Young's modul af aluminiumoxid

Youngs modul er et uvurderligt mål for ikke-destruktiv testning af ildfaste materialer og fungerer som en indikator for mikrostrukturteknikken i disse ildfaste materialer.

Scanning-transmissionselektronmikroskopi (STEM) blev brugt til at studere det ternære system, der består af aluminiumoxid-ZrO2-YAG. Især karakteriserede vi i detaljer den anden fase, der ligger langs aluminiumoxidkorngrænser og mellem individuelle korn ved hjælp af SEM-billeddannelse.

Young's Modulus

Ingeniører bruger Youngs modul til at vurdere, hvor meget stress et materiale kan udholde, før det deformeres permanent eller svigter, hvilket hjælper dem med at skabe strukturer, der modstår eksterne kræfter uden at revne eller smuldre fra hinanden. Beregning af Youngs modul kræver præcise målinger, en forståelse af elastisk mekanik og en nøjagtig måde at forudsige, hvordan materialer reagerer under stress.

Trækprøvning er den mest almindelige måde at måle Young's Modulus på. En materialeprøve udsættes for gradvist stigende trækspænding, indtil dens elastiske grænse er nået; målinger af kraft og afbøjning på hvert punkt i denne proces registreres derefter, før den plottes ind på en spændings-tøjningskurve, hvor hældningen i det elastiske område repræsenterer materialets Young's Modulus.

Youngs modul kan også måles på forskellige andre måder. Nanoindentationer er en sådan teknik, der ofte anvendes til at karakterisere mekaniske egenskaber på mikro- og nanoskala; men sådanne tests kræver testudstyr med høj opløsning samt specifikke værktøjer til at forberede prøver til analyse.

En fordel ved at bruge nanoindentationer til at måle Young's Modulus er, at de kræver mindre prøver end traditionelle trækprøver, hvilket giver fordelinger med mere regelmæssige fordelingskurver, der giver mere præcise statistiske korrektioner end muligt med fordelinger i fuld skala.

Youngs modul for aluminium er veletableret gennem eksperimentelle målinger og teoretiske beregninger, og denne værdi kan bruges som sammenligningspunkt, når man foretager beregninger eller eksperimentelle målinger. Variationer i Youngs modul kan skyldes faktorer som temperatur, legeringssammensætning, krystalstruktur eller fremstillingsprocesser - f.eks. kan tilsætning af legeringselementer ændre det intermolekylære bindingsarrangement og dermed de mekaniske egenskaber.

Poissons forhold

Poissons tal er en materialeegenskab, der måler forholdet mellem længdetøjning og tværtøjning. Værdien varierer med deformationstypen; den er positiv ved trækdeformation, mens den kan blive negativ ved trykdeformation. Selvom værdierne for Poissons forhold har en tendens til at forblive konsistente på tværs af materialer, kan deres værdier ændre sig betydeligt mellem materialer; dette fænomen er især bemærkelsesværdigt med metaller og legeringer, som ofte udviser stor variation i værdierne for Poissons forhold.

Poissons tal falder typisk, når densiteten øges, på grund af ændringer i materialets cellulære strukturer, der ændrer porernes form og størrelse - hvilket igen påvirker Poissons tal. Desuden ændrer densifikation fordelingen af porer og deres størrelsesfordeling; densifikation påvirker også denne proces. Mange undersøgelser har udforsket dette forhold ved hjælp af forskellige vibrationsmetoder som f.eks. måling af resonansfrekvenser med høj nøjagtighed - en nøjagtig måling, der gør det muligt at beregne prøvernes elastiske egenskaber.

Disse beregninger kan udføres ved hjælp af en ikke-destruktiv teknik kaldet ultralydsmåling. Det indebærer, at man banker på en prøve med et projektil og optager vibrationssignalet til analyse for at fastslå langsgående og tværgående akustiske bølgehastigheder; derefter bruges disse oplysninger til at beregne prøvematerialets Young's modul baseret på denne analysemetode - hvilket giver ensartede og præcise resultater hver gang.

Young's modul for aluminiumoxid kan forklares ud fra dens densitet og Poisson-forhold, to vigtige elementer i dens elastiske opførsel. Aluminiumoxid har et lavt Poisson-forhold på grund af sin mikrostruktur; som følge heraf øges de elastiske egenskaber med stigende densitet, men dets Young-modul forbliver lavere end sammenlignelige metaller.

Poissons forhold i aluminiumoxid er følsomt over for temperaturen. Det falder, når temperaturen stiger, men når fyringstemperaturen er nået, stiger det kraftigt igen på grund af fortsat sintring ved denne temperatur, hvilket fører til en brat stigning i Youngs modul. Desværre er det nøjagtige forhold til temperaturændringer stadig dårligt forstået på grund af forskellige påvirkninger, der påvirker det.

