Modulul lui Young Alumină

Alumina este un material ceramic neprețuit, cunoscut pentru rezistența sa superioară la oxidare și proprietățile modulului Young. Cu toate acestea, datorită temperaturii ridicate necesare în timpul proceselor de sinterizare, poate fi o alegere de material costisitoare.

La temperatura camerei, compozitele cu particule de alumină-YAG prezintă un comportament fragil, cu o rezistență aproximativă la flexiune de aproximativ 320 MPa. Chiar și la 1650 de grade C, microstructura lor rămâne omogenă, cu granule de alumină uniform distanțate și granule fine de a doua fază, formând o microstructură atractivă.

Caracteristici

Modulul Young al aluminei este o proprietate inestimabilă a materialului care ajută la determinarea rezistenței mecanice a materialelor ceramice. Această măsură evaluează capacitatea unui material de a rezista forțelor perpendiculare care sunt aplicate perpendicular pe direcția sa de extensie; definită ca produsul dintre constanta elastică și deformația de forfecare, valoarea sa poate fi calculată cu ușurință folosind o formulă simplă. Măsurătorile modulului Young al aluminei pot fi efectuate și prin nanoindentare instrumentală, teste de rotație a indicatorului și măsurători de deformare, printre altele.

Alumina are de obicei un modul Young relativ scăzut, dar acesta poate fi crescut semnificativ prin tehnici avansate de sinteză care controlează dimensiunea și forma granulelor. În plus, modificările densității în timpul producției pot contribui, de asemenea, la creșterea valorilor modulului Young.

Granulele de g-alumină nu numai că pot îmbunătăți modulul Young, dar pot fi utilizate și pentru diverse aplicații în stomatologie și în alte industrii. Duritatea și rigiditatea lor ridicate le fac ideale pentru cimenturile dentare; în plus, ele pot fi chiar formate în restaurări personalizate, cum ar fi fațetele.

Modulul Young al aluminei prezintă o dependență puternică de temperatură. A fost efectuat un studiu folosind excitarea prin impulsuri pentru a monitoriza modificările modulului Young al specimenelor de alumină parțial sinterizate, încălzite de la temperatura camerei până la 1600degC, apoi comparate cu predicțiile teoretice și s-a constatat că dependența de temperatură a modulului Young a urmat o curbă principală ideală pentru acest material.

Imagistica FESEM a fost, de asemenea, utilizată pentru a sonda microstructura unei matrice de alumină și a unui amestec de a doua fază la temperaturi de până la 1700degC, unde nu s-a observat nicio modificare a microstructurii și s-a observat doar o creștere minoră a granulelor - ceea ce sugerează că efectul lor de pinnabilitate rămâne eficient la aceste temperaturi.

Rezultatele testelor de flexiune au arătat că probele de alumină Vita In-Ceram au avut valori ale modulului Young dinamic și ale durității reale semnificativ mai mari în comparație cu IPS Empress 2 și cu alte materiale comerciale pentru miez, inclusiv alte materiale pentru miez Vita. De asemenea, s-a constatat că materialele compozite din alumină au cea mai mare rezistență la flexiune, ceea ce înseamnă că sunt capabile să suporte o sarcină de îndoire. Analiza testului de ordonare SNK a rezistenței la flexiune a fost, de asemenea, capabilă să distingă diferențele chimice și structurale dintre cele cinci materiale de bază comerciale. A fost descoperită o corelație impresionantă între rezistența la flexiune și duritatea reală a compozitelor de alumină și utilizarea dentară (p0,05), ceea ce sugerează că acestea sunt mai potrivite decât materialele de bază comerciale pentru aplicații dentare. Această cercetare este promițătoare și va contribui la crearea de granule de alumină cu proprietăți mecanice îmbunătățite, permițând stomatologilor să ofere pacienților lor o îngrijire dentară optimă, contribuind la îmbunătățirea calității vieții în special pentru pacienții geriatrici.

Aplicații

Modulul Young este o proprietate esențială a materialului care determină capacitatea sa de absorbție a tensiunii înainte de rupere. Este utilizat pentru aplicații care variază de la proiectarea aerospațială și auto, la materiale de construcție precum alumina. Un modul Young mai mare indică un material mai rigid. Modulul Young al aluminei este de 12,6 GPa, ceea ce îl face unul dintre cele mai rezistente materiale ceramice disponibile în prezent.

Proprietățile elastice ale aluminei sunt determinate de structura, chimia și microstructura acesteia. Alumina este un material policristalin compus din fazele y și a separate de o limită a grăunților de alumină; oxidul de aluminiu compune o fază, în timp ce oxizii metalelor alcaline și siliciul compun o altă fază. Ambele straturi sunt interconectate prin nanofibre și microparticule care contribuie semnificativ la valoarea ridicată a modulului Young.

