Elastizitätsmodul Tonerde

Aluminiumoxid ist ein unschätzbares keramisches Material, das für seine hervorragende Oxidationsbeständigkeit und seinen Elastizitätsmodul bekannt ist. Aufgrund der hohen Temperaturen, die während des Sinterprozesses erforderlich sind, kann es jedoch eine teure Materialwahl sein.

Bei Raumtemperatur zeigen Aluminiumoxid-YAG-Partikel-Verbundwerkstoffe ein sprödes Verhalten mit einer ungefähren Biegefestigkeit von etwa 320 MPa. Selbst bei 1650 °C bleibt die Mikrostruktur homogen mit gleichmäßig verteilten Aluminiumoxidkörnern und feinen Körnern der zweiten Phase, die ein attraktives Gefüge bilden.

Merkmale

Der Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid ist eine unschätzbare Materialeigenschaft, die zur Bestimmung der mechanischen Festigkeit von keramischen Werkstoffen beiträgt. Mit diesem Maß wird die Fähigkeit eines Materials bewertet, senkrecht zur Ausdehnungsrichtung einwirkenden Kräften zu widerstehen. Der Wert ist definiert als das Produkt aus Elastizitätskonstante und Scherdehnung und lässt sich mit einer einfachen Formel leicht berechnen. Messungen des Elastizitätsmoduls von Aluminiumoxid können unter anderem auch durch instrumentierte Nanoindentation, Zeigerrotationstests und Durchbiegungsmessungen vorgenommen werden.

Aluminiumoxid hat in der Regel einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul, der jedoch durch fortschrittliche Synthesetechniken, die Größe und Form der Körner kontrollieren, erheblich gesteigert werden kann. Darüber hinaus kann auch die Änderung der Dichte während der Produktion zur Erhöhung des Elastizitätsmoduls beitragen.

Mit g-Aluminiumoxid-Granulat lässt sich nicht nur der Elastizitätsmodul verbessern, sondern es kann auch für verschiedene Anwendungen in der Zahnmedizin und anderen Branchen eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Härte und Steifigkeit sind sie ideal für Zahnzemente und können sogar zu individuellen Restaurationen wie Veneers geformt werden.

Der Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid weist eine starke Temperaturabhängigkeit auf. In einer Studie mit Impulsanregung wurden die Veränderungen des Elastizitätsmoduls von teilweise gesinterten Aluminiumoxidproben, die von Raumtemperatur auf bis zu 1600 °C erhitzt wurden, überwacht und anschließend mit theoretischen Vorhersagen verglichen; dabei wurde festgestellt, dass die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls einer idealen Hauptkurve für dieses Material folgt.

Mit Hilfe der FESEM-Bildgebung wurde auch die Mikrostruktur einer Mischung aus Aluminiumoxid-Matrix und zweiter Phase bei Temperaturen von bis zu 1700 °C untersucht, wobei keine Veränderung der Mikrostruktur und nur ein geringfügiges Kornwachstum zu beobachten war, was darauf hindeutet, dass die Durchdringungswirkung auch bei diesen Temperaturen erhalten bleibt.

Die Ergebnisse der Biegeversuche zeigten, dass die Vita In-Ceram Aluminiumoxid-Proben im Vergleich zu IPS Empress 2 und anderen handelsüblichen Kernmaterialien, einschließlich anderer Vita-Kernmaterialien, deutlich höhere dynamische E-Modul- und echte Härtewerte aufwiesen. Es wurde auch festgestellt, dass Aluminiumoxid-Verbundwerkstoffe die höchsten Biegefestigkeiten aufweisen, was bedeutet, dass sie in der Lage sind, einer Biegebeanspruchung standzuhalten. Die SNK-Rangordnungsanalyse der Biegefestigkeit war auch in der Lage, chemische und strukturelle Unterschiede zwischen fünf handelsüblichen Kernmaterialien zu erkennen. Es wurde eine beeindruckende Korrelation zwischen der Biegefestigkeit und der tatsächlichen Härte von Aluminiumoxid-Kompositen und der zahnmedizinischen Verwendung festgestellt (p0,05), was darauf hindeutet, dass sie für zahnmedizinische Anwendungen besser geeignet sind als kommerzielle Kernmaterialien. Diese Forschungsarbeit ist vielversprechend und wird dazu beitragen, Aluminiumoxidgranulate mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln, die es Zahnärzten ermöglichen, ihren Patienten eine optimale zahnmedizinische Versorgung zukommen zu lassen und so die Lebensqualität insbesondere von geriatrischen Patienten zu verbessern.

