Mitkä ovat alumiinioksidikeramiikan ominaisuudet?

Youngin moduuli mittaa materiaalin jäykkyyttä ja kestävyyttä muodonmuutoksia vastaan, kun siihen kohdistetaan voima.

Youngin moduuli mittaa materiaalien jäykkyyttä ja venymiskestävyyttä. Koska todellisissa järjestelmissä esiintyy harvoin yksiakselisia kuormitusolosuhteita, Youngin moduulin arvoja testattaessa olisi otettava huomioon myös vääntökokeet.

Youngin moduuli

Youngin moduuli mittaa minkä tahansa materiaalin kimmoisan venymän ja jännityksen välistä suhdetta, mikä antaa viitteitä sen muodonmuutoksesta jännityksessä tai puristuksessa ja taipuman määrästä, kun siihen kohdistuu kuormituksia tietyissä pisteissä tukien välillä. Youngin moduulilla on tärkeä rooli teknisissä sovelluksissa, kuten siltojen ja rakennusten suunnittelussa, sillä se ennustaa, kuinka paljon isotrooppinen tanko venyy jännityksessä tai puristuu puristuksessa - nämä ovat keskeisiä ominaisuuksia teknisissä sovelluksissa, joissa materiaaleja käytetään rakenteellisina suunnitteluelementteinä, kuten silloissa ja rakennuksissa; sillä on myös olennainen rooli mitattaessa taipumaa, kun tukien välisiin pisteisiin kohdistetaan kuormituksia - ominaisuuksia, joihin insinöörit luottavat suuresti.

Youngin moduuli muuttuu lämpötilan mukaan, mikä tekee siitä korvaamattoman arvokkaan apuvälineen ainetta rikkomattomassa testauksessa (NDT) ja tulenkestävissä materiaaleissa. Lämpötilan aiheuttamat iskuvauriot johtavat kimmomoduulien ja Poissonin luvun pienenemiseen, kun taas vaimennus kasvaa. Sonelastic(r)-järjestelmillä voidaan mitata betonien ja tulenkestävien materiaalien dynaamisia kimmoparametreja (Youngin moduuli, leikkausmoduuli ja Poissonin luku) ja vaimennusta sekä alhaisissa että korkeissa lämpötiloissa.

ALD-alumiinin mekaaninen karakterisointi suoritettiin käyttämällä useita mittaustekniikoita, kuten instrumentoitua nanoindentointia, pullistumatestausta ja osoittimen pyörittämistä. Näiden mittausten avulla tutkijat pystyivät laskemaan Youngin moduulin, Berkovitchin kovuuden, yleiskovuuden sekä luontaisen tason sisäisen jännityksen arvot tälle materiaalille.

Materiaalin kimmokerroin riippuu sen rakenteesta ja koostumuksesta, erityisesti sen atomien välisistä sidoksista, jotka voidaan laskea yhtälöllä E=B(E-B(E)). Metallien Youngin kimmomoduuli muuttuu lämpötilan myötä elektronien työfunktion muutosten vuoksi.

Komposiittimateriaalien mekaaniset ominaisuudet voivat muuttua merkittävästi käytetyn voiman suunnan mukaan, mitä kutsutaan anisotropiaksi, joka on ominaista monille materiaaleille. Hiilikuidun Youngin moduuli kasvaa, kun sitä kuormitetaan sen raerakenteen suuntaisesti, verrattuna siihen, kun sitä kuormitetaan kohtisuoraan; samanlaiset periaatteet pätevät tulenkestäviin aineisiin ja betoniin, joten on tärkeää tietää, onko tietty materiaali anisotrooppinen vai ei.

Kimmomoduuli

Kimmokerroin on materiaalin ominaisuus, joka mittaa sen jäykkyyttä tai kimmoisan muodonmuutoksen kestävyyttä rasituksessa. Tämä vakio voidaan laskea materiaalin jännitys-venymäkäyrän kaltevuudesta ja ilmaista paineena pinta-alayksikköä kohti (Pa tai psi). Suurempi kimmomoduuli tarkoittaa suurempaa kestävyyttä muodonmuutosta vastaan ilman, että vaurioita syntyy.

