Модул на Юнг Алуминий

Алуминият е безценен керамичен материал, известен с отличната си устойчивост на окисляване и модула на Юнг. Въпреки това, поради високата температура, която се изисква по време на процесите на синтероване, той може да бъде скъп избор на материал.

При стайна температура композитите от алуминиеви-YAG частици се характеризират с крехко поведение с приблизителна якост на огъване от около 320 MPa. Дори при 1650 градуса по Целзий микроструктурата им остава хомогенна с равномерно разположени зърна от алуминий и фини зърна от втора фаза, които образуват привлекателна микроструктура.

Характеристики

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид е безценно свойство на материала, което помага да се определи механичната якост на керамичните материали. Този показател оценява способността на материала да устоява на перпендикулярни сили, които се прилагат перпендикулярно на посоката на разтягане; определя се като произведение от еластичната константа и деформацията на срязване, а стойността му може лесно да се изчисли по проста формула. Измерването на модула на Юнг на алуминиев оксид може да се извърши и чрез инструментално наноиндентиране, тестове за въртене на показалеца и измерване на деформацията, наред с други.

Алуминият обикновено има сравнително нисък модул на Юнг, но той може да бъде значително увеличен чрез усъвършенствани техники за синтез, които контролират размера и формата на гранулите. Освен това промените в плътността по време на производството също могат да спомогнат за увеличаване на стойностите на модула на Юнг.

Гранулите от g-алуминий могат не само да подобрят модула на Юнг, но и да се използват за различни приложения в стоматологията и други индустрии. Тяхната висока твърдост и твърдост ги прави идеални за стоматологични цименти; освен това те дори могат да бъдат оформени в нестандартни възстановявания като фасети.

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид показва силна температурна зависимост. Проведено е изследване с използване на импулсно възбуждане, за да се наблюдават промените в модула на Юнг на частично спечени образци от алуминиев оксид, нагряти от стайна температура до 1600 градуса по Целзий, след което са сравнени с теоретичните прогнози и е установено, че температурната зависимост на модула на Юнг следва идеалната главна крива за този материал.

FESEM изображенията бяха използвани и за изследване на микроструктурата на алуминиева матрица и смес от втора фаза при температури до 1700 градуса по Целзий, при което не се наблюдаваше промяна в микроструктурата и се наблюдаваше само незначителен растеж на зърната - което предполага, че ефектът на щипките остава ефективен при тези температури.

Резултатите от изпитването на огъване показаха, че пробите Vita In-Ceram от алуминиев оксид имат значително по-големи стойности на динамичния модул на Юнг и истинската твърдост в сравнение с IPS Empress 2 и други търговски материали за ядра, включително други материали за ядра Vita. Установено е също така, че алуминиевите композити притежават най-висока якост на огъване, което означава, че те са способни да издържат на натоварване при огъване. SNK анализът на ранговия ред на изпитване на якостта на огъване също е в състояние да разграничи химическите и структурните различия между петте търговски материала за ядра. Открита е впечатляваща корелация между якостта на огъване и истинската твърдост на алуминиевите композити и употребата им в денталната медицина (p0,05), което предполага, че те са по-подходящи от търговските сърцевинни материали за дентално приложение. Това изследване е обещаващо и ще допринесе за създаването на алуминиеви гранули с подобрени механични свойства, което ще позволи на зъболекарите да предоставят на пациентите си оптимални стоматологични грижи, спомагайки за подобряване на качеството на живот, особено на гериатричните пациенти.

Приложения

Модулът на Юнг е основно свойство на материала, което определя способността му да поема напрежения преди разрушаване. Той се използва за различни приложения - от аерокосмически и автомобилни конструкции до строителни материали като алуминий. По-високият модул на Юнг означава по-твърд материал. Модулът на Юнг на алуминия е 12,6 GPa, което го прави един от най-здравите керамични материали, налични в момента.

Еластичните свойства на алуминия се определят от неговата структура, химичен състав и микроструктура. Алуминиевият оксид е поликристален материал, съставен от y и a фази, разделени от границата на алуминиевите зърна; алуминиевият оксид съставлява едната фаза, докато оксидите на алкалните метали и силициевият диоксид съставляват другата. Двата слоя са свързани помежду си с нановлакна и микрочастици, които допринасят значително за високата стойност на модула на Юнг.

