Модул на Юнг на алуминиевия оксид

Модулът на Юнг е основно механично свойство, което инженерите използват при разработването на материали, устойчиви на напрежения и повреди; той показва колко сила е необходима, за да се счупи даден материал, като същевременно служи като показател за неговата якост.

Настоящото изследване разглежда влиянието на порьозността върху модула на Юнг при спечената алуминиева оксидна паста. Чрез използването на иновативна техника за синтез в рамките на това проучване модулът на Юнг бе удвоен.

Това е показател за якостта на материала

Модулът на Юнг измерва еластичната сила, която материалите упражняват, когато са подложени на определено деформиране. Това е свойство на изотропните материали и важи само при едноосно напрежение (на опън или на натиск). Можем да използваме модула на Юнг, за да предвидим колко ще се удължи дадена проба при опън или колко ще се сгъсти при натиск, както и да определим нейната еластична структура; тази информация може да бъде безценна при прогнозиране на прогива на статично определени греди, както и при създаването на конструкции, които издържат на големи сили, без да се напукват при натиск или опън.

Механичните свойства на g-алуминия бяха оценени чрез тестове за херцианско вдлъбване и моделиране с метода на крайните елементи (FEM). Бяха изготвени криви „напрежение-деформация“, като модулът на Юнг E беше определен чрез наклона на линейния участък от кривата. Напрежението на пластичност (Y) и параметърът на укрепване при деформация n бяха оценени чрез съпоставяне на резултатите от FEM с експерименталните криви.

Основното предимство на алуминиевия оксид се състои в неговата пластичност, която му позволява да се деформира, без да се счупи, което го прави идеален за приложения, изискващи висока размерна стабилност. За съжаление, с повишаването на температурата модулът на Юнг намалява – ефект, който може частично да се обясни с термичното разширение и дислокациите на частиците.

Коефициентът на Пуасон на алуминиевия оксид също може да помогне за измерване на неговата издръжливост; това свойство отразява способността на материала да абсорбира енергия при циклично натоварване и е неразделна част от проектирането и производството на материали за приложения, свързани с големи натоварвания на опън или натиск, както и при изпитвания на материалите на умора.

Коефициентът на Пуасон може да се изчисли въз основа на модула на Юнг и коефициентите на Пуасон на други материали; обаче неговата морфология е сложна и изисква задълбочени познания за порьозността и размера на зърната за извършване на точни изчисления. Ето защо ние използвахме нова синтетична техника за синтезиране на гранули от g-алумина с определени размери и форми на порите и изследвахме тяхната морфология чрез сканираща електронна микроскопия и сканираща електронна микроскопия с полева емисия; взаимоотношенията между модула на Юнг, коефициента на Пуасон и размера на порите бяха анализирани с помощта на метода на крайните елементи (FEM); като цяло това удвои модула на Юнг, като по този начин увеличи общата якост.

Това е показател за неговата твърдост

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид е показател за твърдостта, който измерва устойчивостта на материала срещу деформация. Той се измерва чрез прилагане на сила (натоварване) върху малка проба от материала и измерване на нейното изместване (съотношението изместване/сила). Модулът на Юнг може да варира в зависимост от температурата, състава на сплавта, кристалната структура и производствените процеси, както и от геометрията на материала; неговото поведение се влияе също така от различна ориентация на зърната в него и от порьозността на самия материал.

За разлика от повечето метали и керамики, алуминиевият оксид е анизотропен; това означава, че неговите механични свойства варират в зависимост от посоката, в която се прилага силата. Може да се направи по-изотропен чрез добавяне на определени примеси или чрез механична обработка; това обаче ще доведе до намаляване на якостта и издръжливостта му.

Наноиндентацията може да се използва за точно определяне на модула на Юнг на алуминиевия оксид, както и на неговата твърдост, твърдост и еластична устойчивост. Кривата „сила-отклонение“ на пробите прави метода по-точен от стандартните изпитвания на опън, докато по-малките проби намаляват риска и осигуряват равномерни криви на разпределение.

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид зависи от производствения процес и е установено, че варира нелинейно в зависимост от натоварването. Това явление може да се обясни с промени в междуатомните връзки, предизвикани от температурни колебания; чрез апроксимация и теоретични модели е възможно да се предскаже това явление.

Високият модул на Юнг на алуминиевия оксид го превръща в изключително твърд материал, устойчив на деформация, но крехката му природа изключва използването му за приложения, изискващи пластичност, като например конструктивни елементи и режещи инструменти. Освен това, тъй като няма граница на провлачване, той се счупва при натоварвания на натиск или опън почти мигновено, а не постепенно с течение на времето.

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид се променя асиметрично под натоварване, като формата му се определя от геометрията на зърната. Това се дължи на факта, че отделните зърна алуминиев оксид могат да са разположени под различни ъгли едно спрямо друго и спрямо индентора; в резултат на това се получават немонотонни зависимости между модула на еластичност и твърдостта на материала.

