Alumiinioksidin Youngin moduuli

Insinöörit käyttävät nuoruusmoduulia arvioidessaan, kuinka paljon rasitusta materiaali kestää ennen pysyvää muodonmuutosta tai rikkoutumista, ja suunnitellessaan rakenteita, jotka kestävät ulkoisia voimia vaarantumatta tai hajoamatta.

Rikkoutumattomat testit, kuten akustinen ja nanoindentaatio, tarjoavat tehokkaita välineitä materiaalien mekaanisten ominaisuuksien arviointiin; niiden näytevaatimukset voivat kuitenkin olla rajalliset, mikä johtaa epätasaisempiin jakaumakäyriin verrattuna perinteisiin vetotestausmenetelmiin.

Youngin moduuli

Youngin moduuli, jota kutsutaan myös kimmomoduuliksi, mittaa materiaalien kykyä vastustaa muodonmuutoksia. Insinöörit tarvitsevat Youngin moduulin tuntemusta, koska se määrittää kestävyyden ulkoisia voimia vastaan ja antaa heille mahdollisuuden suunnitella tehokkaampia järjestelmiä.

Youngin moduulin määrittämiseksi materiaalinäytteeseen on ensin kohdistettava kasvava vetojännitys, kunnes sen kimmoraja on saavutettu, minkä jälkeen sen annetaan palautua alkuperäisiin mittoihinsa ennen uuden jännityksen kohdistamista. Tämän prosessin aikana tehtyjen venymämittausten avulla voidaan laskea Youngin moduuli piirtämällä sen kaltevuus jännitys/venymä-käyrälle.

Vaikka vetokoe on edelleen paras menetelmä Youngin moduulin mittaamiseen, sen tarkkuus venymän mittaamisessa mikroskooppisella mittakaavalla voi olla vaikeaa. Nanoindentaatio tarjoaa toisen lähestymistavan, jolla Youngin moduulin arvot voidaan määrittää tarkasti nanokokoluokassa - se vaatii kuitenkin korkean resoluution testauslaitteita ja erikoistyökaluja näytteiden valmistelemiseksi analyysiä varten.

Alumiinioksidin Youngin moduulia tutkittiin dynaamisesti sen sintrausprosessin aikana, ja se osoitti eksponentiaalisen suhteen huokoisuuteen, joka on erinomaisessa sopusoinnussa huoneenlämmössä tehtyjen staattisten mittausten kanssa. Lisäksi dynaaminen Youngin moduuli kasvaa eksponentiaalisesti korkeammissa lämpötiloissa, kun tiivistymisprosessit ovat sintrausprosesseja hallitsevampia.

Alumiinioksidin alhaisemman kimmomoduulin vuoksi sen venyttäminen vaatii enemmän voimaa kuin vastaavien teräsmateriaalin osien venyttäminen, minkä vuoksi Vernier-asteikollinen testaus on olennainen tapa kerätä tarkkoja tietoja vetokokeiden aikana. Insinöörit hyötyvät Youngin moduulin tarkemmista laskelmista, joten he voivat käyttää tätä tärkeää tietoa suunnitellessaan tehokkaampia rakenteita. Esimerkki: Kun käytetään alumiinioksidia, jonka Youngin moduuli on alhaisempi kuin teräksen, hammasproteesit voivat olla jäykempiä ja vähentää halkeilua voiman vaikutuksesta, mikä parantaa potilaan käyttömukavuutta ja vähentää liiallisesta kuormituksesta johtuvaa implantin rikkoutumisriskiä.

Poissonin luku

Alumiinioksidin Youngin moduuli on erittäin korkea, joten se kestää muodonmuutoksia. Valitettavasti sen hauras luonne estää sen käytön plastisuutta vaativissa sovelluksissa, kuten rakennekomponenteissa tai leikkaustyökaluissa, koska myötörajaa ei ole - siksi sen käyttäytymisen ymmärtäminen rasituksessa on niin tärkeää.

