アルミナのヤング率

アルミナのヤング率は、技術者が外部応力に耐える構造物を設計するために不可欠な材料特性である。これを測定するには、試料を徐々に増加する引張荷重にさらし、その試料の力-変位挙動を測定します。

六方晶アルミナは、高いヤング率と低い熱膨張率を持ち、あらゆる環境条件下で耐久性が高く、機械的ストレスに耐えることができるため、最も広く使用されているエンジニアリング・セラミックスのひとつである。

密度

アルミナは、機械的ストレスに耐えることができる非常に高いヤング率を持つ非常に強い材料であり、他の材料を損傷させる振動や衝撃から保護するのに適しています。しかし残念なことに、その密度は鋼やチタンには及ばないため、重量が重要な役割を果たす用途ではその有用性が制限されます。さらに、密度が低いため、競合する金属に比べてコストが高くなります。

アルミナは、その結晶構造と相によって密度が2.1～3.5 g cm-3の範囲になることがあり、最も多いのは、高いヤング率、低い熱膨張率、優れた耐火性特性を特徴とする六方晶α相である。さらに、α相アルミナは良好な電気特性と耐薬品性を備えており、強度用途を含む多くの用途に適している。

分子動力学シミュレーションにより、多孔質アルミナの弾性率は、ペア半径分布関数、結合角分布、およびシンプレックス統計によって決定される局所的な原子配置に依存することが示された。さらに、これらの特性を用いてアルミナの密度の数式を求めることができる。

ヤング率を測定する最も信頼性の高い方法のひとつに引張試験があります。この手法では、弾性限界に達するまで試料を徐々に張力を増加させます。終始、力とたわみの測定が行われ、応力-ひずみ曲線にプロットされます。

これらの技術は、気孔率やヤング率の値が試料によって大きく異なる多孔質材料の評価に特に有効です。

ポアソン比

ポアソン比は、変形したときに材料がどの程度膨張するかを測定するもので、有限要素モデルに不可欠なインプットであり、正確なひずみ測定を必要とします。試験片に直接取り付けたひずみゲージ、複数の一軸または二軸伸び計を備えた接触式伸び計、非接触式レーザー伸び計は、いずれもこの測定に役立ちます。

ポアソン比は、材料が円形に曲げられたとき、一方向に圧縮されて膨張する度合いを測定するもので、このような場合、その中央部は端部よりもはるかに厚く見えることがある。さらに、ポアソン比は、航空機や宇宙船の構造を設計する際に、その方向強度の有効な指標となる。

アルミナの高いヤング率は、破壊を伴わない剛性抵抗や、機械システムの損傷を軽減する衝撃波吸収など、多くの工学用途に優れた材料選択となっている。さらに、熱水老化に対する耐性と低い破壊エネルギーにより、アルミナは医療現場でも優れた材料選択となっている。

しかし、ヤング率が高いということは、他の材料ほど塑性的ではないということでもあり、圧縮荷重や引張荷重を受けるとほとんどすぐに壊れてしまうため、アルミナは構造部品や切削工具のような塑性を必要とする用途には適さない。

技術者たちは、アルミナの性能を最適化するために、アルミナのヤング率を高めるさまざまな方法を研究している。その一つは、二酸化ケイ素やジルコニウムを添加して密度を高める方法である。もう一つのアプローチは、従来の焼結技術よりも気孔率が低く、ヤング率が増加した合成g-アルミナを製造する新しい合成プロセスを用いるもので、従来の焼結技術のような方法よりも熱衝撃損傷に対する耐性を示す。さらに、アルミナの弾性特性は、Sonelastic Systemsのような非破壊検査法を用いて正確に評価することができ、室温だけでなく低温や高温でも弾性特性を正確に評価することができる。

温度

アルミナのヤング率は、アルミナの強度と変形抵抗性、およびアルミナが破断するまでに吸収できるエネルギーの大きさを示す貴重な尺度です。技術者は、より強く、より軽い材料を開発する際に、この値を多用します。ヤング率が高いということは、より硬い材料特性を意味するからです。

アルミナのヤング率は、弾性特性に影響を与える密度の変化により、温度によって変化する。

アルミナのヤング率は、その純度レベルによっても影響を受ける。純度が高いほど密度が高くなり、材料の機械的特性が向上するため、ヤング率に大きな影響を与えます。

セラミックスのヤング率は、純度が高くなるにつれて増加するが、高温ではその影響が減少する。したがって、耐高温性が必要な場合は、非結晶材料を使用することが望ましい。

アルミナは高いヤング率を誇り、高い耐熱衝撃性を必要とする用途に最適なエンジニアリング材料です。特に六方晶アルミナは、低融点でありながら極端な環境条件に耐えることができ、この性質が六方晶アルミナを特に航空宇宙工学用途に適しています。

アルミナ粉末のヤング率は、温度、合金組成、結晶構造によっても影響を受ける。例えば、合金元素を加えると、分子間結合の配置が変化します。したがって、この材料を特定の用途に使用する前に、これらの要因を理解することが極めて重要である。

ナノインデンテーションは、アルミナ粉末のヤング率を測定する一つの方法です。この方法では、従来の引張試験よりも少ない試料サイズで、より頻繁に分布曲線が得られます。

インパルス加振を用いて、室温から1600℃まで加熱した部分焼結試料の変化をモニターし、アルミナのヤング率と減衰の温度依存性を調べた。その結果、アルミナのヤング率は、理想的なマスターカーブに従って、温度の上昇とともに着実に増加することが示された。

超音波測定

アルミナは高いヤング率を誇り、多くの用途に適している。しかし残念なことに、脆いという性質があるため、構造部品や切削工具のような塑性を必要とする用途には向かない。さらに、圧縮荷重や引張荷重を受けると、時間とともに徐々に変形するのではなく、瞬時に破壊してしまう。

金属合金の弾性定数を測定するための超音波ベースの非破壊方法が開発された。デジタル相関法を用いて、試料の振動からポアソン比と弾性率を求める新しい非破壊方法が考案されました。この方法は、従来の引張試験よりもかなり小さな試料サイズを必要としますが、他の方法よりも規則性のある分布曲線が得られます。

アルミナのヤング率は、原子間力が距離によってどのように変化するかによって決まる。さらに、純度レベルも重要な役割を果たす。研究によると、ヤング率は純度レベルに直線的に相関する（図4.8参照）。

この研究では、走査型音響顕微鏡（SAM）でモード変換超音波を用いてアルミナのヤング率を測定した。アルミナ試料内部の縦波とせん断波を捕捉し、波速度の計算とこの材料の弾性定数の決定を行った。この高感度かつ高精度の技術は、この材料の特性を評価するために、異なる環境温度にわたって適用することができます。

温度、組成、結晶構造はすべてアルミナのヤング率に影響を及ぼし、さらにその弾性特性は、ヤング率を10倍以上増加させる炭化ケイ素（SiC）粒子のような他の材料にも依存する。次に、実験データをシミュレーション結果および理論モデルと比較し、固有のヤング率を決定した。

室温から1600℃までの高アルミナ質キャスタブルの弾性率について非破壊で研究を行い、温度上昇に伴うヤング率とポアソン比の変化を追跡した。追加実験として、定量的X線回折、ダイラトメトリー、表面積測定を行い、これらの調査を完了した。その結果、ポアソン比は温度上昇とともに徐々に減少するが、元の焼成温度に達すると、焼結が継続するためにヤング率が急上昇することがわかった。