Συντελεστής Young της αλουμίνας

Το μέτρο ελαστικότητας του Young είναι ένα ανεκτίμητο μέτρο για τον μη καταστροφικό έλεγχο των πυρίμαχων υλικών και χρησιμεύει ως δείκτης της μηχανικής μικροδομής αυτών των πυρίμαχων υλικών.

Η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης σάρωσης (STEM) χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη του τριμερούς συστήματος που αποτελείται από αλουμίνα-ZrO2-YAG. Συγκεκριμένα, χαρακτηρίσαμε λεπτομερώς τη δεύτερη φάση που βρίσκεται κατά μήκος των ορίων των κόκκων αλουμίνας και μεταξύ των μεμονωμένων κόκκων χρησιμοποιώντας απεικόνιση SEM.

Συντελεστής Young's Modulus

Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν το μέτρο ελαστικότητας του Young για να εκτιμήσουν πόση καταπόνηση μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν παραμορφωθεί μόνιμα ή αποτύχει, βοηθώντας τους να δημιουργήσουν κατασκευές που αντέχουν σε εξωτερικές δυνάμεις χωρίς να διαλύονται ή να καταρρέουν. Ο υπολογισμός του συντελεστή Young απαιτεί ακριβείς μετρήσεις, κατανόηση της ελαστικής μηχανικής και έναν ακριβή τρόπο πρόβλεψης του τρόπου με τον οποίο τα υλικά αντιδρούν υπό πίεση.

Η δοκιμή εφελκυσμού είναι ο καλύτερος τρόπος μέτρησης του συντελεστή Young. Ένα δείγμα υλικού εκτίθεται σε σταδιακά αυξανόμενη εφελκυστική τάση έως ότου επιτευχθεί το όριο ελαστικότητάς του. Στη συνέχεια, καταγράφονται οι μετρήσεις δύναμης και παραμόρφωσης σε κάθε σημείο αυτής της διαδικασίας, πριν από την απεικόνισή τους σε μια καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης με την κλίση της ελαστικής περιοχής να αντιπροσωπεύει το Μέτρο ελαστικότητας του υλικού.

Ο συντελεστής Young μπορεί να μετρηθεί και με διάφορα άλλα μέσα. Οι νανοεγκοπές είναι μια τέτοια τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά για τον χαρακτηρισμό των μηχανικών ιδιοτήτων σε μικρο- και νανοκλίμακα- ωστόσο, τέτοιες δοκιμές απαιτούν εξοπλισμό δοκιμών υψηλής ανάλυσης καθώς και ειδικά εργαλεία για την προετοιμασία των δειγμάτων για ανάλυση.

Ένα πλεονέκτημα της χρήσης των νανοεγκοπών για τη μέτρηση του συντελεστή Young είναι οι μικρότερες απαιτήσεις σε δείγματα σε σχέση με τα παραδοσιακά δείγματα δοκιμών εφελκυσμού, που παράγουν κατανομές με πιο κανονικές καμπύλες κατανομής που παρέχουν ακριβέστερες στατιστικές διορθώσεις από ό,τι είναι δυνατόν με κατανομές πλήρους κλίμακας.

Το μέτρο ελαστικότητας Young για το αλουμίνιο έχει καθιερωθεί με πειραματικές μετρήσεις και θεωρητικούς υπολογισμούς, και η τιμή αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σημείο σύγκρισης κατά τους υπολογισμούς ή τις πειραματικές μετρήσεις. Μεταβολές στο μέτρο ελαστικότητας Young μπορούν να προκληθούν από παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η σύνθεση του κράματος, η κρυσταλλική δομή ή οι διαδικασίες κατασκευής - για παράδειγμα, η προσθήκη κραματικών στοιχείων μπορεί να μεταβάλει τη διάταξη των διαμοριακών δεσμών του και συνεπώς τις μηχανικές του ιδιότητες.

Λόγος Poisson

Ο λόγος Poisson είναι μια ιδιότητα του υλικού που μετρά τη σχέση μεταξύ διαμήκους και εγκάρσιας παραμόρφωσης. Η τιμή του ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο παραμόρφωσης- θετική για εφελκυστική παραμόρφωση, ενώ μπορεί να γίνει αρνητική κατά τη θλιπτική παραμόρφωση. Αν και οι τιμές του λόγου Poisson τείνουν να παραμένουν σταθερές σε όλα τα υλικά, οι τιμές τους μπορεί να μεταβάλλονται σημαντικά μεταξύ των υλικών- το φαινόμενο αυτό είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτο στα μέταλλα και τα κράματα που συχνά παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση στις τιμές του λόγου Poisson.

