Aluminiumoksyds Youngs modul

Youngs modul er en avgjørende mekanisk egenskap for ingeniører når de skal utvikle materialer som tåler belastning og skader. Den angir hvor stor kraft som kreves for å bryte et materiale, og fungerer samtidig som en indikator på materialets styrke.

Denne undersøkelsen ser nærmere på hvordan porøsiteten påvirker Youngs modul for sintret aluminiumoksid. Ved hjelp av en nyskapende synteseteknikk har denne studien doblet Youngs modul.

Det er et mål på materialets styrke

Youngs modul måler den elastiske kraften som materialer utøver når de utsettes for en bestemt tøyning. Det er en egenskap ved isotrope materialer og gjelder kun under enaksial belastning (strekk eller trykk). Vi kan bruke Youngs modul til å forutsi hvor mye en prøve vil strekke seg under strekk eller komprimeres under trykk, og også bestemme dens elastisitetsstruktur; denne informasjonen kan være uvurderlig for å forutsi nedbøyning for statisk bestemte bjelker, samt for å konstruere strukturer som tåler store krefter uten å sprekke under trykk eller strekk.

De mekaniske egenskapene til g-alumina ble vurdert ved hjelp av Hertz-indenteringstester og finitte element-modellering (FEM). Det ble tegnet spennings-tøyningskurver, hvor Youngs modul E ble bestemt ut fra hellingen på den lineære delen av kurven. Flytespenning (Y) og deformasjonsherdingsparameteren n ble estimert ved å korrelere FEM-resultatene med de eksperimentelle kurvene.

Den største fordelen med aluminiumoksid ligger i dets plastisitet, som gjør at det kan deformeres uten å bryte, noe som gjør det ideelt for bruksområder som krever høy dimensjonsstabilitet. Dessverre avtar Youngs modul når temperaturen stiger – en effekt som delvis kan forklares med termisk utvidelse og partikkelforskyvninger.

Poisson-tallet for aluminiumoksid kan også bidra til å måle materialets seighet; denne egenskapen angir materialets evne til å absorbere energi under syklisk belastning og er en integrert del av materialutvikling og -produksjon for anvendelser som innebærer store strekk- eller trykkbelastninger, samt utmattingsprøving av materialer.

Poissons tall kan beregnes ut fra materialets Youngs modul og Poissons tall for andre materialer; imidlertid er materialets morfologi kompleks, og nøyaktige beregninger krever omfattende kunnskap om porøsitet og kornstørrelse. Derfor benyttet vi en ny syntetiseringsteknikk for å fremstille g-aluminagranulat med definerte porestørrelser og -former, og studerte morfologien ved hjelp av sveipelektronmikroskopi og feltemisjons-sveipelektronmikroskopi; sammenhengen mellom Youngs modul, Poissons forhold og porestørrelse ble analysert ved hjelp av Finite Element-metoden (FEM); Samlet sett førte dette til en dobling av Youngs modul, noe som dermed økte den totale styrken.

Det er et mål på stivheten

Youngs modul for aluminiumoksid er en stivhetsindikator som måler materialets motstand mot deformasjon. Den måles ved å påføre kraft (belastning) på en liten materialprøve og måle dens forskyvning (forholdet mellom forskyvning og kraft). Youngs modul kan variere avhengig av temperatur, legeringssammensetning, krystallstruktur og produksjonsprosesser, samt materialets geometri; oppførselen påvirkes også av ulik orientering av kornene i materialet og av porøsiteten i selve materialet.

I motsetning til de fleste metaller og keramiske materialer er aluminiumoksid anisotropisk; det vil si at dets mekaniske egenskaper varierer avhengig av hvilken retning kraften påføres. Man kan gjøre det mer isotropt ved å tilsette visse urenheter eller bearbeide det mekanisk; dette vil imidlertid føre til redusert styrke og seighet.

Nanoindentering kan brukes til å bestemme Youngs modul for aluminiumoksid nøyaktig, samt dets stivhet, hardhet og elastisk gjenopprettingsevne. Kurven som viser forholdet mellom kraft og avbøyning for prøvene gjør metoden mer nøyaktig enn standard strekkprøver, mens mindre prøver reduserer risikoen og gir jevne fordelingskurver.

Aluminiumoksids Youngs modul avhenger av produksjonsprosessen og har vist seg å variere ikke-lineært med belastningen. Dette fenomenet kan forklares med endringer i de interatomære bindingene forårsaket av temperaturvariasjoner; tilpasning og teori har gjort det mulig å forutsi dette fenomenet.

Aluminiumoksids høye Youngs modul gjør det til et ekstremt stivt materiale som motstår deformasjon, men dets sprøhet utelukker bruk i anvendelser som krever plastisitet, slik som konstruksjonsdeler og skjæreverktøy. Videre vil det, uten flytepunkt, bryte sammen under trykk- eller strekkbelastninger nesten umiddelbart, i stedet for gradvis over tid.

Aluminiumoksydets Youngs modul endres asymmetrisk under belastning, og formen bestemmes av kornets geometri. Dette skyldes at de enkelte aluminiumoksydkornene kan stå i ulike vinkler i forhold til hverandre og til innstikkeren; dette fører til ikke-monotone sammenhenger mellom materialets elastisitetsmodul og hardhet.

