Young's Modülü Alümina

Alümina, üstün oksidasyon direnci ve Young modülü özellikleriyle bilinen çok değerli bir seramik malzemedir. Bununla birlikte, sinterleme işlemleri sırasında gereken yüksek sıcaklık nedeniyle pahalı bir malzeme seçimi olabilir.

Oda sıcaklığında, alümina-YAG partiküllü kompozitler yaklaşık 320 MPa eğilme dayanımı ile kırılgan davranış sergiler. 1650 degC'de bile, mikroyapıları eşit aralıklı alümina taneleri ve çekici bir mikroyapı oluşturan ince ikinci faz taneleri ile homojen kalır.

Özellikler

Young modülü alümina, seramik malzemelerin mekanik mukavemetini belirlemeye yardımcı olan çok değerli bir malzeme özelliğidir. Bu ölçüm, bir malzemenin uzama yönüne dik olarak uygulanan kuvvetlere karşı koyma kabiliyetini değerlendirir; elastik sabit ve kayma gerilmesinin çarpımı olarak tanımlanan değeri, basit bir formül kullanılarak kolayca hesaplanabilir. Young modülü alümina ölçümleri, diğerlerinin yanı sıra aletli nanoindentasyon, işaretçi döndürme testleri ve sapma ölçümleri kullanılarak da alınabilir.

Alümina tipik olarak nispeten düşük bir Young modülüne sahiptir, ancak bu, granül boyutunu ve şeklini kontrol eden gelişmiş sentez teknikleriyle önemli ölçüde artırılabilir. Ayrıca, üretim sırasındaki yoğunluk değişiklikleri de Young modülü değerlerinin artmasına yardımcı olabilir.

G-alümina granülleri Young modülünü iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda diş hekimliği ve diğer endüstrilerdeki çeşitli uygulamalar için de kullanılabilir. Yüksek sertlikleri ve sertlikleri onları diş çimentoları için ideal hale getirir; ayrıca kaplamalar gibi özel restorasyonlara bile dönüştürülebilirler.

Alüminanın Young modülü güçlü bir sıcaklık bağımlılığı sergiler. Oda sıcaklığından 1600 dereceye kadar ısıtılan kısmen sinterlenmiş alümina numunelerinin Young modülündeki değişiklikleri izlemek için impuls uyarımı kullanılarak bir çalışma yapılmış, daha sonra teorik tahminlerle karşılaştırılmış ve Young modülünün sıcaklığa bağımlılığının bu malzeme için ideal bir ana eğriyi takip ettiği bulunmuştur.

FESEM görüntüleme aynı zamanda bir alümina matris ve ikinci faz karışımının mikroyapısını 1700 ° C'ye kadar olan sıcaklıklarda incelemek için kullanıldı, burada mikroyapısında herhangi bir değişiklik görülmedi ve sadece küçük tane büyümesine tanık olundu - bu da iğnelenebilir etkilerinin bu sıcaklıklarda etkili olmaya devam ettiğini gösteriyor.

Eğilme testi sonuçları, Vita In-Ceram alümina numunelerinin IPS Empress 2 ve diğer Vita maça malzemeleri de dahil olmak üzere diğer ticari maça malzemelerine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek dinamik Young modülü ve gerçek sertlik değerlerine sahip olduğunu ortaya koymuştur. Alümina kompozitlerin aynı zamanda en yüksek eğilme dayanımına sahip oldukları, yani eğilme yüküne dayanabildikleri görülmüştür. Eğilme mukavemetinin SNK sıralama testi analizi, beş ticari maça malzemesi arasındaki kimyasal ve yapısal farklılıkları da ayırt edebilmiştir. Alümina kompozitlerin eğilme mukavemeti ve gerçek sertliği ile dental kullanım arasında etkileyici bir korelasyon keşfedilmiştir (p0.05), bu da dental uygulamalar için ticari çekirdek malzemelerden daha uygun olduklarını göstermektedir. Bu araştırma umut vaat etmektedir ve gelişmiş mekanik özelliklere sahip alümina granüllerinin oluşturulmasına katkıda bulunarak diş hekimlerinin hastalarına en iyi diş bakımını sunmalarını sağlayacak ve özellikle geriatrik hastaların yaşam kalitesini artırmaya yardımcı olacaktır.

Uygulamalar

Young modülü, malzemenin kırılmadan önce gerilimi emme kapasitesini belirleyen temel bir özelliktir. Havacılık ve otomotiv tasarımından Alümina gibi inşaat malzemelerine kadar çeşitli uygulamalar için kullanılır. Daha yüksek bir Young modülü, daha sert bir malzemeyi gösterir. Alümina'nın Young modülü 12,6 GPa'dır - bu da onu şu anda mevcut olan en güçlü seramik malzemelerden biri yapar.

Alüminanın elastik özellikleri yapısı, kimyası ve mikroyapısı tarafından belirlenir. Alümina, alümina tane sınırı ile ayrılmış y ve a fazlarından oluşan polikristalin bir malzemedir; alüminyum oksit bir fazı oluştururken alkali metal oksitler ve silika diğerini oluşturur. Her iki katman da yüksek Young modülü değerine önemli ölçüde katkıda bulunan nanofiberler ve mikro partiküller ile birbirine bağlıdır.

