Youngův modul oxidu hlinitého

Youngův modul oxidu hlinitého je základní vlastností materiálu, která umožňuje inženýrům navrhovat konstrukce schopné odolávat vnějšímu namáhání. Chcete-li jej určit, vystavte vzorek postupně se zvyšujícímu tahovému zatížení a změřte jeho chování v závislosti na síle a posunutí.

Šestihranný oxid hlinitý je jednou z nejpoužívanějších technických keramik díky svému vysokému Youngovu modulu a nízké tepelné roztažnosti a také díky vysoké odolnosti za všech podmínek prostředí a schopnosti odolávat mechanickému namáhání.

Hustota

Hliník je mimořádně pevný materiál s extrémně vysokým Youngovým modulem, který odolává mechanickému namáhání, takže je vhodný k ochraně jiných materiálů před vibracemi a rázovými vlnami, které je poškozují. Bohužel však jeho hustota nedosahuje hustoty oceli a titanu, což omezuje jeho použitelnost v aplikacích, kde hraje důležitou roli hmotnost; tato nižší hustota navíc zvyšuje náklady ve srovnání s konkurenčními kovy.

Hustota oxidu hlinitého se může pohybovat od 2,1 do 3,5 g cm-3 v závislosti na jeho krystalické struktuře a fázi, nejčastěji hexagonální alfa fázi, která se vyznačuje vysokým Youngovým modulem, nízkou tepelnou roztažností a vynikajícími vlastnostmi žáruvzdornosti. Kromě toho má oxid hlinitý ve fázi alfa dobré elektrické vlastnosti i chemickou odolnost, takže je vhodný pro mnoho použití včetně pevnostních aplikací.

Molekulárně dynamické simulace ukázaly, že modul pružnosti porézního oxidu hlinitého závisí na jeho lokální atomové konfiguraci, která je určena párovými radiálními distribučními funkcemi, rozložením vazebných úhlů a simplexovou statistikou. Dále lze pomocí těchto vlastností získat matematické výrazy pro hustotu oxidu hlinitého.

Jednou z nejspolehlivějších metod měření Youngova modulu je tahová zkouška. Při této metodě je vzorek vystaven postupně se zvyšujícímu tahu, dokud není dosaženo meze pružnosti; po celou dobu se měří síla a průhyb, které se vykreslí na křivku napětí a deformace; její sklon nám umožňuje vypočítat Youngův modul.

K přesnému vyhodnocení Youngova modulu materiálů z oxidu hlinitého lze použít také instrumentální nanoindentaci, zkoušky otáčením ukazatele a měření průhybu, protože poskytují výsledky bez poškození vzorků; tyto techniky jsou zvláště výhodné při vyhodnocování porézních materiálů, kde se hodnoty pórovitosti a Youngova modulu mohou u jednotlivých vzorků značně lišit.

Poissonův poměr

Poissonův poměr měří, jak moc se materiál při deformaci rozpíná, což je zásadní vstup do modelů konečných prvků, které vyžadují přesné měření deformace. K tomuto měření mohou pomoci tenzometry namontované přímo na vzorky nebo kontaktní extenzometry s několika jednoosými nebo dvouosými extenzometry a také bezkontaktní laserové extenzometry.

Poissonův poměr měří míru, do jaké se materiály při ohýbání do kruhových tvarů rozpínají pod tlakem v jednom směru; pokud k tomu dojde, může se jejich střed jevit mnohem silnější než okraje. Poissonův poměr navíc slouží jako efektivní měřítko jejich směrové pevnosti, což se může ukázat jako neocenitelné při navrhování konstrukcí letadel nebo kosmických lodí.

Díky vysokému Youngovu modulu je oxid hlinitý vynikajícím materiálem pro mnoho strojírenských aplikací, včetně odolnosti proti tuhosti bez lomů a absorpce rázových vln pro snížení poškození mechanických systémů. Kromě toho je díky své odolnosti vůči hydrotermálnímu stárnutí a nízké energii lomu oxid hlinitý vynikající volbou materiálu i v lékařství.

Jeho vysoký Youngův modul však také znamená, že není tak plastický jako jiné materiály a při zatížení v tlaku nebo tahu se téměř okamžitě láme, takže oxid hlinitý není vhodný pro aplikace vyžadující plasticitu, jako jsou konstrukční součásti nebo řezné nástroje.

Inženýři zkoumají různé způsoby, jak zvýšit Youngův modul oxidu hlinitého, aby optimalizovali jeho výkon. Jedna z technik zahrnuje zvýšení hustoty přidáním oxidu křemičitého nebo zirkonia. Jiný přístup využívá nový proces syntézy, který produkuje syntetický g-hliník s nižší pórovitostí a zvýšením Youngova modulu než jeho tradiční spékací techniky, přičemž vykazuje větší odolnost proti poškození tepelným šokem než tradiční metody, jako jsou tradiční spékací techniky. Pružné vlastnosti oxidu hlinitého lze navíc přesně charakterizovat pomocí nedestruktivních zkušebních metod, jako jsou Sonelastic Systems, které přesně charakterizují pružné vlastnosti při pokojových teplotách i při nízkých nebo vysokých teplotách.

