Alumiinioksidin Youngin moduuli

Youngin moduuli on korvaamaton mittari tulenkestävien materiaalien rikkomattomassa testauksessa, ja se toimii näiden tulenkestävien materiaalien mikrorakenteen suunnittelun indikaattorina.

Alumiinioksidi-ZrO2-YAG:sta koostuvan kolmoissysteemin tutkimiseen käytettiin siirtoelektronimikroskopiaa (STEM). Erityisesti luonnehdimme yksityiskohtaisesti toista faasia, joka sijaitsee alumiinioksidin raerajoilla ja yksittäisten rakeiden välissä, käyttämällä SEM-kuvausta.

Youngin moduuli

Insinöörit käyttävät Youngin moduulia arvioidakseen, kuinka suuren rasituksen materiaali kestää ennen pysyvää muodonmuutosta tai rikkoutumista, mikä auttaa heitä luomaan rakenteita, jotka kestävät ulkoisia voimia murtumatta tai hajoamatta. Youngin moduulin laskeminen edellyttää tarkkoja mittauksia, kimmomekaniikan ymmärtämistä ja tarkkaa tapaa ennustaa, miten materiaalit reagoivat rasituksessa.

Vetokoe on paras tapa mitata Youngin moduuli. Materiaalinäyte altistetaan asteittain kasvavalle vetojännitykselle, kunnes sen kimmoraja on saavutettu; sen jälkeen kirjataan voiman ja taipuman mittaukset prosessin jokaisessa vaiheessa, minkä jälkeen ne piirretään jännitys-muodonmuutos-käyrälle, jonka kimmoalueen kaltevuus edustaa materiaalin Youngin moduulia.

Youngin moduuli voidaan mitata myös monilla muilla keinoilla. Nanoindentaatio on yksi tällainen tekniikka, jota käytetään usein mekaanisten ominaisuuksien kuvaamiseen mikro- ja nanomittakaavassa; tällaiset testit edellyttävät kuitenkin korkean resoluution testauslaitteita sekä erityisiä työkaluja näytteiden valmistelemiseksi analyysia varten.

Yksi etu, joka saadaan käyttämällä nanoindentaatioita Youngin moduulin mittaamiseen, on niiden perinteisiä vetokoenäytteitä pienemmät näytevaatimukset, jolloin saadaan jakaumia, joissa on säännöllisemmät jakaumakäyrät, jotka mahdollistavat tarkemmat tilastolliset korjaukset kuin mitä on mahdollista tehdä täysimittaisilla jakaumilla.

Alumiinin Youngin moduuli on määritetty hyvin kokeellisten mittausten ja teoreettisten laskelmien avulla, ja tätä arvoa voidaan käyttää vertailukohtana laskelmia tehtäessä tai kokeellisia mittauksia tehtäessä. Youngin moduulin vaihtelut voivat johtua esimerkiksi lämpötilasta, seoksen koostumuksesta, kiderakenteesta tai valmistusprosesseista - esimerkiksi seosaineiden lisääminen voi muuttaa sen molekyylien välistä sidosjärjestelyä ja siten sen mekaanisia ominaisuuksia.

Poissonin luku

Poissonin luku on materiaaliominaisuus, joka mittaa pituussuuntaisen venymän ja poikittaisen venymän välistä suhdetta. Sen arvo vaihtelee muodonmuutostyypin mukaan; se on positiivinen vetomuodonmuutoksessa, kun taas puristusmuodonmuutoksessa se voi muuttua negatiiviseksi. Vaikka Poissonin suhdeluvun arvot pysyvät yleensä samoina eri materiaaleissa, niiden arvot voivat vaihdella merkittävästi eri materiaalien välillä; tämä ilmiö on erityisen huomattava metalleissa ja seoksissa, joissa Poissonin suhdeluvun arvot vaihtelevat usein suuresti.

