Youngov modul aluminijevega oksida

Inženirji se z Youngovim modulom opirajo na oceno, koliko obremenitev lahko prenese material, preden se trajno deformira ali propade, in na načrtovanje struktur, ki vzdržijo zunanje sile, ne da bi se ogrozile ali razpadle.

Nedestruktivni preskusi, kot sta akustična in nanoindentacija, so učinkovita orodja za ocenjevanje mehanskih lastnosti materialov, vendar so lahko njihove zahteve glede vzorcev omejene, zaradi česar so krivulje porazdelitve v primerjavi s tradicionalnimi metodami nateznega preskušanja manj enakomerne.

Youngov modul

Youngov modul, imenovan tudi modul elastičnosti, meri sposobnost materialov, da se upirajo deformaciji. Inženirji morajo poznati Youngov modul, saj količinsko opredeljuje odpornost proti zunanjim silam in jim omogoča načrtovanje učinkovitejših sistemov.

Pri določanju Youngovega modula je treba vzorec materiala najprej izpostaviti naraščajočim nateznim obremenitvam, dokler se ne doseže meja elastičnosti, nato pa se mu pred novo obremenitvijo dovoli, da se vrne na prvotne dimenzije. Meritve deformacij, opravljene med tem postopkom, omogočajo izračun Youngovega modula z izrisom njegovega naklona na krivulji napetost/deformacija.

Čeprav je natezni preskus še vedno glavna metoda za merjenje Youngovega modula, je njegova natančnost pri merjenju deformacije v mikroskopskem merilu lahko težavna. Nanoindentacija ponuja še en pristop, ki lahko natančno zajame vrednosti Youngovega modula na nanoskali - vendar zahteva opremo za preskušanje visoke ločljivosti in specializirana orodja za pripravo vzorcev za analizo.

Youngov modul aluminijevega oksida je bil med procesom sintranja dinamično pregledan in je pokazal eksponentno odvisnost od poroznosti, ki se odlično ujema s statičnimi meritvami pri sobni temperaturi. Poleg tega dinamični Youngov modul eksponentno narašča pri višjih temperaturah, saj procesi zgoščevanja prevladujejo nad procesi sintranja.

Zaradi manjšega modula elastičnosti aluminijevega oksida je za njegovo raztezanje potrebna večja sila kot za raztezanje podobnih odsekov jeklenega materiala, zato je testiranje z Vernierovo lestvico bistven način zbiranja natančnih podatkov med nateznim testiranjem. Inženirji bodo imeli koristi od natančnejših izračunov Youngovega modula, tako da bodo lahko te pomembne informacije uporabili pri načrtovanju učinkovitejših struktur. Primer: Z uporabo aluminijevega oksida z nižjim Youngovim modulom od jekla lahko zobne restavracije postanejo bolj toge in zmanjšajo nastanek razpok pri uporabi sile, kar izboljša udobje pacienta in hkrati zmanjša tveganje okvare vsadka zaradi prevelikih obremenitev.

Poissonovo razmerje

Aluminij se ponaša z izjemno visokim Youngovim modulom, zato je odporen proti deformacijam. Žal pa zaradi svoje krhke narave ne more biti uporaben za aplikacije, ki zahtevajo plastičnost, kot so strukturne komponente ali rezalna orodja, saj nima točke plastičnosti - zato je razumevanje njegovega obnašanja pod obremenitvijo tako ključnega pomena.

Vibracijsko testiranje ponuja rešitev, saj z merjenjem resonančne frekvence predmeta oceni njegove elastične lastnosti. Pri vibracijskem testiranju se z majhnimi izstrelki udari po vzorcih, pri čemer se s senzorji beležijo vibracijski signali, ki se nato s hitro Fourierovo transformacijo pretvorijo nazaj v podatke v frekvenčni domeni, nato pa jih programska oprema, zasnovana posebej za analizo, uporabi za zelo natančen izračun resonančne frekvence in določitev elastičnih lastnosti vzorcev.

Poissonovo razmerje v aluminijevem oksidu je odvisno od gostote in celične strukture njegove sestave, zato so natančne meritve Poissonovega razmerja v aluminijevem oksidu zaradi teh spremenljivk lahko težavne. Kljub temu so ga v več študijah preučevali z vibracijskimi preskusi ali na druge načine.

Ena takih metod je sistem Sonelastic za merjenje strižnega razmerja, Poissonovega razmerja in dušenja. Naprava meri resonančne frekvence vzorcev z uporabo natančne žične podpore za določanje elastičnih modulov materialov z grobo mikrostrukturo, kot so betoni ali ognjevzdržni materiali - meritve se izvajajo pri nizkih in visokih temperaturah.

Normalizirano Poissonovo razmerje v aluminijastih penah se spreminja glede na njihovo relativno gostoto in ga je najbolje modelirati s funkcijo močnostnega zakona z eksponentom 1,72 +- 0,10. Ta vrednost se popolnoma ujema z drugimi oblikami aluminijevih pen, kar potrjuje opravljene meritve. Druga možnost je, da bi z modeli zmesi ali perkolacije pojasnili, zakaj se Poissonovo razmerje zmanjšuje z večanjem poroznosti.

