افت استحکام تسلیم اکسیدهای آلومینیوم در دماهای بالا

داخل یک موتور جت را تصور کنید، جایی که تیغه های توربین با سرعت های شگفت انگیز می چرخند، در برابر دما و فشار های باورنکردنی مقاومت می کنند. یکی از مواد اصلی این تیغه ها آلومینیوم است،سرامیکی که به خاطر مقاومت گرما و قدرت فوق العاده اش شناخته شده استبا این حال، آلومینیوم بدون نقص های خود نیست. عملکرد آن در شرایط شدید، به ویژه قدرت بهره برداری، به طور مستقیم طیف وسیعی از برنامه های کاربردی و قابلیت اطمینان آن را تعیین می کند. بنابراین،آلومينا در دماهاي مختلف چگونه عمل مي کند؟چه عواملی بر مقاومت آن تأثیر می گذارند؟ این مقاله در مورد مقاومت تولید آلومینا در محدوده 0 ≈ 1600 ° C،تجزیه و تحلیل رفتار آن در محیط های با دمای بالا و بررسی کاربردهای بالقوه آن در هوافضا، متالورژي، الکترونيک و فراتر از آن.

آلومینیوم (Al2O3) که به عنوان اکسید آلومینیوم نیز شناخته می شود، یک ترکیب متشکل از آلومینیوم و اکسیژن است.مانند نقطه ذوب بالا (تقریبا 2072°C)، مقاومت بسیار عالی در برابر فرسایش و رسانایی الکتریکی پایین است. آلومینیوم در اشکال متعدد بلوری وجود دارد،با α-الومینا (کورندوم) که به دلیل ثبات و قدرت مکانیکی آن به طور گسترده ای استفاده می شوداز مواد آتش شکن در کوره های با دمای بالا تا عایق های دستگاه های الکترونیکی و اجزای ساختاری در هوافضا، آلومینا نقش مهمی در صنایع مختلف دارد.به لطف عملکرد استثنایی آن تحت فشار حرارتی و مکانیکی.

آلومینا عمدتاً از اتم های آلومینیوم و اکسیژن که در یک شبکه خاص مرتب شده اند تشکیل شده است. رایج ترین و پایدارترین شکل آن آلومینا (α-Al2O3) است که ساختار کریستالی شش گوشه ای دارد.این ساختار فشرده به آلومینا نقطه ذوب بالایی (حدود 2072 درجه سانتیگراد) می دهد، سختی بالا (سختی موه 9) ، و ضریب انبساط حرارتی پایین. ترکیب مواد و ترتیب اتمی به طور مستقیم بر خواص مکانیکی آن ، از جمله قدرت کششی تأثیر می گذارد.در دمای بالا، این خواص ممکن است به دلیل انتقال فاز، رشد دانه یا تخریب حرارتی تغییر کند.

• تراکم:تقریباً 3.95 گرم / سانتی متر، نسبتاً بالا، که به پایداری آن کمک می کند.
• رسانایی حرارتی:آلومینیوم دارای رسانایی حرارتی پایین است (حدود 30 W / m · K در دمای اتاق) ، که آن را یک عایق عالی می کند.
• گسترش حرارتی:آلومینیوم دارای یک ضریب انبساط حرارتی نسبتا کم است که به آن کمک می کند تا یکپارچگی ساختاری را تحت نوسانات دمایی حفظ کند.
• سختي:همانطور که ذکر شد، آلومینیوم دارای سختی Mohs 9 است که باعث مقاومت استثنایی در برابر فرسایش می شود.

قدرت تولید آلومینیوم تحت تأثیر میکروساخت آن، از جمله اندازه دانه، منافذ و حضور ناخالصی ها یا مواد افزودنی است. به عنوان مثال،آلومینیوم ذرات نازک به دلیل کاهش اندازه نقص، قدرت بیشتری را نشان می دهد.، در حالی که ناخالصی ها ممکن است به دلیل ماهیت خود، خواص مکانیکی را تضعیف یا افزایش دهند.

