Модуль Юнга глинозему

Глинозем - безцінний керамічний матеріал, відомий своєю чудовою стійкістю до окислення та високим модулем Юнга. Однак через високу температуру, необхідну для спікання, він може бути дорогим матеріалом.

При кімнатній температурі композити з частинок електрокорунду демонструють крихку поведінку з приблизною межею міцності на вигин приблизно 320 МПа. Навіть при 1650 градусах Цельсія їх мікроструктура залишається однорідною з рівномірно розташованими зернами електрокорунду та дрібними зернами другої фази, що формують привабливу мікроструктуру.

Характеристики

Модуль Юнга - це безцінна властивість матеріалу, яка допомагає визначити механічну міцність керамічних матеріалів. Цей показник оцінює здатність матеріалу чинити опір перпендикулярним силам, прикладеним перпендикулярно до напрямку розтягування; визначається як добуток константи пружності та деформації зсуву, його значення можна легко розрахувати за допомогою простої формули. Вимірювання модуля Юнга глинозему також можна проводити за допомогою інструментального наноіндентування, тестів на обертання покажчика і вимірювання прогину, серед іншого.

Зазвичай глинозем має відносно низький модуль Юнга, але його можна значно підвищити за допомогою сучасних методів синтезу, які контролюють розмір і форму гранул. Крім того, зміна щільності під час виробництва також може допомогти збільшити значення модуля Юнга.

Гранули g-глинозему не тільки покращують модуль Юнга, вони також можуть бути використані для різних застосувань у стоматології та інших галузях промисловості. Висока твердість і жорсткість роблять їх ідеальним матеріалом для зубних цементів; крім того, з них можна навіть формувати індивідуальні реставрації, такі як вініри.

Модуль Юнга глинозему має сильну температурну залежність. Дослідження з використанням імпульсного збудження було проведено для моніторингу змін модуля Юнга частково спечених зразків глинозему, нагрітих від кімнатної температури до 1600 градусів Цельсія, а потім порівняно з теоретичними прогнозами і виявлено, що температурна залежність модуля Юнга слідує ідеальній еталонній кривій для цього матеріалу.

Зображення FESEM також було використано для дослідження мікроструктури суміші глиноземної матриці та другої фази при температурах до 1700 градусів Цельсія, де не було помічено жодних змін у мікроструктурі, а спостерігався лише незначний ріст зерен, що свідчить про те, що їхній ефект закріплення залишається ефективним і при цих температурах.

Результати випробувань на вигин показали, що зразки алюмооксидних композитів Vita In-Ceram мають значно вищі показники динамічного модуля Юнга та істинної твердості порівняно з IPS Empress 2 та іншими комерційними матеріалами для кульшових кісток, у тому числі іншими матеріалами для кульшових кісток Vita. Також було виявлено, що алюмооксидні композити мають найвищу міцність на вигин, що означає, що вони здатні витримувати навантаження на згинання. Аналіз міцності на вигин за методом рангового порядку SNK також дозволив виявити хімічні та структурні відмінності між п'ятьма комерційними матеріалами сердечників. Була виявлена вражаюча кореляція між міцністю на вигин і справжньою твердістю алюмооксидних композитів і стоматологічним застосуванням (p0,05), що свідчить про те, що вони краще підходять для стоматологічного застосування, ніж комерційні основні матеріали. Це дослідження є багатообіцяючим і сприятиме створенню алюмінієвих гранул з покращеними механічними властивостями, що дозволить стоматологам надавати своїм пацієнтам оптимальну стоматологічну допомогу, допомагаючи покращити якість життя, зокрема, геріатричним пацієнтам.

Додатки

Модуль Юнга - це важлива властивість матеріалу, яка визначає його здатність поглинати напруження до руйнування. Він використовується для різних застосувань, від аерокосмічного та автомобільного дизайну до будівельних матеріалів, таких як глинозем. Чим вищий модуль Юнга, тим жорсткіший матеріал. Модуль Юнга глинозему становить 12,6 ГПа, що робить його одним з найміцніших керамічних матеріалів на сьогоднішній день.

Еластичні властивості глинозему визначаються його структурою, хімічним складом і мікроструктурою. Глинозем - це полікристалічний матеріал, що складається з фаз у та а, розділених межею зерен глинозему; оксид алюмінію складає одну фазу, а оксиди лужних металів та кремнезем - іншу. Обидва шари з'єднані між собою нановолокнами та мікрочастинками, які роблять значний внесок у його високе значення модуля Юнга.