Poissonin luku pienenee tyypillisesti tiheyden kasvaessa, mikä johtuu materiaalin solurakenteiden muutoksista, jotka muuttavat huokosten muotoa ja kokoa - mikä puolestaan vaikuttaa Poissonin lukuun. Lisäksi tiivistyminen muuttaa huokosten jakaumaa sekä niiden kokojakaumaa; myös tiivistyminen vaikuttaa tähän prosessiin. Monissa tutkimuksissa on tutkittu tätä suhdetta erilaisilla värähtelymenetelmillä, kuten mittaamalla resonanssitaajuuksia suurella tarkkuudella - tarkka mitta, jonka avulla voidaan laskea näytteiden kimmoisat ominaisuudet.

Nämä laskelmat voidaan tehdä käyttämällä rikkomatonta tekniikkaa, jota kutsutaan ultraäänimittaukseksi. Siinä näytettä napautetaan ammuksella ja tallennetaan sen värähtelysignaali analysoitavaksi pitkittäis- ja poikittaisaaltojen nopeuksien määrittämiseksi; tämän tiedon avulla lasketaan sitten näytteen materiaalin Youngin moduuli tämän analyysimenetelmän perusteella, mikä tuottaa joka kerta johdonmukaisia ja tarkkoja tuloksia.

Alumiinioksidin Youngin moduuli voidaan selittää sen tiheyden ja Poissonin luvun avulla, jotka ovat kaksi tärkeintä tekijää sen kimmoisassa käyttäytymisessä. Alumiinioksidin Poissonin luku on alhainen sen mikrorakenteen vuoksi, minkä seurauksena kimmo-ominaisuudet kasvavat tiheyden kasvaessa, mutta sen Youngin moduuli jää kuitenkin alhaisemmaksi kuin vastaavilla metalleilla.

Alumiinioksidin Poissonin luku on herkkä lämpötilalle. Se laskee lämpötilan noustessa, mutta kun polttolämpötila on saavutettu, se nousee jyrkästi takaisin, koska sintraus jatkuu tässä lämpötilassa, mikä johtaa Youngin moduulin äkilliseen kasvuun. Valitettavasti sen tarkkaa suhdetta lämpötilan muutoksiin tunnetaan huonosti, koska siihen vaikuttavat monet eri tekijät.

Kimmomoduuli

Kimmomoduuli on kiinteiden materiaalien olennainen ominaisuus. Se kuvaa, kuinka paljon muodonmuutosta tapahtuu veto- tai puristusjännityksessä, ja jäykillä materiaaleilla on korkeampi kimmomoduuli kuin joustavilla; kimmomoduuli tunnetaan myös veto- tai vetomoduulina tai venymämoduulina, ja se voidaan mitata mittaamalla jännitys, joka aiheutuu muodonmuutoksesta vakiokuormituksessa, ja jakamalla se sitten venymällä, jolloin saadaan sen arvo - jolloin saadaan kimmomoduulin arvo.

Jäykkyys, joka on kimmomoduulin vastakohta, mittaa, kuinka paljon voimaa kohdistuu rasitukseen. Insinöörit käyttävät tätä materiaalien ominaisuutta määrittääkseen niiden kantavuuden ja tehdäkseen tarvittavat muutokset; sen arvo voi riippua tekijöistä, kuten materiaalin paksuudesta ja ominaisuuksista.

Paksummilla alumiinilevyillä on pienempi jäykkyys mutta samat Youngin moduulin arvot, koska paksummat materiaalit kestävät paremmin muodonmuutoksia rasituksen alaisena ja niiden pinta-ala on suurempi, joten rasitusta on kohdistettava enemmän, jotta rasitus aiheutuisi jossakin tietyssä pisteessä.

Kimmomoduulit voidaan vertailla seuraavan yhtälön avulla: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), missä ph-g edustaa elektronin työfunktiota T:ssä ja b on materiaalin tiheys.