Anwendungen

Der Elastizitätsmodul ist eine wesentliche Materialeigenschaft, die die Fähigkeit des Materials, Spannungen zu absorbieren, bevor sie brechen, bestimmt. Er wird für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und für Baumaterialien wie Aluminiumoxid verwendet. Ein höherer Elastizitätsmodul weist auf ein steiferes Material hin. Der Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid liegt bei 12,6 GPa und ist damit einer der stärksten derzeit verfügbaren keramischen Werkstoffe.

Die elastischen Eigenschaften von Aluminiumoxid werden durch seine Struktur, Chemie und Mikrostruktur bestimmt. Aluminiumoxid ist ein polykristallines Material, das aus der y- und der a-Phase besteht, die durch eine Aluminiumoxid-Korngrenze getrennt sind; eine Phase besteht aus Aluminiumoxid, die andere aus Alkalimetalloxiden und Siliziumdioxid. Beide Schichten sind durch Nanofasern und Mikropartikel miteinander verbunden, die wesentlich zu seinem hohen Elastizitätsmodul beitragen.

Der Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid kann mit verschiedenen experimentellen Methoden bestimmt werden, aber es ist wichtig, dass die Bedingungen, unter denen die Messungen durchgeführt werden, berücksichtigt werden. Eine wirksame Methode hierfür ist die Verwendung einer Kraft-Weg-Kurve, die mit einem mechanischen Prüfgerät ermittelt wurde. Damit wird gemessen, wie viel Kraft in eine Probe eindringen muss, damit sie sich verschiebt, und wie sich die Temperatur auf die Ergebnisse verschiedener Tests auswirkt; die Werte des Elastizitätsmoduls hängen stark von Temperaturunterschieden ab, so dass ihre Ergebnisse von einem Test zum anderen extrem variieren.

Der Elastizitätsmodul nimmt mit steigender Temperatur zu, und die Zugfestigkeit sinkt mit der Sinterung von Aluminiumoxid. Die elektrische Leitfähigkeit hängt ebenfalls von der Temperatur ab; der Gehalt an Alkalimetallionen wirkt sich ebenfalls auf die elektrische Leitfähigkeit aus; der Widerstand steigt mit höherer Temperatur und kleinerer Porengröße.

Die Synthese von porösem Aluminiumoxid mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften ist aufgrund der vielen Variablen, die seine physikalischen Eigenschaften und sein Verhalten beeinflussen, eine mühsame Aufgabe. Ziel der vorliegenden Studie ist es, ein effizientes Verfahren zur Herstellung von porösem Aluminiumoxid mit ausgewogenen Werten für Porosität und Elastizitätsmodul zu entwickeln. Dabei wird die Taguchi-Methode zur Optimierung des Produktionsprozesses, wie z. B. der Sinterzeit, der Heizrate des Kalzinierungsprozesses und des abschließenden Wärmebehandlungsprozesses, eingesetzt, um den Produktionsprozess von porösem Aluminiumoxid zu verbessern.

