Youngův modul oxidu hlinitého

Oxid hlinitý je neocenitelný keramický materiál, který je známý svou vynikající odolností proti oxidaci a vlastnostmi Youngova modulu. Vzhledem k vysoké teplotě potřebné při spékání však může být drahým materiálem.

Při pokojové teplotě vykazují kompozity s částicemi aluminy a YAG křehké chování s přibližnou pevností v ohybu přibližně 320 MPa. I při teplotě 1650 stupňů Celsia zůstává jejich mikrostruktura homogenní s rovnoměrně rozmístěnými zrny oxidu hlinitého a jemnými zrny druhé fáze tvořícími atraktivní mikrostrukturu.

Charakteristika

Youngův modul oxidu hlinitého je neocenitelná vlastnost materiálu, která pomáhá určovat mechanickou pevnost keramických materiálů. Tento ukazatel hodnotí schopnost materiálu odolávat kolmým silám, které působí kolmo na směr jeho roztažení; jeho hodnota je definována jako součin elastické konstanty a smykové deformace a lze ji snadno vypočítat pomocí jednoduchého vzorce. Měření Youngova modulu oxidu hlinitého lze mimo jiné provádět také pomocí přístrojové nanoindentace, testů rotace ukazatele a měření průhybu.

Oxid hlinitý má obvykle relativně nízký Youngův modul, který však lze výrazně zvýšit pomocí pokročilých technik syntézy, které řídí velikost a tvar granulí. Kromě toho mohou ke zvýšení hodnot Youngova modulu přispět i změny hustoty během výroby.

Granule g-aluminu mohou nejen zlepšit Youngův modul, ale lze je také využít pro různé aplikace ve stomatologii a dalších odvětvích. Díky své vysoké tvrdosti a tuhosti jsou ideální pro dentální cementy a lze z nich dokonce vytvářet vlastní výplně, jako jsou dýhy.

Youngův modul oxidu hlinitého vykazuje silnou závislost na teplotě. Pomocí impulsního buzení byly sledovány změny Youngova modulu u částečně slinutých vzorků oxidu hlinitého zahřátých od pokojové teploty až do 1600 °C, poté byly porovnány s teoretickými předpověďmi a bylo zjištěno, že teplotní závislost Youngova modulu se pro tento materiál řídí ideální hlavní křivkou.

Zobrazení FESEM bylo rovněž použito ke zkoumání mikrostruktury směsi korundové matrice a druhé fáze při teplotách až 1700 stupňů Celsia, kdy nebyla pozorována žádná změna mikrostruktury a byl zaznamenán pouze malý růst zrn - což naznačuje, že jejich štěpný účinek zůstává účinný i při těchto teplotách.

Výsledky zkoušek ohybu ukázaly, že vzorky Vita In-Ceram z oxidu hlinitého měly výrazně vyšší hodnoty dynamického Youngova modulu a skutečné tvrdosti ve srovnání s IPS Empress 2 a dalšími komerčními materiály pro jádra, včetně ostatních materiálů pro jádra Vita. Bylo také zjištěno, že kompozity z oxidu hlinitého mají nejvyšší pevnost v ohybu, což znamená, že jsou schopny odolat zatížení v ohybu. Analýza SNK pořadí zkoušek pevnosti v ohybu byla také schopna rozlišit chemické a strukturní rozdíly mezi pěti komerčními jádrovými materiály. Byla zjištěna působivá korelace mezi pevností v ohybu a skutečnou tvrdostí kompozitů oxidu hlinitého a dentálním použitím (p0,05), což naznačuje, že jsou pro dentální použití vhodnější než komerční jádrové materiály. Tento výzkum je slibný a přispěje k vytvoření granulí oxidu hlinitého se zlepšenými mechanickými vlastnostmi, což umožní zubním lékařům poskytovat svým pacientům optimální stomatologickou péči a pomůže zlepšit kvalitu života zejména geriatrických pacientů.

Aplikace

Youngův modul je základní vlastností materiálu, která určuje jeho schopnost absorbovat napětí před porušením. Používá se v různých aplikacích, od konstrukce v letectví a automobilovém průmyslu až po konstrukční materiály, jako je hliník. Vyšší Youngův modul znamená tužší materiál. Youngův modul oxidu hlinitého je 12,6 GPa, což z něj činí jeden z nejpevnějších keramických materiálů, které jsou v současnosti k dispozici.

Pružné vlastnosti oxidu hlinitého jsou dány jeho strukturou, chemickým složením a mikrostrukturou. Hliník je polykrystalický materiál složený z fází y a a oddělených hranicí zrn oxidu hlinitého; jednu fázi tvoří oxid hlinitý, druhou oxidy alkalických kovů a oxid křemičitý. Obě vrstvy jsou propojeny nanovlákny a mikročásticemi, které významně přispívají k vysoké hodnotě Youngova modulu.