Това е показател за твърдостта му

Механичните свойства на алуминиевия оксид са от съществено значение за много приложения – от устойчивост на абразия и износване до антимикробна защита. Точното измерване на тези свойства е от решаващо значение, особено при излагане на повишени температури, които застрашават структурната цялост на материалите, като например при методите за изпитване на модула на Юнг – техниките за неразрушителни изпитвания предоставят ефективно средство за постигане на тази цел.

Изпитванията за вдлъбнатина с импулсно възбуждане са идеален метод за оценка на модула на Юнг на алуминиевия оксид. Тези изпитвания създават крива на напрежение-деформация, която се използва за изчисляване на еластичния модул на материала; нейната стойност съответства на границата на провлачване. Освен това наклонът на кривата помага и за определяне на характеристиките на укрепване при деформация; резултатите от изпитванията за вдлъбнатина могат да бъдат сравнени с прогнозите, направени чрез моделиране с метода на крайните елементи (FEM).

В настоящото проучване бяха използвани импулсно възбуждане и методът на крайните елементи (FEA) за измерване на модула на Юнг на g-алумина с различни диаметри чрез метода на импулсното възбуждане, както и за измерване на модула на Юнг на алуминиев оксид с различни диаметри. Модулът на Юнг на алуминиевия оксид може да варира значително; поради това е от съществено значение да се разберат напълно неговите специфични свойства, преди да се избере или използва какъвто и да е материал в дадено приложение.

Алуминият е една от най-широко използваните технически оксидни керамики, която се отличава с изключителни нива на якост, твърдост, устойчивост на корозия и износване, както и с ниска степен на термично разширение, добра проводимост, химическа инертност и ниска степен на термично разширение, което я прави подходяща за употреба в сурови условия. Освен това, благодарение на високия си модул на Юнг и ниската си плътност, тя е отличен избор на материал за електротехнически приложения.

В настоящото изследване се прилага новаторски метод за синтез с цел получаване на гранулиран g-алуминиев оксид с подобрени механични свойства. Полученият чрез нов процес на синтероване материал се отличава с по-висок модул на Юнг в сравнение с други проби със сходен диаметър. Освен това измерванията на твърдостта показват повишена издръжливост.

Изследователите са проучили динамичния модул на Юнг на частично синтериран алуминиев оксид при температури в диапазона 1200–1600 °C. При стайна температура модулът на Юнг намалява линейно с повишаването на температурата; при 1600 °C обаче модулът на Юнг започва да нараства рязко с напредването на уплътняването – в съответствие с основната крива за алуминиевия оксид.

Това е мярка за неговата плътност

Алуминият се отличава с най-високата стойност на модула на Юнг сред керамичните материали, което го прави идеален за приложения, изискващи висока якост. Инженерите се основават на тази стойност, за да оценят колко напрежение може да издържи даден материал, преди да се деформира трайно или да се счупи. Колкото по-висока е стойността на модула на Юнг, толкова по-твърди са характеристиките му.

Микроструктурата и химичният състав на алуминиевия оксид играят съществена роля за неговите свойства. Атомната конфигурация на алуминиевия оксид се определя от функциите на радиалното разпределение на двойките и разпределенията на ъглите на връзките, докато оценките за плътността могат да се направят чрез симплексната статистика.

Симулациите на аморфния алуминиев оксид разкриват неговата тетраедрична структура с интерстициално пространство, в която атомите са свързани чрез кислородни връзки и образуват съвършени тетраедри (PTE) със средна плътност 2,84 g cm⁻³. Освен това тези PTE могат да се свързват помежду си чрез общ кислород, за да образуват големи поли-PTE с плътност 3,81 g cm⁻³.

Модулът на Юнг за алуминиевия оксид зависи от неговата чистота; по-високата чистота означава по-голям модул на Юнг поради намаленото количество примеси и по-ниския коефициент на самодифузия. За съжаление, производството на чист алуминиев оксид с желаната чистота може да бъде предизвикателство поради ниските точки на топене и кипене; едно от възможните решения е добавянето на въглерод, за да се повиши още повече чистотата и значително да се увеличи модулът на Юнг.

Модулът на Юнг на алуминиевия оксид също зависи от температурата. При нагряване неговите еластични свойства се нарушават; при достигане на първоначалната температура на изпичане той започва да се синтерова (уплътнява), което води до драстично увеличаване на модула на Юнг.

Изпитванията за огъване в три и четири точки предоставят на инженерите възможност да определят еластичните свойства на алуминиевия оксид, като им позволяват да измерят неговата устойчивост на огъване при натоварвания на натиск и опън. Както показват тези резултати, като стойност на вътрешния му модул на еластичност беше определено 12,6 GPa – което съответства на теоретичните прогнози и е полезно за предсказване на неговите свойства при огъване в различни приложения – важна стъпка към създаването на цветни сплави, съдържащи този елемент.