Quelles sont les propriétés de la céramique d'alumine ?

Le module d'Young mesure la rigidité d'un matériau et sa résistance à la déformation par application d'une force.

Le module d'Young mesure la rigidité des matériaux et leur résistance à l'étirement. Étant donné que les systèmes réels sont rarement soumis à des conditions de charge uni-axiale, les essais de torsion doivent également être pris en compte lors de la détermination des valeurs du module d'Young.

Module de Young

Le module d'Young mesure le rapport entre la déformation élastique et la contrainte pour un matériau donné, fournissant une indication de sa déformation sous tension ou compression et de l'importance de la déflexion lorsqu'il est soumis à des charges en des points spécifiques entre les supports. Le module d'Young joue un rôle essentiel dans les applications d'ingénierie telles que la conception de ponts et de bâtiments, car il permet de prédire l'extension d'une barre isotrope sous tension ou sa compression sous compression - des propriétés essentielles pour les applications d'ingénierie qui utilisent des matériaux comme éléments de conception structurelle, tels que les ponts et les bâtiments ; il joue également un rôle essentiel dans la mesure de la déflexion lors de la soumission à des charges entre des points d'appui - des propriétés sur lesquelles les ingénieurs s'appuient fortement.

Le module d'Young varie en fonction de la température, ce qui en fait un atout inestimable pour les matériaux et les réfractaires utilisés dans les essais non destructifs (END). Les dommages causés par les chocs induits par la température entraînent une diminution des modules d'élasticité et du coefficient de Poisson, tandis que l'amortissement augmente. Les systèmes Sonelastic(r) sont capables de mesurer les paramètres élastiques dynamiques (module d'Young, module de cisaillement et coefficient de Poisson) et l'amortissement des bétons et des matériaux réfractaires à basse et à haute température.

La caractérisation mécanique de l'alumine ALD a été réalisée à l'aide de plusieurs techniques de mesure telles que la nanoindentation instrumentée, l'essai de bombement et la rotation du pointeur. Ces mesures ont permis aux chercheurs de calculer le module d'Young, la dureté Berkovitch, la dureté universelle ainsi que les valeurs de contraintes intrinsèques dans le plan de ce matériau.

Le module d'élasticité d'un matériau dépend de sa structure et de sa composition, en particulier de la liaison interatomique des atomes qui le composent, qui peut être calculée à l'aide de l'équation E=B(E-B(E)). Le module d'Young des métaux change avec la température en raison des modifications de la fonction de travail des électrons.

Les propriétés mécaniques des matériaux composites peuvent être modifiées de manière significative par la direction de la force appliquée, ce que l'on appelle l'anisotropie, caractéristique de nombreux matériaux. Le module d'Young de la fibre de carbone augmente lorsqu'elle est soumise à une charge parallèle à sa structure granulaire par rapport à une charge perpendiculaire ; des principes similaires s'appliquent aux réfractaires et aux bétons - il est donc essentiel de savoir si un matériau donné est anisotrope ou non.

Module d'élasticité

Le module d'élasticité est une propriété des matériaux qui mesure leur rigidité ou leur résistance à la déformation élastique sous l'effet d'une contrainte. Cette constante peut être calculée à partir de la pente de la courbe contrainte-déformation d'un matériau et exprimée en pression par unité de surface (Pa ou psi). Un module d'élasticité plus élevé signifie une plus grande résistance à la déformation sans qu'il y ait de dommages.

Le module d'Young élevé de l'oxyde d'alumine le rend adapté à de nombreuses applications techniques en raison de sa capacité à résister à des contraintes importantes avant de se rompre. Toutefois, il est essentiel que les ingénieurs comprennent parfaitement comment cette propriété varie en fonction de la température, en raison des impacts potentiels dus aux écarts entre les écarts de dilatation thermique des particules de la matrice et des particules de renforcement, aux contraintes résiduelles pendant la fabrication ou à la fracture des particules due à une déformation progressive.

Cet article étudie les propriétés élastiques des céramiques d'oxyde d'alumine et de zircone lorsqu'elles sont chauffées, en particulier la variation des modules élastiques de traction et de compression. Ces résultats sont ensuite comparés aux monocristaux d'alumine et de zircone polycristallins conventionnels à des fins de comparaison. En outre, les variables de cuisson sur l'élasticité des poudres compactes, telles que le module d'Young ou le coefficient de Poisson, déterminées par la combinaison température maximale/temps de cuisson, sont explorées, en se concentrant spécifiquement sur ce qui a ou n'a pas d'impact sur la densité du matériau.

Les poudres compactes d'alumine-zircone ont un module d'Young significativement plus élevé que leurs homologues monocristallins, bien que cette propriété semble diminuer avec l'augmentation de la température en raison des changements du module élastique de la phase zircone lorsqu'elle subit sa transition entre la phase tétragonale et la phase monoclinique pendant la cuisson, ainsi que des augmentations du module de cisaillement pour les deux phases.