Alüminanın Young modülü çeşitli deneysel yöntemlerle belirlenebilir, ancak ölçümlerin yapıldığı koşulların dikkate alınması çok önemlidir. Bunu yapmak için etkili bir teknik, mekanik test ekipmanı ile elde edilen bir yük-yer değiştirme eğrisi kullanmaktır - bu, bir numunenin yer değiştirmesi için ne kadar kuvvetin nüfuz etmesi gerektiğini ve ayrıca sıcaklığın farklı testlerden elde edilen sonuçları nasıl etkilediğini ölçer; elastik modül değerleri büyük ölçüde sıcaklık farklılıklarına bağlıdır, bu da sonuçları bir testten diğerine son derece değişken hale getirir.

Young modülü artan sıcaklıkla birlikte artar ve alümina sinterlendikçe gerilme mukavemeti azalır. Elektrik iletkenliği de sıcaklığa bağlıdır; alkali metal iyon içeriği de elektrik iletkenlik seviyelerini etkiler; direnç daha yüksek sıcaklık ve daha küçük gözenek boyutları ile artar.

İstenen fiziksel özelliklere sahip gözenekli alümina sentezi, fiziksel özelliklerini ve davranışını etkileyen birçok değişken nedeniyle zorlu bir iştir. Bu çalışmanın amacı, gözenekli alümina malzemesinin üretim sürecini iyileştirmek için sinterleme süresi, kalsinasyon işleminin ısıtma hızı ve son ısıl işlem süreci gibi üretim sürecinin Taguchi yöntemi optimizasyonunu kullanarak dengeli gözeneklilik ve Young modülü değerlerine sahip gözenekli alümina üretmek için etkili bir prosedür oluşturmaktır.

Sonuçlar, düşük gözenek boyutlarına ve yüksek Young modülüne sahip sentetik g-alüminanın yeni bir sentez yöntemi kullanılarak üretilebileceğini göstermiştir. Bu yaklaşım, seramiği güçlendirirken Young modülünü iki katına çıkararak yüksek performanslı malzemeler gerektiren uygulamalar için uygun hale getirmektedir. Bu yaklaşım kullanılarak üretilen granüller, çatlama olmadan deformasyon için yüksek plastisiteye sahiptir; tıbbi ve dişçilik uygulamaları için önemli bir özelliktir. Ayrıca, bu sentez prosedürü sayesinde kırılma oranı büyük ölçüde azalmış ve bu seramiği klinik olarak eskisinden daha uygulanabilir hale getirmiştir.

Avantajlar

Young modülü birçok uygulama için önemli bir mekanik özelliktir. Malzemelerin gerilime karşı direncini ölçerken aynı zamanda titreşimleri veya şok dalgalarını ne kadar iyi emdiklerini gösterir. Daha yüksek bir Young modülü, daha fazla hasar direncini gösterir; Alümina, olağanüstü yüksek Young modülü değeri nedeniyle bu açıdan öne çıkmaktadır ve bu da onu makine mühendisliği uygulamalarında kullanım için mükemmel bir malzeme seçimi haline getirmektedir.

Alüminyum güçlü ve uygun maliyetli bir malzemedir. Çelik kadar güçlü olmasa da daha hafif olması, ağırlığın kritik bir faktör olduğu uçaklarda daha yaygın olarak kullanılmasını sağlar. Alüminyum ayrıca yakıt tüketimini ve emisyonları azaltarak çevreye de yardımcı olur.

Alüminanın avantajlarından biri hidrotermal yaşlanmaya karşı direncidir. Ayrıca, Young modülü derecesi tüm seramik malzemeler arasında en yüksek olanlardan biridir, yani basınç altında çatlamadan aşırı sıcaklık koşullarına dayanabilir. Alümina, kemik implantlarının hasarsız kalması gereken tıbbi ortamlarda çok sayıda kullanıma sahipken, dişçilik uygulamaları sürtünme hasarına karşı özelliklerini kullanır.

Alüminanın Young modülü saflığına bağlıdır ve bu aynı zamanda sertlikle de ilişkilidir. Daha saf alümina üretildikçe Young modülü artar. Ne yazık ki düşük öz difüzyon katsayısı ve erime noktası nedeniyle saf alümina üretmek zor olabilir, ancak matrisine karbon eklemek bunu önemli ölçüde artırabilir ve Young modülünü önemli ölçüde artırabilir.

Özellikle, parçacıklar birbirine yaklaştıkça ve kendi aralarında daha güçlü bağlar oluşturdukça Young modülü sıcaklıkla birlikte azalır. Bununla birlikte, çok bileşenli alümina malzemeler, bileşimlerine çubuk veya bıyık şekilli morfolojilere sahip katkı maddelerinin yanı sıra anizotropik preformlar dahil edilerek yerel olarak daha yüksek Young modülleri ile tasarlanabilir.

Dinamik indentasyon, alüminanın içsel Young modülünü ölçmek için en popüler yaklaşımlardan biri olmaya devam etmektedir, ancak bu yöntem yalnızca indentasyon ucunun altındaki hasarlı bölgeleri ölçtüğü için doğruluk açısından yetersiz kalmaktadır. Bunun yerine bu çalışma, mikrosertlik test teknikleriyle karşılaştırılabilir sonuçlar veren numunelerin yük-yer değiştirme eğrilerinin ekstrapolasyonunu içeren yenilikçi bir yöntem önermektedir.

Bu makale, mekanik özelliklerini değerlendirmek için üç ve dört nokta eğme testlerini kullanarak, alüminyum bir alt tabaka üzerinde biriken bir alümina kaplamanın elastik modülünü tahmin etmek için sayısal modelleme ve deneysel tekniklerin nasıl birleştirilebileceğini araştırmaktadır.