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид може да се определи чрез различни експериментални методи, но е от решаващо значение да се вземат предвид условията, при които се провеждат измерванията. Една от ефективните техники за това е използването на кривата на натоварване и преместване, получена с оборудване за механични изпитвания - по този начин се измерва каква сила трябва да проникне в образеца, за да настъпи неговото преместване, а също и как температурата влияе върху резултатите от различните изпитвания; стойностите на модула на еластичност зависят силно от температурните разлики, което прави резултатите от отделните изпитвания изключително променливи.

Модулът на Юнг се увеличава с увеличаване на температурата, а якостта на опън намалява при синтероване на алуминия. Електропроводимостта също зависи от температурата; съдържанието на йони на алкални метали също оказва влияние върху нивата на електропроводимост; съпротивлението се увеличава при по-висока температура и по-малки размери на порите.

Синтезът на порест алуминиев оксид с желани физични свойства е трудна задача поради многото променливи, които влияят върху физичните му характеристики и поведение. Целта на настоящото изследване е да се създаде ефективна процедура за производство на порест алуминиев оксид с балансирани стойности на порьозност и модул на Юнг, като се използва оптимизация на производствения процес по метода на Тагучи, като например времето за синтероване, скоростта на нагряване на процеса на калциниране и крайния процес на топлинна обработка за подобряване на производствения процес на порест алуминиев материал.

Резултатите показаха, че синтетичен g-алуминий с малък размер на порите и висок модул на Юнг може да бъде получен чрез нов метод за синтез. Този подход удвоява модула на Юнг, като същевременно укрепва керамиката, което я прави подходяща за приложения, изискващи висококачествени материали. Гранулите, произведени по този подход, се отличават с висока пластичност за деформация без напукване; важна характеристика за медицински и стоматологични приложения. Освен това, благодарение на тази процедура за синтез, честотата на счупване е значително намалена, което прави тази керамика по-приложима в клиничната практика, отколкото преди.

Предимства

Модулът на Юнг е основно механично свойство за много приложения. Той измерва устойчивостта на материалите на натоварване, като същевременно показва колко добре те абсорбират вибрации или ударни вълни. По-високият модул на Юнг показва по-голяма устойчивост на повреди; алуминият се отличава в това отношение поради изключително високата си стойност на модула на Юнг, което го прави отличен избор на материал за използване в машиностроителни приложения.

Алуминият е здрав и рентабилен материал. Въпреки че не е толкова здрав, колкото стоманата, неговото по-леко тегло позволява да се използва по-често в самолетите, където теглото играе решаваща роля. Алуминият също така намалява разхода на гориво и емисиите, което от своя страна помага на околната среда.

Едно от предимствата на алуминиевия оксид е неговата устойчивост на хидротермално стареене. Освен това неговият модул на Юнг е сред най-високите сред всички керамични материали, което означава, че може да издържа на екстремни температурни условия, без да се напуква под налягане. Алуминият има многобройни приложения в медицината, където костните импланти трябва да останат неповредени, а в стоматологията се използват неговите свойства срещу увреждане от триене.

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид зависи от неговата чистота, а това е свързано и с твърдостта. При производството на по-чист алуминий модулът на Юнг се увеличава. За съжаление, поради ниския коефициент на самодифузия и температурата на топене, производството на чист алуминий може да се окаже предизвикателство, но добавянето на въглерод към матрицата му може да го увеличи значително и да увеличи значително модула на Юнг.

Особено важно е, че модулът на Юнг намалява с температурата, тъй като частиците се приближават една към друга и образуват по-силни връзки помежду си. Независимо от това многокомпонентните материали от алуминий могат да бъдат разработени с локално по-високи модули на Юнг, като в състава им се включат добавки с морфология на пръчки или мустаци, както и анизотропни преформи.

Динамичното вдлъбване остава един от най-популярните подходи за измерване на вътрешния модул на Юнг на алуминия, но този метод не е достатъчно точен, тъй като измерва само повредените зони под върха на вдлъбването. Вместо това в настоящото изследване се предлага нов иновативен метод, включващ екстраполиране на кривите на натоварване и преместване на образците; резултатите са сравними с тези от техниките за изпитване на микротвърдост.

В тази статия се изследва как численото моделиране и експерименталните техники могат да се комбинират за прогнозиране на модула на еластичност на покритие от алуминиев оксид, нанесено върху алуминиева подложка, като се използват три- и четириточкови изпитвания на огъване като средства за оценка на механичните му свойства.