Jaké jsou vlastnosti keramického oxidu hlinitého?

Youngův modul měří tuhost materiálu a jeho odolnost proti deformaci působením síly.

Youngův modul měří tuhost materiálů a jejich odolnost proti roztažení. Vzhledem k tomu, že v reálných systémech zřídka dochází k jednoosému zatížení, je třeba při zkouškách hodnot Youngova modulu zohlednit také zkoušky v krutu.

Youngův modul

Youngův modul měří poměr mezi pružnou deformací a napětím pro daný materiál a udává jeho deformaci v tahu nebo tlaku a velikost průhybu při zatížení v určitých bodech mezi podporami. Youngův modul hraje zásadní roli v technických aplikacích, jako je navrhování mostů a budov, protože předpovídá, jak moc se izotropní tyč roztáhne v tahu nebo stlačí v tlaku - což jsou klíčové vlastnosti pro technické aplikace, které používají materiály jako konstrukční prvky, jako jsou mosty a budovy; hraje také nedílnou roli při měření průhybu při zatížení mezi podporami v bodech mezi podporami - vlastnosti, na které inženýři velmi spoléhají.

Youngův modul se mění s teplotou, což z něj činí neocenitelný přínos pro nedestruktivní testování (NDT) materiálů a žáruvzdorných materiálů. Teplotou vyvolané poškození rázem vede k poklesu modulů pružnosti a Poissonova poměru, zatímco tlumení se zvyšuje. Systémy Sonelastic(r) jsou schopny měřit dynamické parametry pružnosti (Youngův modul, modul pružnosti ve smyku a Poissonův poměr) a tlumení betonů a žárovzdorných materiálů při nízkých i vysokých teplotách.

Mechanická charakterizace oxidu hlinitého ALD byla provedena pomocí několika měřicích technik, jako je instrumentální nanoindentace, testování vyboulení a rotace ukazatele. Tato měření umožnila výzkumníkům vypočítat hodnoty Youngova modulu, univerzální tvrdosti podle Berkoviče a také hodnoty vnitřního napětí v rovině tohoto materiálu.

Modul pružnosti materiálu závisí na jeho struktuře a složení, konkrétně na meziatomové vazbě atomů v něm, kterou lze vypočítat pomocí rovnice E=B(E-B(E)). Youngův modul se u kovů mění s teplotou v důsledku změn elektronové pracovní funkce.

Mechanické vlastnosti kompozitních materiálů se mohou významně měnit v závislosti na směru působící síly, což se označuje jako anizotropie, která je charakteristická pro mnoho materiálů. Youngův modul uhlíkových vláken se při zatížení rovnoběžném se strukturou jejich zrn zvyšuje, než když je zatížen kolmo; podobné principy platí i pro žáruvzdorné materiály a betony - je tedy nezbytné vědět, zda je daný materiál anizotropní, či nikoli.

Modul pružnosti

Modul pružnosti je vlastnost materiálu, která měří jeho tuhost nebo odolnost vůči pružné deformaci při namáhání. Tuto konstantu lze vypočítat ze sklonu křivky napětí a deformace materiálu a vyjádřit ji jako tlak na jednotku plochy (Pa nebo psi). Vyšší modul pružnosti znamená větší odolnost proti deformaci, aniž by došlo k poškození.

Díky vysokému Youngovu modulu je oxid hlinitý vhodný pro řadu technických aplikací, protože je schopen vydržet značné namáhání před porušením. Je však nezbytné, aby konstruktéři plně pochopili, jak se tato vlastnost mění s teplotou kvůli možným dopadům nesouladu mezi teplotní roztažností částic matrice a částic výztuže nebo zbytkovým napětím při výrobě či lomem částic v důsledku postupné deformace.

Tento článek se zabývá elastickými vlastnostmi oxidu hlinitého a zirkoniové keramiky při jejich zahřívání, konkrétně změnami jejich modulů pružnosti v tahu a tlaku. Tyto výsledky jsou pak pro účely srovnání porovnány s běžnými polykrystalickými monokrystaly oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého. Kromě toho jsou zkoumány proměnné vlivu výpalu na pružnost práškových kompaktů, jako je Youngův modul nebo Poissonův poměr, které jsou určeny kombinací špičkové teploty a času výpalu; konkrétně se zaměřují na to, co má a nemá vliv na hustotu materiálu materiálu.

Hlinitocirkoniové práškové kompakty mají výrazně větší Youngův modul než jejich monokrystalické protějšky, ačkoli se zdá, že tato vlastnost klesá se zvyšující se teplotou v důsledku změn modulu pružnosti zirkoniové fáze při jejím přechodu mezi tetragonální a monoklinickou fází během výpalu, jakož i nárůstu modulu pružnosti ve smyku u obou fází.

Zkoušky sonelastických systémů při pokojových i zvýšených teplotách umožňují přesnou charakterizaci elastických vlastností skla, přičemž hodnoty modulů pružnosti ve smyku a Poissonova poměru se vypočítávají z měření rychlosti tlakové/smykové vlny provedených při těchto zkouškách. Tyto údaje lze následně použít pro účely kontroly kvality, například pro odvození hustoty vypálených keramických těles z měření rychlosti jejich šíření.

