Właściwości elastyczne i zastosowania tlenku glinu

Wysoki moduł Younga oraz granica plastyczności przy ściskaniu i rozciąganiu sprawiają, że tlenek glinu jest bardzo odpowiednim materiałem do zastosowań inżynieryjnych. Niniejszy artykuł zawiera dokładną analizę tych kluczowych właściwości, wraz z obliczeniami numerycznymi podanymi jako przykłady, aby pomóc inżynierom przy wyborze lub projektowaniu materiałów w oparciu o określone wymagania dotyczące właściwości.

W artykule przedstawiono szczegóły badania, w którym porównano eksperymentalne i modelowe podejścia do przewidywania modułu sprężystości powłoki z tlenku glinu osadzonej na podłożu aluminiowym, wykorzystując trzy- i czteropunktowe testy zginania do charakterystyki mechanicznej.

Moduł Younga

Moduł Younga to właściwość materiału, która mierzy sztywność izotropowej, sprężystej bryły. Inżynierowie wykorzystują ten pomiar do oceny zdolności materiału do deformacji, a także do tworzenia struktur zdolnych do wytrzymania naprężeń stosowanych przez inżynierów. Moduł Younga mierzy zdolność materiału do absorpcji naprężeń poprzez pomiar jego elastyczności zarówno pod obciążeniem rozciągającym, jak i ściskającym.

Moduł Younga tlenku glinu został zmierzony na około 69 gigapaskali (GPa). Wartość ta została potwierdzona zarówno przez pomiary empiryczne, jak i obliczenia teoretyczne, ale może się różnić w zależności od temperatury, składu stopu, struktury krystalicznej i procesu produkcyjnego - takiego jak zmiana układu sieci międzycząsteczkowej lub mechanizmów wiązania.

Podobnie jak metale, moduł Younga tlenku glinu może również zależeć od szybkości odkształcania. Gdy stosowane są coraz większe prędkości odkształcenia, jego moduł Younga ma tendencję do wzrostu, ale może się zmniejszyć przy zbyt małym naprężeniu - ta wrażliwość na prędkość odkształcenia wynika ze zmian w mechanizmach lokalizacji naprężeń i mechanizmach deformacji.

Aby uniknąć tego zjawiska, istotne jest, aby moduł Younga tlenku glinu był testowany zarówno w warunkach obciążeń rozciągających, jak i ściskających, a wyniki testów były porównywane z wartościami teoretycznymi w celu zapewnienia ich dokładności. Jednym ze sposobów na to jest nanoindentacja - która wykorzystuje mniejsze próbki w celu uzyskania bardziej precyzyjnych krzywych rozkładu w porównaniu z danymi w pełnej skali; inne podejście wykorzystuje mikroskopię sił atomowych, która mierzy właściwości sprężyste samego materiału w celu uzyskania bardziej wiarygodnych wyników.

Moduł ścinania

Moduł ścinania jest użyteczną właściwością do pomiaru sztywności materiału. Zapewnia wgląd w to, jak duże naprężenia może wytrzymać materiał, zanim dojdzie do trwałego odkształcenia lub uszkodzenia, umożliwiając przewidywanie, w jaki sposób struktury będą reagować na siły zewnętrzne i ocenę, jak dobrze materiał jest odporny na pękanie lub kruszenie pod wpływem naprężeń.

Moduł ścinania można obliczyć za pomocą wzoru G=Gi. Gdzie i jest modułem ścinania, masa jest masą, a stała ścinania jest stałą ścinania (k). Mierzy odporność materiału na zginanie; powszechnie wyrażany w paskalach (Pa).

Moduł ścinania tlenku glinu może być mierzony przy użyciu różnych metod. Jedna z takich technik wykorzystuje nanoindentacje, które wymagają mniejszych próbek niż tradycyjne testy rozciągania, ale dają bardziej regularne krzywe rozkładu dla większej dokładności. Innym sposobem jest przeprowadzenie bezpośrednich testów ścinania, które polegają na przykładaniu sił ścinających ze stałą prędkością do obiektu i mierzeniu modułu ścinania w czasie.

