氧化铝的弹性特性和应用

氧化铝具有很高的杨氏模量、压缩和拉伸屈服强度，是一种非常适合工程应用的材料。本文对这些关键特性进行了深入研究，并以数值计算为例，帮助工程师根据特定特性需求选择或设计材料。

本文详细介绍了一项研究，通过使用三点和四点弯曲试验进行机械表征，比较了预测沉积在铝基板上的氧化铝涂层弹性模量的实验和建模方法。

杨氏模量

杨氏模量是一种测量各向同性弹性固体刚度的材料属性。工程师利用这种测量方法来评估材料的变形能力，以及创建能够承受工程师施加的应力的结构。杨氏模量通过测量材料在拉伸和压缩载荷下的弹性来衡量材料吸收应力的能力。

据测量，氧化铝的杨氏模量约为 69 千兆帕（GPa）。这一数值已通过经验测量和理论计算得到证实，但会因温度、合金成分、晶体结构和制造工艺（如改变分子间晶格排列或结合机制）的不同而变化。

与金属一样，氧化铝的杨氏模量也会受到应变速率的影响。当施加的应变速率增加时，氧化铝的杨氏模量往往会增大，但如果施加的应变太小，杨氏模量又会减小--这种对应变速率的敏感性源于应力定位机制和变形机制的变化。

为了避免这种现象，必须在拉伸和压缩载荷条件下测试氧化铝的杨氏模量，并将测试结果与理论值进行比较，以确保其准确性。其中一种方法是纳米压痕法--与全尺寸数据相比，它使用更小的样品来获得更精确的分布曲线；另一种方法是使用原子力显微镜来测量材料本身的弹性特性，以获得更可靠的结果。

剪切模量是测量材料刚度的有用属性。通过它可以了解材料在发生永久变形或失效之前能承受多大的应力，从而可以预测结构对外力的反应，并评估材料在应力作用下的抗开裂或抗碎性。

剪切模量可用公式 G=Gi 计算。其中，i 是剪切模量，mass 是质量，shear constant 是剪切常数 (k)。它用于测量材料的抗弯强度，通常用帕斯卡（Pa）表示。

氧化铝的剪切模量可以用不同的方法测量。其中一种技术是使用纳米压痕法，与传统的拉伸试验相比，这种方法所需的样品更小，但能产生更规则的分布曲线，从而获得更高的精确度。另一种方法是进行直接剪切试验，以恒定速率对物体施加剪切力，并测量剪切模量随时间的变化。

不同的材料具有不同的剪切模量，这可以用它们的结构来解释。例如，较薄的板材通常会比较厚的板材表现出较低的剪切模量，这是因为较薄的板材表面积较小，因此需要较大的应变才能产生应变。

氧化铝的剪切模量在烧制过程中和达到最终温度后会随着温度的变化而变化。这些变化可能是由于合金成分、晶体结构或制造工艺影响了氧化铝材料的弹性特性，因此应了解这些因素，以便更好地理解它们可能产生的任何影响。

泊松比测量的是材料在承受单向应力时的体积变化，计算方法是横向应变与轴向应变之比。具有负泊松比的材料在受到拉伸时会比受到压缩时表现出更大的体积膨胀，尽管其平均泊松比通常接近 0.55。微孔材料和复合材料的泊松比通常与普通材料有很大不同。

工程师利用杨氏模量来确定材料在永久变形或失效之前可以承受多大的应力，从而帮助他们创造出能够可靠承受外力的结构。例如，氧化铝具有极高的杨氏模量值，被广泛应用于工程领域。

工程师利用各种技术，包括直接发泡、复制技术、干压和等静压技术，制作出孔隙度恰到好处的氧化铝陶瓷。通常先使用这些方法形成生坯，然后再对其进行应力测试，以评估其弹性特性。

这些测试可能涉及三点或四点弯曲，以确定氧化铝材料的弹性模量。通过将测试结果与计算得出的物理特性值进行比较，这种方法还可以预测氧化铝材料在各种环境和天气条件下的行为。

要相对准确地预测氧化铝陶瓷的弹性模量，需要使用一个结合实验数据和有限元模型结果的迭代过程。在这次测试中，该模型被应用于沉积在铝基板上的涂层，并进行了三点和四点弯曲测试；其结果是准确预测了这些涂层的弹性模量以及其他多孔氧化铝陶瓷的机械性能。

材料的抗压强度是指材料在挤压荷载作用下不会破碎或失效的最大应力能力，因此，在为抗压强度等特定应用选择混凝土或钢桥梁材料时，这一特性非常重要。抗压强度测量可包括单轴拉伸试验或纳米压痕试验，与传统的拉伸试验相比，纳米压痕试验可产生非破坏性且更精确的结果。

纳米压痕测试使用一个细小的针尖对被测材料进行振动，测量施加在材料上的任何力，并利用这些数据计算材料的弹性模量。由于这些测试仅使用材料的小样本进行测试，其结果比传统的拉伸测试方法能提供更精确的分布。

超声波振动分析是测量材料弹性模量的另一种有效方法。这种方法是用射弹敲击样品，记录其振动信号进行分析，然后利用这些信息确定纵向和横向声共振频率，从而准确计算出弹性模量值。

氧化铝的弹性特性由其密度和泊松比决定，二者均随温度变化。泊松比往往会随着温度的升高而降低，但一旦达到烧结的烧成温度，泊松比又会因石墨堆积或晶粒尺寸增大干扰烧结过程而骤然升高。

温度、合金成分和晶体结构都会对金属的弹性性能产生影响；它们的弹性模量还取决于轧制过程中的取向等制造工艺变量；这种影响对传统钢和高强度钢等 BCC 金属最为明显。

工程师使用极限拉伸强度来衡量材料在不被挤压或破坏的情况下抵御外力的能力，例如挤压或破坏结构。预测这一数值需要深入了解弹性力学并进行精确测量。

泊松比是决定材料强度的主要因素之一。氧化铝的泊松比非常低，这意味着它的弹性模量低于同类金属，因此非常脆弱，很容易在负荷下失效。

要确定任何材料的拉伸强度，都必须进行拉伸试验，以绘制应力-应变曲线。这包括在测量挠度的同时施加恒定的力，以确定样品在拉力作用下断裂前可承受的伸长量。

理想的拉伸试验是将样品置于两个虎钳之间，拉伸直至破坏。然后将测量结果与应力/应变峰值位置的初始裂缝体积进行比较，以确定其强度并确定拉伸强度。

不过，还可以使用其他试验来更深入地了解试样的抗拉强度。其中一种方法称为动态巴西盘试验，即在试样沿长度方向的不同点出现裂纹时，连续拉伸试样，并用超高速摄像机测量裂纹初现处的应力和应变，然后使用校正方法计算抗拉强度；使用扫描电子显微镜检查氧化铝试样的断裂面，以了解其失效机理。