Alumina Modulus of Elasticity and Young’s Modulus

Aluminiumoksid skiller seg ut blant polymerer og metaller på grunn av sine enestående mekaniske egenskaper, som inkluderer overlegen trykkfasthet, elastisitetsmodul og korrosjons- og slitestyrke.

Ghazanfari et al. utviklet en ny additiv produksjonsteknikk, Ceramic On-Demand Extrusion (CODE), for å skrive ut aluminiumoksidkomponenter med tilnærmet teoretisk tetthet. De brukte en slurry bestående av 50 vol% fast aluminapulver blandet med avionisert vann og 0,4 vektprosent karragenaner som trykkmedium.

Youngs modul

Youngs modul er en mekanisk egenskap som sier noe om hvor robuste materialer vil deformeres under bestemte krefter. Denne verdien måler hvor mye en metallstang strekker seg i lengderetningen når den utsettes for strekkspenning, og hvor raskt den krymper tilbake når den frigjøres fra strekk; forholdet mellom strekk og tøyning representerer spenningsforholdet.

Youngs modul kan beregnes med denne formelen:

Youngs modul måler materialers duktilitet. Et materiale med en høy Young-modul har vanligvis utmerket duktilitet, og kan strekkes, bøyes og vris uten å gå i stykker; i tillegg kan det gå tilbake til sin opprinnelige form etter å ha blitt forvrengt av belastning. Ingeniører og andre fagfolk bruker ofte Youngs modul når de prøver å avgjøre om et materiale vil deformeres under trykk før det eventuelt går i stykker.

Youngs modul brukes til å evaluere kvaliteten og egnetheten til materialer for bruksområder innen romfart, bilindustri og medisinsk utstyr. I tillegg kan dette målet også brukes i materialutvikling. Youngs modul må imidlertid ikke forveksles med stivhet, hardhet og seighet, ettersom hvert begrep har ulike formål og egenskaper.

Materialets stivhet defineres av dets evne til å motstå skjærkrefter, seighet måler dets motstand mot gjennomtrengning eller slag, mens hardhet viser til hvor godt det tåler store påkjenninger før det svikter.

Youngs modul beregnes vanligvis ut fra statiske strekktester som utføres ved bestemte tøyningshastigheter, men den kan også beregnes ved hjelp av andre teknikker, for eksempel nanoindentasjon.

Verdiene for Youngs modul avhenger av flere faktorer, for eksempel prøvesammensetning og testmetode. For eksempel har leireprøver ofte lavere Young-modul enn stålstenger, siden én del kan deformeres mer enn en annen, mens en hel stålstang derimot opplever samme deformasjon i hele sin lengde.

Poissons forhold

Selv om navnet kan antyde noe annet, er Poissons forholdstall en integrert fysisk egenskap ved materialer. Ikke bare beskriver det den elastiske deformasjonen av et materiale, men det kan også gi innsikt i materialers stivhet, styrke og duktilitet. Høyere Poisson-forholdsverdier indikerer stive og sterke materialer, mens lavere verdier indikerer mer fleksible eller duktile materialer.

Poissons forholdstall måler den tverrgående tøyningen (ex) i forhold til den langsgående tøyningen (ey), noe som gir et mål på hvor mye materialet krymper vinkelrett under belastning.

Denne formelen er enkel og involverer ingen omregningsfaktorer, siden Poissons forhold er en dimensjonsløs egenskap og derfor ikke trenger omregningsfaktorer, slik Youngs modul gjør.

De fleste materialer har et positivt Poisson-tall. Stål har et positivt Poisson-tall på ca. 0,3, noe som betyr at det trekker seg sammen med denne faktoren vinkelrett på strekkrefter; til sammenligning har kork et Poisson-tall nær null, noe som betyr at det ikke trekker seg sammen under belastning.

Noen materialer kan imidlertid ha negativt Poisson-forhold. Disse materialene kalles auxetiske materialer, og de gir unike mekaniske fordeler ved at de utvider seg i retningen vinkelrett på belastningen, i motsetning til de fleste materialer som trekker seg sammen i denne retningen. Auxetiske materialer kan brukes i biomedisinske anvendelser samt i militær- og romfartsteknologi.

Poissons forholdstall kan endres betraktelig i nærheten av en fasetransformasjon, og det er derfor avgjørende at vi får en forståelse av slike fenomener. Ved en slik faseendring endres bulk- og skjæremodulene betraktelig, og dette har en betydelig innvirkning på Poissons forholdstall - for å få mer informasjon, besøk siden vår om fasetransformasjoner, der du vil få større innsikt i årsakene til dem.