Die Ergebnisse haben gezeigt, dass synthetisches g-Aluminiumoxid mit geringer Porengröße und hohem Elastizitätsmodul mit einer neuen Synthesemethode hergestellt werden kann. Dieser Ansatz verdoppelt den Elastizitätsmodul und stärkt gleichzeitig die Keramik, so dass sie sich für Anwendungen eignet, die Hochleistungsmaterialien erfordern. Das mit diesem Verfahren hergestellte Granulat zeichnet sich durch eine hohe Plastizität aus, die eine Verformung ohne Rissbildung ermöglicht - eine wichtige Eigenschaft für medizinische und zahnmedizinische Anwendungen. Darüber hinaus konnte die Bruchrate dank dieses Syntheseverfahrens stark reduziert werden, so dass diese Keramik klinisch besser einsetzbar ist als zuvor.

Vorteile

Der Elastizitätsmodul ist eine wichtige mechanische Eigenschaft für viele Anwendungen. Er misst die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegenüber Spannungen und zeigt gleichzeitig, wie gut sie Vibrationen oder Stoßwellen absorbieren. Ein höherer Elastizitätsmodul weist auf eine höhere Schadensresistenz hin; Aluminiumoxid zeichnet sich in dieser Hinsicht durch einen außergewöhnlich hohen Elastizitätsmodulwert aus, was es zu einem ausgezeichneten Material für den Einsatz in Maschinenbauanwendungen macht.

Aluminium ist ein starkes und kostengünstiges Material. Obwohl es nicht so stark ist wie Stahl, kann es aufgrund seines geringeren Gewichts häufiger in Flugzeugen eingesetzt werden, bei denen das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt. Aluminium reduziert außerdem den Treibstoffverbrauch und die Emissionen, was wiederum der Umwelt zugute kommt.

Einer der Vorteile von Aluminiumoxid ist seine Beständigkeit gegen hydrothermale Alterung. Außerdem gehört sein Elastizitätsmodul zu den höchsten aller keramischen Werkstoffe, was bedeutet, dass es extremen Temperaturbedingungen standhalten kann, ohne unter Druck zu brechen. Aluminiumoxid wird in zahlreichen medizinischen Bereichen eingesetzt, wo Knochenimplantate unbeschädigt bleiben müssen, während zahnmedizinische Anwendungen seine Eigenschaften gegen Reibungsschäden nutzen.

Der Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid hängt von seiner Reinheit ab, die auch mit der Härte korreliert. Je reiner das Aluminiumoxid hergestellt wird, desto höher ist sein Elastizitätsmodul. Leider ist es aufgrund des niedrigen Selbstdiffusionskoeffizienten und des niedrigen Schmelzpunkts schwierig, reines Aluminiumoxid herzustellen, aber durch die Zugabe von Kohlenstoff zu seiner Matrix kann dieser Wert erheblich gesteigert und der Elastizitätsmodul deutlich erhöht werden.

Insbesondere sinkt der Elastizitätsmodul mit der Temperatur, wenn die Partikel näher zusammenrücken und stärkere Bindungen untereinander eingehen. Nichtsdestotrotz können Mehrkomponenten-Aluminiumoxidwerkstoffe mit lokal höheren Elastizitätsmodulen hergestellt werden, indem Additive mit stäbchen- oder whiskerförmiger Morphologie sowie anisotrope Vorformen in ihre Zusammensetzung aufgenommen werden.

Die dynamische Eindringprüfung ist nach wie vor eine der beliebtesten Methoden zur Messung des intrinsischen Elastizitätsmoduls von Aluminiumoxid, aber diese Methode ist nicht sehr genau, da sie nur die beschädigten Zonen unter der Eindringspitze misst. Stattdessen wird in dieser Studie eine innovative neue Methode vorgeschlagen, die die Extrapolation der Kraft-Weg-Kurven der Proben beinhaltet und Ergebnisse liefert, die mit denen der Mikrohärteprüfung vergleichbar sind.

In diesem Beitrag wird untersucht, wie numerische Modellierung und experimentelle Techniken kombiniert werden können, um den Elastizitätsmodul einer auf einem Aluminiumsubstrat abgeschiedenen Aluminiumoxidbeschichtung vorherzusagen, wobei Drei- und Vierpunkt-Biegeversuche als Mittel zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften verwendet werden.