Alumiinioksidin plastisuusmekanismit ja tavat sitkeyden parantamisessa

Abstract

Keraamit tarjoavat monia hyödyllisiä ominaisuuksia eri sovelluskohteisiin, mutta niiden mekaaninen hauraus erityisesti huoneenlämpötilassa rajoittaa niiden käyttömahdollisuuksia. Siksi yksi keraamitutkimuksen pitkäaikainen tutkimuslinja on ollut keraamien sitkeyden parantaminen huoneenlämpötilassa. Tutkituista keraameista alumiinioksidi on osoittautunut lupaavaksi keraamimateriaaliksi, jonka sitkeyttä voidaan parantaa huomattavasti. Työn tarkoituksena on tarkastella alumiinioksidin plastisuusmekanismeja kolmella eri lämpötila-alueella: korkeassa, huoneenlämpötilassa ja alhaisessa. Tämän lisäksi tarkastellaan erilaisia tapoja alumiinioksidin sitkeyden kasvattamiseksi. Samalla arvioidaan käsiteltyjen tapojen soveltuvuutta eri lämpötila-alueilla.

Huoneenlämpötilassa alumiinioksidin mekaaninen käyttäytyminen on haurasta. Hauraus johtuu dislokaatioliikkeiden vaikeudesta kulkea alumiinioksidin mikrorakenteessa. Koska dislokaatioliike ei pysty sitomaan energiaa, alumiinioksidin rakenteessa olevat virheet määrittävät sen lujuuden. Tilastollinen murtumismekaniikka on keskeistä tällä lämpötila-alueella. Korkean lämpötilan alueella alumiinioksidin plastisuus tapahtuu virumisen välityksellä. Alumiinioksidissa vallitseva virumismekanismi riippuu jännitystasosta ja homologisesta lämpötilasta, joiden yhdistelmävaikutusta havainnollistetaan raekokoriippuvien muodonmuutoskarttojen avulla. Virumismekanismit ovat diffuusio- ja dislokaatiovirumista. Lopullinen virumismurtuma taas tapahtuu raerajaliukumisen välityksellä. Alhaisissa lämpötiloissa alumiinioksidin mekaaninen käyttäytyminen on huoneenlämpötila-alueen tapaan haurasta, mutta tällä lämpötila-alueella mekaaniset ominaisuudet parantuivat huoneenlämpötila-alueeseen verrattuna. Mekaanisten ominaisuuksien parantuminen johtui rakenteen lämpökutistumisesta: ionit lähentyivät toisiaan lyhentäen sidospituutta ja kasvattivat elastista moduulia.

Alumiinioksidin sitkeyttämistavoista tarkastelun kohteeksi valittiin: ZTA, amorfinen alumiinioksidi ja kermetti. ZTA:ssa sitkeyttäminen perustuu zirkoniumoksidin faasimuutokseen kuormitustilanteessa. ZTA soveltuu käytettäväksi kaikilla lämpötila-alueilla. Amorfinen alumiinioksidi on lasimaisen rakenteen omaava alumiinioksidi, joka nykyisen tutkimuksen mukaan myötää huoneenlämpötilassa hauraan murtuman sijasta. Tutkitut kappaleet ovat kuitenkin vielä nanokoossa. Myötäminen perustuu sidosvaihdosmekanismiin. Amorfinen alumiinioksidi soveltuu parhaiten huoneenlämpötilaan ja huonoiten korkeisiin lämpötiloihin viskoelastisen käyttäytymisen vuoksi. Alhaisiin lämpötiloihin amorfinen alumiinioksidi soveltuu muiden lasitutkimusten perusteella. Kermetin mekaanisten ominaisuuksien parantuminen perustuu metallipartikkelien plastiseen muodonmuutokseen. Tarkastelussa oli rautapartikkeleja sisältävä kermetti. Mekaanisten ominaisuuksien parantumiseen vaikuttaa metallipartikkelien koko, tilavuusosuus ja sitoutuminen keraamimatriisiin. Kermetti soveltuu käytettäväksi huoneenlämpötilaan, mutta alhaisissa lämpötiloissa käyttöä rajoittaa raudan sitkeä-hauras muutos ja korkeissa lämpötiloissa raudan alempi sulamispiste ja hapettuminen.

Amorfinen alumiinioksidi vaatii vielä paljon lisätutkimusta mekaanisen käyttäytymisen ja valmistustekniikan osalta, jotta sitä voidaan hyödyntää suuremmissa kappalekoissa. Samoin kermettien kohdalla tarvitaan lisää tutkimusta homogeenisemmän mikrorakenteen saavuttamiseksi.