Young's Modulus Alumina

Aluminiumoksid er et uvurderlig keramisk materiale, kjent for sin overlegne oksidasjonsmotstand og Young-modul. På grunn av den høye temperaturen som kreves under sintringsprosessen, kan det imidlertid være et dyrt materialvalg.

Ved romtemperatur oppfører aluminiumoksid-YAG-partikkelkompositter seg sprøtt med en omtrentlig bøyestyrke på ca. 320 MPa. Selv ved 1650 °C forblir mikrostrukturen homogen med jevnt fordelte aluminiumoksidkorn og fine andrefasekorn som danner en attraktiv mikrostruktur.

Kjennetegn

Youngs modul er en uvurderlig materialegenskap som bidrar til å bestemme den mekaniske styrken til keramiske materialer. Denne målingen vurderer materialets evne til å motstå vinkelrette krefter som påføres vinkelrett på materialets forlengelsesretning. Den defineres som produktet av elastisitetskonstanten og skjærdeformasjonen, og verdien kan enkelt beregnes ved hjelp av en enkel formel. Youngs modul i aluminiumoksid kan også måles ved hjelp av blant annet instrumentert nanoindentasjon, rotasjonstester med pekere og nedbøyningsmålinger.

Alumina har vanligvis en relativt lav Young-modul, men denne kan økes betydelig ved hjelp av avanserte synteseteknikker som kontrollerer granulatstørrelse og -form. I tillegg kan tetthetsendringer under produksjonen også bidra til å øke Young-modulverdiene.

Ikke bare kan g-aluminiumoksydgranulat forbedre Youngs modul, de kan også brukes til ulike formål innen tannbehandling og andre bransjer. Den høye hardheten og stivheten gjør dem ideelle til tannlegesementer, og de kan til og med formes til spesialtilpassede restaureringer som finér.

Youngs modul i aluminiumoksid er sterkt temperaturavhengig. Ved hjelp av impulsoppvarming ble det utført en studie for å overvåke endringer i Youngs modul i delvis sintrede aluminiumoksidprøver som ble varmet opp fra romtemperatur til 1600 °C. Studien ble deretter sammenlignet med teoretiske prediksjoner, og det ble funnet at Youngs moduls temperaturavhengighet fulgte en ideell hovedkurve for dette materialet.

FESEM-bilder ble også brukt til å undersøke mikrostrukturen i en blanding av aluminiumoksidmatrise og andrefase ved temperaturer opp til 1700 °C, der man ikke kunne se noen endring i mikrostrukturen, og bare mindre kornvekst ble observert - noe som tyder på at den pinnbare effekten forblir effektiv ved disse temperaturene.

Bøyetestresultatene viste at Vita In-Ceram-aluminiumoksidprøvene hadde betydelig større dynamisk Young-modul og sanne hardhetsverdier sammenlignet med IPS Empress 2 og andre kommersielle kjernematerialer, inkludert andre Vita-kjernematerialer. Alumina-komposittene viste seg også å ha den høyeste bøyestyrken, noe som betyr at de er i stand til å motstå en bøyebelastning. SNK-rangordningstestanalyse av bøyestyrke var også i stand til å skille ut kjemiske og strukturelle forskjeller mellom fem kommersielle kjernematerialer. Det ble oppdaget en imponerende korrelasjon mellom bøyestyrke og ekte hardhet for aluminiumoksidkompositter og dental bruk (p0,05), noe som tyder på at de er bedre egnet enn kommersielle kjernematerialer til dental bruk. Denne forskningen er lovende og vil bidra til å skape aluminiumoksidgranulat med forbedrede mekaniske egenskaper, slik at tannleger kan gi pasientene sine optimal tannpleie og bidra til å forbedre livskvaliteten, særlig for geriatriske pasienter.

Bruksområder

Youngs modul er en viktig materialegenskap som bestemmer materialets evne til å absorbere spenninger før brudd. Den brukes i alt fra romfart og bilindustri til konstruksjonsmaterialer som Alumina. En høyere Young-modul indikerer et stivere materiale. Alumina har en Young-modul på 12,6 GPa - noe som gjør det til et av de sterkeste keramiske materialene som er tilgjengelig i dag.

Aluminas elastiske egenskaper bestemmes av dets struktur, kjemi og mikrostruktur. Alumina er et polykrystallinsk materiale som består av y- og a-fasene som er atskilt av en korngrense; aluminiumoksid utgjør én fase, mens alkalimetalloksider og silika utgjør en annen. Begge lagene er sammenkoblet av nanofibre og mikropartikler, noe som bidrar vesentlig til den høye Young-modulverdien.