Skjæremodul

Skjærmodulen eller stivhetsmodulen måler materialers stivhet ved å måle forholdet mellom skjærspenning og tøyning. Denne egenskapen gjør det mulig å vurdere hvor motstandsdyktig et materiale vil være mot skjærdeformasjon.

Skjærspenning oppstår når en side av et fast stoff trekkes mot en motstående kraft, for eksempel friksjon, noe som fører til deformasjon eller formendring av det faste stoffet. Deformasjon måler endringen i form eller deformerbarhet; når skjæremodulen er høy, indikerer det stive materialer som krever betydelige krefter for å deformeres, mens lave skjæremoduler indikerer myke eller fleksible materialer.

Merk at skjæremodulen skiller seg fra Youngs modul, som måler forholdet mellom trykk- eller strekkspenning og tøyning. Selv om de deler mange egenskaper, står skjæremodulen alene som en indikator på skjærstyrke.

Skjærmodulen gir et nøyaktig mål på materialers vibrasjonsatferd. Den viser hvordan de reagerer på skjærkrefter, og kan fungere som et viktig referansepunkt ved utforming av konstruksjoner. I tillegg spiller returhastigheten etter eksponering for skjærpåkjenninger også en viktig rolle.

Skjæremodul (SM) måles vanligvis i gigapascal (GPa) og rapporteres noen ganger i pund per kvadrattomme (ksi). Den numeriske representasjonen er M1L-1T-2, der kraft erstattes av masse ganger akselerasjon. For å uttrykke den matematisk har den formelen Gdisplaystyle g, der materialtetthet og startlengde (eller startlengde for noen materialer) er gitt som inndata.

Skjærmodulen kan beregnes ut fra en spenning-tøyningskurve som er laget under strekkprøving, men da må man ta hensyn til tøyning og temperaturens innvirkning på elastiske materialegenskaper - noe Fourier-transformasjon enkelt kan gjøre. Alternativt kan man også bruke vibrometrisk testing: Når materialet utsettes for vibrerende stimuli, registreres svingningene, og sensorer registrerer hvilken frekvens som reduserer svingningsdempingen mest, noe som avslører verdien av skjærmodulen.

Termisk modul

Når temperaturen endres, utvider og trekker materialene seg sammen i samsvar med atomstrukturen, og den termiske modulen måles som et forhold mellom utvidelse og sammentrekning. Dette tallet avhenger av materialets atomære sammensetning; for eksempel har stål en høyere termisk modul på grunn av ni jernatomer i hver kroppssentrerte kubiske (BCC) enhetscelle, mens aluminiumslegeringer inneholder 14 atomer per celle i den flatesentrerte kubiske strukturen, noe som reduserer motstanden mot plastisk deformasjon.

Youngs modul, Poissons forhold, skjæremodul og termisk modul er viktige mål når det gjelder å velge materialer til spesifikke bruksområder. Ingeniører er avhengige av dem som indikatorer på hvilke spenningsnivåer et materiale kan håndtere uten å deformeres permanent eller gå i stykker, og de gir dessuten ingeniørene en forståelse av hvilke krefter som kreves for å deformere materialet plastisk.

I motsetning til mange metaller har aluminiumoksid elastiske egenskaper som er direkte proporsjonale med densiteten og Poissons forholdstall, noe som gjør det mye enklere for ingeniører å forutsi elastisitetsmodulen ved hjelp av tre- og firepunktsbøyingstester eller finite element-analysesimuleringer. Med denne kunnskapen kan konstruktørene vurdere hvor mye belastning de produserte komponentene tåler, samtidig som de kan gjøre nødvendige modifikasjoner for å forbedre materialets ytelse.

Aluminas høye elastisitetsegenskaper gjør det til et allsidig materiale som egner seg til en rekke bruksområder. Alumina brukes på en rekke områder, fra å lage termisk beskyttende belegg som tåler ekstreme miljøforhold, til å tilsette nanofibre i epoksykompositter for å øke strekkfastheten betydelig og oppnå ønsket strekkfasthet på en mer kostnadseffektiv måte og sørge for kontrollert deformasjon.

Aluminas lave varmeutvidelse gjør det til et ideelt teknisk keramisk materiale som gir motstand mot ulike mekaniske påkjenninger. Sammen med sin slitestyrke, kjemiske stabilitet og høye bøyestyrke er alumina et fremragende materialvalg for romfart, bilindustri og produksjonsapplikasjoner.