با توجه به ماهیت شکننده مواد سرامیکی، مقاومت تولید آلومینا پیچیدگی هایی را ارائه می دهد. برخلاف فلزات، سرامیک پلاستیکی محدود دارد.اغلب قبل از بروز انحراف پلاستیکی قابل توجهی شکسته می شودبنابراین، مقاومت تولید آلومینا به طور معمول به عنوان استرس که در آن میکروشکافها شروع به تشکیل می کنند یا شکست فاجعه بار رخ می دهد تعریف می شود.در زیر عوامل کلیدی که بر قدرت تولید آلومینا تاثیر می گذارند، ذکر شده است.:

ساختار میکروساز مواد، به ویژه اندازه دانه، به طور قابل توجهی بر قدرت بازده آن تاثیر می گذارد.دانه های کوچکتر به طور کلی قدرت حاصل را از طریق مکانیسم های تقویت مرز دانه افزایش می دهند (روابط هال-پچ)با این حال، با افزایش دما، رشد دانه ممکن است رخ دهد، که قدرت تولید مواد را کاهش می دهد.تعادل بین اندازه دانه و درجه حرارت برای تعیین رفتار مکانیکی آلومینا در دمای بالا بسیار مهم است.

• آلومینیوم خالص(>99.9٪) به طور معمول به دلیل نقص های کمتر، قدرت بازده بالاتر را نشان می دهد.
• داروهای تقویت کننده(به عنوان مثال، MgO، Y2O3) می تواند رشد دانه را در طول سینتر کردن، تصفیه میکروسtruktور و بهبود قدرت، مهار کند.
• ناخالصی ها(به عنوان مثال، SiO2، Na2O) ممکن است مرزهای دانه ضعیف را تشکیل دهد و قدرت را کاهش دهد.

• خشکی بیشتر(خلاء ها یا میکروشکافها) به طور قابل توجهی مقاومت کشش را کاهش می دهد، زیرا آنها به عنوان تمرکز کننده استرس عمل می کنند.
• آلومینیوم متراکم(گشایی کم، > 95٪ تراکم نظری) دارای قدرت بالاتر است.

• درجه حرارت و مدت زمان:دمای سینتر کردن بالاتر می تواند تراکم را افزایش دهد اما همچنین می تواند منجر به رشد بیش از حد دانه شود و قدرت را کاهش دهد.
• سینتر کردن تحت فشار(به عنوان مثال، فشار گرم، سینتر کردن پلاسمای جرقه ای) می تواند دانه های نازک تر و چگالی بالاتر را تولید کند و قدرت تولید را بهبود بخشد.

• α-الومینا(فاز شش گوشه ای، پایدار) دارای قدرت بالاتر از فاز های انتقالی (به عنوان مثال، γ-Al2O3) است.
• فاز های ثانویه(به عنوان مثال، فاز های مرزی دانه های شیشه ای) ممکن است آلومینا را بسته به ترکیب آنها تضعیف یا تقویت کند.

• دمای بالاکاهش قدرت کششی به عنوان تحرک اتمی و افزایش لغزش.
• میزان فشار بیشترافزایش قدرت عملکرد ظاهری به دلیل زمان محدود برای حرکت انحلال.

• فشارهای باقیمانده فشرده سازی(به عنوان مثال، از درمان های سطحی مانند شات peening) می تواند قدرت بهره را افزایش دهد.
• فشارهای باقیمانده کشش(به عنوان مثال، از خنک شدن نامنظم) ممکن است باعث ترک و کاهش قدرت شود.

• حالت بارگیری:به دلیل شکننده بودن آن، آلومینا تحت فشرده سازی قوی تر از تنش است.
• هندسه نمونه(به عنوان مثال، پایان سطح، حساسیت شکاف) بر مقاومت اندازه گیری شده تأثیر می گذارد.

درجه حرارت به طور قابل توجهی بر قدرت تولید آلومینیوم تاثیر می گذارد. در دمای پایین، آلومینیوم به دلیل پیوندهای قوی یونی-کووالنت، قدرت بالایی را حفظ می کند، اما با افزایش دمای،مکانیسم هایی مثل حرکت مرزی دانه ها و خزیدن به چشم می خورد، کاهش قدرت.