Różne materiały mają różne moduły ścinania, co można wyjaśnić ich strukturą. Na przykład cieńsze płyty zazwyczaj wykazują niższe moduły ścinania niż grubsze, ponieważ mają mniejszą powierzchnię, a zatem wymagają większego odkształcenia, aby wystąpiło odkształcenie.

Moduł ścinania dla tlenku glinu może zmieniać się wraz z temperaturą, ponieważ zmienia się podczas procesu wypalania i po osiągnięciu temperatury końcowej. Zmiany te mogą być spowodowane składem stopu, strukturą krystaliczną lub procesami produkcyjnymi wpływającymi na właściwości sprężyste materiału z tlenku glinu i dlatego należy je zrozumieć, aby lepiej docenić wszelkie skutki, jakie mogą mieć.

Współczynnik Poissona

Współczynnik Poissona mierzy zmianę objętości, gdy materiał jest poddawany jednokierunkowemu naprężeniu, obliczanemu jako stosunek między odkształceniem poprzecznym a odkształceniem osiowym. Materiał o ujemnym współczynniku Poissona będzie wykazywał większą ekspansję objętościową, gdy zostanie poddany rozciąganiu niż ściskaniu, chociaż jego średni współczynnik Poissona zwykle jest zbliżony do 0,55. Materiały mikroporowate i kompozyty często wykazują znacznie inny współczynnik Poissona niż ich zwykłe odpowiedniki.

Inżynierowie wykorzystują moduł Younga do określenia, jak duże naprężenia może wytrzymać materiał przed trwałym odkształceniem lub uszkodzeniem, pomagając im tworzyć struktury, które niezawodnie wytrzymują siły zewnętrzne. Na przykład tlenek glinu charakteryzuje się niezwykle wysoką wartością modułu Younga i jest szeroko stosowany w zastosowaniach inżynieryjnych.

Inżynierowie wykorzystują różne techniki tworzenia ceramiki z tlenku glinu o odpowiednim poziomie porowatości, w tym bezpośrednie spienianie, technikę replikacji, prasowanie na sucho i prasowanie izostatyczne. Zielone korpusy są zazwyczaj formowane przy użyciu tych metod przed poddaniem ich testom naprężeń w celu oceny ich właściwości sprężystych.

Testy te mogą obejmować trzy- lub czteropunktowe zginanie w celu określenia modułu sprężystości materiału z tlenku glinu. Porównując wyniki testów z obliczonymi wartościami właściwości fizycznych, podejście to pozwala również przewidzieć zachowanie materiału w różnych warunkach środowiskowych i pogodowych.

Przewidywanie modułu sprężystości ceramiki z tlenku glinu ze względną dokładnością wymaga zastosowania iteracyjnego procesu, który łączy dane eksperymentalne i wyniki modelu elementów skończonych. W tym teście model ten został zastosowany do powłok osadzonych na podłożach aluminiowych, które zostały poddane testom zginania w trzech i czterech punktach; jego wynikiem było dokładne przewidywanie modułu sprężystości tych powłok, a także właściwości mechanicznych innych porowatych materiałów ceramicznych z tlenku glinu.

Wytrzymałość na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie materiałów odnosi się do ich maksymalnej zdolności do naprężeń pod obciążeniem zgniatającym bez pękania lub uszkodzenia, co sprawia, że właściwość ta ma ogromne znaczenie przy wyborze materiałów betonowych lub stalowych dźwigarów mostowych do określonych zastosowań, takich jak wytrzymałość na ściskanie. Pomiary wytrzymałości na ściskanie mogą obejmować jednoosiowe próby rozciągania lub próby nanoindentacji, które dają nieniszczące i dokładniejsze wyniki niż tradycyjne próby rozciągania.

