Youngov modul oxidu hlinitého

Oxid hlinitý je neoceniteľný keramický materiál, známy svojou vynikajúcou odolnosťou voči oxidácii a vlastnosťami Youngovho modulu. Vzhľadom na vysokú teplotu potrebnú počas procesov spekania však môže ísť o drahý materiál.

Pri izbovej teplote vykazujú kompozity s časticami hliníka a YAG krehké správanie s približnou pevnosťou v ohybe približne 320 MPa. Aj pri teplote 1650 stupňov C zostáva ich mikroštruktúra homogénna s rovnomerne rozmiestnenými zrnami oxidu hlinitého a jemnými zrnami druhej fázy, ktoré vytvárajú atraktívnu mikroštruktúru.

Charakteristika

Youngov modul oxidu hlinitého je neoceniteľná vlastnosť materiálu, ktorá pomáha určiť mechanickú pevnosť keramických materiálov. Tento údaj hodnotí schopnosť materiálu odolávať kolmým silám, ktoré pôsobia kolmo na smer jeho rozťažnosti; jeho hodnota je definovaná ako súčin elastickej konštanty a šmykovej deformácie a dá sa ľahko vypočítať pomocou jednoduchého vzorca. Merania Youngovho modulu oxidu hlinitého možno okrem iného vykonať aj pomocou prístrojovej nanoindentácie, skúšok rotácie ukazovateľa a meraní deformácie.

Oxid hlinitý má zvyčajne relatívne nízky Youngov modul, ktorý sa však dá výrazne zvýšiť pomocou pokročilých techník syntézy, ktoré kontrolujú veľkosť a tvar granúl. Okrem toho zmeny hustoty počas výroby môžu tiež pomôcť zvýšiť hodnoty Youngovho modulu.

Granule g-hliníka môžu nielen zlepšiť Youngov modul, ale môžu sa využiť aj na rôzne aplikácie v zubnom lekárstve a iných odvetviach. Vďaka ich vysokej tvrdosti a tuhosti sú ideálne pre zubné cementy; navyše sa z nich dajú dokonca vytvárať vlastné výplne, ako napríklad fazety.

Youngov modul oxidu hlinitého vykazuje silnú teplotnú závislosť. Pomocou impulzného budenia sa vykonala štúdia na sledovanie zmien Youngovho modulu čiastočne spekaných vzoriek oxidu hlinitého zahriatych od izbovej teploty do 1600 °C, potom sa porovnal s teoretickými predpoveďami a zistilo sa, že teplotná závislosť Youngovho modulu sleduje ideálnu hlavnú krivku pre tento materiál.

Zobrazovanie FESEM sa použilo aj na skúmanie mikroštruktúry matrice oxidu hlinitého a zmesi druhej fázy pri teplotách až do 1700 °C, pričom v jej mikroštruktúre nebolo možné pozorovať žiadne zmeny a bol zaznamenaný len malý rast zŕn - čo naznačuje, že ich štiepny účinok zostáva účinný aj pri týchto teplotách.

Výsledky ohybových testov odhalili, že vzorky Vita In-Ceram z oxidu hlinitého mali výrazne vyššie hodnoty dynamického Youngovho modulu a skutočnej tvrdosti v porovnaní s IPS Empress 2 a inými komerčnými materiálmi jadier vrátane iných materiálov jadier Vita. Zistilo sa tiež, že kompozity z oxidu hlinitého majú najvyššie pevnosti v ohybe, čo znamená, že sú schopné odolať zaťaženiu v ohybe. Analýza poradia SNK testu pevnosti v ohybe bola tiež schopná rozlíšiť chemické a štrukturálne rozdiely medzi piatimi komerčnými materiálmi jadier. Bola zistená pôsobivá korelácia medzi pevnosťou v ohybe a skutočnou tvrdosťou kompozitov oxidu hlinitého a použitím v zubnom lekárstve (p0,05), čo naznačuje, že sú vhodnejšie ako komerčné jadrové materiály pre zubné použitie. Tento výskum je sľubný a prispeje k vytvoreniu granulátu oxidu hlinitého so zlepšenými mechanickými vlastnosťami, čo umožní zubným lekárom poskytovať svojim pacientom optimálnu stomatologickú starostlivosť a pomôže zlepšiť kvalitu života najmä geriatrických pacientov.

Aplikácie

Youngov modul je základná vlastnosť materiálu, ktorá určuje jeho schopnosť absorbovať napätie pred porušením. Používa sa v rôznych aplikáciách, od leteckého a automobilového dizajnu až po stavebné materiály, ako je hliník. Vyšší Youngov modul znamená tuhší materiál. Youngov modul oxidu hlinitého je 12,6 GPa, čo z neho robí jeden z najpevnejších keramických materiálov, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii.

Pružné vlastnosti oxidu hlinitého sú dané jeho štruktúrou, chemickým zložením a mikroštruktúrou. Oxid hlinitý je polykryštalický materiál zložený z fáz y a a oddelených hranicou zrna oxidu hlinitého; jednu fázu tvorí oxid hlinitý, druhú oxidy alkalických kovov a oxid kremičitý. Obe vrstvy sú prepojené nanovláknami a mikročasticami, ktoré významne prispievajú k vysokej hodnote Youngovho modulu.

