Alumiinioksidin elastiset ominaisuudet ja sovellukset

Alumiinioksidin korkea Youngin moduuli sekä puristus- ja vetomurtolujuus tekevät siitä erittäin sopivan materiaalin teknisiin sovelluksiin. Tässä artikkelissa tarkastellaan perusteellisesti näitä keskeisiä ominaisuuksia ja esitetään esimerkkeinä numeerisia laskelmia, jotka auttavat insinöörejä, kun he valitsevat tai suunnittelevat materiaaleja erityisten ominaisuustarpeiden perusteella.

Tässä artikkelissa esitellään yksityiskohtaisesti tutkimus, jossa verrataan kokeellisia ja mallinnuksellisia lähestymistapoja alumiinialustalle pinnoitetun alumiinioksidipinnoitteen kimmomoduulin ennustamiseksi käyttäen mekaaniseen karakterisointiin kolmi- ja nelipistetaivutuskokeita.

Youngin moduuli

Youngin moduuli on materiaaliominaisuus, joka mittaa isotrooppisen elastisen kiinteän aineen jäykkyyttä. Insinöörit käyttävät tätä mittausta arvioidakseen materiaalin muodonmuutoskykyä sekä luodakseen rakenteita, jotka kestävät insinöörien käyttämät rasitukset. Youngin moduuli mittaa materiaalin kykyä ottaa vastaan jännityksiä mittaamalla sen kimmoisuutta sekä veto- että puristuskuormituksessa.

Alumiinioksidin Youngin moduulin on mitattu olevan noin 69 gigapascalia (GPa). Tämä arvo on vahvistettu sekä empiirisillä mittauksilla että teoreettisilla laskelmilla, mutta se voi vaihdella lämpötilan, seoksen koostumuksen, kiderakenteen ja valmistusprosessin perusteella - esimerkiksi muuttamalla sen molekyylien välistä ristikkojärjestelyä tai sidosmekanismeja.

Metallien tavoin myös alumiinioksidin Youngin moduuliin voi vaikuttaa venymisnopeus. Kun rasitusnopeus kasvaa, sen Youngin moduuli pyrkii kasvamaan, mutta se voi kuitenkin pienentyä, jos rasitusta käytetään liian vähän - tämä herkkyys rasitusnopeudelle johtuu muutoksista jännityksen paikallistamismekanismeissa ja muodonmuutosmekanismeissa.

Tämän ilmiön välttämiseksi on erittäin tärkeää, että alumiinioksidin Youngin moduuli testataan sekä veto- että puristuskuormitusolosuhteissa ja että testituloksia verrataan teoreettisiin arvoihin niiden oikeellisuuden varmistamiseksi. Yksi tapa tehdä tämä on nanoindentaatio, jossa käytetään pienempiä näytteitä, jolloin saadaan tarkempia jakaumakäyriä verrattuna täysimittaisiin tietoihin; toisessa lähestymistavassa käytetään atomivoimamikroskopiaa, jossa mitataan itse materiaalin kimmo-ominaisuuksia luotettavampien tulosten saamiseksi.

Leikkausmoduuli

Leikkauskerroin on hyödyllinen ominaisuus materiaalin jäykkyyden mittaamisessa. Sen avulla voidaan ennustaa, miten rakenteet reagoivat ulkoisiin voimiin, ja arvioida, miten hyvin materiaali kestää halkeilua tai murenemista rasituksessa.

Leikkausmoduuli voidaan laskea kaavalla G=Gi. Jossa i on leikkausmoduuli, massa on massa ja leikkausvakio on leikkausvakio (k). Se mittaa materiaalin taivutuskestävyyttä; ilmaistaan yleensä pascaleina (Pa).

Alumiinioksidin leikkauskerroin voidaan mitata eri menetelmillä. Yksi tällainen tekniikka on nanoindentaatio, joka vaatii pienempiä näytteitä kuin perinteiset vetokokeet, mutta tuottaa tasaisempia jakaumakäyriä ja siten suurempaa tarkkuutta. Toinen tapa on suorittaa suoria leikkauskokeita, joissa kohteeseen kohdistetaan leikkausvoimia vakionopeudella ja mitataan leikkausmoduuli ajan mittaan.

