الأداة وهذه الخشونة.

تم استخدام الإثارة النبضية لرصد معامل يونج الديناميكي للألومينا الملبدة جزئيًا بين 1200 و1600 درجة مئوية وبدأ التكثيف/التلبيد، مما أسفر عن نتائج كشفت عن انخفاض خطي لمعامل يونج مع درجة الحرارة حتى تجاوز درجة حرارة الحرق. عند هذه النقطة، حدث التكثيف/التلبد، مما أدى إلى تغيرات أسية في معامل يونج تتماشى بشكل وثيق مع نتائج درجة حرارة الغرفة من السيراميك المسامي المكافئ.

في ظل ظروف التحميل الساكن، تمت دراسة احتكاك وتآكل مركبات سبائك التيتانيوم القائمة على الألومينا في ظل أحمال ساكنة مع كل من عينات B20 وA20 مقابل فولاذ الأدوات. أظهرت النتائج أن الأولى كان لها معامل احتكاك أقل (COF)، وهو ما يُعزى على الأرجح إلى تكوين طبقة نقل بين الفولاذ والألومينا.