Alumīnija oksīda Janga modulis

Jaunga modulis ir nenovērtējams rādītājs ugunsizturīgo materiālu nedestruktīvajai pārbaudei un kalpo kā šo ugunsizturīgo materiālu mikrostruktūras inženierijas indikators.

Lai pētītu alumīnija oksīda–ZrO₂–YAG trīskomponentu sistēmu, tika izmantota skenējošā transmisijas elektronu mikroskopija (STEM). Konkrēti, izmantojot SEM attēlveidošanu, mēs detalizēti raksturojām otro fāzi, kas atrodas gar alumīnija oksīda graudu robežām un starp atsevišķiem graudiem.

Jaunga modulis

Inženieri izmanto Janga moduļu, lai novērtētu, cik lielu slodzi materiāls spēj izturēt, pirms tas neatgriezeniski deformējas vai sabojājas, un tas palīdz viņiem radīt konstrukcijas, kas iztur ārējās slodzes, neplīstot vai nesabruksot. Janga moduļa aprēķināšanai nepieciešami precīzi mērījumi, izpratne par elastīgās mehānikas likumiem un precīza metode, kā prognozēt materiālu reakciju slodzes ietekmē.

Stiepes izmēģinājums ir visbiežāk izmantotā metode Janga moduļa noteikšanai. Materiāla paraugs tiek pakļauts pakāpeniski pieaugošai stiepes slodzei, līdz tiek sasniegta tā elastības robeža; pēc tam tiek reģistrēti spēka un deformācijas mērījumi katrā procesa posmā, un rezultāti tiek attēloti slodzes–deformācijas līknē, kuras elastīgās zonas slīpums atspoguļo materiāla Janga moduli.

Jaunga modulu var noteikt arī ar dažādiem citiem paņēmieniem. Nanoindentācija ir viena no šādām metodēm, ko bieži izmanto, lai raksturotu mehāniskās īpašības mikro- un nanomērogā; tomēr šādiem testiem ir nepieciešama augstas izšķirtspējas testēšanas aparatūra, kā arī speciāli instrumenti paraugu sagatavošanai analīzei.

Viena no nanoindentācijas izmantošanas priekšrocībām Janga moduļa mērīšanai ir tas, ka šai metodei nepieciešami mazāki paraugi nekā tradicionālajiem stiepes izmēģinājumu paraugiem, tādējādi iegūstot sadalījumus ar regulārākām sadalījuma līknēm, kas ļauj veikt precīzākas statistiskās korekcijas nekā tas ir iespējams, izmantojot pilna mēroga sadalījumus.

Alumīnija Janga modulis ir precīzi noteikts, izmantojot eksperimentālos mērījumus un teorētiskos aprēķinus, un šo vērtību var izmantot kā salīdzināšanas punktu, veicot aprēķinus vai eksperimentālos mērījumus. Jaunga moduļa svārstības var izraisīt tādi faktori kā temperatūra, sakausējuma sastāvs, kristāliskā struktūra vai ražošanas procesi – piemēram, sakausējuma elementu pievienošana var mainīt molekulu savstarpējās saites izkārtojumu un tādējādi arī tā mehāniskās īpašības.

Puasona koeficients

Puasona koeficients ir materiāla īpašība, kas raksturo sakarību starp garenvirziena deformāciju un šķērsvirziena deformāciju. Tā vērtība mainās atkarībā no deformācijas veida — stiepes deformācijas gadījumā tā ir pozitīva, savukārt saspiešanas deformācijas gadījumā tā var kļūt negatīva. Lai gan Puasona koeficienta vērtības parasti ir vienādas dažādiem materiāliem, tās var ievērojami atšķirties starp atsevišķiem materiāliem; šī parādība ir īpaši izteikta metālu un sakausējumu gadījumā, kuriem Puasona koeficients bieži vien ievērojami svārstās.