در محدوده دمای پایین ، آلومینا دارای قدرت بالا ، ثبات حرارتی و گسترش حرارتی حداقل است ، که آن را برای کاربردهای ساختاری و مقاوم به لباس ایده آل می کند.

• قدرت تولید بالامعمولاً >300 MPa (الومینا با دانه های نازک و خالص)
• ساختار کریستالی پایدارهیچ انتقال فازی وجود ندارد؛ α-Al2O3 غالب است.
• گسترش حرارتی کمCTE ~ 8 ′′ 9 × 10-6 °C، کاهش استرس حرارتی.
• شکستگی های شکننده برتری دارند️ عدم انعطاف پذیری؛ مقاومت شکستگی ممکن است در دمای پایین کمی بهبود یابد.
• فعالیت کمترین خزیدن / خارج شدنتغییر شکل پلاستیکی زیر ~ 1000 °C ناچیز است.
• نقاط ضعف احتمالیدر محیط های خاص ممکن است ترک خوردگی ناشی از رطوبت رخ دهد.

• ابزار ماشینکاری دقیق.
• اجزای مقاوم به لباس در سیستم های خودرو.
• مواد عایق در دستگاه های الکترونیکی.

• مقاومت فشرده سازی در 200 درجه سانتیگراد:~350 MPa (آلومینا پلی کریستالین)
• کاربردها:ابزار برش، پوشش های مقاوم در برابر فرسایش، عایق های دمای پایین، زره بالستیک

با افزایش دما، آلومینا به تدریج به دلیل نرم شدن حرارتی، خزیدن و تغییرات میکروسروتیکی، قدرت خود را از دست می دهد.نیاز به طراحی دقیق مواد با مواد تقویت کننده برای ثبات در محیط های شدید.

• کاهش قدرت حاصلکاهش قابل توجهی بالاتر از 500 درجه سانتیگراد (به عنوان مثال، ~ 100 MPa برای آلومینیوم MgO در 1400 درجه سانتیگراد در مقابل ~ 50 MPa برای آلومینیوم خالص).
• تسلط درشت️ حرکت مرزی دانه ها و تغییر شکل ناشی از پخش (حرانی بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد)
• مقاومت کاهش یافته در برابر شوک حرارتیشکل گیری ریز شکاف در تغییرات سریع دمای.
• تثبیت مواد تقویت کنندهیتریا (Y2O3) یا مگنیزیا (MgO) رشد دانه را مهار می کنند و قدرت آن را حفظ می کنند.

• تغییر شکل در اثر بارگیری مداوم.
• مقاومت به شوک حرارتی کاهش یافته است.
• انتقال فاز بالقوه در آلومینیوم غیر خالص.

• مقاومت در 1400 درجه سانتیگراد:~100 MPa (MgO-doped) در مقابل ~50 MPa (non-doped).
• کاربردها:پوشش کوره، موانع حرارتی، قطعات توربین گاز

اندازه گیری قدرت تولید آلومینا، به ویژه در دمای بالا، به دلیل چالش های ناشی از شکنندگی و محیط های شدید، نیاز به تکنیک های تخصصی دارد.روش های رایج شامل آزمایش فشرده سازی و کشش استدر این روش، نمونه ها در شرایط کنترل شده تا زمان شکست بارگذاری می شوند. نانویندنتاسیون همچنین برای بررسی خواص مکانیکی محلی، به ویژه برای فیلم های نازک یا نمونه های کوچک استفاده می شود.آزمایش در دمای بالا نیاز به کوره هایی دارد که قادر به حفظ دمای دقیق و جو های بی اثر برای جلوگیری از اکسیداسیون باشند.چالش ها عبارتند از تراز نمونه، گرادیانت های حرارتی و دشواری در تشخیص شروع میکروشکاف. مطالعات اخیر، مانند آنهایی که از دیفرانکشن اشعه ایکس در محل استفاده می کنند، نشان می دهد که این نوع شکاف ها ممکن است به طور مداوم در سطح سطح زمین ایجاد شوند.به ما می گوید که چگونه میکروساخت آلومینیوم تحت فشار در ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد تکامل می یابد.، نشان دهنده اثرات مرزی دانه است.