Dinamično med sintranjem se je Youngov modul linearno zmanjševal s temperaturo, nato pa pri višjih temperaturah hitro naraščal, ko se je proces zgoščevanja nadaljeval. Dinamične meritve Youngovega modula so imele podobne trende kot statične meritve pri sobni temperaturi za ta vzorec.

Natezna trdnost

Aluminij je zaradi svoje izjemne natezne trdnosti eden najmočnejših materialov. Lahko prenese velike obremenitve in napetosti, ne da bi razpokal, zato je primeren za gradbene projekte, ki zahtevajo visoko trdne materiale, ponaša pa se tudi z impresivno odpornostjo proti obrabi, zaradi česar je primeren za komponente, ki so izpostavljene obrabi in trganju.

Keramika iz aluminijevega oksida je znana po tem, da je odporna proti toplotnim šokom, kar pomeni, da lahko prenese visoke temperature, ne da bi jo nenadno povišanje temperature poškodovalo. Zaradi tega je aluminijev oksid idealen za aplikacije, ki vključujejo visoke temperature, kot sta letalska in vesoljska tehnika ali proizvodnja električne energije. Poleg tega je zaradi svoje odlične električne prevodnosti primeren za uporabo v aplikacijah za ožičenje ali ožičenje drugih predmetov.

Natezni preskus je eden najboljših načinov za natančno merjenje Youngovega modula v materialih, ki vključuje postopno povečevanje sile na vzorec do meje elastičnosti. Na vsaki točki tega procesa se opravijo meritve sile in deformacije na različnih točkah na poti do elastičnega območja, naklon pa se izriše kot del krivulje napetosti in deformacije. Čeprav se ta metoda odlično obnese pri merjenju mehanskih lastnosti na mikro- in nanometrski ravni, sta za njeno učinkovito izvajanje morda potrebna specializirana oprema in strokovno znanje.

Vendar obstajajo tudi druge metode za merjenje Youngovega modula, ki zagotavljajo natančnejše rezultate kot natezni preskus. Ena takih metod je nanoindentacija AFM, ki omogoča natančne meritve lastnega Youngovega modula materialov; pri tej tehniki se konzola, opremljena s konico AFM, upogne proti površini vzorca in pri tem se zabeležijo krivulje sile glede na deformacijo.

Znanstveniki lahko s to metodo primerjajo vrednosti Youngovih modulov različnih materialov in določijo, kateri od njih ima najvišjo lastno vrednost. Poleg tega je ta pristop mogoče uporabiti tudi za analizo vpliva poškodb na vrednosti Youngovega modula materialov.

Znanstveniki so odkrili tudi, da poroznost aluminijevega oksida vpliva na njegov Youngov modul in Poissonovo razmerje. Medtem ko so prejšnje študije upoštevale le sferično obliko por med zgoščevanjem, nova študija upošteva tudi vse spremembe med zgoščevanjem, ki spreminjajo obliko por.

Odpornost proti plazenju

Inženirji z Youngovim modulom ugotavljajo, kakšno obremenitev lahko prenese material, preden se trajno deformira ali propade, kar inženirjem omogoča, da oblikujejo strukture, ki so sposobne vzdržati zunanje sile, ne da bi razpokale ali se porušile. Raziskovalci za natančne izračune Youngovega modula pogosto uporabljajo metode neporušitvenega testiranja, kot so ultrazvočni valovi; meritve hitrosti ultrazvočnega valovanja omogočajo korelacijo Youngovega modula z mikrostrukturo materiala, velikostjo zrn in značilnostmi poroznosti ognjevarnih materialov.

Elastične lastnosti aluminijevega oksida so odvisne od temperature in procesa sintranja ter od sestave steklastih faz na mejah zrn. Ta druga faza lahko močno vpliva na stopnjo odpornosti proti lezenju; pri visokih temperaturah sintranja se viskoelastična deformacija znatno poveča, medtem ko se pri nižjih temperaturah ta parameter linearno zmanjšuje.

Aluminij je mogoče okrepiti z dodajanjem elementov, ki povečajo koncentracijo steklaste faze in trdnost ter izboljšajo kristalno strukturo za povečanje Youngovega modula in odpornosti proti lezenju. Dopiranje z La, Mg ali Y lahko zniža temperaturo sintranja in zmanjša hitrost lezenja ob hkratnem povečanju natezne trdnosti.

Na sliki 11 so prikazane fraktografije nateznega lezenja kompozitov ABOw/Al-12Si, ojačanih z metlicami, pri 350 in 400 stopinjah Celzija, ki so se v celoti makroskopsko krhko lomile, vendar so se na lokalnih območjih mikroskopsko duktilno lomile, ki so kazali razdruževanje med matrico in whiskerji ter znake silicijeve faze ali faze intermetalnih spojin na površinah aluminija, kar kaže na medfazno razdruževanje na površini pri lezenju, na površini aluminija pa so bile vidne faze silicijeve faze ali intermetalne spojine, kot je razvidno iz slik površine pri lezenju (slika 11).