Toisin kuin metalleilla, alumiinioksidilla ei ole helposti mitattavissa olevaa puristusmurtolujuutta ja määrittelemätöntä vetomurtolujuutta, joka pettää katastrofaalisesti murtovetolujuudellaan.
Lämpötila vaikuttaa alumiinioksidin kimmomoduuliin; lämpötilan noustessa sen arvo laskee, kunnes saavutetaan polttolämpötila, jolloin se yhtäkkiä nousee jälleen.
Youngin moduuli
Youngin moduuli mittaa, kuinka paljon voimaa materiaali kestää ennen kuin se alkaa deformoitua, joten se on olennainen ominaisuus materiaalitutkijoille ja insinööreille arvioitaessa materiaalin kestävyyttä muodonmuutosta vastaan. Insinöörit käyttävät Youngin moduulia myös valitessaan sopivia materiaaleja tuotesuunnitteluprosesseissa.
Materiaalien kimmoisat ominaisuudet määritellään yhtälöllä, jossa jännityksen ja venymän avulla määritetään, kuinka paljon materiaalit voivat muuttua. Jännitys viittaa kohdistettuihin voimiin, kun taas muodonmuutos on siitä johtuva pituuden muutos. Youngin moduuli mittaa materiaalin kimmoisuutta; korkeammat arvot osoittavat suurempaa kimmoisuutta.
Lämpötila, epäpuhtaudet ja kiderakenteen tyyppi vaikuttavat kaikki osaltaan materiaalien Youngin moduulin määrittämiseen, ja metallien Youngin moduulit vaihtelevat usein ympäristön lämpötilan muutosten mukaan; tämä vaihtelu voidaan selittää metallien elektronityön funktion muutoksilla, jotka aiheuttavat materiaalien kimmoisien ominaisuuksien muuttumisen vastaavasti.
Jännitysnopeudella voi olla huomattava vaikutus Youngin moduulin mittauksiin, mikä johtaa epätarkkoihin Youngin moduulin mittauksiin. Tällöin testitulokset muuttuvat vähemmän luotettaviksi, eivätkä ne välttämättä anna hyödyllisiä tietoja insinööreille.
Toisinaan materiaalin kimmomoduuli riippuu siitä, miten se on valmistettu. Esimerkiksi joillakin NC-metalleilla on taipumus saada alhaisempi Youngin moduuli kuin CG-metalleilla, koska niiden mikrorakenteessa on epäjatkuvuuksia.
Sen sijaan huokosettomilla ja kiteisillä nanomateriaaleilla on vakaammat kimmomoduulit. Esimerkiksi sähköpinnoituksella tuotetuilla huokosettomilla Ni-P-nanomateriaaleilla on Youngin moduulit, jotka ovat verrattavissa vastaaviin CG-näytteisiin, koska mikrorakenteessa on vähemmän epäjatkuvuutta NC-nanomateriaalien ja vastaavien GC-näytteiden välillä.
Poissonin luku
Poissonin luku on vakio, joka kuvaa sivuttaisen muodonmuutoksen ja aksiaalisen muodonmuutoksen välistä suhdetta. Sillä on merkittävä rooli materiaalien mekaanisessa karakterisoinnissa sekä rakenteiden suunnittelussa, sillä se auttaa luomaan vahvempia ja turvallisempia materiaaleja. Materiaali, jolla on positiivinen Poissonin luku, laajenee sivusuunnassa, kun siihen kohdistuu vetojännitys, ja supistuu sivusuunnassa, kun siihen kohdistuu puristusvoima - tämä ominaisuus on erityisen hyödyllinen luonnehdittaessa polymeerisiä huokoisia materiaaleja, joita käytetään usein suurien energioiden vaimentimina tai suojavarusteina.
Poissonin suhdelukua voidaan ymmärtää helpommin, jos ymmärretään, mitä rasituksen ulottuvuuksia on olemassa. Jännitys määritellään pituuden muutoksena jaettuna alkuperäisellä pituudella, mikä tarkoittaa, että sen ulottuvuudet ovat yhtä suuret kuin pituus itsessään - tämä voidaan ilmaista lineaarisesti muodossa "el-ey". Isotrooppisilla materiaaleilla tämä suhde on kuitenkin yhtä suuri kuin 1, mikä tarkoittaa kauttaaltaan yhtä suurta muodonmuutosta.
Kumi reagoi puristavaan kuormitukseen laajentumalla ja supistumalla sivusuunnassa venytettäessä; tätä ilmiötä kutsutaan Poissonin suhdeluvuksi Simeon Poissonin mukaan, joka on ranskalainen matemaatikko ja joka oli kimmoisien ominaisuuksien molekyylimallien uranuurtaja. Joillakin materiaaleilla voi kuitenkin olla negatiivinen Poissonin luku, jolloin ne supistuvat suhteellisesti poikittaissuunnassa puristettaessa.
Poissonin luku voidaan mitata taivutuskokeella, joka on olennainen osa alumiiniseosten testausta. Tämä arvo auttaa ennustamaan muodonmuutoskäyttäytymistä, ja sitä voidaan verrata Youngin moduulin testituloksiin, jotta insinöörit voivat optimoida materiaalit tiettyihin sovelluksiin ja ehkäistä rakenteellisia vikoja.
Sen ymmärtäminen, miten eri materiaalit muotoutuvat erilaisissa rasitusolosuhteissa, on erittäin tärkeää maa- ja vesirakentamisessa, erityisesti rakennuksia ja siltoja suunniteltaessa. Koska betonin ja teräksen on kestettävä suuria kuormia, niiden käyttäytymisen tunteminen tällaisissa rasitusolosuhteissa antaa rakennusinsinööreille mahdollisuuden luoda rakennuksia, jotka kestävät nämä kuormat turvallisesti - ja Poissonin luku on tässä ratkaisevassa asemassa. Poissonin suhdeluvun avulla rakennusinsinöörit voivat ennustaa.
