氧化铝陶瓷有哪些特性？

杨氏模量用于测量材料的刚度和抗变形能力。

杨氏模量测量材料的刚度和抗拉伸能力。由于实际系统很少经历单轴负载条件，因此在测试杨氏模量值时也应考虑扭转测试。

杨氏模量

杨氏模量测量的是任何给定材料的弹性应变与应力之间的比率，它可以显示材料在拉伸或压缩时的变形情况，以及在支撑间的特定点上承受载荷时的挠曲量。杨氏模量在桥梁和建筑设计等工程应用中起着至关重要的作用，因为它可以预测各向同性杆件在拉伸时的伸长量或压缩时的压缩量--这是将材料用作桥梁和建筑等结构设计元素的工程应用的关键属性；它还在测量支撑点之间承受载荷时的挠度时起着不可或缺的作用--这也是工程师非常依赖的属性。

杨氏模量随温度变化而变化，是无损检测（NDT）材料和耐火材料的宝贵财富。温度引起的冲击破坏会导致弹性模量和泊松比下降，而阻尼增加。Sonelastic(r) 系统能够测量混凝土和耐火材料在低温和高温下的动态弹性参数（杨氏模量、剪切模量和泊松比）和阻尼。

ALD 氧化铝的机械性能表征采用了多种测量技术，如仪器纳米压痕、隆起测试和指针旋转。通过这些测量方法，研究人员计算出了这种材料的杨氏模量、贝氏硬度以及面内应力值。

材料的弹性模量取决于其结构和成分，特别是其中原子的原子间结合，可以用公式 E=B(E-B(E))计算。由于电子功函数的变化，金属的杨氏模量会随温度变化。

复合材料的机械性能可能会因施力方向而发生显著变化，这就是所谓的各向异性，也是许多材料的特点。碳纤维的杨氏模量在平行于其晶粒结构加载时比垂直于其晶粒结构加载时增大；类似的原理也适用于耐火材料和混凝土--因此，了解特定材料是否具有各向异性至关重要。

弹性模量

弹性模量是一种材料属性，用于测量材料在应力作用下的刚度或弹性变形阻力。这个常数可以根据材料应力-应变曲线的斜率计算出来，并用单位面积的压力（帕或磅/平方英寸）表示。弹性模量越大，表示材料在不发生损坏的情况下抵抗变形的能力越强。

氧化铝的杨氏模量很高，在断裂前能承受很大的应变，因此适用于多种工程应用。然而，由于基体颗粒和增强颗粒之间的热膨胀不匹配或制造过程中的残余应力或渐进变形导致的颗粒断裂可能会产生影响，因此工程师必须充分了解这一特性随温度的变化情况。

本文研究了氧化铝和氧化锆陶瓷在加热时的弹性特性，特别是其拉伸和压缩弹性模量的变化。然后将这些结果与传统的多晶氧化铝和氧化锆单晶进行比较。此外，还探讨了焙烧峰值温度/焙烧时间组合决定的粉末密实弹性（如杨氏模量或泊松比）的焙烧变量；特别是重点关注哪些因素会影响材料密度，哪些不会。

氧化铝-氧化锆粉末压制物的杨氏模量明显大于单晶压制物，尽管这一特性似乎会随着温度的升高而减小，这是因为氧化锆相在烧制过程中经历四方-单斜相转变时弹性模量发生了变化，而且这两种相的剪切模量都增大了。

在室温和高温下进行的声弹性系统测试可以准确地描述玻璃的弹性特性，压缩剪切模量值和泊松比都可以通过这些测试中的压缩/剪切波速度测量值计算出来。这些数据可用于质量控制目的，如根据传播速度测量结果推断烧制陶瓷体的密度。

硬度

氧化铝陶瓷材料的杨氏模量和硬度都是需要注意的关键属性，因为硬度衡量的是其抗机械应力和变形的能力。

硬度可以通过测量在试样上产生压痕所需的力来测量。这种测试通常采用受控载荷（如金刚石尖端）直接施加到材料表面，然后测量产生的压痕。氧化铝的硬度远高于钢或碳化钨材料，因此适用于需要抗机械磨损的应用。

氧化铝陶瓷的硬度[31]，部分烧结陶瓷通常具有凸孔或凹孔的异形微观结构，这些孔隙形成了复杂的层次结构，构成了陶瓷的微观结构，因此这种材料的硬度还可作为热导率等其他性能的预测指标[32,33]。

氧化铝是一种硬度极高的材料，莫氏硬度为 9 级。这种硬度使氧化铝能够承受重负荷而不会开裂或断裂，因此成为耐磨溜槽和输送系统衬里等工业用途的热门选择。

切削工具、火花塞和厚膜半导体基片都使用氧化锆制成的先进技术陶瓷，因此氧化锆的发展也成为一个重要因素。

氧化铝-氧化锆复合材料的硬度可以通过在氧化铝基体中加入氧化锆相变而显著提高，氧化锆相变会导致 3-5% 体积膨胀，从而抑制氧化铝基体材料中剪切裂纹的扩展。ZrO2 负载可使氧化铝-氧化锆陶瓷（如 ZTA 或 Y-TZP）的断裂韧性比纯氧化铝陶瓷（如 ZTA 或 Y-TZP）提高三倍以上，这是由于 ZrO2 负载导致晶粒尺寸减小，磨削作用更加坚硬，从而进一步提高了材料的耐磨性。此外，晶桥的存在就像一个 "减震器"，可以分散纯氧化铝基体中的拉伸应力。

摩擦系数

材料的摩擦系数被定义为摩擦力和法向力之间的比率，摩擦系数是通过在两个表面之间施加受控力的摩擦力计测量的，其结果是相互作用；摩擦系数会因表面条件、温度、润滑程度和其他影响表面之间相互作用的因素而不同；此外，它还直接影响机械系统内的能量损失。氧化铝的摩擦系数与系统性能直接相关，因此起着特别关键的作用。

在这项研究中，对在干燥和水润滑条件下与工具钢滑动的五个等级的氧化铝陶瓷进行了调查。研究结果表明，摩擦行为取决于陶瓷的成分，特别是硅酸盐玻璃相和氧化锆的添加量，添加量多的陶瓷比添加量少的陶瓷磨损率低。

硅酸盐玻璃相和氧化锆含量较高的氧化铝具有优异的机加工性能；而这些相的含量较低，则会大大增加机加工力。摩擦特性还取决于其三相层与工具钢表面的接触角和粗糙度。

在 1200 至 1600 摄氏度之间以及开始致密化/烧结时，采用脉冲激励来监测部分烧结氧化铝的动态杨氏模量，结果显示杨氏模量随温度呈线性下降，直至超过烧结温度。此时，发生致密化/烧结，产生的杨氏模量指数变化与等效多孔陶瓷的室温结果非常接近。

在静载荷条件下，研究了氧化铝基钛合金复合材料在 B20 和 A20 样品与工具钢的摩擦和磨损情况。结果表明，前者的摩擦系数（COF）较低，这可能是由于钢和氧化铝之间形成了转移层。