Puasona koeficients parasti samazinās, palielinoties blīvumam, jo izmaiņas materiāla šūnu struktūrās maina poru formu un izmēru, kas savukārt ietekmē Puasona koeficientu. Turklāt blīvuma palielināšana maina poru izkliedi, kā arī to izmēru sadalījumu; blīvuma palielināšana ietekmē arī šo procesu. Daudzos pētījumos šī sakarība ir izpētīta, izmantojot dažādas vibrācijas metodes, piemēram, rezonanses frekvenču mērīšanu ar augstu precizitāti – precīzu mērījumu, kas ļauj aprēķināt paraugu elastīgās īpašības.

Šos aprēķinus var veikt, izmantojot nedestruktīvu metodi, ko sauc par ultraskaņas mērījumiem. Tā ietver parauga pieskārienu ar lodi un tā vibrācijas signāla reģistrēšanu analīzei, lai noteiktu garenvirziena un šķērsvirziena akustisko viļņu ātrumus; pēc tam šo informāciju izmanto, lai, pamatojoties uz šo analīzes metodi, aprēķinātu parauga materiāla Janga moduļu – katru reizi iegūstot konsekventus un precīzus rezultātus.

Alumīnija oksīda Janga modulis var tikt izskaidrots, ņemot vērā tā blīvumu un Puasona koeficientu — divus galvenos faktorus, kas nosaka tā elastīgās īpašības. Alumīnija oksīdam ir zems Puasona koeficients, ko nosaka tā mikrostruktūra; tādējādi elastīgās īpašības palielinās līdz ar blīvuma pieaugumu; tomēr tā Janga modulis joprojām ir zemāks nekā salīdzināmiem metāliem.

Alumīnija oksīda Puasona koeficients ir jutīgs pret temperatūru. Lai gan tas samazinās, temperatūrai paaugstinoties, sasniedzot apdedzināšanas temperatūru, tas strauji palielinās atpakaļ, jo šajā temperatūrā turpinās aglomerēšanās, kas izraisa strauju Janga moduļa pieaugumu. Diemžēl tā precīzā saistība ar temperatūras izmaiņām joprojām ir nepietiekami izprasta dažādu ietekmējošo faktoru dēļ.

Elastības modulis

Elastības modulis ir cietu materiālu neatņemama īpašība. Tas raksturo, cik liela deformācija rodas stiepes vai spiedes ietekmē, un cietiem materiāliem elastības modulis ir lielāks nekā elastīgiem materiāliem; to sauc arī par stiepes moduli vai deformācijas moduli. Elastības moduli var noteikt, izmērot spriegumu, ko rada deformācija pie nemainīgas slodzes, un pēc tam to dalot ar deformāciju, lai iegūtu tā vērtību – tādējādi nosakot elastības moduļa vērtību.

Stingrība, kas ir elastības moduļa pretmets, raksturo to, cik liels spēks tiek pielikts slodzes ietekmē. Inženieri izmanto šo materiālu īpašību, lai noteiktu to nestspēju un veiktu nepieciešamos pielāgojumus; tās vērtība var būt atkarīga no tādiem faktoriem kā materiāla biezums un īpašības.

Biezākām alumīnija plāksnēm būs mazāka stingrība, taču tāds pats Janga modulis, jo biezāki materiāli ir izturīgāki pret deformāciju slodzes ietekmē un tiem ir lielāka virsmas platība, tāpēc, lai izraisītu deformāciju jebkurā konkrētā punktā, ir jāpiemēro lielāka slodze.

Elastības moduļus var salīdzināt, izmantojot šādu vienādojumu: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), kur ph-g apzīmē elektronu darba funkciju temperatūrā T, bet b — materiāla blīvumu.