• آزمایش فشرده سازی: اندازه گیری قدرت تحت بار خرد کردن.
• آزمایشات کشش: ارزیابی رفتار تحت فشار.
• نانو اندنتاسیون: ارزیابی سختی و بهره وری محلی.

برای درک عملکرد آلومینا، مقایسه آن با مواد دیگر مانند زرکونیا (ZrO2) ، کربید سیلیکون (SiC) و آلیاژ های فولاد ضروری است.آلومینیوم به دلیل ثبات شیمیایی و مقرون به صرفه خود متمایز است، با مقاومت تولید ~ 300 MPa در 500 ° C و ~ 50 ‰ 100 MPa در 1600 ° C. زرکونیا دارای سختی برتر است اما گران تر است و نقطه ذوب کمتری دارد (~ 2715 ° C).کربید سیلیکون دارای سختی بالا و رسانایی حرارتی استآلیاژ های فولادی در بالای 800 درجه سانتیگراد قدرت خود را از دست می دهند و برای محیط های شدید مناسب نیستند..قدرت ، ثبات و مقرون به صرفه آلومینیوم آن را برای کاربردهای مانند پوشش کوره ایده آل می کند ، اگرچه شکنندگی آن استفاده های تأثیرگذار را در مقایسه با زرکونیا یا فلزات محدود می کند.

• در مقایسه با زرکونیا و کربید سیلیکون، مقرون به صرفه است.
• خستگی شیمیایی بالا، مقاومت در برابر محیط های خوردنی.
• مقاومت بازده پایدار در دمای متوسط (0500 °C).

• شکننده بودن منجر به مقاومت شکستگی پایین می شود.
• کاهش قابل توجهی در مقاومت بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد به دلیل خزیدن.
• نسبت به کربيد سيليکوني حساس تر به شوک حرارتي هست

درک قدرت تولید آلومینیوم در شرایط شدید به طور مستقیم انتخاب مواد را برای کاربردهای سخت هدایت می کند.آلومینیوم در تیغه های توربین و پوشش های مانع حرارتی استفاده می شود، که در آن باید در برابر خزیدن و شوک حرارتی بالاتر از 1200 ° C مقاومت کند. در آتش شکن ها، آن را در کوره های کار در 1500 ° C پوشش می دهد، با استفاده از نقطه ذوب بالا و ثبات شیمیایی آن.صنعت الکترونیک از آلومینیوم به عنوان زیربنای مدارهای استفاده می کند، از خواص عایق بندی آن در دمای متوسط بهره مند می شود. دانستن قدرت خروجی به مهندسان کمک می کند تا خطرات شکست را پیش بینی کنند و طرح ها را بهینه کنند.تحقیقات آینده با هدف افزایش عملکرد آلومینا از طریق استراتژی های پیشرفته دوپینگ و نانوسازمانی برای بهبود حفظ قدرت در دمای بالا.

• تیغه های توربین در موتورهای جت
• پوشش کوره در تولید فولاد
• زیرپوش برای الکترونیک با قدرت بالا

مقاومت تولید آلومینیوم در شرایط شدید (0 ° 1600 ° C) یک عامل مهم در استفاده گسترده از آن در کاربردهای با عملکرد بالا است.قدرت بالا و ثبات آن را به یک انتخاب قابل اعتماد برای قطعات دقیق تبدیل می کنددر حالی که در دمای بالا، چالش هایی مانند خزیدن و شوک حرارتی نیاز به طراحی دقیق مواد دارد.محققان می توانند مرزهای توانایی های آلومینیوم را گسترش دهنداین مقاله اهمیت ادامه تحقیقات برای توسعه مواد پیشرفته مبتنی بر آلومینیوم را برجسته می کند.اطمینان از قابلیت اطمینان آنها در فناوری های نسل بعدی مانند هواپیماهای ابرصوتی و سیستم های انرژی کارآمد.