Värähtelytestauksessa ratkaisu on mitata kohteen resonanssitaajuus ja arvioida sen kimmoisat ominaisuudet. Värähtelytestausta varten näytteitä naputetaan pienillä ammuksilla ja samalla tallennetaan värähtelysignaaleja antureiden avulla. Tämän jälkeen ne muunnetaan takaisin taajuusalueen dataksi nopean Fourier-muunnoksen avulla, ja lopuksi niitä hyödynnetään ohjelmistossa, joka on suunniteltu erityisesti niiden analysoimiseksi, jotta voidaan laskea resonanssitaajuus suurella tarkkuudella ja määrittää näytteiden kimmoisat ominaisuudet.

Alumiinioksidin Poissonin luku riippuu sekä tiheydestä että sen koostumuksen solurakenteesta, joten tarkat Poissonin luvun mittaukset voivat olla vaikeita näiden muuttujien vuoksi. Siitä huolimatta sitä on tutkittu useissa tutkimuksissa värähtelytestien tai muiden keinojen avulla.

Yksi tällainen menetelmä on Sonelasticin järjestelmä leikkauksen, Poissonin luvun ja vaimennuksen mittaamiseen. Laitteella mitataan näytteiden resonanssitaajuuksia tarkkuuslankatuen avulla karkearakenteisten materiaalien, kuten betonin tai tulenkestävien aineiden, kimmomoduulien määrittämiseksi - mittauksia tehdään sekä matalissa että korkeissa lämpötiloissa.

Alumiinivaahtojen normalisoitu Poissonin suhde vaihtelee niiden suhteellisen tiheyden mukaan, ja sitä voidaan parhaiten mallintaa potenssilakifunktion avulla, jonka eksponentti on 1,72 +- 0,10. Tämä arvo vastaa täydellisesti muita alumiinioksidivaahtomuotoja, mikä vahvistaa niistä tehdyt mittaukset. Vaihtoehtoisesti seos- tai perkolaatiomallit voisivat selittää, miksi Poissonin luku pienenee huokoisuuden kasvaessa.

Dynaamisesti sintrauksen aikana Youngin moduuli laski lineaarisesti lämpötilan myötä ennen kuin se kasvoi nopeasti korkeammissa lämpötiloissa tiivistymisprosessin jatkuessa. Dynaamisissa Youngin moduulin mittauksissa oli samanlainen suuntaus kuin huoneenlämpötilan staattisissa mittauksissa tämän näytteen osalta.

Vetolujuus

Alumiinioksidi on yksi vahvimmista materiaaleista sen erinomaisen vetolujuuden ansiosta. Alumiini kestää suuria määriä rasitusta ja rasitusta halkeilematta, joten se soveltuu rakennushankkeisiin, joissa tarvitaan lujia materiaaleja, ja sillä on myös vaikuttava kulutuskestävyys, minkä ansiosta se soveltuu komponentteihin, jotka kestävät kulutusta ja kulumista.

Alumiinikeraamit ovat tunnettuja lämpöshokkien kestävyydestä, mikä tarkoittaa, että ne kestävät korkeita lämpötiloja ilman, että äkilliset lämpötilan nousut vahingoittavat niitä. Tämän vuoksi alumiinioksidi soveltuu erinomaisesti korkeisiin lämpötiloihin liittyviin sovelluksiin, kuten ilmailu- ja avaruustekniikkaan tai sähköntuotantoon. Lisäksi sen erinomainen sähkönjohtavuus mahdollistaa sen käytön johdotussovelluksissa tai muiden esineiden johdotuksessa.

Vetokoe on yksi parhaista tavoista mitata tarkasti materiaalien Youngin moduuli, jossa näytteeseen kohdistuvaa voimaa lisätään asteittain, kunnes se saavuttaa kimmoisuuden rajan. Jokaisessa vaiheessa prosessia mitataan voima ja taipuma eri kohdissa, kunnes se saavuttaa kimmoisen alueen, ja sen kaltevuus piirretään osana jännitys-venymäkäyrää. Vaikka tämä menetelmä toimii erinomaisesti mitattaessa mekaanisia ominaisuuksia mikro- ja nanomittakaavan tasolla, sen tehokas suorittaminen saattaa edellyttää erikoislaitteita ja asiantuntemusta.

