氧化铝的杨氏模量

工程师依靠杨氏模量来评估材料在永久变形或失效之前能承受多大的应力，并设计出能承受外力而不受损或分崩离析的结构。

声学和纳米压痕等非破坏性测试为评估材料的机械性能提供了有效工具；然而，与传统的拉伸测试方法相比，它们对样品的要求可能有限，导致分布曲线不够均匀。

杨氏模量

杨氏模量也称为弹性模量，用于测量材料抵抗变形的能力。工程师需要了解杨氏模量，因为它可以量化抵抗外力的能力，使他们能够设计出更有效的系统。

在测定杨氏模量时，必须首先对材料试样施加越来越大的拉伸应力，直到达到其弹性极限，然后让其恢复到原来的尺寸，再施加新的应力。在此过程中测量应变，通过绘制应力/应变曲线的斜率，就可以计算出杨氏模量。

虽然拉伸试验仍是测量杨氏模量的常用方法，但其在微观尺度上测量应变的准确性却很困难。纳米压痕法提供了另一种可以在纳米尺度上准确捕捉杨氏模量值的方法，但它需要高分辨率的测试设备和专业工具来制备分析样品。

在烧结过程中对氧化铝的杨氏模量进行了动态检测，结果显示杨氏模量与孔隙率呈指数关系，这与室温下的静态测量结果非常吻合。此外，动态杨氏模量在较高温度下呈指数增长，因为致密化过程比烧结过程更为重要。

由于氧化铝的弹性模量较低，拉伸它比拉伸类似部分的钢材料需要更大的力，这使得游标刻度测试成为拉伸测试期间收集精确数据的重要方法。工程师将受益于更精确的杨氏模量计算，从而在设计更高效的结构时使用这一重要信息。举例说明：使用杨氏模量比钢低的氧化铝可以使牙科修复体更加坚固，减少受力时的裂纹，提高患者的舒适度，同时降低因受力过大而导致种植失败的风险。

泊松比

氧化铝具有极高的杨氏模量，因此不易变形。遗憾的是，氧化铝的脆性使其无法用于结构部件或切削工具等需要塑性的应用领域，因为氧化铝没有屈服点，因此了解氧化铝在应力下的行为至关重要。

振动测试提供了一种解决方案，通过测量物体的共振频率来评估其弹性特性。在进行振动测试时，使用小型弹丸敲击样品，同时使用传感器记录振动信号；然后通过快速傅立叶变换转换回频域数据，最后由专门设计的软件进行分析，从而高精度地计算共振频率，确定样品的弹性特性。

氧化铝中的泊松比取决于其组成的密度和细胞结构；因此，由于这些变量的影响，可能很难精确测量氧化铝中的泊松比。尽管如此，一些研究还是通过振动测试或其他方法对其进行了研究。

Sonelastic 公司用于测量剪切力、泊松比和阻尼的系统就是其中一种方法。该设备利用精密的金属丝支撑来测量样品的共振频率，从而确定混凝土或耐火材料等具有粗糙微结构的材料的弹性模量，测量可在低温和高温下进行。

铝泡沫的归一化泊松比随其相对密度而变化，最好使用指数为 1.72 +- 0.10 的幂律函数来模拟。这一数值与其他形式的氧化铝泡沫完全吻合，验证了对它们的测量结果。另外，混合物或渗流模型也可以解释泊松比随孔隙率增加而下降的原因。

在烧结过程中，动态杨氏模量随温度呈线性下降，然后随着致密化过程的继续，在较高温度下迅速上升。该样品的动态杨氏模量测量结果与室温静态测量结果的趋势相似。

拉伸强度

氧化铝因其卓越的抗拉强度而成为最坚固的材料之一。氧化铝能够承受巨大的应变和应力而不开裂，因此适用于需要高强度材料的建筑项目，它还具有令人印象深刻的耐磨性，因此适用于需要承受磨损的部件。

氧化铝陶瓷以抗热震性著称，这意味着它们可以承受高温而不会因温度突然升高而损坏。因此，氧化铝是航空航天工程或发电等涉及高温的应用领域的理想材料。此外，氧化铝还具有出色的导电性，可用于布线应用或其他物体的布线。

拉伸试验是精确测量材料杨氏模量的最佳方法之一，它包括逐渐增加样品上的力，直到其弹性极限。在这一过程中的每一点上，都要在不同点上测量力和挠度，直至达到弹性区域，并将其斜率绘制成应力-应变曲线的一部分。虽然这种方法在测量微米级和纳米级的机械性能时效果很好，但可能需要专门的设备和专业知识才能有效执行。

不过，也有其他测量杨氏模量的方法，能提供比拉伸试验更精确的结果。其中一种方法是原子力显微镜纳米压痕法，它能精确测量材料的固有杨氏模量；利用这种技术，配备原子力显微镜尖端的悬臂会对样品表面进行弯曲，并记录此过程中力与挠度的关系曲线。

科学家可以利用这种方法比较不同材料的杨氏模量值，并确定哪种材料的固有杨氏模量值最高。此外，这种方法还可用于分析损坏如何影响材料的杨氏模量值。

科学家们还发现，氧化铝的孔隙率会影响其杨氏模量和泊松比。以前的研究只考虑了致密化过程中孔隙的球形形状，而这项新研究还考虑了致密化过程中改变孔隙形状的任何变化。

抗蠕变性

工程师利用杨氏模量来确定材料在永久变形或失效之前能够承受多大的应力，从而使工程师能够创造出能够承受外力而不会开裂或倒塌的结构。研究人员通常利用超声波等无损检测方法来精确计算杨氏模量；通过超声波波速测量，可以将杨氏模量与耐火材料的材料微观结构、晶粒大小和孔隙特征联系起来。

氧化铝的弹性特性取决于其温度和烧结过程，以及存在于晶界的玻璃相的成分。当烧结温度较高时，粘弹性变形会显著增加，而在较低温度下，这一参数会呈线性下降。

氧化铝可以通过添加元素进行强化，这些元素可以提高玻璃相的浓度和强度，改善晶体结构，从而提高杨氏模量和抗蠕变性。掺入 La、Mg 或 Y 元素可降低烧结温度，同时降低蠕变率，并提高抗拉强度。

图 11 显示了晶须增强的 ABOw/Al-12Si 复合材料在 350 和 400 摄氏度下的拉伸蠕变断裂图，从宏观上看整体呈脆性断裂，但从微观上看局部区域呈韧性断裂、从蠕变表面图像可以看出，基体和晶须之间存在脱粘现象，铝表面也有硅相或金属间化合物相的迹象，这表明蠕变表面存在明显的界面脱粘现象，铝表面可见硅相或金属间化合物相（图 11）。