Youngs modul for aluminiumoksid

Youngs modul er et uvurderlig mål for ikke-destruktiv testing av ildfaste materialer og fungerer som en indikator på mikrostrukturen i disse ildfaste materialene.

Skanningstransmisjonselektronmikroskopi (STEM) ble brukt til å studere det ternære systemet som består av aluminiumoksid-ZrO2-YAG. Vi karakteriserte spesielt den andre fasen som befinner seg langs korngrensene av aluminiumoksid og mellom individuelle korn ved hjelp av SEM-avbildning.

Youngs modul

Ingeniører bruker Youngs modul til å vurdere hvor mye spenning et materiale kan tåle før det deformeres permanent eller svikter, noe som hjelper dem med å skape strukturer som tåler ytre krefter uten å sprekke opp eller smuldre opp. Beregning av Youngs modul krever nøyaktige målinger, en forståelse av elastisk mekanikk og en nøyaktig måte å forutsi hvordan materialer reagerer under belastning.

Strekkprøving er den vanligste måten å måle Youngs modul på. En materialprøve utsettes for gradvis økende strekkspenning til elastisitetsgrensen er nådd. Deretter registreres kraft- og nedbøyningsmålinger ved hvert punkt i denne prosessen, før de plottes inn på en spenning-tøyningskurve der helningen i det elastiske området representerer materialets Young-modul.

Youngs modul kan også måles på andre måter. Nanoindentasjoner er en slik teknikk som ofte brukes for å karakterisere mekaniske egenskaper på mikro- og nanoskala, men slike tester krever høyoppløselig testutstyr samt spesifikke verktøy for å klargjøre prøvene for analyse.

En fordel med å bruke nanoindentasjoner til å måle Youngs modul er at de krever mindre prøver enn tradisjonelle strekkprøver, noe som gir fordelinger med mer regelmessige fordelingskurver som gir mer presise statistiske korreksjoner enn det som er mulig med fordelinger i full skala.

Youngs modul for aluminium er veletablert gjennom eksperimentelle målinger og teoretiske beregninger, og denne verdien kan brukes som et sammenligningspunkt når man gjør beregninger eller utfører eksperimentelle målinger. Variasjoner i Youngs modul kan skyldes faktorer som temperatur, legeringssammensetning, krystallstruktur eller produksjonsprosesser - for eksempel kan tilsetning av legeringselementer endre det intermolekylære bindingsarrangementet og dermed de mekaniske egenskapene.

Poissons forhold

Poissons forholdstall er en materialegenskap som måler forholdet mellom deformasjon i lengderetningen og deformasjon i tverrretningen. Verdien varierer med deformasjonstypen; den er positiv ved strekkdeformasjon, mens den kan bli negativ ved trykkdeformasjon. Selv om Poissons forholdsverdier har en tendens til å være konsistente på tvers av materialer, kan verdiene endre seg betydelig fra materiale til materiale. Dette fenomenet er spesielt bemerkelsesverdig for metaller og legeringer, som ofte viser stor variasjon i Poissons forholdsverdier.

Poissons forholdstall synker vanligvis når tettheten øker, på grunn av endringer i materialets cellestrukturer som endrer porenes form og størrelse - noe som i sin tur påvirker Poissons forholdstall. Videre endrer fortettingen fordelingen av porer og porestørrelser, og fortettingen påvirker også denne prosessen. Mange studier har utforsket dette forholdet ved hjelp av ulike vibrasjonsmetoder, for eksempel måling av resonansfrekvenser med høy nøyaktighet - et nøyaktig mål som gjør det mulig å beregne prøvenes elastiske egenskaper.

Disse beregningene kan utføres ved hjelp av en ikke-destruktiv teknikk som kalles ultralydmåling. Dette innebærer at man banker på en prøve med et prosjektil og registrerer vibrasjonssignalet for analyse, slik at man kan fastslå den langsgående og tverrgående akustiske bølgehastigheten. Denne informasjonen brukes deretter til å beregne Young-modulen til prøvematerialet basert på denne analysemetoden - noe som gir konsistente og presise resultater hver gang.

Youngs modul for alumina kan forklares ut fra dens tetthet og Poissons forhold, to viktige elementer i den elastiske oppførselen. Aluminiumoksid har et lavt Poisson-forhold på grunn av mikrostrukturen, noe som fører til at de elastiske egenskapene øker med økende tetthet, men Young-modulen er likevel lavere enn for sammenlignbare metaller.

Poissons forhold i aluminiumoksid er temperaturfølsomt. Det synker når temperaturen stiger, men når avfyringstemperaturen er nådd, øker det kraftig igjen på grunn av fortsatt sintring ved denne temperaturen, noe som fører til en brå økning i Youngs modul. Dessverre er det nøyaktige forholdet mellom Young-modulen og temperaturendringer fortsatt dårlig forstått på grunn av ulike faktorer som påvirker den.