Young-modulen til aluminiumoksid kan bestemmes ved hjelp av ulike eksperimentelle metoder, men det er avgjørende at man tar hensyn til forholdene som målingene utføres under. En effektiv teknikk for å gjøre dette er å bruke en last-forskyvningskurve fra mekanisk testutstyr - denne måler hvor mye kraft som må trenge inn i en prøve for at den skal forskyves, og hvordan temperaturen påvirker resultatene fra ulike tester; elastisitetsmodulverdiene avhenger sterkt av temperaturforskjeller, noe som gjør resultatene svært varierende fra test til test.

Youngs modul øker med økende temperatur, og strekkfastheten avtar etter hvert som alumina sintres. Den elektriske ledningsevnen avhenger også av temperaturen; innholdet av alkalimetallioner påvirker også den elektriske ledningsevnen, og motstanden øker med høyere temperatur og mindre porestørrelser.

Syntese av porøs alumina med ønskede fysiske egenskaper er en vanskelig oppgave på grunn av de mange variablene som påvirker de fysiske egenskapene og oppførselen. Målet med denne studien er å skape en effektiv prosedyre for å produsere porøs aluminiumoksid med balansert porøsitet og Young's modulus-verdier ved hjelp av Taguchi-metoden og optimalisering av produksjonsprosessen, som sintringstid, oppvarmingshastighet i kalsineringsprosessen og endelig varmebehandlingsprosess, for å forbedre produksjonsprosessen av porøst aluminiumoksidmateriale.

Resultatene viser at syntetisk g-aluminiumoksid med lav porestørrelse og høy Young-modul kan fremstilles ved hjelp av en ny syntesemetode. Denne metoden fordobler Youngs modul samtidig som den styrker keramikken, noe som gjør den egnet for bruksområder som krever materialer med høy ytelse. Granulatet som produseres ved hjelp av denne metoden, har høy plastisitet, slik at det kan deformeres uten å sprekke, noe som er viktig for medisinske og dentale bruksområder. I tillegg ble bruddfrekvensen kraftig redusert takket være denne synteseprosedyren, noe som gjør denne keramikken mer klinisk anvendelig enn tidligere.

Fordeler

Youngs modul er en viktig mekanisk egenskap for mange bruksområder. Den måler materialenes motstandskraft mot påkjenninger og viser samtidig hvor godt de absorberer vibrasjoner eller sjokkbølger. En høyere Young-modul indikerer større motstandskraft mot skader. Alumina skiller seg ut i så måte på grunn av sin eksepsjonelt høye Young-modulverdi, noe som gjør det til et utmerket materialvalg for bruk i maskintekniske applikasjoner.

Aluminium er et sterkt og kostnadseffektivt materiale. Selv om det ikke er like sterkt som stål, gjør den lavere vekten at det kan brukes oftere i fly der vekt er en kritisk faktor. Aluminium reduserer også drivstofforbruket og utslippene, noe som i sin tur er bra for miljøet.

En av fordelene med aluminiumoksid er at det er motstandsdyktig mot hydrotermisk aldring. I tillegg er Young-modulen blant de høyeste av alle keramiske materialer, noe som betyr at det tåler ekstreme temperaturforhold uten å sprekke under trykk. Alumina har mange bruksområder i medisinske miljøer der benimplantater må forbli uskadet, mens tannlegebransjen utnytter dets egenskaper mot friksjonsskader.

Aluminiumoksidens Young-modul avhenger av renheten, og denne korrelerer også med hardheten. Jo mer ren alumina som produseres, desto høyere blir Young-modulen. På grunn av lav selvdiffusjonskoeffisient og lavt smeltepunkt kan det dessverre være utfordrende å produsere ren alumina, men ved å tilsette karbon i matrisen kan man øke dette betydelig og øke Youngs modul betraktelig.

Youngs modul synker med temperaturen etter hvert som partiklene kommer tettere sammen og danner sterkere bindinger seg imellom. Likevel kan flerkomponentmaterialer av aluminiumoksid konstrueres med lokalt høyere Young-modul ved å inkludere tilsetningsstoffer med stav- eller whiskerformet morfologi samt anisotrope preformer i sammensetningen.

Dynamisk innrykk er fortsatt en av de mest populære metodene for å måle den iboende Young-modulen til aluminiumoksid, men denne metoden er ikke nøyaktig nok, siden den bare måler skadede soner under innrykkspissen. I stedet foreslår denne studien en innovativ ny metode som innebærer ekstrapolering av belastning-forskyvningskurver for prøver, med resultater som kan sammenlignes med mikrohardhetstestingsteknikker.

Denne artikkelen undersøker hvordan numerisk modellering og eksperimentelle teknikker kan kombineres for å forutsi elastisitetsmodulen til et aluminiumoksidbelegg som er avsatt på et aluminiumsunderlag, ved hjelp av tre- og firepunkts bøyetester som metode for å evaluere de mekaniske egenskapene.