Ο λόγος Poisson συνήθως μειώνεται καθώς αυξάνεται η πυκνότητα, λόγω των αλλαγών στις κυτταρικές δομές του υλικού που μεταβάλλουν το σχήμα και το μέγεθος των πόρων - επηρεάζοντας με τη σειρά τους τον λόγο Poisson. Επιπλέον, η συμπύκνωση αλλάζει την κατανομή των πόρων καθώς και την κατανομή του μεγέθους τους- η συμπύκνωση επηρεάζει επίσης αυτή τη διαδικασία. Πολλές μελέτες έχουν διερευνήσει αυτή τη σχέση χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους δόνησης, όπως η μέτρηση των συχνοτήτων συντονισμού με μεγάλη ακρίβεια - ένα ακριβές μέτρο που επιτρέπει τους υπολογισμούς των ελαστικών ιδιοτήτων των δειγμάτων.

Οι υπολογισμοί αυτοί μπορούν να πραγματοποιηθούν με μια μη καταστροφική τεχνική που ονομάζεται μέτρηση με υπερήχους. Αυτή περιλαμβάνει την κρούση ενός δείγματος με ένα βλήμα και την καταγραφή του σήματος δόνησης για ανάλυση ώστε να προσδιοριστούν οι ταχύτητες των διαμήκων και εγκάρσιων ακουστικών κυμάτων- στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε αυτές τις πληροφορίες για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας του υλικού του δείγματος με βάση αυτή τη μέθοδο ανάλυσης - παράγοντας συνεπή και ακριβή αποτελέσματα κάθε φορά.

Το μέτρο ελαστικότητας Young για την αλουμίνα μπορεί να εξηγηθεί με βάση την πυκνότητα και τον λόγο Poisson, δύο σημαντικά στοιχεία της ελαστικής συμπεριφοράς της. Η αλουμίνα έχει χαμηλό λόγο Poisson λόγω της μικροδομής της- ως αποτέλεσμα, οι ελαστικές ιδιότητες αυξάνονται με την αύξηση της πυκνότητας- ωστόσο, το μέτρο ελαστικότητας Young παραμένει χαμηλότερο από τα συγκρίσιμα μέταλλα.

Ο λόγος Poisson στην αλουμίνα είναι ευαίσθητος στη θερμοκρασία της. Ενώ μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, μόλις επιτευχθεί η θερμοκρασία όπτησης, αυξάνεται απότομα λόγω της συνεχιζόμενης πυροσυσσωμάτωσης σε αυτή τη θερμοκρασία που οδηγεί σε απότομη αύξηση του συντελεστή Young. Δυστυχώς, η ακριβής σχέση του με τις μεταβολές της θερμοκρασίας παραμένει ελάχιστα κατανοητή λόγω των διαφόρων επιρροών που το επηρεάζουν.

Συντελεστής ελαστικότητας

Το μέτρο ελαστικότητας είναι μια αναπόσπαστη ιδιότητα των στερεών υλικών. Περιγράφει πόσο μεγάλη παραμόρφωση συμβαίνει υπό εφελκυσμό ή συμπίεση, με τα άκαμπτα υλικά να έχουν υψηλότερα ελαστικά μόρια από τα εύκαμπτα. Γνωστό επίσης ως μέτρο εφελκυσμού/τραβήγματος ή μέτρο παραμόρφωσης, οι μετρήσεις του μέτρου ελαστικότητας μπορούν να ληφθούν με τη μέτρηση της τάσης που προκαλείται από την παραμόρφωση υπό σταθερά φορτία και στη συνέχεια διαιρώντας με την παραμόρφωση για να ληφθεί η τιμή του - που δίνει την τιμή του μέτρου ελαστικότητας.

Η δυσκαμψία, το αντίθετο του μέτρου ελαστικότητας, μετράει πόση δύναμη ασκείται υπό πίεση. Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν αυτή την ιδιότητα των υλικών για να προσδιορίσουν την ικανότητα αντοχής τους σε φορτία και να κάνουν τις απαραίτητες τροποποιήσεις- η τιμή της μπορεί να εξαρτάται από παράγοντες όπως το πάχος και οι ιδιότητες του υλικού.

Οι παχύτερες πλάκες αλουμινίου θα έχουν χαμηλότερη δυσκαμψία αλλά τις ίδιες τιμές Μέτρου ελαστικότητας Young, λόγω του ότι τα παχύτερα υλικά είναι πιο ανθεκτικά στην παραμόρφωση υπό πίεση και έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια, οπότε πρέπει να εφαρμοστεί μεγαλύτερη πίεση για να προκληθεί παραμόρφωση σε οποιοδήποτε σημείο.

Οι ελαστικές ιδιομορφές μπορούν να συγκριθούν χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), όπου ph-g αντιπροσωπεύει τη συνάρτηση έργου ηλεκτρονίων στο Τ και b είναι η πυκνότητα του υλικού.

Η αλουμίνα είναι ένα κεραμικό ανθεκτικό στην τριβή με υψηλό μέτρο ελαστικότητας που μπορεί να χαρακτηριστεί με δοκιμές κάμψης τριών και τεσσάρων σημείων. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκε ένας αριθμητικός/πειραματικός συσχετισμός για την πρόβλεψη του εγγενούς μέτρου ελαστικότητας Young μιας επικάλυψης αλουμίνας που εναποτίθεται σε υπόστρωμα αλουμινίου και διαπιστώθηκε εξαιρετική συμφωνία μεταξύ των πειραματικών τιμών και των προβλεπόμενων. Επιπλέον, η τάση συμπίεσης αποδείχθηκε ισχυρότερη από την τάση εφελκυσμού για τις περισσότερες εφαρμογές που χρησιμοποιούν επιστρώσεις αλουμίνας- γεγονός που υποδηλώνει πιο επιτυχημένη απόδοση.