Elastisitetsmodul

Elastisitetsmodulen er en integrert egenskap ved faste materialer. Den beskriver hvor mye deformasjon som oppstår under strekk eller trykk, og stive materialer har høyere elastisitetsmodul enn fleksible materialer. Elastisitetsmodulen, også kjent som strekk-/trekkmodul eller tøyningsmodul, kan måles ved å måle spenningen som oppstår ved deformasjon under konstant belastning, og deretter dividere med tøyningen for å finne verdien - noe som gir verdien for elastisitetsmodulen.

Stivhet, som er det motsatte av elastisitetsmodul, måler hvor stor kraft som utøves under belastning. Ingeniører bruker denne egenskapen for å bestemme materialenes bæreevne og foreta nødvendige modifikasjoner. Verdien kan avhenge av faktorer som materialtykkelse og egenskaper.

Tykkere aluminiumsplater vil ha lavere stivhet, men samme Young-modulverdier fordi tykkere materialer er mer motstandsdyktige mot deformasjon under belastning og har større overflatearealer, slik at det må påføres mer belastning for å forårsake deformasjon på et gitt punkt.

Elastiske moduler kan sammenlignes ved hjelp av følgende ligning: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), der ph-g representerer elektronarbeidsfunksjonen ved T og b er materialets tetthet.

Aluminiumoksid er en slitesterk keramikk med en høy elastisitetsmodul som kan karakteriseres ved tre- og firepunktsbøyingstester. I denne studien ble det brukt en numerisk/eksperimentell korrelasjon for å forutsi den iboende Young-modulen til et aluminiumoksidbelegg som var avsatt på et aluminiumsunderlag, og det ble funnet et utmerket samsvar mellom de eksperimentelle verdiene og de beregnede. Videre viste det seg at kompresjonsspenning var sterkere enn strekkspenning for de fleste bruksområder med aluminiumoksidbelegg, noe som tyder på mer vellykket ytelse.

Modul for strekkfasthet

Aluminiumoksyds høye Young-modul indikerer at det er et stivt materiale som er motstandsdyktig mot deformasjon, mens det ikke er plastisk og mangler flytegrense, noe som gjør det uegnet til bruksområder som krever plastisitet, som strukturelle komponenter og skjæreverktøy. I stedet bryter det sammen under trykk- eller strekkbelastning nesten umiddelbart, i stedet for å deformeres og svekkes gradvis over tid. På grunn av denne egenskapen er det sprøtt, noe som gjør det uegnet til bruksområder som strukturelle komponenter eller skjæreverktøy som krever plastisitet.

Alumina kan kombineres med polymerer for å øke strekkegenskapene betydelig. For eksempel øker bruddstyrken i en epoksykompositt fra 41 MPa til 71 MPa ved å tilsette 0,2% nanofibre av aluminiumoksid, fordi nanofibrene tilfører stivhet og fungerer som naturlige kjedebegrensere, i tillegg til at de kobles til epoksygrupper i polymerkjedene gjennom sine epoksypropyl-funksjonelle grupper som skaper sterke bindinger mellom fibrene og harpiksmolekylene.

Sekskantet aluminiumoksid er et ideelt teknisk keramisk materiale på grunn av sin høye Young-modul og lave termiske ekspansjonshastighet, noe som gjør det motstandsdyktig mot mekaniske påkjenninger ved høye temperaturer. I tillegg har heksagonal aluminiumoksid utmerket ledningsevne og stabil ytelse under ekstreme miljøforhold - egenskaper som gjør heksagonal aluminiumoksid til et utmerket valg for elektriske applikasjoner.

I motsetning til andre typer aluminiumoksid har heksagonalt AlN en ekstremt høy selvdiffusjonskoeffisient, noe som gjør sintring vanskelig med tradisjonelle metoder. I tillegg har dette materialet lav smeltetemperatur og utmerkede egenskaper når det gjelder motstand mot termisk sjokk.

Sonelastic Systems-testing ved romtemperatur samt ved lave og høye temperaturer gjør det mulig å foreta en nøyaktig karakterisering av elastiske moduler (Youngs modul, skjæremodul og Poisson-forhold) og dempingsegenskaper for keramiske materialer, slik at man kan foreta en nøyaktig vurdering av elastiske moduler (Youngs modul, skjæremodul og Poisson-forhold) og dempingsegenskaper - egenskaper som er avgjørende når man skal designe nye varianter av disse materialene for et bredt spekter av bruksområder.

Under sintringsprosessen ble elastiske moduler av aluminiumoksid målt dynamisk. Ved lavere temperaturer sank Youngs modul lineært på grunn av at en del av den sintrede aluminiumoxiden ble fortettet, men ved høyere temperaturer steg Youngs modul raskt på grunn av sintrings- og fortetningsprosessene. Denne trenden var i tråd med statiske målinger ved romtemperatur av det samme materialet, og skjæremodulen og Poissons forholdstall viste også lignende trender.