Young's modul för aluminiumoxid

Youngs modul är ett ovärderligt mått för oförstörande provning av eldfasta material och fungerar som en indikator på mikrostrukturtekniken hos dessa eldfasta material.

Scanning transmission electron microscopy (STEM) användes för att studera det ternära systemet som består av aluminiumoxid-ZrO2-YAG. I synnerhet karakteriserade vi i detalj den andra fasen som ligger längs aluminiumoxidkorngränser och mellan enskilda korn med hjälp av SEM-avbildning.

Young's modul

Ingenjörer använder Youngs modul för att bedöma hur stor påfrestning ett material kan utstå innan det deformeras permanent eller går sönder, vilket hjälper dem att skapa strukturer som står emot yttre krafter utan att spricka eller falla sönder. För att beräkna Youngs modul krävs exakta mätningar, en förståelse för elastisk mekanik och ett exakt sätt att förutsäga hur material reagerar under påfrestning.

Dragprovning är det vanligaste sättet att mäta Young's Modulus. Ett materialprov utsätts för gradvis ökande dragspänning tills dess elastiska gräns har uppnåtts; kraft- och böjningsmätningar vid varje punkt under denna process registreras sedan innan de plottas på en spännings-töjningskurva där lutningen i det elastiska området representerar materialets Young's Modulus.

Youngs modul kan också mätas på olika andra sätt. Nanoindentationer är en sådan teknik som ofta används för att karakterisera mekaniska egenskaper på mikro- och nanoskala; sådana tester kräver dock högupplöst testutrustning samt specifika verktyg för att förbereda prover för analys.

En fördel med att använda nanoindentationer för att mäta Youngs modul är att de kräver mindre prov än traditionella dragprover, vilket ger fördelningar med mer regelbundna fördelningskurvor som möjliggör mer exakta statistiska korrigeringar än vad som är möjligt med fördelningar i full skala.

Youngs modul för aluminium har fastställts väl genom experimentella mätningar och teoretiska beräkningar, och detta värde kan användas som en jämförelsepunkt när man gör beräkningar eller experimentella mätningar. Variationer i Youngs modul kan orsakas av faktorer som temperatur, legeringssammansättning, kristallstruktur eller tillverkningsprocesser - t.ex. kan tillsats av legeringselement förändra dess intermolekylära bindningsarrangemang och därmed dess mekaniska egenskaper.

Poissonförhållande

Poissons tal är en materialegenskap som mäter förhållandet mellan longitudinell töjning och transversell töjning. Dess värde varierar med deformationstypen; positivt vid dragdeformation medan det kan bli negativt vid tryckdeformation. Även om värdena för Poissons tal tenderar att vara konsekventa för olika material kan de variera avsevärt mellan olika material; detta fenomen är särskilt tydligt för metaller och legeringar som ofta uppvisar stora variationer i värdena för Poissons tal.

Poissons tal minskar vanligtvis när densiteten ökar, på grund av förändringar i materialets cellulära strukturer som ändrar porernas form och storlek - vilket i sin tur påverkar Poissons tal. Dessutom ändrar förtätningen fördelningen av porer och deras storleksfördelning; förtätningen påverkar också denna process. Många studier har undersökt detta förhållande med hjälp av olika vibrationsmetoder, t.ex. mätning av resonansfrekvenser med hög noggrannhet - ett noggrant mått som möjliggör beräkningar av provernas elastiska egenskaper.

Dessa beräkningar kan utföras med hjälp av en icke-förstörande teknik som kallas ultraljudsmätning. Detta innebär att man knackar på ett prov med en projektil och registrerar dess vibrationssignal för analys för att fastställa longitudinella och transversella akustiska våghastigheter; sedan används denna information för att beräkna Young's modul för provmaterialet baserat på denna analysmetod - vilket ger konsekventa och exakta resultat varje gång.

Young-modulen för aluminiumoxid kan förklaras med hjälp av dess densitet och Poisson-tal, två viktiga faktorer för dess elastiska beteende. Aluminiumoxid har ett lågt Poisson-tal på grund av sin mikrostruktur; som ett resultat ökar de elastiska egenskaperna med ökad densitet; dess Young-modul förblir dock lägre än jämförbara metaller.

Poisson-talet i aluminiumoxid är temperaturkänsligt. Det sjunker när temperaturen stiger, men när bränntemperaturen har uppnåtts ökar det kraftigt igen på grund av fortsatt sintring vid denna temperatur, vilket leder till en plötslig ökning av Youngs modul. Tyvärr är det exakta förhållandet till temperaturförändringar fortfarande dåligt känt på grund av de olika faktorer som påverkar det.