Συντελεστής αντοχής σε εφελκυσμό

Το υψηλό μέτρο ελαστικότητας Young της αλουμίνας την υποδεικνύει ως ένα άκαμπτο υλικό ανθεκτικό στην παραμόρφωση, ενώ το γεγονός ότι δεν είναι πλαστική και δεν έχει σημεία διαρροής την καθιστά ακατάλληλη για εφαρμογές που απαιτούν πλαστικότητα, όπως δομικά στοιχεία και κοπτικά εργαλεία. Αντίθετα, η αστοχία της συμβαίνει υπό θλιπτική ή εφελκυστική φόρτιση σχεδόν αμέσως αντί να παραμορφώνεται και να εξασθενεί σταδιακά με την πάροδο του χρόνου. Λόγω αυτής της ιδιότητας, η εύθραυστη φύση του το καθιστά ακατάλληλο για χρήσεις όπως δομικά εξαρτήματα ή εργαλεία κοπής που απαιτούν πλαστικότητα.

Η αλουμίνα μπορεί να συνδυαστεί με πολυμερή για να αυξήσει σημαντικά τις εφελκυστικές τους ιδιότητες. Για παράδειγμα, η προσθήκη 0,2% νανοϊνών αλουμίνας σε ένα εποξειδικό σύνθετο υλικό αυξάνει την αντοχή του σε εφελκυσμό από 41 MPa σε 71 MPa, επειδή οι νανοΐνες αλουμίνας προσθέτουν ακαμψία και δρουν ως φυσικοί περιοριστές αλυσίδων, καθώς και συνδέονται με εποξειδικές ομάδες εντός των πολυμερικών αλυσίδων μέσω των λειτουργικών ομάδων εποξυπροπυλίου τους, οι οποίες δημιουργούν ισχυρούς δεσμούς μεταξύ των ινών και των μορίων της ρητίνης.

Η εξαγωνική αλουμίνα αποτελεί ιδανικό κεραμικό υλικό για μηχανική χρήση λόγω του υψηλού μέτρου ελαστικότητας Young και του χαμηλού ρυθμού θερμικής διαστολής, που την καθιστούν ανθεκτική σε μηχανικές καταπονήσεις σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, η εξαγωνική αλουμίνα προσφέρει εξαιρετική αγωγιμότητα καθώς και σταθερή απόδοση σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες - ιδιότητες που καθιστούν την εξαγωνική αλουμίνα εξαιρετική επιλογή για ηλεκτρικές εφαρμογές.

Σε αντίθεση με άλλους τύπους αλουμίνας, το εξαγωνικό AlN έχει εξαιρετικά υψηλό συντελεστή αυτοδιάχυσης, γεγονός που καθιστά δύσκολη την πυροσυσσωμάτωση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Επιπλέον, το υλικό αυτό διαθέτει χαμηλή θερμοκρασία τήξης και εξαιρετικές ιδιότητες αντοχής σε θερμικό σοκ.

Οι δοκιμές με ηχοελαστικά συστήματα σε θερμοκρασία δωματίου καθώς και σε χαμηλές και υψηλές θερμοκρασίες επιτρέπουν τον ακριβή χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων ελαστικότητας (μέτρο ελαστικότητας Young, μέτρο διάτμησης και λόγος Poisson) και απόσβεσης των κεραμικών υλικών για την ακριβή αξιολόγηση των χαρακτηριστικών ελαστικότητας (μέτρο ελαστικότητας Young, μέτρο διάτμησης και λόγος Poisson) και απόσβεσης - οι ιδιότητες αυτές είναι απαραίτητες για το σχεδιασμό νέων παραλλαγών αυτών των υλικών για εφαρμογές ευρέος φάσματος.

Δυναμικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης, μετρήθηκαν δυναμικά οι ελαστικές ιδιομορφές της αλουμίνας. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, το μέτρο ελαστικότητας Young μειώθηκε γραμμικά λόγω της μερικής συμπύκνωσης της αλουμίνας που πυροσυσσωματώθηκε- αλλά σε υψηλότερες θερμοκρασίες λόγω περαιτέρω συμπύκνωσης, το μέτρο ελαστικότητας Young αυξήθηκε γρήγορα λόγω των διαδικασιών πυροσυσσωμάτωσης και συμπύκνωσης- η τάση αυτή ήταν σύμφωνη με τις στατικές μετρήσεις σε θερμοκρασία δωματίου του ίδιου υλικού- το μέτρο διάτμησης και ο λόγος Poisson παρουσίασαν επίσης παρόμοιες τάσεις.