Young's Modulus van aluminiumoxide

De elasticiteitsmodulus is een onschatbare maat voor het niet-destructief testen van vuurvaste materialen en dient als indicator voor de microstructuur van deze vuurvaste materialen.

Scanning transmissie elektronenmicroscopie (STEM) werd gebruikt om het ternaire systeem bestaande uit aluminiumoxide-ZrO2-YAG te bestuderen. We hebben met name de tweede fase langs de korrelgrenzen van aluminiumoxide en tussen de afzonderlijke korrels in detail gekarakteriseerd met behulp van SEM-beeldvorming.

Modulus van Young

Ingenieurs gebruiken de elasticiteitsmodulus om te bepalen hoeveel spanning een materiaal kan verdragen voordat het blijvend vervormt of bezwijkt, zodat ze constructies kunnen maken die bestand zijn tegen externe krachten zonder uit elkaar te barsten of af te brokkelen. Het berekenen van de elasticiteitsmodulus vereist nauwkeurige metingen, een goed begrip van elastische mechanica en een nauwkeurige manier om te voorspellen hoe materialen reageren onder spanning.

Trekproeven zijn de meest gebruikte manier om de elasticiteitsmodulus te meten. Een materiaalmonster wordt blootgesteld aan een geleidelijk toenemende trekspanning totdat de elasticiteitsgrens is bereikt; op elk punt van dit proces worden vervolgens de kracht en de doorbuiging gemeten voordat dit wordt uitgezet op een spanning-rek curve waarbij de helling van het elastische gebied de elasticiteitsmodulus van het materiaal weergeeft.

De elasticiteitsmodulus kan ook op verschillende andere manieren worden gemeten. Nano-indentaties is zo'n techniek die vaak wordt gebruikt om mechanische eigenschappen op micro- en nanoschaal te karakteriseren; dergelijke tests vereisen echter testapparatuur met hoge resolutie en specifieke gereedschappen om monsters voor te bereiden voor analyse.

Een voordeel van het gebruik van nano-indentaties voor het meten van de elasticiteitsmodulus is dat kleinere monsters nodig zijn dan bij traditionele trekproefmonsters, waardoor verdelingen met meer regelmatige verdelingskrommen worden geproduceerd die nauwkeuriger statistische correcties mogelijk maken dan mogelijk is met verdelingen op ware grootte.

De elasticiteitsmodulus van aluminium is goed vastgesteld door middel van experimentele metingen en theoretische berekeningen en deze waarde kan worden gebruikt als vergelijkingspunt bij het maken van berekeningen of experimentele metingen. Variaties in de elasticiteitsmodulus kunnen worden veroorzaakt door factoren zoals temperatuur, samenstelling van de legering, kristalstructuur of fabricageprocessen - bijvoorbeeld het toevoegen van legeringselementen kan de intermoleculaire bindingsrangschikking veranderen en daarmee de mechanische eigenschappen.

Poisson's verhouding

De Poisson verhouding is een materiaaleigenschap die de verhouding meet tussen longitudinale vervorming en transversale vervorming. De waarde varieert met het vervormingstype; positief voor trekvervorming terwijl het negatief kan worden tijdens drukvervorming. Hoewel de waarden van de Poisson-verhouding meestal consistent blijven tussen materialen, kunnen hun waarden aanzienlijk veranderen tussen materialen; dit fenomeen is vooral opmerkelijk bij metalen en legeringen die vaak grote verschillen vertonen in de waarden van de Poisson-verhouding.

De Poisson's ratio neemt gewoonlijk af als de dichtheid toeneemt, door veranderingen in de structuur van de materiaalcellen die de vorm en grootte van de poriën veranderen - wat op zijn beurt de Poisson's ratio beïnvloedt. Bovendien verandert verdichting de verdeling van poriën en hun grootteverdeling; verdichting beïnvloedt dit proces ook. Veel onderzoeken hebben deze relatie onderzocht met behulp van verschillende trillingsmethoden zoals het meten van resonantiefrequenties met hoge nauwkeurigheid - een nauwkeurige meting die berekeningen van elastische eigenschappen van monsters mogelijk maakt.

Deze berekeningen kunnen worden uitgevoerd met een niet-destructieve techniek die ultrasone meting heet. Hierbij wordt met een projectiel op een monster getikt en wordt het trillingssignaal opgenomen voor analyse om de akoestische golfsnelheden in lengte- en dwarsrichting vast te stellen. Vervolgens wordt deze informatie gebruikt om de elasticiteitsmodulus van het monstermateriaal te berekenen op basis van deze analysemethode, waardoor telkens consistente en nauwkeurige resultaten worden verkregen.

De elasticiteitsmodulus van aluminiumoxide kan worden verklaard in termen van dichtheid en Poisson's ratio, twee belangrijke elementen in het elastische gedrag. Aluminiumoxide heeft een lage Poisson's ratio vanwege de microstructuur; daardoor nemen de elastische eigenschappen toe naarmate de dichtheid toeneemt, maar de elasticiteitsmodulus blijft lager dan bij vergelijkbare metalen.

De poissonverhouding in aluminiumoxide is gevoelig voor de temperatuur. De Poisson-verhouding neemt af als de temperatuur stijgt, maar als de baktemperatuur eenmaal is bereikt, neemt de Poisson-verhouding weer sterk toe doordat het sinteren bij deze temperatuur doorgaat, wat leidt tot een abrupte toename van de elasticiteitsmodulus. Helaas wordt de precieze relatie met temperatuurveranderingen nog steeds slecht begrepen door verschillende invloeden die de modulus beïnvloeden.