Elasticitetsmodul

Elasticitetsmodulet er en integreret egenskab ved faste materialer. Det beskriver, hvor meget deformation der sker under træk eller tryk, hvor stive materialer har højere elasticitetsmoduler end fleksible materialer; også kendt som træk-/straktionsmodul eller belastningsmodul. Målinger af elasticitetsmoduler kan foretages ved at måle stress forårsaget af deformation under konstant belastning og derefter dividere med belastning for at opnå værdien - hvilket giver værdien af elasticitetsmodulet.

Stivhed, det modsatte af elasticitetsmodul, måler, hvor meget kraft der udøves under stress. Ingeniører bruger denne egenskab ved materialer til at bestemme deres bæreevne og foretage de nødvendige ændringer; dens værdi kan afhænge af faktorer som materialets tykkelse og egenskaber.

Tykkere aluminiumsplader vil have lavere stivhed, men de samme Young's Modulus-værdier, fordi tykkere materialer er mere modstandsdygtige over for deformation under stress og har større overfladearealer, så der skal påføres mere stress for at forårsage belastning på et givet punkt.

Elastiske moduler kan sammenlignes ved hjælp af følgende ligning: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), hvor ph-g repræsenterer elektronens arbejdsfunktion ved T, og b er materialets massefylde.

Aluminiumoxid er en slidstærk keramik med et højt elasticitetsmodul, der kan karakteriseres ved tre- og firepunktsbøjningstest. I denne undersøgelse blev der anvendt en numerisk/eksperimentel korrelation til at forudsige det iboende Young's modul for en aluminiumoxidbelægning, der var afsat på et aluminiumsunderlag, og der blev fundet en fremragende overensstemmelse mellem de eksperimentelle værdier og de forudsagte. Desuden viste kompressionsstress sig at være stærkere end spændingsstress for de fleste applikationer, der bruger aluminiumoxidbelægninger; hvilket tyder på en mere vellykket ydeevne.

Modul for trækstyrke

Aluminiumoxidets høje Young-modul indikerer, at det er et stift materiale, der er modstandsdygtigt over for deformation, mens det ikke er plastisk og mangler flydepunkter, hvilket gør det uegnet til anvendelser, der kræver plasticitet, som f.eks. strukturelle komponenter og skæreværktøjer. I stedet svigter det næsten øjeblikkeligt under tryk- eller trækbelastning i stedet for gradvist at blive deformeret og svækket over tid. På grund af denne egenskab gør dets sprøde natur det uegnet til anvendelser som strukturelle komponenter eller skæreværktøjer, der kræver plasticitet.

Aluminiumoxid kan kombineres med polymerer for at øge deres trækegenskaber betydeligt. For eksempel øger tilsætning af 0,2% aluminiumoxidnanofibre til en epoxykomposit dens ultimative trækstyrke fra 41 MPa til 71 MPa, fordi aluminiumoxidnanofibre tilføjer stivhed og fungerer som naturlige kædebegrænsere samt forbinder sig til epoxygrupper i polymerkæder gennem deres epoxypropylfunktionelle grupper, der skaber stærke bindinger mellem fibre og resinmolekyler.

Sekskantet aluminiumoxid er et ideelt teknisk keramisk materiale på grund af dets høje Young-modul og lave varmeudvidelse, som gør det modstandsdygtigt over for mekanisk belastning ved høje temperaturer. Desuden har hexagonal aluminiumoxid en fremragende ledningsevne og en stabil ydeevne under ekstreme miljøforhold - kvaliteter, der gør hexagonal aluminiumoxid til et fremragende valg til elektriske anvendelser.

I modsætning til andre aluminiumoxidtyper har hexagonalt AlN en ekstremt høj selvdiffusionskoefficient, som gør sintring vanskelig med traditionelle metoder. Desuden har dette materiale lav smeltetemperatur og fremragende egenskaber til at modstå termisk chok.

Sonelastic Systems-tests ved stuetemperatur samt lave og høje temperaturer giver mulighed for nøjagtig karakterisering af keramiske materialers elasticitetsmodul (Young's Modulus, Shear Modulus og Poisson Ratio) og dæmpningsegenskaber for præcist at vurdere deres elasticitetsmodul (Young's Modulus, Shear Modulus og Poisson Ratio) og dæmpningsegenskaber - disse egenskaber er afgørende for at designe nye varianter af disse materialer til en lang række anvendelser.

Under sintringsprocessen blev aluminiumoxidets elasticitetsmoduler målt dynamisk. Ved lavere temperaturer faldt Youngs modul lineært på grund af delvis sintret aluminiumoxid, der blev fortættet; men ved højere temperaturer på grund af yderligere fortætning steg Youngs modul hurtigt på grund af sintrings- og fortætningsprocesser; denne tendens var i tråd med statiske målinger ved stuetemperatur af det samme materiale; forskydningsmodul og Poissons forhold viste også lignende tendenser.