Testy nanoindentacji wykorzystują cienką końcówkę, która wibruje na badanym materiale, mierząc wszelkie wywierane na niego siły i wykorzystując te dane do obliczenia modułu sprężystości materiału. Ponieważ testy te wykorzystują tylko małe próbki materiału do celów testowych, ich wyniki zapewniają bardziej precyzyjny rozkład niż tradycyjne metody testowania rozciągania.

Ultradźwiękowa analiza drgań stanowi kolejną skuteczną metodę pomiaru modułu sprężystości materiałów. Podejście to obejmuje uderzanie próbek pociskami, rejestrowanie ich sygnałów wibracyjnych do analizy, a następnie wykorzystanie tych informacji do ustalenia częstotliwości rezonansu akustycznego wzdłużnego i poprzecznego, zapewniając dokładne obliczenia wartości modułu sprężystości.

Właściwości sprężyste tlenku glinu są określane przez jego gęstość i współczynnik Poissona, które zmieniają się wraz z temperaturą. Współczynnik Poissona ma tendencję do zmniejszania się wraz ze wzrostem temperatury, ale wzrasta, gdy osiągnie temperaturę wypalania do spiekania z powodu nagromadzenia grafitu lub większych rozmiarów ziaren, które zakłócają procesy spiekania.

Temperatura, skład stopu i struktura krystaliczna mają wpływ na właściwości sprężyste metali; ich moduł sprężystości zależy również od zmiennych procesu produkcyjnego, takich jak orientacja podczas walcowania; efekt ten jest najbardziej widoczny w przypadku metali BCC, takich jak stale konwencjonalne i wysokowytrzymałe.

Wytrzymałość na rozciąganie

Inżynierowie wykorzystują wytrzymałość na rozciąganie jako miarę odporności materiału na działanie sił zewnętrznych bez kruszenia lub łamania, takich jak kruszenie lub łamanie konstrukcji. Przewidywanie tej wartości wymaga dogłębnej znajomości mechaniki sprężystej, a także dokładnych pomiarów.

Współczynnik Poissona jest jednym z głównych wyznaczników wytrzymałości materiału. Tlenek glinu wyróżnia się bardzo niskim współczynnikiem Poissona, co oznacza, że jego moduł sprężystości jest niższy niż w przypadku porównywalnych metali, co czyni go delikatnym i podatnym na uszkodzenia pod obciążeniem.

Aby określić wytrzymałość na rozciąganie dowolnego materiału, należy przeprowadzić próbę rozciągania w celu utworzenia krzywej naprężenie-odkształcenie. Obejmuje to przykładanie stałej siły podczas pomiaru ugięcia w celu ustalenia, jak duże wydłużenie może wytrzymać próbka przed zerwaniem pod wpływem naprężenia.

Idealna próba rozciągania polega na umieszczeniu próbki między dwoma imadłami i rozciąganiu aż do zniszczenia. Pomiar ten jest następnie porównywany z początkową objętością pęknięcia w miejscu szczytowego naprężenia/odkształcenia w celu ustalenia jego wytrzymałości i określenia wytrzymałości na rozciąganie.

Jednak w celu uzyskania lepszego wglądu w wytrzymałość próbki na rozciąganie można również zastosować dodatkowe testy. Jedną z takich metod jest dynamiczny test tarczy brazylijskiej, który polega na ciągłym rozciąganiu próbki, podczas gdy pęknięcia tworzą się w różnych punktach wzdłuż jej długości i mierzeniu naprężeń i odkształceń w miejscu pierwszego pojawienia się pęknięcia za pomocą ultraszybkiej kamery przed obliczeniem wytrzymałości na rozciąganie przy użyciu metod korekcyjnych; powierzchnie pęknięć próbki tlenku glinu są badane za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej w celu zrozumienia mechanizmu jej uszkodzenia.