Modulul Young al aluminei poate fi determinat prin diferite metode experimentale, dar este esențial să se țină seama de condițiile în care se efectuează măsurătorile. O tehnică eficientă pentru a face acest lucru este utilizarea unei curbe sarcină-deplasare obținută cu echipamente de testare mecanică - aceasta măsoară câtă forță trebuie să pătrundă într-o probă pentru a se produce deplasarea acesteia și, de asemenea, modul în care temperatura afectează rezultatele diferitelor teste; valorile modulului elastic depind în mare măsură de diferențele de temperatură, ceea ce face ca rezultatele lor să fie extrem de variabile de la un test la altul.

Modulul Young crește odată cu creșterea temperaturii, iar rezistența la tracțiune scade pe măsură ce alumina este sinterizată. Conductivitatea electrică depinde, de asemenea, de temperatură; conținutul de ioni de metale alcaline influențează, de asemenea, nivelurile de conductivitate electrică; rezistența crește odată cu creșterea temperaturii și cu reducerea dimensiunii porilor.

Sinteza aluminei poroase cu proprietăți fizice dorite este o sarcină dificilă din cauza numeroaselor variabile care afectează caracteristicile fizice și comportamentul acesteia. Scopul prezentului studiu este de a crea o procedură eficientă de producere a aluminei poroase cu valori echilibrate ale porozității și modulului Young, utilizând optimizarea prin metoda Taguchi a procesului de producție, cum ar fi timpul de sinterizare, rata de încălzire a procesului de calcinare și procesul de tratament termic final pentru îmbunătățirea procesului de producție a materialului de alumină poroasă.

Rezultatele au demonstrat că g-alumina sintetică cu dimensiuni reduse ale porilor și module Young ridicate poate fi produsă utilizând o nouă metodă de sinteză. Această abordare dublează modulul Young, consolidând în același timp ceramica, ceea ce o face potrivită pentru aplicații care necesită materiale de înaltă performanță. Granulele produse folosind această abordare prezintă o plasticitate ridicată pentru deformare fără fisurare; o caracteristică importantă pentru aplicațiile medicale și dentare. În plus, rata de rupere a fost mult redusă datorită acestei proceduri de sinteză, ceea ce face ca această ceramică să fie mai aplicabilă clinic decât înainte.

Avantaje

Modulul lui Young este o proprietate mecanică esențială pentru multe aplicații. Acesta măsoară rezistența materialelor la stres, arătând în același timp cât de bine absorb vibrațiile sau undele de șoc. Un modul Young mai ridicat indică o rezistență mai mare la deteriorare; Alumina se remarcă în această privință datorită valorii sale excepțional de ridicate a modulului Young, ceea ce o face o alegere excelentă de material pentru utilizarea în aplicații de inginerie mecanică.

Aluminiul este un material puternic și rentabil. Deși nu este la fel de rezistent ca oțelul, greutatea sa mai redusă îi permite să fie utilizat mai frecvent în aeronave, unde greutatea joacă un rol esențial. De asemenea, aluminiul reduce consumul de combustibil și emisiile, ajutând astfel mediul înconjurător.

Unul dintre avantajele aluminei este rezistența sa la îmbătrânirea hidrotermală. În plus, modulul său Young este unul dintre cele mai ridicate dintre toate materialele ceramice, ceea ce înseamnă că poate rezista la condiții extreme de temperatură fără a se fisura sub presiune. Alumina are numeroase utilizări în domeniul medical, unde implanturile osoase trebuie să rămână intacte, în timp ce aplicațiile dentare utilizează proprietățile sale împotriva deteriorării prin frecare.

Modulul Young al aluminei depinde de puritatea acesteia, iar acest lucru se corelează și cu duritatea. Cu cât se produce alumină mai pură, cu atât crește modulul Young al acesteia. Din păcate, din cauza coeficientului de autodifuzie scăzut și a punctului de topire, poate fi dificil să se producă alumină pură, însă adăugarea de carbon la matricea sa ar putea crește semnificativ acest coeficient și modulul Young considerabil.

În special, modulul Young scade cu temperatura pe măsură ce particulele se apropie unele de altele și formează legături mai puternice între ele. Cu toate acestea, materialele din alumină multicomponentă pot fi proiectate cu module Young local mai ridicate prin includerea în compoziția lor a unor aditivi cu morfologii în formă de tije sau de mustăți, precum și a unor preforme anizotrope.

Indentarea dinamică rămâne una dintre cele mai populare abordări pentru măsurarea modulului Young intrinsec al aluminei, însă această metodă nu este suficient de precisă, deoarece măsoară doar zonele deteriorate de sub vârful de indentare. În schimb, acest studiu propune o nouă metodă inovatoare care implică extrapolarea curbelor sarcină-deplasare ale probelor; cu rezultate comparabile cu tehnicile de testare a microdureții.

Această lucrare investighează modul în care modelarea numerică și tehnicile experimentale pot fi combinate pentru a prezice modulul elastic al unui strat de alumină depus pe un substrat de aluminiu, folosind teste de încovoiere în trei și patru puncte ca mijloace de evaluare a proprietăților sale mecanice.