Modulul Young al aluminei

Modulul Young este o măsură neprețuită pentru testarea nedistructivă a materialelor refractare și servește drept indicator al ingineriei microstructurale a acestor materiale refractare.

Microscopia electronică de transmisie cu scanare (STEM) a fost utilizată pentru a studia sistemul ternar compus din alumină-ZrO2-YAG. În special, am caracterizat în detaliu a doua fază localizată de-a lungul granițelor granulelor de alumină și între granulele individuale utilizând imagistica SEM.

Modulul lui Young

Inginerii utilizează modulul lui Young pentru a evalua cât de mult poate rezista un material înainte de a se deforma permanent sau de a ceda, ajutându-i să creeze structuri care să reziste forțelor externe fără a se fisura sau a se prăbuși. Calcularea modulului Young necesită măsurători precise, o înțelegere a mecanicii elastice și o modalitate precisă de a prezice modul în care materialele răspund sub tensiune.

Încercarea la tracțiune este metoda obișnuită de măsurare a modulului Young. O probă de material este expusă unei tensiuni de tracțiune care crește treptat până când limita elastică a fost atinsă; se înregistrează apoi măsurătorile forței și ale deformării în fiecare punct al acestui proces înainte de a le trasa pe o curbă tensiune-deformare, panta regiunii elastice reprezentând modulul Young al materialului.

Modulul Young poate fi măsurat și prin diverse alte mijloace. Nanoindentarea este o astfel de tehnică utilizată adesea pentru caracterizarea proprietăților mecanice la scară micro și nanometrică; cu toate acestea, astfel de teste necesită echipamente de testare de înaltă rezoluție, precum și instrumente specifice pentru pregătirea probelor pentru analiză.

Un avantaj al utilizării nanoindentațiilor pentru măsurarea modulului Young este necesarul mai mic de probe decât probele tradiționale de încercare la tracțiune, ceea ce produce distribuții cu curbe de distribuție mai regulate care permit corecții statistice mai precise decât este posibil cu distribuțiile la scară reală.

Modulul Young pentru aluminiu a fost bine stabilit prin măsurători experimentale și calcule teoretice, iar această valoare poate fi utilizată ca punct de comparație atunci când se fac calcule sau măsurători experimentale. Variațiile modulului Young pot fi cauzate de factori precum temperatura, compoziția aliajului, structura cristalină sau procesele de fabricație - de exemplu, adăugarea de elemente de aliere poate modifica aranjamentul legăturilor intermoleculare și, astfel, proprietățile mecanice.

Raportul lui Poisson

Raportul Poisson este o proprietate a materialului care măsoară relația dintre deformarea longitudinală și deformarea transversală. Valoarea sa variază în funcție de tipul de deformare; este pozitivă pentru deformarea prin tracțiune, în timp ce poate deveni negativă în timpul deformării prin compresiune. Cu toate că valorile raportului Poisson tind să rămână constante între materiale, valorile lor se pot schimba semnificativ între materiale; acest fenomen este deosebit de notabil în cazul metalelor și aliajelor care prezintă adesea variații mari ale valorilor raportului Poisson.

Raportul Poisson scade de obicei odată cu creșterea densității, din cauza schimbărilor în structurile celulare ale materialului, care modifică forma și dimensiunea porilor - afectând la rândul său raportul Poisson. În plus, densificarea modifică distribuția porilor, precum și distribuția dimensiunii acestora; densificarea afectează, de asemenea, acest proces. Numeroase studii au explorat această relație folosind diverse metode de vibrație, cum ar fi măsurarea frecvențelor de rezonanță cu o precizie ridicată - o măsură precisă care permite calcularea proprietăților elastice ale probelor.

Aceste calcule pot fi efectuate folosind o tehnică nedistructivă numită măsurare cu ultrasunete. Aceasta implică lovirea unei probe cu un proiectil și înregistrarea semnalului de vibrație pentru analiză în vederea stabilirii vitezelor undelor acustice longitudinale și transversale; apoi se utilizează aceste informații pentru a calcula modulul Young al materialului probei pe baza acestei metode de analiză - producând rezultate consecvente și precise de fiecare dată.

Modulul Young al aluminei poate fi explicat în funcție de densitatea sa și de raportul Poisson, două elemente majore în comportamentul său elastic. Alumina are un raport Poisson scăzut datorită microstructurii sale; ca urmare, proprietățile elastice cresc odată cu creșterea densității; cu toate acestea, modulul Young rămâne mai scăzut decât al metalelor comparabile.

Raportul Poisson în alumină este sensibil la temperatură. Deși scade odată cu creșterea temperaturii, odată ce temperatura de ardere a fost atinsă, crește brusc din nou datorită sinterizării continue la această temperatură, ducând la o creștere bruscă a modulului Young. Din păcate, relația sa exactă cu schimbările de temperatură rămâne puțin înțeleasă din cauza diferitelor influențe care o afectează.