Elasticiteitsmodulus

De elasticiteitsmodulus is een integrale eigenschap van vaste materialen. Het beschrijft hoeveel vervorming er optreedt onder spanning of compressie, waarbij stijve materialen een hogere elasticiteitsmodulus hebben dan flexibele. De elasticiteitsmodulus kan worden gemeten door de spanning te meten die wordt veroorzaakt door vervorming onder constante belasting en deze vervolgens te delen door de rek om de waarde te verkrijgen - wat de waarde van de elasticiteitsmodulus oplevert.

Stijfheid, het tegenovergestelde van elasticiteitsmodulus, meet hoeveel kracht wordt uitgeoefend onder spanning. Ingenieurs gebruiken deze eigenschap van materialen om hun draagvermogen te bepalen en de nodige aanpassingen te doen; de waarde kan afhangen van factoren zoals materiaaldikte en -eigenschappen.

Dikkere aluminium platen zullen een lagere stijfheid hebben maar dezelfde Young's Modulus waarden omdat dikkere materialen beter bestand zijn tegen vervorming onder spanning en een groter oppervlak hebben, waardoor er meer spanning moet worden uitgeoefend om rek te veroorzaken op een bepaald punt.

Elastische moduli kunnen worden vergeleken met behulp van de volgende vergelijking: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), waarbij ph-g de elektronenarbeidsfunctie bij T voorstelt en b de dichtheid van het materiaal.

Aluminiumoxide is een slijtvaste keramiek met een hoge elasticiteitsmodulus die kan worden gekarakteriseerd door drie- en vierpuntsbuigtests. In dit onderzoek werd een numeriek/experimentele correlatie gebruikt om de intrinsieke elasticiteitsmodulus van een aluminiumoxide coating afgezet op een aluminium substraat te voorspellen en werd een uitstekende overeenkomst gevonden tussen de experimentele waarden en de voorspelde waarden. Bovendien bleek de compressiespanning sterker dan de trekspanning voor de meeste toepassingen met aluminiumoxide coatings, wat duidt op betere prestaties.

Modulus van treksterkte

De hoge elasticiteitsmodulus van aluminiumoxide geeft aan dat het een stijf materiaal is dat bestand is tegen vervorming, terwijl het niet-plastisch is en geen vloeipunten heeft, waardoor het ongeschikt is voor toepassingen die plasticiteit vereisen, zoals structurele componenten en snijgereedschappen. In plaats daarvan bezwijkt het bijna onmiddellijk onder druk- of trekbelasting in plaats van geleidelijk te vervormen en te verzwakken in de loop van de tijd. Door deze eigenschap maakt de brosse aard het ongeschikt voor toepassingen zoals structurele onderdelen of snijgereedschappen die plasticiteit vereisen.

Aluminiumoxide kan worden gecombineerd met polymeren om hun trekeigenschappen aanzienlijk te verhogen. Door bijvoorbeeld 0,2% aluminiumoxide nanovezels toe te voegen aan een epoxycomposiet neemt de uiteindelijke treksterkte toe van 41 MPa tot 71 MPa omdat aluminiumoxide nanovezels stijfheid toevoegen en fungeren als natuurlijke ketenbegrenzers en zich verbinden met epoxygroepen in polymeerketens door hun epoxypropyl functionele groepen die sterke bindingen creëren tussen vezels en harsmoleculen.

Hexagonaal aluminiumoxide is een ideaal keramisch materiaal vanwege zijn hoge Young's modulus en lage thermische uitzettingssnelheid, waardoor het bestand is tegen mechanische spanning in omstandigheden met hoge temperaturen. Bovendien biedt hexagonaal aluminiumoxide een uitstekend geleidingsvermogen en stabiele prestaties onder extreme omgevingscondities - kwaliteiten die hexagonaal aluminiumoxide een uitstekende keuze maken voor elektrische toepassingen.

In tegenstelling tot andere soorten aluminiumoxide heeft hexagonaal AlN een extreem hoge zelfdiffusiecoëfficiënt die sinteren met traditionele methoden moeilijk maakt. Bovendien heeft dit materiaal een lage smelttemperatuur en uitstekende thermische schokbestendigheidseigenschappen.

Sonelastische systeemtesten bij kamertemperatuur en bij lage en hoge temperaturen maken een nauwkeurige karakterisering van de elasticiteitsmodulus (elasticiteitsmodulus, afschuifmodulus en poissonverhouding) en dempingseigenschappen van keramische materialen mogelijk. Deze eigenschappen zijn essentieel bij het ontwerpen van nieuwe varianten van deze materialen voor uiteenlopende toepassingen.

Tijdens het sinterproces werden dynamisch elasticiteitsmoduli van aluminiumoxide gemeten. Bij lagere temperaturen daalde de elasticiteitsmodulus lineair doordat gedeeltelijk gesinterd aluminiumoxide verdicht raakte; maar bij hogere temperaturen steeg de elasticiteitsmodulus snel door sinter- en verdichtingsprocessen; deze trend kwam overeen met statische metingen bij kamertemperatuur van hetzelfde materiaal; de afschuifmodulus en Poisson's ratio vertoonden ook vergelijkbare trends.