Модуль Юнга для глинозему можна визначити різними експериментальними методами, але дуже важливо враховувати умови, в яких проводяться вимірювання. Одним з ефективних методів для цього є використання кривої навантаження-переміщення, отриманої за допомогою механічного випробувального обладнання - вона вимірює, яка сила повинна проникнути в зразок, щоб відбулося його переміщення, а також як температура впливає на результати різних випробувань; значення модуля пружності сильно залежать від різниці температур, що робить їхні результати надзвичайно мінливими від одного випробування до іншого.

Модуль Юнга зростає з підвищенням температури, а межа міцності на розрив зменшується в міру спікання глинозему. Електропровідність також залежить від температури; вміст іонів лужних металів також впливає на рівень електропровідності; опір зростає з підвищенням температури і зменшенням розміру пор.

Синтез пористого глинозему з бажаними фізичними властивостями є складним завданням через велику кількість змінних, що впливають на його фізичні характеристики та поведінку. Метою даного дослідження є створення ефективної процедури виробництва пористого глинозему зі збалансованими значеннями пористості та модуля Юнга з використанням методу Тагуті для оптимізації виробничого процесу, такого як час спікання, швидкість нагріву процесу прожарювання та кінцевої термічної обробки для покращення процесу виробництва пористого глиноземного матеріалу.

Результати продемонстрували, що синтетичний g-глинозем з малими розмірами пор і високим модулем Юнга може бути отриманий за допомогою нового методу синтезу. Цей підхід подвоює модуль Юнга, одночасно зміцнюючи кераміку, що робить її придатною для застосувань, які потребують високоефективних матеріалів. Гранули, виготовлені з використанням цього підходу, мають високу пластичність для деформації без розтріскування, що є важливою особливістю для медичного та стоматологічного застосування. Крім того, завдяки цій процедурі синтезу значно зменшилася частота руйнування, що робить цю кераміку більш придатною для клінічного застосування, ніж раніше.

Переваги

Модуль Юнга є важливою механічною властивістю для багатьох застосувань. Він вимірює стійкість матеріалів до навантажень, одночасно показуючи, наскільки добре вони поглинають вібрації або ударні хвилі. Вищий модуль Юнга вказує на більшу стійкість до пошкоджень; електрокорунд виділяється в цьому відношенні завдяки своєму надзвичайно високому значенню модуля Юнга, що робить його чудовим матеріалом для використання в машинобудуванні.

Алюміній - міцний та економічно вигідний матеріал. Хоча він не такий міцний, як сталь, його менша вага дозволяє частіше використовувати його в літаках, де вага відіграє вирішальну роль. Алюміній також зменшує споживання палива та викиди, що, в свою чергу, допомагає навколишньому середовищу.

Однією з переваг глинозему є його стійкість до гідротермального старіння. Крім того, його показник модуля Юнга є одним з найвищих серед усіх керамічних матеріалів, що означає, що він може витримувати екстремальні температурні умови без розтріскування під тиском. Глинозем має численні застосування в медицині, де кісткові імплантати повинні залишатися неушкодженими, а в стоматології його властивості використовуються для захисту від пошкоджень, спричинених тертям.

Модуль Юнга глинозему залежить від його чистоти, що також корелює з твердістю. Чим чистіший глинозем, тим вищий його модуль Юнга. На жаль, через низький коефіцієнт самодифузії та температуру плавлення виробництво чистого глинозему може бути складним завданням, але додавання вуглецю до його матриці може значно підвищити цей показник і значно збільшити модуль Юнга.

Примітно, що модуль Юнга зменшується з температурою, оскільки частинки рухаються ближче одна до одної і утворюють міцніші зв'язки між собою. Тим не менш, багатокомпонентні електрокорундові матеріали можуть бути створені з локально вищими модулями Юнга шляхом включення до їх складу добавок з паличкоподібною або вусатою морфологією, а також анізотропних преформ.

Динамічне індентування залишається одним з найпопулярніших підходів до вимірювання власного модуля Юнга глинозему, але цей метод є недостатньо точним, оскільки вимірює лише пошкоджені зони під наконечником індентора. Натомість у цьому дослідженні пропонується новий інноваційний метод, що передбачає екстраполяцію кривих "навантаження-переміщення" зразків; з результатами, порівнянними з методами тестування мікротвердості.

У цій статті досліджується, як можна поєднати чисельне моделювання та експериментальні методи для прогнозування модуля пружності глиноземного покриття, нанесеного на алюмінієву підкладку, використовуючи випробування на три- та чотириточковий вигин як засіб оцінки його механічних властивостей.