Какви са свойствата на алуминиевата керамика?

Модулът на Юнг измерва твърдостта на материала и устойчивостта му на деформация при прилагане на сила върху него.

Модулът на Юнг измерва твърдостта на материалите и тяхната устойчивост на разтягане. Тъй като в реалните системи рядко се наблюдават условия на едноосно натоварване, при изпитването на стойностите на модула на Юнг трябва да се вземе предвид и изпитването на усукване.

Модул на Юнг

Модулът на Юнг измерва съотношението между еластичната деформация и напрежението за даден материал, като дава представа за неговата деформация при опън или натиск и за размера на деформацията при натоварване в определени точки между опорите. Модулът на Юнг играе съществена роля в инженерни приложения като проектиране на мостове и сгради, тъй като с него се прогнозира колко ще се разтегне един изотропен прът при опън или ще се сгъне при натиск - ключови свойства за инженерни приложения, в които материалите се използват като конструктивни елементи, като мостове и сгради; той също така играе съществена роля при измерване на деформацията при подлагане на натоварване между опори в точки между опорите - свойства, на които инженерите разчитат много.

Модулът на Юнг се променя в зависимост от температурата, което го прави безценно предимство при материалите за безразрушителен контрол (NDT) и огнеупорите. Температурно-индуцираните шокови повреди водят до намаляване на модулите на еластичност и коефициента на Поасон, докато демпфирането се увеличава. Системите Sonelastic(r) са в състояние да измерват динамичните еластични параметри (модул на Юнг, модул на срязване и съотношение на Поасон) и демпфирането на бетони и огнеупорни материали както при ниски, така и при високи температури.

Механичното охарактеризиране на ALD алуминиевия оксид е извършено с помощта на няколко измервателни техники, като инструментално наноиндентационно изпитване, изпитване на изпъкналост и въртене на показалец. Тези измервания дадоха възможност на изследователите да изчислят модула на Юнг, универсалната твърдост на Беркович, както и стойностите на вътрешните равнинни напрежения за този материал.

Модулът на еластичност на материала зависи от структурата и състава му, по-специално от междуатомната връзка на атомите в него, която може да се изчисли с уравнението E=B(E-B(E)). Модулът на Юнг при металите се променя с температурата поради промени в работната функция на електроните.

Механичните свойства на композитните материали могат да бъдат значително променени от посоката на приложената сила, известна като анизотропия, която е характерна за много материали. Модулът на Юнг на въглеродните влакна се увеличава, когато са натоварени успоредно на зърнестата си структура, отколкото когато са натоварени перпендикулярно; подобни принципи се прилагат за огнеупорите и бетоните - затова е важно да се знае дали даден материал е анизотропен или не.

Модул на еластичност

Модулът на еластичност е свойство на материала, което измерва неговата твърдост или устойчивост на еластична деформация при натоварване. Тази константа може да се изчисли от наклона на кривата напрежение-деформация на материала и да се изрази като налягане на единица площ (Pa или psi). По-високият модул на еластичност означава по-голяма устойчивост срещу деформация, без да се стига до повреда.

Високият модул на Юнг на алуминиевия оксид го прави подходящ за многобройни инженерни приложения поради способността му да издържа на значителни натоварвания, преди да се разруши. От съществено значение обаче е инженерите да разберат напълно как това свойство се променя с температурата поради потенциални въздействия от несъответствия между термичното разширение на частиците на матрицата и подсилващите частици или от остатъчни напрежения по време на производството или от счупване на частиците поради прогресивна деформация.

В тази статия се изследват еластичните свойства на алуминиев оксид и циркониева керамика при нагряване, по-специално изменението на еластичните им модули на опън и натиск. След това тези резултати се сравняват с конвенционални поликристални монокристали от алуминиев оксид и цирконий за целите на сравнението. Освен това се изследват променливите на изпичането върху еластичността на компактния прах, като например модула на Юнг или коефициента на Поасон, определени от комбинацията максимална температура/време за изпичане; по-специално се фокусира върху това какво влияе и какво не влияе върху плътността на материала.

Алуминиево-циркониевите прахови уплътнения имат значително по-голям модул на Юнг от монокристалните си аналози, въпреки че това свойство изглежда намалява с увеличаване на температурата поради промени в еластичния модул на циркониевата фаза, тъй като тя преминава между тетрагонална и моноклинова фаза по време на изпичането, както и поради увеличаване на модула на срязване за двете фази.

Изпитването със сонеластични системи както при стайна, така и при повишена температура, позволява точно характеризиране на еластичните свойства на стъклото, като стойностите на модула на срязване при компресия и коефициента на Поасон се изчисляват от измерванията на скоростта на компресионната/ срязващата вълна, направени при тези изпитвания. Тези данни могат да се използват за целите на контрола на качеството, например за определяне на плътността на изпечените керамични тела от измерванията на скоростта на разпространение.