Les essais des systèmes sonélastiques à température ambiante et élevée permettent une caractérisation précise des propriétés élastiques du verre, les valeurs de module de compression et de cisaillement et le coefficient de Poisson étant tous calculés à partir des mesures de la vitesse des ondes de compression/cisaillement effectuées lors de ces essais. Ces données peuvent ensuite être utilisées à des fins de contrôle de la qualité, par exemple pour déduire les densités des pâtes céramiques cuites à partir de leurs mesures de vitesse de propagation.

Dureté

Le module d'Young et la dureté d'un matériau céramique d'alumine sont deux propriétés essentielles à prendre en compte, la dureté mesurant la résistance aux contraintes mécaniques et à la déformation.

La dureté peut être mesurée en mesurant la force nécessaire pour créer une indentation sur un échantillon. Ce test utilise généralement des charges contrôlées (telles que des pointes de diamant) appliquées directement sur la surface du matériau, puis mesure les indentations produites. L'alumine présente une dureté nettement supérieure à celle de l'acier ou du carbure de tungstène, ce qui la rend adaptée aux applications exigeant une résistance à l'abrasion mécanique et à l'usure.

Hardness of Alumina Ceramics [31], les céramiques partiellement frittées présentent généralement des microstructures anisométriques avec des pores convexes ou concaves qui créent des hiérarchies complexes d'espaces poreux qui composent leur microstructure, ce qui donne à la dureté de ce matériau une utilité supplémentaire en tant que prédicteur d'autres propriétés telles que la conductivité thermique [32,33].

L'alumine est un matériau exceptionnellement dur, comme l'indique son indice 9 sur l'échelle de Mohs. Cette dureté permet à l'alumine de supporter de lourdes charges sans se fissurer ou se fracturer, ce qui en fait un choix populaire pour des utilisations industrielles telles que les revêtements résistants à l'usure des goulottes et des systèmes de convoyage.

Les outils de coupe, les bougies d'allumage et les substrats semi-conducteurs à couche épaisse utilisent tous des céramiques techniques de pointe à base de zircone pour leurs propriétés, de sorte que son développement est également devenu un facteur essentiel.

La dureté des composites alumine-zircone peut être considérablement augmentée en ajoutant la transformation de la phase zircone dans leur matrice d'alumine, ce qui entraîne une expansion du volume de 3-5% et permet d'inhiber la propagation des fissures de cisaillement dans les matériaux à matrice d'alumine. La charge de ZrO2 multiplie par trois la résistance à la rupture des céramiques d'alumine-zircone telles que ZTA ou Y-TZP par rapport aux céramiques d'alumine pure, telles que ZTA ou Y-TZP, en raison de la réduction de la taille des cristallites due à la charge de ZrO2 et de l'action de broyage plus dure, ce qui augmente encore la résistance à l'usure du matériau. En outre, la présence d'un pontage de grains agit comme un "absorbeur de chocs", dispersant les contraintes de tension au sein de la matrice d'alumine pure.

Coefficient de friction

Le coefficient de frottement d'un matériau est défini comme le rapport entre la force de frottement et la force normale, mesuré à l'aide d'un tribomètre qui applique des forces contrôlées entre deux surfaces, et son interaction résultante ; le coefficient de frottement peut varier en fonction de l'état de la surface, de la température, des niveaux de lubrification et d'autres facteurs affectant l'interaction entre les surfaces ; en outre, il affecte directement la perte d'énergie dans les systèmes mécaniques. Le coefficient de frottement de l'alumine joue un rôle particulièrement important en raison de cette relation directe avec les performances du système.

Dans cette étude, cinq qualités de céramiques d'alumine glissant sur de l'acier à outils ont été étudiées dans des conditions de lubrification à sec et à l'eau. Les résultats de l'étude ont démontré que le comportement de frottement dépend de la composition - en particulier de la quantité de phase vitreuse silicatée et de zircone ajoutée -, les céramiques contenant le plus de ces phases ayant des taux d'usure plus faibles que celles qui en contiennent le moins.

L'alumine à forte teneur en phases vitreuses silicatées et en zircone présente une usinabilité supérieure ; de faibles quantités de ces phases augmentent considérablement les forces d'usinage. Les caractéristiques de friction dépendent également des angles de contact entre la couche tribo et les surfaces d'acier et de la rugosité.

Une excitation par impulsion a été utilisée pour contrôler le module d'Young dynamique de l'alumine partiellement frittée entre 1200 et 1600 degrés Celsius et le début de la densification/frittage, ce qui a donné des résultats révélant une diminution linéaire du module d'Young avec la température jusqu'à ce que la température de cuisson soit dépassée. À ce stade, la densification/frittage s'est produite, produisant des variations exponentielles du module d'Young qui s'alignent étroitement sur les résultats à température ambiante de céramiques poreuses équivalentes.

Dans des conditions de charge statique, le frottement et l'usure des composites d'alliage de titane à base d'alumine ont été étudiés avec des échantillons B20 et A20 contre de l'acier à outils. Les résultats ont montré que le premier avait un coefficient de frottement (COF) plus faible, probablement attribuable à la formation d'une couche de transfert entre l'acier et l'alumine.