Youngov modul oxidu hlinitého

Youngov modul je neoceniteľným meradlom pre nedeštruktívne testovanie žiaruvzdorných materiálov a slúži ako indikátor mikroštruktúrneho inžinierstva týchto žiaruvzdorných materiálov.

Na štúdium ternárneho systému zloženého z oxidu hlinitého-ZrO2-YAG sa použila skenovacia transmisná elektrónová mikroskopia (STEM). Podrobne sme charakterizovali najmä druhú fázu nachádzajúcu sa pozdĺž hraníc zrn oxidu hlinitého a medzi jednotlivými zrnami pomocou SEM zobrazenia.

Youngov modul

Inžinieri využívajú Youngov modul na posúdenie toho, aké namáhanie môže materiál vydržať, kým sa trvalo nedeformuje alebo nezlyhá, čo im pomáha vytvárať konštrukcie, ktoré odolávajú vonkajším silám bez toho, aby praskali alebo sa rozpadali. Výpočet Youngovho modulu si vyžaduje presné merania, znalosť mechaniky pružnosti a presný spôsob predpovedania reakcie materiálov pri namáhaní.

Skúška ťahom je základným spôsobom merania Youngovho modulu. Vzorka materiálu je vystavená postupne sa zvyšujúcemu ťahovému namáhaniu, až kým sa nedosiahne jeho hranica pružnosti; merania sily a deformácie v každom bode tohto procesu sa potom zaznamenajú pred vykreslením na krivku napätie-deformácia so sklonom pružnej oblasti, ktorá predstavuje Youngov modul materiálu.

Youngov modul sa dá merať aj rôznymi inými spôsobmi. Jednou z takýchto techník je nanoindentácia, ktorá sa často používa na charakterizáciu mechanických vlastností v mikro- a nanorozmeroch; takéto testy si však vyžadujú testovacie zariadenia s vysokým rozlíšením, ako aj špecifické nástroje na prípravu vzoriek na analýzu.

Jednou z výhod používania nanoindentácií na meranie Youngovho modulu sú menšie požiadavky na vzorky ako pri tradičných ťahových skúškach, vďaka čomu sa získavajú rozdelenia s pravidelnejšími krivkami rozdelenia, ktoré umožňujú presnejšie štatistické korekcie, ako je to možné pri rozdeleniach v plnom rozsahu.

Youngov modul pre hliník bol dobre stanovený na základe experimentálnych meraní a teoretických výpočtov a táto hodnota sa môže použiť ako porovnávací bod pri výpočtoch alebo experimentálnych meraniach. Zmeny v Youngovom module môžu byť spôsobené faktormi, ako je teplota, zloženie zliatiny, kryštálová štruktúra alebo výrobné procesy - napríklad pridanie legujúcich prvkov môže zmeniť usporiadanie medzimolekulárnych väzieb, a tým aj jeho mechanické vlastnosti.

Poissonov pomer

Poissonov pomer je vlastnosť materiálu, ktorá meria vzťah medzi pozdĺžnou a priečnou deformáciou. Jeho hodnota sa mení v závislosti od typu deformácie; pri deformácii v ťahu je kladná, zatiaľ čo pri deformácii v tlaku môže byť záporná. Hoci hodnoty Poissonovho pomeru majú tendenciu zostávať v rôznych materiáloch rovnaké, ich hodnoty sa môžu medzi materiálmi výrazne meniť; tento jav je obzvlášť výrazný pri kovoch a zliatinách, ktoré často vykazujú veľké rozdiely v hodnotách Poissonovho pomeru.

Poissonov pomer sa zvyčajne znižuje so zvyšujúcou sa hustotou v dôsledku zmien v bunkových štruktúrach materiálu, ktoré menia tvar a veľkosť pórov, čo ovplyvňuje Poissonov pomer. Okrem toho zhusťovanie mení rozloženie pórov, ako aj rozloženie ich veľkosti; zhusťovanie ovplyvňuje aj tento proces. Mnohé štúdie skúmali tento vzťah pomocou rôznych vibračných metód, ako je meranie rezonančných frekvencií s vysokou presnosťou - presné meranie, ktoré umožňuje výpočty elastických vlastností vzoriek.

Tieto výpočty možno vykonať pomocou nedeštruktívnej techniky nazývanej ultrazvukové meranie. Ide o poklepanie na vzorku projektilom a zaznamenanie jeho vibračného signálu na analýzu, aby sa zistili rýchlosti pozdĺžnych a priečnych akustických vĺn; potom sa tieto informácie použijú na výpočet Youngovho modulu materiálu vzorky na základe tejto metódy analýzy - vždy sa tak získajú konzistentné a presné výsledky.

Youngov modul pre oxid hlinitý možno vysvetliť pomocou jeho hustoty a Poissonovho pomeru, dvoch hlavných prvkov jeho pružného správania. Hliník má nízky Poissonov pomer v dôsledku svojej mikroštruktúry; v dôsledku toho sa jeho elastické vlastnosti zvyšujú s rastúcou hustotou; jeho Youngov modul však zostáva nižší ako u porovnateľných kovov.

Poissonov pomer v oxidu hlinitom je citlivý na jeho teplotu. Zatiaľ čo s rastúcou teplotou klesá, po dosiahnutí teploty výpalu prudko stúpa späť v dôsledku pokračujúceho spekania pri tejto teplote, čo vedie k náhlemu zvýšeniu Youngovho modulu. Bohužiaľ, jeho presný vzťah k zmenám teploty zostáva nedostatočne pochopený v dôsledku rôznych vplyvov, ktoré ho ovplyvňujú.