Elasticitetsmodul

Elasticitetsmodulen är en integrerad egenskap hos fasta material. Den beskriver hur mycket deformation som sker under spänning eller kompression, där styva material har högre elasticitetsmodul än flexibla; även känd som dragmodul eller töjningsmodul, kan elasticitetsmodulmätningar göras genom att mäta spänning som orsakas av deformering under konstanta belastningar och sedan dividera med töjning för att få dess värde - vilket ger dess elasticitetsmodulvärde.

Styvhet, motsatsen till elasticitetsmodul, mäter hur mycket kraft som utövas under belastning. Ingenjörer använder denna egenskap hos material för att bestämma deras bärförmåga och göra nödvändiga modifieringar; dess värde kan bero på faktorer som materialtjocklek och egenskaper.

Tjockare aluminiumplattor kommer att ha lägre styvhet men samma Young's Modulus-värden på grund av att tjockare material är mer motståndskraftiga mot deformation under stress och har större ytor, så mer stress måste appliceras för att orsaka töjning vid en given punkt.

Elastiska moduler kan jämföras med hjälp av följande ekvation: E (T) = b(ph(T)) 6(k B T), där ph-g representerar elektronens arbetsfunktion vid T och b är materialets densitet.

Aluminiumoxid är en nötningsbeständig keramik med en hög elasticitetsmodul som kan karakteriseras med tre- och fyrpunktsböjningstest. I denna studie användes en numerisk/experimentell korrelation för att förutsäga den inneboende Young's modul för en aluminiumoxidbeläggning som deponerats på ett aluminiumsubstrat och fann en utmärkt överensstämmelse mellan dess experimentella värden och de förutsagda. Dessutom visade sig kompressionsspänningen vara starkare än dragspänningen för de flesta applikationer som använder aluminiumoxidbeläggningar; vilket tyder på mer framgångsrik prestanda.

Modul för draghållfasthet

Aluminiumoxids höga Young-modul gör det till ett styvt material som är motståndskraftigt mot deformation, samtidigt som det är icke-plastiskt och saknar flytgräns, vilket gör det olämpligt för tillämpningar som kräver plasticitet, t.ex. strukturella komponenter och skärverktyg. Istället uppstår brott under tryck- eller dragbelastning nästan omedelbart i stället för att gradvis deformeras och försvagas med tiden. På grund av denna egenskap gör dess spröda natur det olämpligt för sådana användningsområden som strukturella komponenter eller skärverktyg som kräver plasticitet.

Aluminiumoxid kan kombineras med polymerer för att avsevärt öka deras draghållfasthetsegenskaper. Om man t.ex. tillsätter 0,2% nanofibrer av aluminiumoxid i en epoxikomposit ökar dess draghållfasthet från 41 MPa till 71 MPa eftersom nanofibrer av aluminiumoxid ger styvhet och fungerar som naturliga kedjebegränsare samt kopplas till epoxigrupper i polymerkedjor genom sina epoxipropylfunktionella grupper som skapar starka bindningar mellan fibrer och hartsmolekyler.

Hexagonal aluminiumoxid är ett idealiskt tekniskt keramiskt material tack vare sin höga Young-modul och låga värmeutvidgning, vilket gör det motståndskraftigt mot mekanisk påfrestning vid höga temperaturer. Dessutom har hexagonal aluminiumoxid utmärkt ledningsförmåga och stabila prestanda under extrema miljöförhållanden - egenskaper som gör hexagonal aluminiumoxid till ett utmärkt val för elektriska applikationer.

I motsats till andra typer av aluminiumoxid har hexagonalt AlN en extremt hög självdiffusionskoefficient, vilket gör sintring svår med traditionella metoder. Dessutom har detta material låg smälttemperatur och utmärkta egenskaper för motståndskraft mot termisk chock.

Sonelastic Systems testning vid rumstemperatur samt låga och höga temperaturer möjliggör exakt karakterisering av elasticitetsmodul (Youngs modul, skjuvmodul och Poisson-kvot) och dämpningsegenskaper hos keramiska material för att exakt bedöma deras elasticitetsmoduler (Youngs modul, skjuvmodul och Poisson-kvot) och dämpningsegenskaper - dessa egenskaper är avgörande för att utforma nya varianter av dessa material för ett brett spektrum av applikationer.

Dynamiskt under sintringsprocessen mättes aluminiumoxidens elasticitetsmoduler dynamiskt. Vid lägre temperaturer minskade Youngs modul linjärt på grund av att den delvis sintrade aluminiumoxiden blev förtätad; men vid högre temperaturer på grund av ytterligare förtätning steg Youngs modul snabbt på grund av sintrings- och förtätningsprocesser; denna trend var i linje med statiska mätningar vid rumstemperatur av samma material; skjuvmodul och Poissons förhållande visade också liknande trender.