Youngův modul oxidu hlinitého

Inženýři se spoléhají na Youngův modul, aby vyhodnotili, jak velké namáhání může materiál snést, než se trvale zdeformuje nebo selže, a aby navrhli konstrukce, které odolávají vnějším silám, aniž by se narušily nebo rozpadly.

Nedestruktivní zkoušky, jako je akustická a nanoindentace, představují účinné nástroje pro hodnocení mechanických vlastností materiálů; jejich požadavky na vzorky však mohou být omezené, což vede k méně rovnoměrným distribučním křivkám ve srovnání s tradičními metodami tahových zkoušek.

Youngův modul

Youngův modul, označovaný také jako modul pružnosti, měří schopnost materiálů odolávat deformaci. Inženýři potřebují znát Youngův modul, protože kvantifikuje odolnost proti vnějším silám a umožňuje jim navrhovat efektivnější systémy.

Pro stanovení Youngova modulu musí být vzorek materiálu nejprve vystaven vzrůstajícímu tahovému napětí, dokud není dosaženo meze pružnosti, a teprve poté se nechá vrátit do původních rozměrů, než je aplikováno nové napětí. Měření deformace provedené během tohoto procesu umožňuje vypočítat Youngův modul vynesením jeho sklonu na křivku napětí/deformace.

Zatímco tahová zkouška zůstává základní metodou měření Youngova modulu, její přesnost při měření deformace v mikroskopickém měřítku může být obtížná. Nanoindentace nabízí další přístup, který dokáže přesně zachytit hodnoty Youngova modulu v nanoměřítku - vyžaduje však zkušební zařízení s vysokým rozlišením a specializované nástroje pro přípravu vzorků k analýze.

Youngův modul oxidu hlinitého byl zkoumán dynamicky během procesu spékání a ukázal exponenciální závislost na pórovitosti, která je ve výborném souladu se statickými měřeními při pokojové teplotě. Dynamický Youngův modul navíc exponenciálně roste při vyšších teplotách, protože procesy zhušťování převažují nad procesy spékání.

Vzhledem k nižšímu modulu pružnosti oxidu hlinitého vyžaduje jeho natahování větší sílu než natahování podobných úseků ocelového materiálu, což z testování na Vernierově stupnici činí nezbytný způsob sběru přesných dat při tahových zkouškách. Inženýři budou mít prospěch z přesnějších výpočtů Youngova modulu, aby mohli tyto důležité informace využít při navrhování efektivnějších konstrukcí. Příklad: Použití oxidu hlinitého s nižším Youngovým modulem než u oceli může zajistit větší tuhost zubních náhrad a omezit praskání při působení síly, což zlepší komfort pacienta a zároveň sníží riziko selhání implantátu v důsledku nadměrného zatížení.

Poissonův poměr

Hliník se vyznačuje extrémně vysokým Youngovým modulem, takže je odolný proti deformaci. Bohužel jeho křehká povaha znemožňuje jeho použití v aplikacích vyžadujících plasticitu, jako jsou konstrukční součásti nebo řezné nástroje, a to z důvodu absence meze kluzu - proto je tak důležité porozumět jeho chování při namáhání.

Řešením je vibrační testování, při kterém se měří rezonanční frekvence objektu a hodnotí se tak jeho elastické vlastnosti. Při vibračních zkouškách se používají malé projektily, kterými se poklepává na vzorky, přičemž se pomocí snímačů zaznamenávají vibrační signály; ty se pak převádějí zpět na data ve frekvenční oblasti pomocí rychlé Fourierovy transformace a nakonec se využívají v softwaru navrženém speciálně pro jejich analýzu, aby se s vysokou přesností vypočítala rezonanční frekvence a určily pružné vlastnosti vzorků.

Poissonův poměr v oxidu hlinitém závisí na hustotě a buněčné struktuře jeho složení; přesné měření Poissonova poměru v oxidu hlinitém proto může být kvůli těmto proměnným obtížné. Přesto jej několik studií zkoumalo pomocí vibračních testů nebo jiných prostředků.

Jednou z takových metod je systém Sonelastic pro měření smyku, Poissonova poměru a tlumení. Zařízení měří rezonanční frekvence vzorků pomocí přesných drátěných podpěr, aby bylo možné určit moduly pružnosti materiálů s hrubou mikrostrukturou, jako jsou betony nebo žáruvzdorné materiály - měření se provádí jak při nízkých, tak při vysokých teplotách.

Normalizovaný Poissonův poměr v hliníkových pěnách se mění v závislosti na jejich relativní hustotě a nejlépe se modeluje pomocí mocninného zákona s exponentem 1,72 +- 0,10. Tato hodnota se dokonale shoduje s jinými formami hliníkových pěn a potvrzuje platnost měření, která byla na nich provedena. Alternativně by modely směsí nebo perkolace mohly vysvětlit, proč Poissonův poměr klesá se zvyšující se pórovitostí.