Alumiinioksidin korkea Youngin moduuli tekee siitä sopivan lukuisiin teknisiin sovelluksiin, koska se kestää huomattavaa rasitusta ennen murtumistaan. On kuitenkin tärkeää, että insinöörit ymmärtävät täysin, miten tämä ominaisuus vaihtelee lämpötilan mukaan, koska matriisihiukkasten ja vahvistavien hiukkasten lämpölaajenemisen epäsuhtaisuuden tai valmistuksen aikana syntyvien jäännösjännitysten tai asteittaisesta muodonmuutoksesta johtuvan hiukkasmurtuman mahdolliset vaikutukset ovat mahdollisia.

Tässä artikkelissa tutkitaan alumiinioksidi- ja zirkoniumoksidikeramiikan kimmo-ominaisuuksia niiden lämmetessä, erityisesti niiden veto- ja puristuskimmomoduulien vaihtelua. Näitä tuloksia verrataan sitten vertailun vuoksi tavanomaisiin monikiteisiin alumiinioksidi- ja zirkoniumoksidimonokiteisiin. Lisäksi tutkitaan jauhekompaktin kimmoisuuteen vaikuttavia polttomuuttujia, kuten Youngin moduulia tai Poissonin suhdelukua, joka määräytyy polttamisen huippulämpötila/aika-yhdistelmän mukaan; erityisesti keskitytään siihen, mikä vaikuttaa ja mikä ei vaikuta materiaalin tiheyteen.

Alumiinioksidi-sirkoniumoksidipulverikompakteilla on huomattavasti suurempi Youngin moduuli kuin niiden yksikiteisillä vastineilla, vaikka tämä ominaisuus näyttääkin vähenevän lämpötilan noustessa, mikä johtuu zirkoniumoksidifaasin kimmomoduulin muutoksista, kun se siirtyy tetragonaalisen ja monokliinisen faasin välille polttamisen aikana, sekä molempien faasien leikkausmoduulin kasvusta.

Sonelastic Systems -testaus sekä huoneen- että kohotetussa lämpötilassa mahdollistaa lasin kimmoisien ominaisuuksien tarkan karakterisoinnin, ja puristus- ja leikkausmoduulien arvot sekä Poissonin lukuarvo lasketaan näissä testeissä tehdyistä puristus- ja leikkausaaltojen nopeusmittauksista. Näitä tietoja voidaan sitten käyttää laadunvalvontatarkoituksiin, kuten poltettujen keraamisten kappaleiden tiheyksien päättelyyn niiden etenemisnopeusmittausten perusteella.

Kovuus

Alumiinikeraamisen materiaalin Youngin moduuli ja kovuus ovat molemmat keskeisiä ominaisuuksia, jotka on otettava huomioon, sillä kovuus mittaa materiaalin kestävyyttä mekaanista rasitusta ja muodonmuutosta vastaan.

Kovuus voidaan mitata mittaamalla voima, joka tarvitaan painauman aikaansaamiseksi näytteeseen. Tässä testissä käytetään tyypillisesti kontrolloituja kuormia (kuten timanttikärkiä), jotka kohdistetaan suoraan materiaalin pintaan, ja sen jälkeen mitataan syntyneet painaumat. Alumiinioksidin kovuus on paljon suurempi kuin teräksen tai volframikarbidin, joten se soveltuu sovelluksiin, joissa vaaditaan kestävyyttä mekaanista kulumista ja kulumista vastaan.

Alumiinikeraamisten kovuus [31], osittain sintratuissa keraamisissa on tyypillisesti anisometrinen mikrorakenne, jossa on joko kuperia tai koveria huokosia, jotka luovat monimutkaisia huokostilojen hierarkioita, jotka muodostavat niiden mikrorakenteen, jolloin tämän materiaalin kovuutta voidaan käyttää myös muiden ominaisuuksien, kuten lämmönjohtavuuden, ennustajana [32,33].

Alumiinioksidi on poikkeuksellisen kova materiaali, kuten sen Mohsin asteikon 9-luokitus osoittaa. Tämän kovuuden ansiosta alumiinioksidi kestää raskaita kuormituksia murtumatta tai murtumatta, mikä tekee siitä suositun valinnan teollisiin käyttötarkoituksiin, kuten kulutusta kestäviin kourujen ja kuljetinjärjestelmien vuorauksiin.

