Alumina Young's Modulus

Youngs modul för aluminiumoxid är en viktig materialegenskap som gör det möjligt för ingenjörer att utforma strukturer som kan motstå yttre påfrestningar. För att bestämma den utsätter man ett prov för gradvis ökande dragbelastningar och mäter provkroppens kraft-förskjutningsbeteende.

Hexagonal aluminiumoxid är en av de mest använda tekniska keramerna tack vare sin höga Young-modul och låga värmeutvidgning, samt att den är mycket hållbar under alla miljöförhållanden och kan motstå mekanisk påfrestning.

Täthet

Aluminiumoxid är ett exceptionellt starkt material med en extremt hög Young's Modulus som kan motstå mekanisk stress, vilket gör det lämpligt för att skydda andra material mot vibrationer och chockvågor som skadar dem. Dessvärre är dess densitet dock lägre än stål och titan, vilket begränsar dess användbarhet i applikationer där vikten spelar en viktig roll; dessutom ökar den lägre densiteten kostnaderna jämfört med konkurrerande metaller.

Aluminiumoxid kan ha en densitet på mellan 2,1 och 3,5 g cm-3 beroende på dess kristallstruktur och fas, oftast hexagonal alfafas som har hög Young-modul, låg termisk expansion och utmärkta eldfasthetsegenskaper. Dessutom har aluminiumoxid i alfafas goda elektriska egenskaper och kemisk beständighet, vilket gör den lämplig för många användningsområden, t.ex. hållfasthetsapplikationer.

Molekyldynamiska simuleringar har visat att elasticitetsmodulen hos porös aluminiumoxid beror på dess lokala atomkonfiguration, som bestäms av parradiella fördelningsfunktioner, bindningsvinkelfördelningar och simplexstatistik. Dessutom kan matematiska uttryck för densiteten hos aluminiumoxid erhållas med hjälp av dessa egenskaper.

En av de mest tillförlitliga metoderna för att mäta Youngs modul är att utföra ett dragprov. Denna teknik utsätter ett prov för gradvis ökande spänning tills dess elastiska gräns har uppnåtts; kraft- och böjningsmätningar görs under hela provningen och plottas på en spännings-töjningskurva; dess lutning gör det möjligt för oss att beräkna Youngs modul.

Instrumenterad nanoindentation, rotationstest med pekare och böjningsmätningar kan också användas för att exakt bedöma elasticitetsmodulen hos aluminiumoxidmaterial, eftersom de ger resultat utan att skada proverna. Dessa tekniker är särskilt fördelaktiga vid utvärdering av porösa material där porositeten och elasticitetsmodulvärdena kan variera avsevärt från prov till prov.

Poissonförhållande

Poissons tal mäter hur mycket materialet expanderar när det deformeras, vilket är en viktig indata till finita elementmodeller som kräver noggrann töjningsmätning. Töjningsmätare som monteras direkt på provkroppar eller kontaktextensometrar med flera enaxliga eller biaxiella extensometrar samt kontaktlösa laserextensometrar kan alla bidra till att uppnå denna mätning.

Poisson-talet mäter i vilken grad material expanderar under kompression i en riktning när de böjs till cirkulära former; när detta inträffar kan deras centrum verka mycket tjockare än vid deras kanter. Dessutom fungerar Poisson-talet som en effektiv mätare av deras riktningsstyrka, vilket kan visa sig vara ovärderligt när man utformar flygplans- eller rymdfarkoststrukturer.

Aluminiumoxidens höga Young-modul gör det till ett utmärkt materialval för många tekniska tillämpningar, inklusive styvhetsmotstånd utan brott och stötvågsabsorption för att minska skador i mekaniska system. Dessutom gör dess motståndskraft mot hydrotermisk åldring och låga frakturenergi aluminiumoxid till ett utmärkt materialval även i medicinska miljöer.

Den höga Young-modulen innebär dock också att den inte är lika plastisk som andra material och att den nästan omedelbart går sönder vid tryck- eller dragbelastning, vilket gör aluminiumoxid olämplig för tillämpningar som kräver plasticitet, t.ex. strukturella komponenter eller skärverktyg.

Ingenjörerna undersöker olika sätt att öka aluminiumoxidens elasticitetsmodul för att optimera dess prestanda. En teknik innebär att man ökar densiteten genom att tillsätta kiseldioxid eller zirkonium. Ett annat sätt är att använda en ny syntesprocess som ger syntetisk g-aluminiumoxid med lägre porositet och en ökning av elasticitetsmodulen jämfört med traditionella sintringstekniker, och som visar större motståndskraft mot skador orsakade av termisk chock jämfört med traditionella metoder som traditionella sintringstekniker. Dessutom kan de elastiska egenskaperna hos aluminiumoxid karakteriseras exakt med hjälp av oförstörande provningsmetoder som Sonelastic Systems, som exakt karakteriserar de elastiska egenskaperna vid rumstemperatur samt vid låga eller höga temperaturer.

