Aluminas elastiske egenskaber og anvendelser

Aluminas høje Young-modul og tryk- og trækstyrke gør det til et meget velegnet materiale til tekniske anvendelser. Denne artikel giver en grundig gennemgang af disse nøgleegenskaber med numeriske beregninger som eksempler, der kan hjælpe ingeniører med at vælge eller designe materialer ud fra specifikke behov for egenskaber.

Denne artikel beskriver en undersøgelse, der sammenligner eksperimentelle og modelleringsmæssige tilgange til at forudsige det elastiske modul for en aluminiumoxidbelægning, der er afsat på aluminiumsunderlag, ved hjælp af tre- og firepunktsbøjningstest til mekanisk karakterisering.

Young's Modulus

Youngs modul er en materialeegenskab, der måler stivheden af et isotropisk, elastisk fast stof. Ingeniører bruger denne måling til at vurdere materialers deformationskapacitet og til at skabe strukturer, der kan modstå de belastninger, som ingeniører påfører dem. Youngs modul måler et materiales evne til at absorbere spændinger ved at måle dets elasticitet under både træk- og trykbelastninger.

Youngs modul for aluminiumoxid er blevet målt til at være ca. 69 gigapascal (GPa). Denne værdi er blevet bekræftet gennem både empiriske målinger og teoretiske beregninger, men kan variere baseret på temperatur, legeringssammensætning, krystalstruktur og fremstillingsproces - såsom ændring af det intermolekylære gitterarrangement eller bindingsmekanismer.

Ligesom metaller kan aluminas Young-modul også påvirkes af belastningshastigheden. Når der anvendes stigende belastningshastigheder, har dens Young-modul en tendens til at stige, men kan falde, hvis der anvendes for lidt belastning - denne følsomhed over for belastningshastigheden stammer fra ændringer i stresslokaliseringsmekanismer og deformationsmekanismer.

For at undgå dette fænomen er det vigtigt, at aluminiumoxidets Young's modul testes under både træk- og trykbelastning, og at testresultaterne sammenlignes med teoretiske værdier for at sikre, at de er nøjagtige. En måde at gøre dette på er nanoindentation - som bruger mindre prøver til mere præcise fordelingskurver sammenlignet med data i fuld skala; en anden tilgang bruger atomkraftmikroskopi, som måler elastiske egenskaber i selve materialet for at få mere pålidelige resultater.

Forskydningsmodul

Forskydningsmodulet er en nyttig egenskab til at måle materialers stivhed. Det giver indsigt i, hvor meget stress et materiale kan modstå, før der opstår permanent deformation eller svigt, hvilket gør det muligt at forudsige, hvordan strukturer vil reagere på eksterne kræfter og vurdere, hvor godt et materiale modstår revnedannelse eller smuldring under stress.

Forskydningsmodulet kan beregnes med formlen G=Gi. Hvor i er forskydningsmodulet, masse er masse, og forskydningskonstant er forskydningskonstant (k). Det måler materialets modstandsdygtighed over for bøjning; almindeligvis udtrykt i pascal (Pa).

Aluminiumoxidets forskydningsmodul kan måles ved hjælp af forskellige tilgange. En sådan teknik bruger nanoindentationer, som kræver mindre prøver end traditionelle trækprøver, men giver mere regelmæssige fordelingskurver for større nøjagtighed. En anden måde er ved at udføre direkte forskydningstest, hvor man påfører et objekt forskydningskræfter med konstant hastighed og måler forskydningsmodulet over tid.

Forskellige materialer har forskellige forskydningsmoduler, hvilket kan forklares med deres struktur. For eksempel vil tyndere plader typisk have lavere forskydningsmoduler end tykkere, fordi de har mindre overfladeareal og derfor skal belastes mere, før der sker en belastning.

Forskydningsmodulet for aluminiumoxid kan variere med temperaturen, da det ændrer sig under brændingsprocessen og efter at have nået den endelige temperatur. Disse variationer kan skyldes legeringssammensætning, krystalstruktur eller fremstillingsprocesser, der påvirker aluminiumoxidmaterialets elastiske egenskaber, og de bør derfor forstås, så man bedre kan vurdere de virkninger, de måtte have.

Poissons forhold

Poissons tal måler volumenændringen, når et materiale udsættes for ensrettet belastning, beregnet som forholdet mellem tværgående belastning og aksial belastning. Et materiale med et negativt Poisson-tal vil udvise større volumenudvidelse, når det udsættes for træk end for tryk, selv om dets gennemsnitlige Poisson-tal typisk ligger et sted tæt på 0,55. Mikroporøse materialer og kompositter udviser ofte markant anderledes Poisson-tal end deres almindelige modstykker.

Ingeniører bruger Youngs modul til at bestemme, hvor meget stress et materiale kan modstå, før det deformeres permanent eller svigter, hvilket hjælper dem med at skabe strukturer, der pålideligt modstår eksterne kræfter. Aluminiumoxid har f.eks. en ekstremt høj Young's modulus-værdi og anvendes i vid udstrækning i tekniske anvendelser.