Dynamicky během spékání Youngův modul lineárně klesal s teplotou a při vyšších teplotách rychle rostl, jak pokračovaly procesy zhušťování. Dynamická měření Youngova modulu měla u tohoto vzorku podobné trendy jako statická měření při pokojové teplotě.

Pevnost v tahu

Hliník je díky své vynikající pevnosti v tahu jedním z nejpevnějších materiálů. Je schopen odolat velkému namáhání a napětí, aniž by praskl, takže je vhodný pro stavební projekty vyžadující materiály s vysokou pevností, a vyznačuje se také působivou odolností proti oděru, takže je vhodný pro komponenty, které budou vystaveny opotřebení.

Hliníková keramika je známá svou odolností vůči tepelným šokům, což znamená, že vydrží vysoké teploty, aniž by se náhlým zvýšením teploty poškodila. Díky tomu je oxid hlinitý ideální pro aplikace zahrnující vysoké teploty, jako je letecká technika nebo energetika. Kromě toho jeho vynikající elektrická vodivost umožňuje jeho použití v elektroinstalačních aplikacích nebo při zapojování jiných předmětů.

Zkouška tahem je jedním z nejlepších způsobů přesného měření Youngova modulu v materiálech, které spočívá v postupném zvyšování síly působící na vzorek až na mez pružnosti. V každém bodě tohoto procesu se provádí měření síly a průhybu v různých bodech na jeho cestě až do dosažení této oblasti pružnosti - a její sklon se vykreslí jako součást křivky napětí a deformace. Ačkoli tato metoda skvěle funguje při měření mechanických vlastností na úrovni mikroměřítek a nanorozměrů, k jejímu efektivnímu provedení může být zapotřebí specializované vybavení a odborné znalosti.

Existují však i jiné metody měření Youngova modulu, které poskytují přesnější výsledky než tahové zkoušky. Jednou z takových metod je nanoindentace AFM, která umožňuje přesné měření vlastního Youngova modulu materiálů; při této technice se konzola vybavená hrotem AFM ohýbá proti povrchu vzorku a z tohoto procesu se zaznamenávají křivky závislosti síly na výchylce.

Vědci mohou pomocí této metody porovnat hodnoty Youngova modulu u různých materiálů a určit, který z nich má nejvyšší vlastní hodnotu. Kromě toho lze tento přístup využít také k analýze vlivu poškození na hodnoty Youngova modulu materiálů.

Vědci také zjistili, že pórovitost oxidu hlinitého ovlivňuje jeho Youngův modul a Poissonův poměr. Zatímco předchozí studie braly v úvahu pouze kulový tvar pórů během zhušťování, tato nová studie bere v úvahu také všechny modifikace během zhušťování, které mění tvar pórů.

Odolnost proti tečení

Pomocí Youngova modulu inženýři určují, jak velké namáhání může materiál vydržet, než se trvale zdeformuje nebo selže, což inženýrům umožňuje vytvářet konstrukce schopné odolávat vnějším silám, aniž by se rozpadly nebo zřítily. Výzkumníci často využívají nedestruktivní metody testování, jako jsou ultrazvukové vlny, pro přesné výpočty Youngova modulu; měření rychlosti ultrazvukových vln umožňuje korelaci Youngova modulu s mikrostrukturou materiálu, velikostí zrn a charakteristikami pórovitosti žáruvzdorných materiálů.

Pružné vlastnosti oxidu hlinitého závisí na teplotě a procesu spékání a také na složení sklovitých fází přítomných na hranicích zrn. Tato druhá fáze může mít dramatický vliv na míru odolnosti proti tečení; při vystavení vysokým teplotám spékání se viskoelastická deformace výrazně zvyšuje, zatímco při nižších teplotách tento parametr lineárně klesá.

Hliník lze zpevnit přidáním prvků, které zvyšují koncentraci sklovité fáze a pevnost, a také zlepšením krystalové struktury pro zvýšení Youngova modulu a odolnosti proti tečení. Dopování La, Mg nebo Y může snížit teplotu slinování a zároveň snížit rychlost tečení při současném zvýšení pevnosti v tahu.

Na obrázku 11 jsou zobrazeny tahové fraktografy kompozitů ABOw/Al-12Si vyztužených whiskery při teplotách 350 a 400 °C, které vykazovaly makroskopicky křehký lom jako celek, ale mikroskopicky tvárný lom v lokálních oblastech, vykazující oddělování mezi matricí a whiskery, jakož i známky křemíkové fáze nebo fáze intermetalické sloučeniny na povrchu hliníku, což naznačuje, že mezifázové oddělování na povrchu při creepu bylo patrné na povrchu při creepu, přičemž na povrchu hliníku byly viditelné fáze křemíku nebo intermetalické sloučeniny, jak je patrné ze snímků povrchu při creepu (obr. 11).