Temperatur

Youngs modul för aluminiumoxid är ett ovärderligt mått på dess styrka och deformationsmotstånd, samt hur mycket energi det kan absorbera innan det går sönder. Ingenjörer använder detta värde i stor utsträckning när de utvecklar starkare men ändå lättare material - eftersom högre Young-modul innebär styvare materialegenskaper.

Youngs modul för aluminiumoxid ändras med temperaturen på grund av förändringar i densiteten som påverkar dess elastiska egenskaper; dessutom påverkar mikrostrukturen och den kemiska sammansättningen också denna aspekt av dess egenskaper.

Aluminiumoxidens Young-modul kan också påverkas av dess renhetsgrad. En högre renhetsgrad ökar densiteten och förbättrar materialets mekaniska egenskaper, vilket i sin tur har en avgörande inverkan på Youngs modul.

Youngs modul ökar med ökande renhetsgrad hos keramerna, men dess inverkan minskar vid höga temperaturer; därför bör icke-kristallina material föredras när hög temperaturbeständighet är nödvändig.

Aluminiumoxid har en hög Young-modul, vilket gör det till ett utmärkt tekniskt material för tillämpningar som kräver hög motståndskraft mot termisk chock. Särskilt hexagonal aluminiumoxid tål extrema miljöförhållanden samtidigt som den har en låg smältpunkt - egenskaper som gör hexagonal aluminiumoxid särskilt lämplig för tekniska tillämpningar inom flyg- och rymdindustrin.

Young's modul i aluminiumoxidpulver kan också påverkas av temperatur, legeringssammansättning och kristallstruktur. Till exempel kan tillsats av legeringselement förändra dess intermolekylära bindningsarrangemang. Därför är det viktigt att man förstår dessa faktorer innan man använder detta material för en viss applikation.

Nanoindentationer är en metod för att mäta Youngs modul i aluminiumoxidpulver. Denna metod kräver mindre provstorlekar och ger distributionskurvor oftare än med traditionella dragprov.

Impulsexcitering användes för att undersöka temperaturberoendet hos aluminiumoxidens Young-modul och dämpning, genom att övervaka förändringar i delvis sintrade provkroppar som värmts från rumstemperatur upp till 1600 grader Celsius. Resultaten visade att aluminiumoxidens Young-modul ökade stadigt med ökande temperatur och följde en idealisk masterkurva.

Ultraljudsmätning

Aluminiumoxid har en hög Young-modul, vilket gör den lämplig för många tillämpningar. Tyvärr diskvalificerar dock dess spröda natur den för tillämpningar som kräver plasticitet, t.ex. strukturella komponenter och skärverktyg; dessutom går den sönder direkt under tryck- och dragbelastning i stället för att deformeras gradvis över tid.

En ultraljudsbaserad oförstörande metod för att mäta elasticitetskonstanter i metallegeringar har skapats. Med hjälp av digital korrelationsteknik har ett nytt icke-destruktivt sätt utvecklats för att erhålla Poissons tal och elasticitetsmodul genom vibration av prover - detta kräver betydligt mindre provstorlekar än konventionella dragprov men ger distributionskurvor med mer regelbundenhet än andra tekniker.

Aluminiumoxidens Young-modul bestäms av hur de interatomära krafterna varierar med avståndet. Dessutom spelar dess renhetsgrad en viktig roll; forskning visar att Youngs modul korrelerar linjärt med renhetsgraden (se figur 4.8).

I denna forskning bestämdes Youngs modul för aluminiumoxid med hjälp av lägeskonverterat ultraljud i ett akustiskt svepmikroskop (SAM). Longitudinella vågor och skjuvvågor inuti ett aluminiumoxidprov fångades upp för att beräkna våghastighetsberäkningar samt bestämning av elasticitetskonstanten för detta material. Denna mycket känsliga men ändå exakta teknik kan tillämpas i olika miljötemperaturer för att utvärdera materialets egenskaper.

Temperatur, sammansättning och kristallstruktur påverkar alla aluminiumoxidens elasticitetsmodul; dessutom är dess elastiska egenskaper beroende av andra material, t.ex. kiselkarbidpartiklar (SiC) som ökar elasticitetsmodulen med över 10 gånger. Experimentella data jämfördes sedan med simuleringsresultat samt teoretiska modeller för att fastställa dess inneboende Young-modulvärde.

Studier utfördes icke-destruktivt från rumstemperatur till 1600 grader C på elasticitetsmoduler hos gjutgods med hög aluminiumoxid från rumstemperatur upp till 1600 grader C, med spårning av förändringar i Youngs modul och Poissons tal när temperaturen steg. Ytterligare experiment omfattade kvantitativ röntgendiffraktion, dilatometri och mätningar av ytarea för att slutföra dessa undersökningar. Resultaten visar att Poisson-talet minskar gradvis med temperaturökningen men ökar kraftigt när den ursprungliga bränningstemperaturen har uppnåtts på grund av fortsatt sintring som leder till plötsliga ökningar av Youngs modul.