Tiheys
Tiheys on fysikaalinen ominaisuus, joka ilmaisee, kuinka paljon ainetta esineessä on. Tiheys määritetään jakamalla sen massa sen tilavuudella ja käyttämällä mittayksikköinä grammoja kuutiosenttimetriä kohti (g/cm3). Materiaalien tiheys on intensiivinen ominaisuus - sen arvo ei muutu sen mukaan, kuinka paljon tai vähän tilaa ne vievät.
Vastaavan kokoisen metallilohkon ja styroksin tiheydet eroavat toisistaan, koska jälkimmäisessä on vähemmän massaa. Tiheät materiaalit tuntuvat tyypillisesti raskaammilta tai kiinteämmiltä, kun taas löyhästi pakatut tai ilmavat materiaalit ovat yleensä kevyempiä ja joustavampia.
Läpimitaltaan erilaisten g-alumiinien synteesi on olennainen vaihe kehitettäessä uusia keraamisia materiaaleja, joilla on erilaisia sovelluksia. Prosessi tuottaa rakeet, joilla on parannetut mekaaniset ominaisuudet - tämä ominaisuus on erityisen arvokas lämmönkestävyys- ja korroosiosuojasovelluksissa.
Alumiinioksidin kimmomoduuli on suoraan verrannollinen sen myötörajaan, joten jos sen kimmomoduuli kasvaa, myötöraja pienenee vastaavasti. Näin ollen on ehdottoman tärkeää ymmärtää materiaalin kimmomoduuli, jotta materiaalivalinnat voidaan tehdä oikein ja myötöjännitykset arvioida.
Tutkijoiden, jotka haluavat tehdä elastisten ominaisuuksien analyysejä, on tehtävä vetokokeita; tämä menetelmä ei kuitenkaan aina ole luotettava, koska siinä ei voida ottaa huomioon plastista venymistä. Siksi suositellaan käytettäväksi tarkkaa, laadukasta ja tarkkaa mittauslaitetta.
Lisäksi alumiinioksidin elastiset ominaisuudet määräytyvät sen hiukkasmorfologian mukaan. Arvioidakseen tätä ominaisuuksien osa-aluetta tutkijat käyttävät pyyhkäisyelektronimikroskopiaa ja kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskopiaa alumiinioksidin pintarakenteen arvioimiseksi sekä suorittavat sille nanoindentaatio- ja nanoskrapsauskokeita sen ominaisuuksien selvittämiseksi.
Alumiinioksidi on erittäin suosittu tekninen materiaali lukuisten hyödyllisten ominaisuuksiensa ansiosta. Alumiinioksidilla on vaikuttava lämmönkestävyys ja sulamispisteominaisuudet, joiden ansiosta se soveltuu sovelluksiin, joihin liittyy korkeita lämpötiloja. Lisäksi se kestää kemiallisen stabiilisuutensa ansiosta vahvoja happoja ja emäksiä ja sillä on alhainen laajenemiskerroin, joka kestää suuria taivutusjännityksiä.
Vahvuus
Alumiinioksidi on valkoinen tai kermanvärinen beige keraaminen materiaali, jolla on erinomaiset mekaaniset lujuusominaisuudet, kemiallinen inerttiys, korroosionkestävyys ja kulutuskestävyys. Alumiinioksidia käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan ylivoimaista taivutus- tai puristuslujuutta, kuten keramiikassa, teknisissä muoveissa ja hammasproteeseissa.
Lujuus on suoraan verrannollinen alumiinioksidikeramiikan tiheyteen; mitä suurempi tiheys, sitä lujempi se on. Mutta tiheyden kasvaessa sen lujuus laskee, koska atomien väliset atomivoimat vaihtelevat sen kiderakenteessa; atomien välisen etäisyyden kasvaessa lähemmäksi toisiaan niiden vuorovaikutukset muuttuvat ja Youngin moduuli heikkenee tiheyden kasvaessa.
Alumiinioksidin tiheys ei ole aina tarkka lujuuden ennustaja | JAM Lab Inc. Alumiinioksidin tiheys on hyvä indikaattori sen lujuudesta, mutta se ei anna täydellistä kuvaa. Todellinen lujuus riippuu lujitepartikkelijakaumasta ja partikkelin ja matriisin rajapinnan laadusta, jonka on siirrettävä kuormitus särmäimestä partikkeleihin ilman hajoamista.
Tutkijat tutkivat porrastettujen moduulimateriaalien vaikutusta alumiinioksidilasien (GAG) väsymisominaisuuksiin. Heidän mukaansa tällainen materiaali näyttää parantavan sen alla olevan monoliittisen alumiinioksidin kantavuutta.
Liukukosketusväsytyskokeet tehtiin gradoitua ja monoliittista alumiinioksidia sisältäville okklusaalipinnoille käyttäen samanlaisia kuormitus- ja siirtymäolosuhteita, ja molemmat materiaalit kestivät miljoona sykliä ilman vikoja, halkeamia tai materiaalin irtoamista. Vaikka molemmissa materiaaleissa havaittiin jonkin verran pintavaurioita, vain lajitellussa alumiinioksidissa oli sileä väsymiskulumiskraateri, jossa ei ollut halkeamia tai materiaalin lohkeamia.
Infiltroidun alumiinioksidin Youngin moduulissa havaittiin graduaatioita kraatterien syvyyden kasvaessa, ja sen arvo nousi syvyyden kasvaessa porrastetuille vyöhykkeille ennen kuin se laski takaisin kohti matriisin ytimen arvoa; nanoindentointi vahvisti tämän havainnon.