Módulo de Young da Alumina

O módulo de Young é uma medida inestimável para ensaios não destrutivos de materiais refractários e serve como indicador da engenharia da microestrutura destes refractários.

A microscopia eletrónica de transmissão de varrimento (STEM) foi utilizada para estudar o sistema ternário composto por alumina-ZrO2-YAG. Em particular, caracterizámos em pormenor a segunda fase localizada ao longo dos limites dos grãos de alumina e entre grãos individuais utilizando imagens SEM.

Módulo de Young

Os engenheiros utilizam o módulo de Young para avaliar a quantidade de tensão que um material pode suportar antes de se deformar permanentemente ou falhar, ajudando-os a criar estruturas que suportam forças externas sem rachar ou desmoronar. O cálculo do módulo de Young requer medições precisas, uma compreensão da mecânica elástica e uma forma precisa de prever como os materiais respondem sob tensão.

O ensaio de tração é a forma mais comum de medir o módulo de Young. Uma amostra de material é exposta a uma tensão de tração gradualmente crescente até que o seu limite elástico seja atingido; as medições da força e da deflexão em cada ponto ao longo deste processo são então registadas antes de serem traçadas numa curva tensão-deformação com o declive da região elástica a representar o módulo de Young do material.

O módulo de Young também pode ser medido por vários outros meios. As nanoindentações são uma técnica frequentemente utilizada para caraterizar as propriedades mecânicas à micro e à nanoescala; no entanto, estes ensaios requerem equipamento de ensaio de alta resolução, bem como ferramentas específicas para preparar as amostras para análise.

Uma vantagem da utilização de nanoindentações para medir o módulo de Young é o facto de necessitarem de amostras mais pequenas do que as amostras de ensaio de tração tradicionais, produzindo distribuições com curvas de distribuição mais regulares que permitem correcções estatísticas mais precisas do que as possíveis com distribuições à escala real.

O módulo de Young do alumínio foi bem estabelecido através de medições experimentais e cálculos teóricos, e este valor pode ser utilizado como ponto de comparação ao efetuar cálculos ou medições experimentais. As variações no módulo de Young podem ser causadas por factores como a temperatura, a composição da liga, a estrutura cristalina ou os processos de fabrico - por exemplo, a adição de elementos de liga pode alterar a disposição das ligações intermoleculares e, consequentemente, as suas propriedades mecânicas.

Coeficiente de Poisson

O coeficiente de Poisson é uma propriedade do material que mede a relação entre a deformação longitudinal e a deformação transversal. O seu valor varia com o tipo de deformação; positivo para a deformação por tração, enquanto pode tornar-se negativo durante a deformação por compressão. Embora os valores do coeficiente de Poisson tendam a manter-se consistentes em todos os materiais, os seus valores podem mudar significativamente entre materiais; este fenómeno é especialmente notável nos metais e ligas que apresentam frequentemente uma grande variação nos valores do coeficiente de Poisson.

O rácio de Poisson diminui tipicamente à medida que a densidade aumenta, devido a alterações nas estruturas celulares do material que alteram a forma e o tamanho dos poros - afectando, por sua vez, o rácio de Poisson. Além disso, a densificação altera a distribuição dos poros, bem como a distribuição do seu tamanho; a densificação também afecta este processo. Muitos estudos exploraram esta relação utilizando vários métodos de vibração, como a medição de frequências ressonantes com elevada precisão - uma medida exacta que permite calcular as propriedades elásticas das amostras.

Estes cálculos podem ser efectuados utilizando uma técnica não destrutiva denominada medição ultra-sónica. Isto implica bater numa amostra com um projétil e registar o seu sinal de vibração para análise, a fim de determinar as velocidades das ondas acústicas longitudinais e transversais; em seguida, utilizar esta informação para calcular o módulo de Young do material da amostra com base neste método de análise - produzindo sempre resultados consistentes e precisos.

O módulo de Young da alumina pode ser explicado em termos da sua densidade e do rácio de Poisson, dois elementos importantes no seu comportamento elástico. A alumina tem um rácio de Poisson baixo devido à sua microestrutura; como resultado, as propriedades elásticas aumentam com o aumento da densidade; no entanto, o seu módulo de Young permanece inferior ao de metais comparáveis.

O coeficiente de Poisson na alumina é sensível à sua temperatura. Embora diminua à medida que a temperatura aumenta, uma vez atingida a temperatura de cozedura, volta a subir acentuadamente devido à sinterização contínua a esta temperatura, o que leva a um aumento abrupto do módulo de Young. Infelizmente, a sua relação exacta com as alterações de temperatura continua a ser mal compreendida devido às várias influências que a afectam.

Módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade é uma propriedade integral dos materiais sólidos. Descreve a quantidade de deformação que ocorre sob tensão ou compressão, tendo os materiais rígidos módulos elásticos mais elevados do que os flexíveis; também conhecido como módulo de tração/tensão ou módulo de deformação, as medições do módulo de elasticidade podem ser efectuadas medindo a tensão causada pela deformação sob cargas constantes e dividindo depois pela deformação para obter o seu valor - obtendo o valor do módulo de elasticidade.

A rigidez, o oposto do módulo de elasticidade, mede a quantidade de força exercida sob tensão. Os engenheiros utilizam esta propriedade dos materiais para determinar as suas capacidades de suporte de carga e efetuar as modificações necessárias; o seu valor pode depender de factores como a espessura e as propriedades do material.

As placas de alumínio mais espessas terão uma rigidez mais baixa, mas os mesmos valores de módulo de Young, devido ao facto de os materiais mais espessos serem mais resistentes à deformação sob tensão e terem áreas de superfície maiores, pelo que é necessário aplicar mais tensão para causar deformação num determinado ponto.

Os módulos elásticos podem ser comparados utilizando a seguinte equação: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), em que ph-g representa a função de trabalho do eletrão a T e b é a densidade do material.

A alumina é uma cerâmica resistente à abrasão com um elevado módulo de elasticidade que pode ser caracterizado por ensaios de flexão de três e quatro pontos. Neste estudo, foi empregue uma correlação numérica/experimental para prever o módulo de Young intrínseco de um revestimento de alumina depositado num substrato de alumínio e verificou-se uma excelente concordância entre os valores experimentais e os previstos. Além disso, o esforço de compressão revelou-se mais forte do que o esforço de tração para a maioria das aplicações que utilizam revestimentos de alumina, sugerindo um desempenho mais bem sucedido.

Módulo de resistência à tração

O elevado módulo de Young da alumina indica-a como um material rígido e resistente à deformação, ao mesmo tempo que o facto de não ser plástica e não ter pontos de escoamento a torna inadequada para aplicações que requerem plasticidade, como componentes estruturais e ferramentas de corte. Em vez disso, a sua falha ocorre sob carga de compressão ou tração quase instantaneamente, em vez de se deformar e enfraquecer gradualmente ao longo do tempo. Devido a esta propriedade, a sua natureza frágil torna-o inadequado para utilizações como componentes estruturais ou ferramentas de corte que requerem plasticidade.

A alumina pode ser combinada com polímeros para aumentar significativamente as suas propriedades de tração. Por exemplo, a adição de 0,2% de nanofibras de alumina a um compósito de epóxi aumenta a sua resistência à tração de 41 MPa para 71 MPa, porque as nanofibras de alumina aumentam a rigidez e actuam como limitadores naturais da cadeia, bem como se ligam a grupos epóxi nas cadeias de polímeros através dos seus grupos funcionais epoxipropil que criam fortes ligações entre as fibras e as moléculas de resina.

A alumina hexagonal é um material cerâmico de engenharia ideal devido ao seu elevado módulo de Young e baixa taxa de expansão térmica, o que a torna resistente ao stress mecânico em condições de alta temperatura. Além disso, a alumina hexagonal oferece uma excelente condutividade, bem como um desempenho estável em condições ambientais extremas - qualidades que fazem da alumina hexagonal uma excelente escolha para aplicações eléctricas.

Ao contrário de outros tipos de alumina, a AlN hexagonal tem um coeficiente de auto-difusão extremamente elevado, o que dificulta a sinterização com os métodos tradicionais. Além disso, este material apresenta uma baixa temperatura de fusão e excelentes propriedades de resistência ao choque térmico.

O ensaio de sistemas sonelásticos à temperatura ambiente, bem como a baixas e altas temperaturas, permite a caraterização exacta do módulo de elasticidade (módulo de Young, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson) e das propriedades de amortecimento dos materiais cerâmicos para avaliar com precisão os seus módulos de elasticidade (módulo de Young, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson) e características de amortecimento - estas propriedades são essenciais para a conceção de novas variantes destes materiais para aplicações muito diversas.

Durante o processo de sinterização, os módulos elásticos da alumina foram medidos de forma dinâmica. A temperaturas mais baixas, o módulo de Young diminuiu linearmente devido à densificação parcial da alumina sinterizada; mas a temperaturas mais elevadas, devido a uma maior densificação, o módulo de Young aumentou rapidamente devido aos processos de sinterização e densificação; esta tendência estava de acordo com as medições estáticas à temperatura ambiente deste mesmo material; o módulo de cisalhamento e o coeficiente de Poisson também apresentaram tendências semelhantes.