Youngin moduulin mittaamiseen on kuitenkin olemassa muitakin menetelmiä, joilla saadaan tarkempia tuloksia kuin vetokokeella. Yksi tällainen menetelmä on AFM-nanoindentaatio, jolla voidaan mitata tarkasti materiaalien luontainen Youngin moduuli; tässä tekniikassa AFM-kärjellä varustettua cantileveriä taivutetaan näytteen pintaa vasten ja prosessin voiman ja taipuman väliset käyrät tallennetaan.

Tutkijat voivat käyttää tätä menetelmää vertaillakseen eri materiaalien Youngin moduulien arvoja ja määrittää, millä materiaalilla on korkein itseisarvo. Lisäksi tätä lähestymistapaa voidaan käyttää myös analysoitaessa, miten vauriot vaikuttavat materiaalien Youngin moduulien arvoihin.

Tutkijat ovat myös havainneet, että alumiinioksidin huokoisuus vaikuttaa sen Youngin moduuliin ja Poissonin suhteeseen. Aiemmissa tutkimuksissa tarkasteltiin vain huokosten pallomaista muotoa tiivistymisen aikana, mutta uudessa tutkimuksessa otetaan huomioon myös kaikki tiivistymisen aikana tapahtuvat muutokset, jotka muuttavat huokosten muotoa.

Virumisen kestävyys

Insinöörit käyttävät Youngin moduulia määrittämään, kuinka suuren rasituksen materiaali kestää ennen pysyvää muodonmuutosta tai rikkoutumista, minkä ansiosta insinöörit voivat luoda rakenteita, jotka kestävät ulkoisia voimia murtumatta tai sortumatta. Tutkijat käyttävät usein rikkomattomia testausmenetelmiä, kuten ultraääniaaltoja, Youngin moduulin tarkkoihin laskelmiin; ultraääniaaltojen nopeusmittaukset mahdollistavat Youngin moduulin korrelaation materiaalin mikrorakenteen, raekoon ja tulenkestävien materiaalien huokoisuusominaisuuksien kanssa.

Alumiinioksidin elastiset ominaisuudet riippuvat sen lämpötilasta ja sintrausprosessista sekä raerajoilla esiintyvien lasimaisten faasien koostumuksesta. Tällä toisella faasilla voi olla dramaattinen vaikutus virumiskestävyysnopeuteen; korkeissa sintrauslämpötiloissa viskoelastinen muodonmuutos kasvaa merkittävästi, kun taas matalammissa lämpötiloissa tämä parametri pienenee lineaarisesti.

Alumiinioksidia voidaan lujittaa lisäämällä elementtejä, jotka lisäävät lasifaasin pitoisuutta ja lujuutta, sekä parantamalla kiderakennetta Youngin moduulin ja virumiskestävyyden lisäämiseksi. La:lla, Mg:llä tai Y:llä seostamalla voidaan alentaa sintrauslämpötilaa ja vähentää virumisnopeutta samalla kun vetolujuus kasvaa.

Kuvassa 11 esitetään 350 ja 400 °C:n lämpötiloissa vetovetomurtumismurtumakuvaukset vispilävahvisteillä vahvistetuista ABOw/Al-12Si-komposiiteista, joissa oli makroskooppisesti haurasta murtumista kokonaisuutena, mutta mikroskooppisesti sitkeää murtumista paikallisilla alueilla, joissa näkyi irtoamista matriisin ja vispilöiden välillä sekä merkkejä piifaasista tai intermetalliyhdistefaasista alumiinipinnoilla, mikä viittaa siihen, että rajapinnan irtoaminen virumispinnalla oli ilmeistä virumispinnalla, ja alumiinipinnalla näkyi näkyviä piifaasi- tai intermetalliyhdistefaaseja virumispintakuvien perusteella (kuva 11).