Youngov modul oxidu hlinitého možno stanoviť rôznymi experimentálnymi metódami, ale je veľmi dôležité, aby sa zohľadnili podmienky, za ktorých sa merania vykonávajú. Jednou z účinných techník na tento účel je použitie krivky zaťaženie - posun získanej pomocou mechanického skúšobného zariadenia - meria sa ňou, aká veľká sila musí vniknúť do vzorky, aby došlo k jej posunu, a tiež to, ako teplota ovplyvňuje výsledky rôznych skúšok; hodnoty modulu pružnosti veľmi závisia od teplotných rozdielov, takže ich výsledky sú pri jednotlivých skúškach veľmi premenlivé.

Youngov modul sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a jeho pevnosť v ťahu klesá so spekaním oxidu hlinitého. Elektrická vodivosť tiež závisí od teploty; obsah iónov alkalických kovov tiež ovplyvňuje úroveň elektrickej vodivosti; odpor sa zvyšuje s vyššou teplotou a menšou veľkosťou pórov.

Syntéza porézneho oxidu hlinitého s požadovanými fyzikálnymi vlastnosťami je náročná úloha vzhľadom na množstvo premenných ovplyvňujúcich jeho fyzikálne vlastnosti a správanie. Cieľom tejto štúdie je vytvoriť efektívny postup výroby porézneho oxidu hlinitého s vyrovnanými hodnotami pórovitosti a Youngovho modulu s použitím Taguchiho metódy optimalizácie výrobného procesu, ako je čas spekania, rýchlosť ohrevu pri kalcinácii a proces záverečného tepelného spracovania, na zlepšenie výrobného procesu porézneho materiálu oxidu hlinitého.

Výsledky ukázali, že syntetický g-hliník s nízkou veľkosťou pórov a vysokým Youngovým modulom možno vyrobiť pomocou novej metódy syntézy. Tento prístup zdvojnásobuje Youngov modul a zároveň spevňuje keramiku, vďaka čomu je vhodná pre aplikácie vyžadujúce vysoko výkonné materiály. Granule vyrobené týmto prístupom sa vyznačujú vysokou plasticitou pre deformáciu bez vzniku trhlín, čo je dôležitá vlastnosť pre lekárske a zubné aplikácie. Okrem toho sa vďaka tomuto postupu syntézy výrazne znížila jej lámavosť, čím sa táto keramika stala klinicky použiteľnejšou ako predtým.

Výhody

Youngov modul je základnou mechanickou vlastnosťou pre mnohé aplikácie. Meria odolnosť materiálov voči namáhaniu a zároveň ukazuje, ako dobre absorbujú vibrácie alebo rázové vlny. Vyšší Youngov modul znamená väčšiu odolnosť voči poškodeniu; hliník v tomto ohľade vyniká mimoriadne vysokou hodnotou Youngovho modulu, vďaka čomu je vynikajúcou voľbou materiálu na použitie v strojárskych aplikáciách.

Hliník je pevný a cenovo výhodný materiál. Hoci nie je taký pevný ako oceľ, jeho nižšia hmotnosť umožňuje jeho častejšie používanie v lietadlách, kde hmotnosť zohráva rozhodujúcu úlohu. Hliník tiež znižuje spotrebu paliva a emisie, čím pomáha životnému prostrediu.

Jednou z výhod oxidu hlinitého je jeho odolnosť voči hydrotermálnemu starnutiu. Okrem toho jeho Youngov modul patrí k najvyšším spomedzi všetkých keramických materiálov, čo znamená, že odoláva extrémnym teplotným podmienkam bez toho, aby pod tlakom praskal. Oxid hlinitý má početné využitie v lekárskych zariadeniach, kde kostné implantáty musia zostať nepoškodené, zatiaľ čo zubné aplikácie využívajú jeho vlastnosti proti poškodeniu trením.

Youngov modul oxidu hlinitého závisí od jeho čistoty a súvisí aj s tvrdosťou. Čím čistejší oxid hlinitý sa vyrába, tým sa jeho Youngov modul zvyšuje. Bohužiaľ, kvôli nízkemu koeficientu samodifúzie a bodu topenia môže byť náročné vyrobiť čistý oxid hlinitý, ale pridaním uhlíka do jeho matrice by sa to mohlo výrazne zvýšiť a výrazne zvýšiť Youngov modul.

Youngov modul klesá s teplotou, pretože častice sa k sebe približujú a vytvárajú medzi sebou pevnejšie väzby. Napriek tomu je možné vytvoriť viaczložkové materiály z oxidu hlinitého s lokálne vyššími Youngovými modulmi tým, že sa do ich zloženia zahrnú prísady s morfológiou v tvare tyčiniek alebo metličiek, ako aj anizotropné predlisky.

Dynamická indentácia zostáva jedným z najobľúbenejších prístupov k meraniu vlastného Youngovho modulu oxidu hlinitého, ale táto metóda je nepresná, pretože meria len poškodené zóny pod hrotom indentácie. Namiesto toho táto štúdia navrhuje novú inovatívnu metódu zahŕňajúcu extrapoláciu kriviek zaťaženia a posunutia vzoriek; s výsledkami porovnateľnými s technikami skúšania mikrotvrdosti.

V tomto článku sa skúma, ako možno kombinovať numerické modelovanie a experimentálne techniky na predpovedanie modulu pružnosti povlaku oxidu hlinitého naneseného na hliníkový substrát s použitím trojbodových a štvorbodových ohybových skúšok ako prostriedkov na hodnotenie jeho mechanických vlastností.