Modul de elasticitate

Modulul de elasticitate este o proprietate integrală a materialelor solide. Acesta descrie cât de mult se produce deformarea sub tensiune sau compresie, materialele rigide având module elastice mai mari decât cele flexibile; cunoscut și sub numele de modul de tracțiune/tracțiune sau modul de deformare, modulul de elasticitate poate fi măsurat prin măsurarea tensiunii cauzate de deformarea sub sarcini constante și apoi împărțit la deformare pentru a obține valoarea acestuia - rezultând valoarea modulului de elasticitate.

Rigiditatea, opusul modulului de elasticitate, măsoară forța exercitată sub tensiune. Inginerii folosesc această proprietate a materialelor pentru a determina capacitățile lor portante și pentru a face modificările necesare; valoarea sa poate depinde de factori precum grosimea și proprietățile materialului.

Plăcile de aluminiu mai groase vor avea o rigiditate mai mică, dar aceleași valori ale modulului Young datorită faptului că materialele mai groase sunt mai rezistente la deformare sub tensiune și au suprafețe mai mari, astfel încât trebuie aplicată o tensiune mai mare pentru a provoca deformare în orice punct dat.

Modulele elastice pot fi comparate folosind următoarea ecuație: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), unde ph-g reprezintă funcția de lucru a electronilor la T, iar b este densitatea materialului.

Alumina este o ceramică rezistentă la abraziune cu un modul de elasticitate ridicat care poate fi caracterizat prin teste de îndoire în trei și patru puncte. În acest studiu, a fost utilizată o corelație numerică/experimentală pentru a prezice modulul lui Young intrinsec al unui strat de alumină depus pe un substrat de aluminiu și s-a constatat o concordanță excelentă între valorile experimentale și cele prezise. În plus, stresul de compresie s-a dovedit a fi mai puternic decât stresul de tensiune pentru majoritatea aplicațiilor care utilizează acoperiri de alumină; ceea ce sugerează o performanță mai reușită.

Modul de rezistență la tracțiune

Modulul Young ridicat al aluminei indică faptul că este un material rigid, rezistent la deformare, în timp ce faptul că este neplastic și nu are limite de curgere îl face nepotrivit pentru aplicații care necesită plasticitate, cum ar fi componentele structurale și uneltele de tăiere. În schimb, cedarea sa are loc aproape instantaneu sub sarcină de compresiune sau tracțiune, în loc să se deformeze și să slăbească treptat în timp. Datorită acestei proprietăți, natura sa fragilă îl face nepotrivit pentru utilizări precum componente structurale sau unelte de tăiere care necesită plasticitate.

Alumina poate fi combinată cu polimeri pentru a le crește semnificativ proprietățile la tracțiune. De exemplu, adăugarea a 0,2% de nanofibre de alumină la un compozit epoxidic îi crește rezistența la tracțiune de la 41 MPa la 71 MPa, deoarece nanofibrele de alumină adaugă rigiditate și acționează ca limitatori naturali ai lanțului, precum și se leagă de grupările epoxidice din lanțurile polimerice prin grupările lor funcționale epoxipropil care creează legături puternice între fibre și moleculele de rășină.

Alumina hexagonală este un material ceramic ideal pentru inginerie datorită modulului Young ridicat și ratei scăzute de dilatare termică, ceea ce o face rezistentă la solicitări mecanice în condiții de temperatură ridicată. În plus, alumina hexagonală oferă o conductivitate excelentă, precum și performanțe stabile în condiții de mediu extreme - calități care fac din alumina hexagonală o alegere excelentă pentru aplicații electrice.

Spre deosebire de alte tipuri de alumină, AlN hexagonal are un coeficient de autodifuzie extrem de ridicat, ceea ce face dificilă sinterizarea cu metodele tradiționale. În plus, acest material are o temperatură de topire scăzută și proprietăți excelente de rezistență la șocurile termice.

Testarea sistemelor sonelastice la temperatura camerei, precum și la temperaturi scăzute și ridicate permite caracterizarea precisă a modulului elastic (modulul Young, modulul de forfecare și raportul Poisson) și a proprietăților de amortizare ale materialelor ceramice pentru a evalua cu precizie modulul elastic (modulul Young, modulul de forfecare și raportul Poisson) și caracteristicile de amortizare ale acestora - aceste proprietăți fiind esențiale în proiectarea de noi variante ale acestor materiale pentru o gamă largă de aplicații.

În timpul procesului de sinterizare, modulele elastice ale aluminei au fost măsurate dinamic. La temperaturi mai scăzute, modulul Young a scăzut liniar din cauza densificării parțiale a aluminei sinterizate; dar la temperaturi mai ridicate din cauza densificării suplimentare, modulul Young a crescut rapid din cauza proceselor de sinterizare și densificare; această tendință a fost în conformitate cu măsurătorile statice la temperatura camerei ale aceluiași material; modulul de forfecare și raportul Poisson au prezentat, de asemenea, tendințe similare.