Tvrdost

Youngův modul a tvrdost keramického materiálu z oxidu hlinitého jsou klíčové vlastnosti, které je třeba vzít v úvahu, protože tvrdost měří jejich odolnost vůči mechanickému namáhání a deformaci.

Tvrdost lze měřit měřením síly potřebné k vytvoření otisku na vzorku. Při této zkoušce se obvykle používá řízené zatížení (např. diamantovými hroty), které se aplikuje přímo na povrch materiálu, a následně se měří vzniklé otlaky. Hliník se může pochlubit mnohem vyšší tvrdostí než ocel nebo materiály z karbidu wolframu, takže je vhodný pro aplikace, které vyžadují odolnost proti mechanickému oděru a opotřebení.

Tvrdost keramiky z oxidu hlinitého [31], částečně slinutá keramika se obvykle vyznačuje anizometrickou mikrostrukturou s konvexními nebo konkávními póry, které vytvářejí složitou hierarchii pórových prostorů tvořících jejich mikrostrukturu, což dává tvrdosti tohoto materiálu další využití jako prediktoru dalších vlastností, jako je tepelná vodivost [32,33].

Oxid hlinitý je mimořádně tvrdý materiál, což dokládá jeho 9. stupeň na Mohsově stupnici. Díky této tvrdosti odolává oxid hlinitý velkému zatížení, aniž by praskal nebo se lámal, což z něj činí oblíbenou volbu pro průmyslové použití, například pro obložení žlabů a dopravníkových systémů odolné proti opotřebení.

Řezné nástroje, zapalovací svíčky a tlustovrstvé polovodičové substráty využívají pro své vlastnosti vyspělou technickou keramiku ze zirkonu, takže její vývoj se stal rovněž zásadním faktorem.

Tvrdost kompozitů oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého lze výrazně zvýšit přidáním fázové přeměny zirkonu do jejich matrice oxidu hlinitého, což vede k objemové expanzi 3-5% a slouží k potlačení šíření smykových trhlin v materiálech s matricí oxidu hlinitého. Přídavek ZrO2 zvyšuje lomovou houževnatost hlinitokřemičité keramiky, jako je ZTA nebo Y-TZP, více než trojnásobně oproti čisté hlinitokřemičité keramice, jako je ZTA nebo Y-TZP, a to v důsledku zmenšení velikosti krystalitů v důsledku přídavku ZrO2 a tvrdšího broušení, což dále zvyšuje odolnost materiálu proti opotřebení. Přítomnost přemostění zrn navíc působí jako "tlumič nárazů", který rozptyluje tahová napětí v matrici čistě korundové matrice.

Koeficient tření

Součinitel tření materiálu je definován jako poměr mezi třecí silou a normálovou silou, měřený tribometrem, který působí řízenými silami mezi dvěma povrchy, a jeho výslednou interakcí; součinitel tření se může lišit v závislosti na podmínkách povrchu, teplotě, úrovni mazání a dalších faktorech ovlivňujících interakci mezi povrchy; navíc přímo ovlivňuje energetické ztráty v mechanických systémech. Součinitel tření hliníku hraje obzvláště klíčovou roli kvůli tomuto přímému vztahu k výkonu systému.

V této studii bylo zkoumáno pět druhů korundové keramiky, které klouzaly po nástrojové oceli za sucha i za mazání vodou. Výsledky šetření ukázaly, že chování při tření závisí na složení - zejména na tom, kolik bylo přidáno křemičitanové sklovité fáze a zirkonu - přičemž ty, které měly přidáno více, měly nižší rychlost opotřebení než ostatní s menším obsahem těchto fází.

Hliník s vyšším obsahem silikátových sklovitých fází a zirkonu vykazuje lepší obrobitelnost; nízké množství těchto fází výrazně zvyšuje obráběcí síly. Třecí vlastnosti závisí také na kontaktních úhlech mezi jeho trojvrstvou a povrchem nástrojové oceli a na této drsnosti.

Ke sledování dynamického Youngova modulu částečně slinutého oxidu hlinitého mezi 1200 a 1600 stupni C a začátkem zhušťování/spékání bylo použito impulzní buzení, které přineslo výsledky, jež odhalily lineární pokles Youngova modulu s teplotou až do překročení teploty výpalu. V tomto okamžiku došlo ke zhutnění/spékání, což vedlo k exponenciálním změnám Youngova modulu, které se přesně shodovaly s výsledky ekvivalentní porézní keramiky při pokojové teplotě.

Za podmínek statického zatížení bylo studováno tření a opotřebení kompozitů titanových slitin na bázi oxidu hlinitého při statickém zatížení vzorků B20 a A20 proti nástrojové oceli. Výsledky ukázaly, že první z nich má nižší koeficient tření (COF), což lze pravděpodobně přičíst tvorbě přenosové vrstvy mezi ocelí a oxidem hlinitým.