Teplota

Youngův modul oxidu hlinitého je neocenitelným měřítkem jeho pevnosti a odolnosti proti deformaci a také toho, kolik energie může absorbovat, než se zlomí. Inženýři tuto hodnotu hojně využívají při vývoji pevnějších a zároveň lehčích materiálů - vyšší Youngův modul totiž znamená tužší vlastnosti materiálu.

Youngův modul oxidu hlinitého se mění s teplotou v důsledku změn hustoty, které ovlivňují jeho elastické vlastnosti; navíc tento aspekt jeho vlastností ovlivňuje také mikrostruktura a chemické složení.

Youngův modul oxidu hlinitého může být také ovlivněn jeho čistotou. Vyšší stupeň čistoty zvyšuje hustotu a zlepšuje mechanické vlastnosti materiálu, což má vliv na Youngův modul.

Youngův modul se zvyšuje s rostoucí úrovní čistoty keramiky; jeho vliv se však při vysokých teplotách snižuje; proto by se v případě potřeby odolnosti vůči vysokým teplotám měly upřednostňovat nekrystalické materiály.

Hliník se může pochlubit vysokým Youngovým modulem, což z něj činí vynikající konstrukční materiál pro aplikace vyžadující vysokou odolnost proti tepelným šokům. Zejména šestihranný oxid hlinitý odolává extrémním podmínkám prostředí a zároveň má nízkou teplotu tání - tyto vlastnosti činí šestihranný oxid hlinitý obzvláště vhodným pro letecké a kosmické strojírenské aplikace.

Youngův modul v práškovém oxidu hlinitém může být také ovlivněn teplotou, složením slitiny a krystalovou strukturou. Například přidání legujících prvků může změnit jeho mezimolekulární vazebné uspořádání. Proto je velmi důležité, aby člověk těmto faktorům porozuměl před použitím tohoto materiálu pro konkrétní aplikaci.

Nanoindentace nabízí jeden z přístupů k měření Youngova modulu práškového oxidu hlinitého. Tato metoda vyžaduje menší velikost vzorku a poskytuje distribuční křivky častěji než tradiční tahové zkoušky.

Impulsní buzení bylo použito ke zkoumání teplotní závislosti Youngova modulu a tlumení oxidu hlinitého, přičemž byly sledovány změny u částečně slinutých vzorků zahřátých od pokojové teploty do 1600 °C. Výsledky ukázaly, že jeho Youngův modul s rostoucí teplotou plynule roste podle ideální hlavní křivky.

Ultrazvukové měření

Hliník se může pochlubit vysokým Youngovým modulem, takže je vhodný pro řadu aplikací. Jeho křehkost ho však bohužel diskvalifikuje pro aplikace, které vyžadují plasticitu, jako jsou konstrukční prvky a řezné nástroje; navíc při zatížení v tlaku a tahu selhává okamžitě, místo aby se postupně deformoval v čase.

Byla vytvořena nedestruktivní metoda měření elastických konstant kovových slitin založená na ultrazvuku. Pomocí digitální korelační techniky byl navržen nový nedestruktivní způsob získávání Poissonova poměru a modulu pružnosti pomocí vibrací vzorků - tento způsob vyžaduje podstatně menší velikost vzorků než konvenční tahové zkoušky, ale poskytuje distribuční křivky s větší pravidelností než jiné techniky.

Youngův modul oxidu hlinitého je určen tím, jak se mění meziatomové síly v závislosti na vzdálenosti. Kromě toho hraje zásadní roli úroveň jeho čistoty; výzkum ukazuje, že Youngův modul lineárně koreluje s úrovní čistoty (viz obrázek 4.8).

V tomto výzkumu byl Youngův modul oxidu hlinitého stanoven pomocí ultrazvuku s konverzí módu ve skenovacím akustickém mikroskopu (SAM). Byly zachyceny podélné a smykové vlny uvnitř vzorku oxidu hlinitého, aby bylo možné vypočítat rychlost vlnění a stanovit elastickou konstantu tohoto materiálu. Tuto vysoce citlivou a zároveň přesnou techniku lze použít při různých teplotách prostředí k vyhodnocení vlastností tohoto materiálu.

Teplota, složení a krystalická struktura mají vliv na Youngův modul oxidu hlinitého; jeho elastické vlastnosti navíc závisí na dalších materiálech, jako jsou částice karbidu křemíku (SiC), které zvyšují Youngův modul více než desetkrát. Experimentální data byla následně porovnána s výsledky simulací a teoretickými modely, aby bylo možné určit vlastní hodnotu Youngova modulu.

Byly provedeny nedestruktivní studie modulů pružnosti vysoce hlinitých odlitků od pokojové teploty do 1600 stupňů Celsia, přičemž byly sledovány změny Youngova modulu a Poissonova poměru s rostoucí teplotou. Další experimenty zahrnovaly kvantitativní rentgenovou difrakci, dilatometrii a měření plochy povrchu, aby se tato zkoumání doplnila. Výsledky ukazují, že Poissonův poměr s rostoucí teplotou postupně klesá, ale po dosažení původní teploty výpalu prudce stoupá v důsledku pokračujícího spékání, které vede k náhlému zvýšení Youngova modulu.

cs_CZCzech
Přejít nahoru