Ingeniører bruger forskellige teknikker til at fremstille aluminiumoxidkeramik med det helt rigtige porøsitetsniveau, herunder direkte skumning, replikateknik, tørpresning og isostatisk presning. Grønne legemer formes typisk ved hjælp af disse metoder, før de udsættes for stresstest for at vurdere deres elastiske egenskaber.

Disse tests kan omfatte tre- eller firepunktsbøjning for at bestemme aluminiumoxidmaterialets elasticitetsmodul. Ved at sammenligne testresultaterne med de beregnede værdier for de fysiske egenskaber gør denne tilgang det også muligt at forudsige materialets opførsel under forskellige miljø- og vejrforhold.

Forudsigelse af det elastiske modul i aluminiumoxidkeramik med relativ nøjagtighed kræver brug af en iterativ proces, der kombinerer eksperimentelle data og resultater af en finite element-model. I denne test blev modellen anvendt på belægninger, der var afsat på aluminiumsunderlag, og som gennemgik tre- og firepunktsbøjningstest; resultatet var en nøjagtig forudsigelse af disse belægningers elasticitetsmodul samt mekaniske egenskaber for andre porøse aluminiumoxidkeramikker.

Kompressionsstyrke

Materialers trykstyrke refererer til deres maksimale spændingskapacitet under knusningsbelastning uden at splintre eller svigte, hvilket gør denne egenskab af stor betydning, når man vælger beton- eller stålbrobjælkematerialer til specifikke anvendelser som f.eks. trykstyrke. Målinger af trykstyrke kan omfatte enaksial trækprøvning eller nanoindentationstest, som giver ikke-destruktive og mere nøjagtige resultater end traditionelle trækprøvninger.

Nanoindentationstests anvender en fin spids, der vibrerer mod det materiale, der testes, måler de kræfter, der udøves på det, og bruger disse data til at beregne materialets elasticitetsmodul. Da disse tests kun bruger små materialeprøver til testformål, giver deres resultater en mere præcis fordeling end traditionelle træktestmetoder.

Ultralydsvibrationsanalyse er en anden effektiv metode til at måle materialers elasticitetsmodul. Denne tilgang indebærer, at man banker på prøver med projektiler, optager deres vibrationssignaler til analyse og derefter bruger disse oplysninger til at fastlægge langsgående og tværgående akustiske resonansfrekvenser, hvilket giver nøjagtige beregninger af elasticitetsmodulværdier.

Aluminas elastiske egenskaber bestemmes af dens densitet og Poissons forhold, som begge ændrer sig med temperaturen. Poissons tal har en tendens til at falde med stigende temperatur, men stiger igen, når det når fyringstemperaturen for sintring på grund af grafitakkumulering eller større kornstørrelser, der forstyrrer sintringsprocesserne.

Temperatur, legeringssammensætning og krystalstruktur har alle en effekt på metallers elastiske egenskaber; deres elasticitetsmodul afhænger også af variabler i fremstillingsprocessen som f.eks. orientering under valsning; denne effekt er mest udtalt for BCC-metaller som konventionelt stål og højstyrkestål.

Trækstyrke

Ingeniører bruger brudstyrke som et mål for materialers modstandsdygtighed over for ydre kræfter uden at blive knust eller gå i stykker, som f.eks. knusning eller brud på strukturer. At forudsige denne værdi kræver indgående kendskab til elastisk mekanik samt nøjagtige målinger.

Poissons forhold er en af de vigtigste faktorer for materialestyrke. Aluminiumoxid skiller sig ud ved at have et meget lavt Poisson-tal, hvilket betyder, at dets elasticitetsmodul er lavere end sammenlignelige metaller - og dermed gør det skrøbeligt og sårbart over for brud under belastning.

For at bestemme et materiales trækstyrke skal der udføres en træktest for at skabe en stress-tøjningskurve. Det indebærer, at man påfører en konstant kraft, mens man måler afbøjningen for at fastslå, hvor stor en forlængelse en prøve kan udholde, før den går i stykker under spænding.

En ideel træktest indebærer, at en prøve placeres mellem to skruestikker og strækkes, indtil den bryder sammen. Denne måling sammenlignes derefter med den oprindelige revnevolumen ved den maksimale belastning/forstrækning for at fastslå dens styrke og bestemme trækstyrken.

Der kan dog også bruges andre tests til at få mere indsigt i en prøves trækstyrke. En sådan metode kaldes den dynamiske brasilianske disktest, som involverer kontinuerlig forlængelse af en prøve, mens der dannes revner på forskellige punkter langs dens længde, og måling af spænding og belastning på det sted, hvor revnen først dukkede op med et ultrahøjhastighedskamera, før trækstyrken beregnes ved hjælp af korrektionsmetoder; brudflader på en aluminiumoxidprøve undersøges ved hjælp af scanning-elektronmikroskopi for at forstå dens fejlmekanisme.