Alumiinioksidi on kulutusta kestävä keramiikka, jolla on korkea kimmomoduuli, joka voidaan määrittää kolmen ja neljän pisteen taivutuskokeilla. Tässä tutkimuksessa käytettiin numeerista ja kokeellista korrelaatiota alumiinialustalle pinnoitetun alumiinioksidipinnoitteen luontaisen Youngin moduulin ennustamiseen, ja havaittiin, että kokeelliset arvot ja ennustetut arvot vastaavat erinomaisesti toisiaan. Lisäksi puristusjännitys osoittautui voimakkaammaksi kuin vetojännitys useimmissa alumiinioksidipinnoitteita käyttävissä sovelluksissa, mikä viittaa onnistuneempaan suorituskykyyn.

Vetomoduuli

Alumiinioksidin korkea Youngin moduuli osoittaa, että se on jäykkä materiaali, joka kestää muodonmuutoksia, mutta koska se ei ole plastinen eikä sillä ole myötörajaa, se ei sovellu sovelluksiin, jotka edellyttävät plastisuutta, kuten rakenneosiin ja leikkaustyökaluihin. Sen sijaan sen vikaantuminen tapahtuu puristus- tai vetokuormituksessa lähes välittömästi sen sijaan, että se muodonmuutos tapahtuisi vähitellen ja heikkenisi ajan myötä. Tämän ominaisuuden vuoksi sen hauras luonne tekee siitä sopimattoman esimerkiksi rakenneosiin tai leikkaustyökaluihin, jotka edellyttävät plastisuutta.

Alumiinioksidia voidaan yhdistää polymeerien kanssa niiden veto-ominaisuuksien parantamiseksi merkittävästi. Esimerkiksi lisäämällä 0,2% alumiinioksidin nanokuituja epoksikomposiittiin lisätään sen murtovetolujuutta 41 MPa:sta 71 MPa:iin, koska alumiinioksidin nanokuidut lisäävät jäykkyyttä ja toimivat luonnollisina ketjunrajoittimina sekä linkittyvät epoksiryhmiin polymeeriketjuissa epoksipropyylifunktionaalisten ryhmiensä kautta, jotka luovat vahvoja sidoksia kuitujen ja hartsimolekyylien välille.

Kuusikulmainen alumiinioksidi on ihanteellinen tekninen keraaminen materiaali, koska sen korkea Youngin moduuli ja alhainen lämpölaajenemisnopeus tekevät siitä mekaanista rasitusta kestävän korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi heksagonaalinen alumiinioksidi tarjoaa erinomaisen sähkönjohtavuuden ja vakaan suorituskyvyn äärimmäisissä ympäristöolosuhteissa - ominaisuudet, jotka tekevät heksagonaalisesta alumiinioksidista erinomaisen valinnan sähkösovelluksiin.

Toisin kuin muilla alumiinioksidityypeillä, heksagonaalisella AlN:llä on erittäin korkea itsediffuusiokerroin, mikä vaikeuttaa sintrausta perinteisillä menetelmillä. Lisäksi tällä materiaalilla on alhainen sulamislämpötila ja erinomaiset lämpöshokin kestävyysominaisuudet.

Sonelastic Systems -testaus huoneenlämmössä sekä matalissa ja korkeissa lämpötiloissa mahdollistaa keraamisten materiaalien kimmomoduulien (Youngin moduuli, leikkausmoduuli ja Poissonin luku) ja vaimennusominaisuuksien tarkan karakterisoinnin, jotta voidaan arvioida tarkasti niiden kimmomoduulit (Youngin moduuli, leikkausmoduuli ja Poissonin luku) ja vaimennusominaisuudet - nämä ominaisuudet ovat olennaisen tärkeitä suunniteltaessa näiden materiaalien uusia muunnoksia monenlaisia sovelluksia varten.

Alumiinioksidin kimmomoduulit mitattiin dynaamisesti sintrausprosessin aikana. Matalammissa lämpötiloissa Youngin moduuli laski lineaarisesti, koska osittain sintrattu alumiinioksidi tiivistyi; mutta korkeammissa lämpötiloissa Youngin moduuli nousi nopeasti sintraus- ja tiivistymisprosessien vuoksi; tämä suuntaus oli samansuuntainen kuin saman materiaalin staattisissa mittauksissa huoneenlämmössä; myös leikkausmoduuli ja Poissonin luku osoittivat samanlaisia suuntauksia.