Modul pružnosti

Modul pružnosti je integrálnou vlastnosťou pevných materiálov. Opisuje, k akej deformácii dochádza pri ťahu alebo tlaku, pričom tuhé materiály majú vyššie moduly pružnosti ako pružné; známe aj ako modul pružnosti v ťahu/ťahu alebo modul pružnosti pri deformácii, meranie modulu pružnosti sa môže uskutočniť meraním napätia spôsobeného deformáciou pri konštantnom zaťažení a následným vydelením deformáciou, čím sa získa jeho hodnota - čím sa získa hodnota modulu pružnosti.

Tuhosť, opak modulu pružnosti, meria, aká veľká sila pôsobí pri namáhaní. Inžinieri používajú túto vlastnosť materiálov na určenie ich únosnosti a vykonanie potrebných úprav; jej hodnota môže závisieť od faktorov, ako je hrúbka a vlastnosti materiálu.

Hrubšie hliníkové dosky budú mať nižšiu tuhosť, ale rovnaké hodnoty Youngovho modulu, pretože hrubšie materiály sú odolnejšie voči deformácii pri namáhaní a majú väčšie plochy, takže na vyvolanie deformácie v danom bode je potrebné použiť väčšie napätie.

Moduly pružnosti možno porovnať pomocou nasledujúcej rovnice: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), kde ph-g predstavuje funkciu práce elektrónov pri T a b je hustota materiálu.

Oxid hlinitý je keramika odolná voči oderu s vysokým modulom pružnosti, ktorý možno charakterizovať trojbodovými a štvorbodovými skúškami ohybu. V tejto štúdii sa použila numericko-experimentálna korelácia na predpovedanie vlastného Youngovho modulu povlaku oxidu hlinitého naneseného na hliníkový substrát a zistila sa vynikajúca zhoda medzi jeho experimentálnymi a predpovedanými hodnotami. Okrem toho sa ukázalo, že tlakové namáhanie je silnejšie ako ťahové namáhanie pri väčšine aplikácií využívajúcich povlaky oxidu hlinitého; čo naznačuje úspešnejšie fungovanie.

Modul pevnosti v ťahu

Vysoký Youngov modul oxidu hlinitého ho označuje za tuhý materiál odolný voči deformácii, zatiaľ čo jeho neplastickosť a nedostatok medze klzu ho robí nevhodným pre aplikácie, ktoré vyžadujú plasticitu, ako sú konštrukčné komponenty a rezné nástroje. Namiesto toho dochádza k jeho zlyhaniu pri tlakovom alebo ťahovom zaťažení takmer okamžite, namiesto toho, aby sa postupne deformoval a časom oslaboval. Vzhľadom na túto vlastnosť je jeho krehký charakter nevhodný na také použitie, ako sú konštrukčné komponenty alebo rezné nástroje, ktoré vyžadujú plasticitu.

Hliník možno kombinovať s polymérmi, aby sa výrazne zvýšili ich ťahové vlastnosti. Napríklad pridaním 0,2% nanovlákien oxidu hlinitého do epoxidového kompozitu sa zvýši jeho pevnosť v ťahu zo 41 MPa na 71 MPa, pretože nanovlákna oxidu hlinitého pridávajú tuhosť a pôsobia ako prirodzené obmedzovače reťazca, ako aj sa spájajú s epoxidovými skupinami v reťazcoch polymérov prostredníctvom svojich epoxypropylových funkčných skupín, ktoré vytvárajú pevné väzby medzi vláknami a molekulami živice.

Šesťuholníkový oxid hlinitý je ideálnym technickým keramickým materiálom vďaka svojmu vysokému Youngovmu modulu a nízkej tepelnej rozťažnosti, vďaka čomu je odolný voči mechanickému namáhaniu pri vysokých teplotách. Okrem toho hexagonálny oxid hlinitý ponúka vynikajúcu vodivosť, ako aj stabilný výkon v extrémnych podmienkach prostredia - vlastnosti, vďaka ktorým je hexagonálny oxid hlinitý vynikajúcou voľbou pre elektrotechnické aplikácie.

Na rozdiel od iných typov oxidu hlinitého má hexagonálny AlN extrémne vysoký koeficient samodifúzie, ktorý sťažuje spekanie tradičnými metódami. Okrem toho sa tento materiál môže pochváliť nízkou teplotou tavenia a vynikajúcimi vlastnosťami odolnosti voči tepelným šokom.

Testovanie sonelastických systémov pri izbovej teplote, ako aj pri nízkych a vysokých teplotách umožňuje presnú charakterizáciu modulov pružnosti (Youngov modul, šmykový modul a Poissonov pomer) a tlmiacich vlastností keramických materiálov s cieľom presne posúdiť ich moduly pružnosti (Youngov modul, šmykový modul a Poissonov pomer) a tlmiace charakteristiky - tieto vlastnosti sú nevyhnutné pri navrhovaní nových variantov týchto materiálov pre široké spektrum aplikácií.

Počas procesu spekania sa dynamicky merali moduly pružnosti oxidu hlinitého. Pri nižších teplotách sa Youngov modul lineárne znižoval v dôsledku čiastočného zhutnenia spekaného oxidu hlinitého; pri vyšších teplotách však v dôsledku ďalšieho zhutňovania Youngov modul rýchlo rástol v dôsledku procesov spekania a zhutňovania; tento trend bol v súlade so statickými meraniami toho istého materiálu pri izbovej teplote; podobné trendy vykazovali aj šmykový modul a Poissonov pomer.