Youngův modul oxidu hlinitého lze stanovit různými experimentálními metodami, je však nezbytné zohlednit podmínky, za kterých se měření provádí. Jednou z účinných technik, jak toho dosáhnout, je použití křivky zatížení a posunutí získané pomocí mechanického zkušebního zařízení - ta měří, jak velká síla musí vniknout do vzorku, aby došlo k jeho posunutí, a také to, jak teplota ovlivňuje výsledky různých zkoušek; hodnoty modulu pružnosti silně závisí na rozdílech teplot, takže jejich výsledky jsou při jednotlivých zkouškách velmi proměnlivé.

Youngův modul se zvyšuje s rostoucí teplotou a pevnost v tahu klesá se slinováním oxidu hlinitého. Elektrická vodivost rovněž závisí na teplotě; obsah iontů alkalických kovů rovněž ovlivňuje úroveň elektrické vodivosti; odpor se zvyšuje s vyšší teplotou a menší velikostí pórů.

Syntéza porézního oxidu hlinitého s požadovanými fyzikálními vlastnostmi je náročný úkol vzhledem k mnoha proměnným, které ovlivňují jeho fyzikální vlastnosti a chování. Cílem této studie je vytvořit efektivní postup výroby porézního oxidu hlinitého s vyrovnanými hodnotami pórovitosti a Youngova modulu s využitím Taguchiho metody optimalizace výrobního procesu, jako je doba slinování, rychlost ohřevu při kalcinaci a proces konečného tepelného zpracování, pro zlepšení výrobního procesu porézního materiálu oxidu hlinitého.

Výsledky ukázaly, že syntetický g-hliník s nízkou velikostí pórů a vysokým Youngovým modulem lze vyrobit pomocí nové metody syntézy. Tento přístup zdvojnásobuje Youngův modul a zároveň zpevňuje keramiku, takže je vhodná pro aplikace vyžadující vysoce výkonné materiály. Granule vyrobené tímto přístupem se vyznačují vysokou plasticitou pro deformaci bez vzniku trhlin, což je důležitá vlastnost pro lékařské a dentální aplikace. Kromě toho se díky tomuto postupu syntézy výrazně snížila její lámavost, takže tato keramika je klinicky použitelnější než dříve.

Výhody

Youngův modul je základní mechanickou vlastností pro mnoho aplikací. Měří odolnost materiálů vůči namáhání a současně ukazuje, jak dobře pohlcují vibrace nebo rázové vlny. Vyšší Youngův modul znamená větší odolnost proti poškození; hliník v tomto ohledu vyniká mimořádně vysokou hodnotou Youngova modulu, což z něj činí vynikající materiál pro použití ve strojírenských aplikacích.

Hliník je pevný a cenově výhodný materiál. Ačkoli není tak pevný jako ocel, jeho nižší hmotnost umožňuje jeho častější použití v letadlech, kde hmotnost hraje rozhodující roli. Hliník také snižuje spotřebu paliva a emise, čímž pomáhá životnímu prostředí.

Jednou z výhod oxidu hlinitého je jeho odolnost vůči hydrotermálnímu stárnutí. Kromě toho patří jeho Youngův modul mezi nejvyšší ze všech keramických materiálů, což znamená, že odolává extrémním teplotním podmínkám, aniž by pod tlakem praskal. Hliník má četné využití ve zdravotnictví, kde kostní implantáty musí zůstat nepoškozené, zatímco stomatologické aplikace využívají jeho vlastností proti poškození třením.

Youngův modul oxidu hlinitého závisí na jeho čistotě a souvisí také s tvrdostí. Čím čistší oxid hlinitý se vyrábí, tím se jeho Youngův modul zvyšuje. Bohužel vzhledem k nízkému koeficientu autodifuze a bodu tání může být výroba čistého oxidu hlinitého náročná, ale přidáním uhlíku do jeho matrice by se tento koeficient mohl výrazně zvýšit a Youngův modul výrazně zvýšit.

Youngův modul se snižuje s teplotou, protože částice se k sobě přibližují a vytvářejí mezi sebou pevnější vazby. Nicméně vícesložkové materiály z oxidu hlinitého lze konstruovat s lokálně vyššími Youngovými moduly tím, že se do jejich složení zahrnou přísady s morfologií ve tvaru tyčinek nebo whiskerů a také anizotropní předlisky.

Dynamická indentace zůstává jedním z nejoblíbenějších přístupů k měření vlastního Youngova modulu oxidu hlinitého, ale tato metoda není dostatečně přesná, protože měří pouze poškozené zóny pod indentačním hrotem. Místo toho tato studie navrhuje novou inovativní metodu zahrnující extrapolaci křivek zatížení a posunutí vzorků; výsledky jsou srovnatelné s technikami zkoušení mikrotvrdosti.

Tento článek zkoumá, jak lze kombinovat numerické modelování a experimentální techniky k předpovědi modulu pružnosti povlaku oxidu hlinitého naneseného na hliníkovém substrátu s využitím tříbodových a čtyřbodových ohybových zkoušek jako prostředků k hodnocení jeho mechanických vlastností.