Leikkaustyökaluissa, sytytystulpissa ja paksukalvopuolijohdealustoissa käytetään ominaisuuksiltaan kehittynyttä teknistä keramiikkaa, joka on valmistettu zirkoniumoksidista, joten myös sen kehittämisestä on tullut olennainen tekijä.

Alumiini-sirkoniumoksidikomposiittien kovuutta voidaan lisätä merkittävästi lisäämällä niiden alumiinioksidimatriisiin zirkoniumoksidifaasimuunnosta, joka johtaa 3-5%:n tilavuuden laajenemiseen ja estää leikkaussärön etenemistä alumiinioksidimatriisimateriaaleissa. ZrO2:n lisääminen parantaa alumiinioksidi-sirkoniumoksidikeramiikan, kuten ZTA:n tai Y-TZP:n, murtumissitkeyttä yli kolminkertaisesti verrattuna puhtaaseen alumiinioksidikeramiikkaan, kuten ZTA:n tai Y-TZP:n, mikä johtuu ZrO2:n lisäämisen aiheuttamasta pienemmästä kiteiden koosta ja kovemmasta hiontatoiminnasta, mikä lisää materiaalin kulutuskestävyyttä entisestään. Lisäksi raesiltojen läsnäolo toimii kuin "iskunvaimennin", joka hajottaa jännitysjännityksiä puhtaan alumiinioksidimatriisin sisällä.

Kitkakerroin

Materiaalin kitkakerroin määritellään kitkavoiman ja normaalivoiman väliseksi suhteeksi, joka mitataan tribometrillä, jossa kahden pinnan välille kohdistetaan hallittuja voimia, ja siitä aiheutuvaksi vuorovaikutukseksi; kitkakerroin voi vaihdella riippuen pintaolosuhteista, lämpötilasta, voitelutasosta ja muista pintojen väliseen vuorovaikutukseen vaikuttavista tekijöistä; lisäksi se vaikuttaa suoraan mekaanisten järjestelmien energiahäviöön. Alumiinioksidin kitkakertoimella on erityisen tärkeä rooli, koska sillä on suora yhteys järjestelmän suorituskykyyn.

Tässä tutkimuksessa tutkittiin viittä alumiinikeramiikkalajiketta, jotka liukuvat työkaluterästä vasten sekä kuivissa että vesivoidelluissa olosuhteissa. Tutkimustulokset osoittivat, että kitkakäyttäytyminen riippuu koostumuksesta - erityisesti siitä, kuinka paljon silikaattilasifaasia ja zirkoniaa on lisätty - ja että enemmän lisättyjen alumiinien kulumisnopeus on alhaisempi kuin muiden, joissa näitä faaseja on vähemmän.

Alumiinioksidi, jossa on enemmän silikaattilasifaaseja ja zirkoniumoksidia, on työstettävyydeltään erinomaista; näiden faasien pienet määrät lisäävät merkittävästi työstövoimia. Kitkaominaisuudet riippuvat myös sen tribokerroksen ja työkaluteräksen pintojen välisistä kosketuskulmista ja karheudesta.

Osittain sintratun alumiinioksidin dynaamisen Youngin moduulin seurantaan käytettiin impulssiherätystä 1200-1600 asteen lämpötilojen välillä, jolloin tiivistyminen/sintraus alkoi, ja tuloksena saatiin tuloksia, jotka osoittivat Youngin moduulin lineaarisen laskun lämpötilan myötä, kunnes polttolämpötila ylittyi. Tässä vaiheessa tapahtui tiivistyminen/sintraus, joka aiheutti eksponentiaalisia Youngin moduulin vaihteluita, jotka vastasivat hyvin vastaavien huokoisten keraamisten materiaalien huoneenlämpötilan tuloksia.

Alumiinipohjaisten titaaniseoskomposiittien kitkaa ja kulumista tutkittiin staattisessa kuormituksessa sekä B20- että A20-näytteillä työkaluterästä vastaan. Tulokset osoittivat, että ensin mainitulla oli alhaisempi kitkakerroin (COF), mikä johtui todennäköisesti siirtymäkerroksen muodostumisesta teräksen ja alumiinioksidin välille.