Det er et mål på hardheten

De mekaniske egenskapene til aluminiumoksid er avgjørende for mange bruksområder, fra slitestyrke og slitasjebestandighet til antimikrobiell beskyttelse. Nøyaktig måling av disse egenskapene er avgjørende, særlig når materialene utsettes for høye temperaturer som kan svekke materialenes strukturelle integritet – for eksempel ved testing av Youngs modul. Ikke-destruktive testmetoder utgjør et effektivt middel for å oppnå dette målet.

Indenteringstester med impulsstimulering er en ideell metode for å estimere Youngs modul for aluminiumoksid. Disse testene gir en spennings-tøyningskurve som brukes til å beregne materialets elastisitetsmodul; verdien av denne samsvarer med flytgrensen. Videre bidrar kurvens helling også til å bestemme deformasjonsherdingskarakteristikkene; resultatene fra inntrykkprøvingene kan sammenlignes med prediksjoner utarbeidet ved hjelp av finitte element-modellering (FEM).

I denne studien ble impulsstimulering og FEA benyttet for å måle Youngs modul for g-alumina med ulike diametre ved hjelp av impulsstimuleringsmetoden, samt for å utføre målinger av Youngs modul for alumina-materiale med ulike diametre. Youngs modul for aluminiumoksid kan variere betydelig; det er derfor avgjørende å ha full forståelse av dets spesifikke egenskaper før man velger eller bruker et materiale i en applikasjon.

Aluminiumoksid er en av de mest brukte tekniske oksidkeramikkene, og utmerker seg med overlegen styrke, hardhet, korrosjons- og slitestyrke, samt lav termisk utvidelseskoeffisient, god ledningsevne, kjemisk inertitet og lav termisk utvidelseskoeffisient, noe som gjør det egnet for bruk i tøffe miljøer. Videre er det, på grunn av sin høye Youngs modul og lave tetthet, et utmerket materialvalg for elektriske anvendelser.

I denne forskningen benyttes en ny syntesemetode for å fremstille granulært g-alumina med forbedrede mekaniske egenskaper. Materialet, som er fremstilt ved hjelp av en ny sintringsprosess, har høyere Youngs modul enn andre prøver med tilsvarende diameter. Videre viser hardhetsmålinger økt holdbarhet.

Forskere har undersøkt den dynamiske Youngs modul for delvis sintret aluminiumoksid ved temperaturer mellom 1200 og 1600 °C. Ved romtemperatur avtar Youngs modul lineært når temperaturen stiger; ved 1600 °C begynner imidlertid Youngs modul å øke kraftig etter hvert som fortettingen finner sted – i samsvar med hovedkurven for aluminiumoksid.

Det er et mål på dens tetthet

Aluminiumoksid har den høyeste Youngs-modulen blant keramiske materialer, noe som gjør det ideelt for bruksområder som krever høy styrke. Ingeniører bruker denne verdien til å vurdere hvor stor belastning et materiale tåler før det deformeres permanent eller bryter. Jo høyere Youngs-modulen er, desto stivere er materialets egenskaper.

Aluminiumoksids mikrostruktur og kjemiske sammensetning spiller en avgjørende rolle for dets egenskaper. Aluminiumoksids atomkonfigurasjon defineres av radiale fordelingsfunksjoner for par og fordelinger av bindingsvinkler, mens tettheten kan estimeres ved hjelp av simplex-statistikk.

Simuleringer av amorf aluminiumoksid viser at stoffet har en tetraedrisk struktur med et mellomrom, der atomene er bundet sammen gjennom oksygenbindinger og danner perfekte tetraeder (PTE-er) med en gjennomsnittlig tetthet på 2,84 g cm⁻³. Videre kan disse PTE-ene kobles sammen med hverandre via felles oksygenatomer og danne store poly-PTE-er med en tetthet på 3,81 g cm⁻³.

Youngs modul for aluminiumoksid avhenger av renheten; høyere renhet gir større Youngs modul på grunn av færre urenheter og lavere selvdiffusjonskoeffisient. Dessverre kan det være utfordrende å produsere rent aluminiumoksid med ønsket renhetsgrad på grunn av lave smelte- og kokepunkter; en løsning kan være å tilsette karbon for å øke renheten ytterligere og heve Youngs modul betydelig.

Youngs modul for aluminiumoksid avhenger også av temperaturen. Når materialet varmes opp, svekkes dets elastiske egenskaper; når det når sin opprinnelige brenntemperatur, begynner det å sintres (blir tettere), noe som øker Youngs modul drastisk.

Tre- og firepunkts bøyetester gir ingeniører et verktøy for å karakterisere de elastiske egenskapene til aluminiumoksid, slik at de kan måle materialets bøyeevne under trykk- og strekkbelastninger. Som disse resultatene viser, ble det fastslått at dets iboende elastisitetsmodul er 12,6 GPa – noe som stemmer overens med teoretiske forutsigelser og er nyttig for å forutsi dets bøyegenskaper i ulike anvendelser – et viktig skritt mot utvikling av ikke-jernholdige legeringer som inneholder dette elementet.