Твърдост

Модулът на Юнг и твърдостта на керамичния материал от алуминий са ключови свойства, които трябва да се вземат под внимание, тъй като твърдостта измерва устойчивостта им на механично напрежение и деформация.

Твърдостта може да бъде измерена чрез измерване на силата, необходима за създаване на вдлъбнатина върху образеца. При този тест обикновено се използват контролирани натоварвания (например диамантени накрайници), които се прилагат директно върху повърхността на материала, след което се измерват всички получени вдлъбнатини. Алуминият се отличава с много по-висока твърдост от стоманата или волфрамовия карбид, което го прави подходящ за приложения, изискващи устойчивост срещу механично износване и абразия.

Твърдост на алуминокерамиката [31], частично спечената керамика обикновено се характеризира с анизометрична микроструктура с изпъкнали или вдлъбнати пори, които създават сложни йерархии от порни пространства, съставляващи микроструктурата ѝ, което дава на твърдостта на този материал допълнителна употреба като предсказващ фактор за други свойства като топлопроводимост [32,33].

Алуминият е изключително твърд материал, което се доказва с оценка 9 по скалата на Моос. Тази твърдост позволява на алуминиевия оксид да издържа на големи натоварвания, без да се напуква или чупи, което го прави популярен избор за промишлени приложения, като например износоустойчиви облицовки на улеи и конвейерни системи.

Инструментите за рязане, запалителните свещи и дебелослойните полупроводникови субстрати използват за своите свойства усъвършенствана техническа керамика, изработена от цирконий, така че нейното разработване също се превърна в съществен фактор.

Твърдостта на алуминиево-циркониевите композити може да бъде значително увеличена чрез добавяне на циркониева фазова трансформация в тяхната алуминиева матрица, което води до разширяване на обема на 3-5% и служи за възпрепятстване на разпространението на пукнатини при срязване в материалите с алуминиева матрица. Натоварването със ZrO2 повишава трикратно якостта на разрушаване на алуминиево-циркониевата керамика, като ZTA или Y-TZP, в сравнение с чистата алуминиева керамика, като ZTA или Y-TZP, над три пъти, поради намаления размер на кристалитите вследствие на натоварването със ZrO2 и по-твърдото шлифоване, което допълнително повишава износоустойчивостта на материала. Освен това наличието на мостове от зърна действа като "амортисьор", разсейвайки напреженията на опън в матрицата на чистата алуминиева матрица.

Коефициент на триене

Коефициентът на триене на материала се определя като съотношението между силата на триене и нормалната сила, измерено с трибометър, който прилага контролирани сили между две повърхности, и резултантното им взаимодействие; коефициентът на триене може да се различава в зависимост от условията на повърхността, температурата, нивата на смазване и други фактори, влияещи върху взаимодействието между повърхностите; освен това той влияе пряко върху загубата на енергия в механичните системи. Коефициентът на триене на алуминия играе особено важна роля поради тази пряка връзка с производителността на системата.

В това изследване са изследвани пет класа алуминиева керамика, плъзгащи се по инструментална стомана, както при сухи, така и при водно смазване. Резултатите от изследването показаха, че поведението при триене зависи от състава - по-специално от това колко силикатна стъкловидна фаза и цирконий са добавени - като тези с по-голямо количество добавени вещества имат по-ниска степен на износване от другите с по-малко съдържание на тези фази.

Алуминият с по-високо съдържание на силикатни стъкловидни фази и цирконий показва по-добра обработваемост; ниските количества на тези фази увеличават значително силите за обработка. Характеристиките на триене зависят и от ъглите на контакт между неговия трислоен слой и повърхностите на инструменталната стомана и тази грапавост.

Импулсното възбуждане е използвано за наблюдение на динамичния модул на Юнг на частично спечен алуминий между 1200 и 1600 градуса по Целзий и началото на уплътняването/спекането, като са получени резултати, които показват линейно намаляване на модула на Юнг с температурата до превишаване на температурата на изпичане. В този момент настъпва уплътняване/спичане, което води до експоненциални изменения на модула на Юнг, които съответстват на резултатите от еквивалентна пореста керамика при стайна температура.

В условия на статично натоварване са изследвани триенето и износването на композити от титанова сплав на базата на алуминий при статични натоварвания с образци B20 и A20 спрямо инструментална стомана. Резултатите показват, че първите имат по-нисък коефициент на триене (COF), което вероятно се дължи на образуването на преносен слой между стоманата и алуминия.