Alumīnija oksīds ir nodilumizturīga keramika ar augstu elastības moduli, ko var raksturot, veicot trīspunktu un četrpunktu lieces testus. Šajā pētījumā tika izmantota skaitliska/eksperimentāla korelācija, lai prognozētu alumīnija oksīda pārklājuma, kas uzklāts uz alumīnija substrāta, iekšējo Janga moduli, un tika konstatēta lieliska saskaņa starp eksperimentālajām un prognozētajām vērtībām. Turklāt lielākajā daļā lietojumu, kuros izmanto alumīnija oksīda pārklājumus, spiedes spriegums izrādījās lielāks nekā stiepes spriegums, kas liecina par labāku veiktspēju.

Stiepes izturības modulis

Alumīnija oksīda augstais Janga modulis liecina, ka tas ir stingrs materiāls, kas ir izturīgs pret deformācijām, taču tā neplastiskums un plūstamības robežu trūkums padara to nepiemērotu lietojumiem, kuros nepieciešama plastiskums, piemēram, konstrukcijas elementiem un griešanas instrumentiem. Tā vietā tā sabrukums notiek gandrīz uzreiz, pakļaujot to spiedes vai stiepes slodzei, nevis pakāpeniski deformējoties un vājinoties laika gaitā. Šīs īpašības dēļ tā trauslums padara to nederīgu tādām lietojumiem kā konstrukcijas detaļas vai griešanas rīki, kuriem nepieciešama plastiskums.

Alumīnija oksīdu var kombinēt ar polimēriem, lai ievērojami uzlabotu to stiepes īpašības. Piemēram, pievienojot 0,2% alumīnija oksīda nanošķiedru epoksīda kompozītam, tā maksimālā stiepes izturība palielinās no 41 MPa līdz 71 MPa, jo alumīnija oksīda nanošķiedras piešķir stingrību un darbojas kā dabīgi ķēdes ierobežotāji, kā arī savienojas ar epoksīda grupām polimēru ķēdēs ar savu epoksipropila funkcionālo grupu starpniecību, kas veido stipras saites starp šķiedrām un sveķu molekulām.

Sešstūrveida alumīnija oksīds ir ideāls inženierkeramikas materiāls, pateicoties tā augstajam Janga modulim un zemajam siltuma izplešanās koeficientam, kas nodrošina izturību pret mehānisko slodzi augstās temperatūras apstākļos. Turklāt sešstūrveida alumīnija oksīds nodrošina izcilu vadītspēju, kā arī stabilu darbību ekstremālos vides apstākļos – šīs īpašības padara sešstūrveida alumīnija oksīdu par lielisku izvēli elektrotehniskajām lietojumprogrammām.

Atšķirībā no citiem alumīnija oksīda veidiem, heksagonālajam AlN piemīt ārkārtīgi augsts pašdifūzijas koeficients, kas apgrūtina sinterēšanu, izmantojot tradicionālās metodes. Turklāt šim materiālam ir zema kušanas temperatūra un izcilas termiskā šoka izturības īpašības.

Sonelastic Systems testēšana istabas temperatūrā, kā arī zemās un augstās temperatūrās ļauj precīzi noteikt keramisko materiālu elastības moduļus (Janga modulis, šķērsgriezuma modulis un Puasona koeficients) un amortizācijas īpašības, lai precīzi novērtētu to elastības moduļus (Janga modulis, šķērsspiedes modulis un Puasona koeficients) un amortizācijas īpašības – šīs īpašības ir būtiskas, projektējot jaunas šo materiālu variācijas plašam lietojumu klāstam.

Alumīnija oksīda elastības moduļi tika dinamiski mērīti sinterēšanas procesa laikā. Zemākās temperatūrās Janga modulis samazinājās lineāri, jo daļēji sinterētais alumīnija oksīds kļuva blīvāks; taču augstākās temperatūrās, turpinoties blīvuma palielināšanai, Janga modulis strauji pieauga sinterēšanas un blīvuma palielināšanas procesu dēļ; šī tendence atbilda šā paša materiāla statiskajiem mērījumiem istabas temperatūrā; arī šķērsgriezuma modulis un Puasona koeficients parādīja līdzīgas tendences.