Eri materiaaleilla on erilaiset leikkausmoduulit, jotka voidaan selittää niiden rakenteella. Esimerkiksi ohuemmilla levyillä on tyypillisesti pienempi leikkausmoduuli kuin paksummilla, koska niiden pinta-ala on pienempi ja ne tarvitsevat näin ollen suuremman rasituksen, jotta rasitus tapahtuisi.

Alumiinioksidin leikkausmoduuli voi vaihdella lämpötilan mukaan, koska se muuttuu polttoprosessin aikana ja lopullisen lämpötilan saavuttamisen jälkeen. Nämä vaihtelut voivat johtua seoksen koostumuksesta, kiderakenteesta tai valmistusprosesseista, jotka vaikuttavat alumiinioksidimateriaalin elastisiin ominaisuuksiin, ja ne olisi siksi ymmärrettävä, jotta niiden mahdolliset vaikutukset voidaan arvioida paremmin.

Poissonin luku

Poissonin luku mittaa tilavuuden muutosta, kun materiaaliin kohdistuu yksisuuntainen jännitys, ja se lasketaan poikittaisjännityksen ja aksiaalijännityksen suhteena. Materiaali, jonka Poissonin luku on negatiivinen, laajenee enemmän, kun siihen kohdistuu vetoa kuin puristusta, vaikka sen keskimääräinen Poissonin luku on tyypillisesti lähellä arvoa 0,55. Mikrohuokoisilla materiaaleilla ja komposiiteilla on usein huomattavasti erilaiset Poissonin suhdeluvut kuin tavanomaisilla materiaaleilla.

Insinöörit käyttävät Youngin moduulia määrittämään, kuinka paljon rasitusta materiaali kestää ennen pysyvää muodonmuutosta tai rikkoutumista, ja näin he voivat luoda rakenteita, jotka kestävät ulkoisia voimia luotettavasti. Esimerkiksi alumiinioksidilla on erittäin korkea Youngin moduulin arvo, ja sitä käytetään laajalti teknisissä sovelluksissa.

Insinöörit käyttävät erilaisia tekniikoita, kuten suoraa vaahdotusta, replika-tekniikkaa, kuivapuristusta ja isostaattista puristusta, jotta saadaan juuri oikean huokoisuuden omaavaa alumiinioksidikeramiikkaa. Vihreät kappaleet muotoillaan tyypillisesti näillä menetelmillä ennen kuin niille tehdään rasituskokeita niiden elastisten ominaisuuksien arvioimiseksi.

Näissä testeissä voidaan käyttää kolmen tai neljän pisteen taivutusta alumiinioksidimateriaalin kimmomoduulin määrittämiseksi. Vertaamalla testituloksia laskettuihin fysikaalisten ominaisuuksien arvoihin voidaan tällä lähestymistavalla myös ennustaa alumiinimateriaalin käyttäytymistä erilaisissa ympäristö- ja sääolosuhteissa.

Alumiinikeraamisten kimmomoduulin ennustaminen suhteellisen tarkasti edellyttää iteratiivista prosessia, jossa yhdistetään kokeelliset tiedot ja äärellisten elementtien mallin tulokset. Tässä testissä mallia sovellettiin alumiinialustoille pinnoitettuihin pinnoitteisiin, joille tehtiin kolmen ja neljän pisteen taivutuskokeet; sen tuloksena saatiin tarkka ennuste näiden pinnoitteiden kimmomoduulista sekä muiden huokoisten alumiinioksidikeramiikoiden mekaanisista ominaisuuksista.

Puristuslujuus

Materiaalien puristuslujuudella tarkoitetaan niiden suurinta jännityskapasiteettia puristuskuormituksessa ilman, että ne murtuvat tai rikkoutuvat, joten tällä ominaisuudella on suuri merkitys valittaessa betoni- tai teräksisiä siltapalkkimateriaaleja erityissovelluksiin, kuten puristuslujuuteen. Puristuslujuuden mittauksiin voi kuulua yksiaksiaalinen vetokoe tai nanoindentaatiotestit, jotka tuottavat perinteisiä vetokokeita hajottamattomia ja tarkempia tuloksia.

Nanoindentaatiotesteissä käytetään hienoa kärkeä, joka värähtelee testattavaa materiaalia vasten, mittaa siihen kohdistuvat voimat ja käyttää näitä tietoja materiaalin kimmomoduulin laskemiseen. Koska näissä testeissä käytetään vain pieniä materiaalinäytteitä, niiden tulokset ovat tarkempia kuin perinteisten vetotestausmenetelmien tulokset.

Ultraäänivärähtelyanalyysi on toinen tehokas menetelmä materiaalien kimmomoduulin mittaamiseen. Tässä menetelmässä näytteitä napautetaan ammuksilla, niiden värähtelysignaalit tallennetaan analysoitaviksi ja sitten käytetään näitä tietoja pitkittäisten ja poikittaisten akustisten resonanssitaajuuksien määrittämiseen, jolloin saadaan tarkat laskelmat kimmomoduuliarvoista.

Alumiinioksidin elastiset ominaisuudet määräytyvät sen tiheyden ja Poissonin suhteen perusteella, jotka molemmat muuttuvat lämpötilan myötä. Poissonin luku pyrkii pienenemään lämpötilan noustessa, mutta se nousee jälleen, kun saavutetaan sintrauslämpötila, mikä johtuu grafiitin kertymisestä tai suuremmista raekokoluokista, jotka häiritsevät sintrausprosesseja.

Lämpötila, seoksen koostumus ja kiderakenne vaikuttavat metallien kimmoisuuteen; niiden kimmomoduuli riippuu myös valmistusprosessin muuttujista, kuten valssauksen aikana tapahtuvasta suuntauksesta; tämä vaikutus on voimakkain BCC-metalleissa, kuten tavanomaisissa ja lujat teräksissä.

Vetolujuus

Insinöörit käyttävät murtovetolujuutta mittaamaan materiaalin kestävyyttä ulkoisia voimia vastaan ilman, että se murskautuu tai rikkoutuu, kuten rakenteiden murskautuminen tai rikkoutuminen. Tämän arvon ennustaminen edellyttää kimmomekaniikan syvällistä tuntemusta sekä tarkkoja mittauksia.

Poissonin luku on yksi tärkeimmistä materiaalin lujuuden määräävistä tekijöistä. Alumiinioksidin Poissonin luku on erittäin alhainen, mikä tarkoittaa, että sen kimmokerroin on pienempi kuin vastaavilla metalleilla, mikä tekee siitä haurasta ja alttiista vioittumiselle kuormituksen alaisena.

Minkä tahansa materiaalin vetolujuuden määrittämiseksi on suoritettava vetokoe jännitys-venymäkäyrän luomiseksi. Tällöin käytetään jatkuvaa voimaa ja mitataan samalla taipuma, jotta voidaan määrittää, kuinka paljon näytettä voidaan venyttää ennen kuin se murtuu jännityksen alaisena.

Ihanteellisessa vetokokeessa näyte asetetaan kahden liuskan väliin ja venytetään, kunnes se murtuu. Tätä mittausta verrataan sitten alkuperäiseen särön tilavuuteen huippujännityksen/venymän kohdalla, jotta voidaan todeta sen lujuus ja määrittää vetolujuus.

Näytteen vetolujuuden selvittämiseksi voidaan kuitenkin käyttää myös muita testejä. Yksi tällainen menetelmä on dynaaminen brasilialainen levykoe, jossa näytettä venytetään jatkuvasti, kun sen pituuteen muodostuu säröjä eri kohdissa, ja mitataan jännitys ja venymä siinä kohdassa, jossa särö ensimmäisen kerran ilmestyi, ultranopealla kameralla ennen kuin vetolujuus lasketaan korjausmenetelmien avulla; alumiinioksidinäytteen murtumispintoja tutkitaan pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, jotta voidaan ymmärtää näytteen murtumismekanismia.