استحکام برشی اکسی نیترید آلومینیوم (مقاله ترجمه شده)

چکیده

نیترید آلومینیوم (AION) یک سرامیک شفاف پلی کریستالین است. این یک ماده جذاب به عنوان ماده پنجره با استحکام بالا است. در این کار ما به تجزیه و تحلیل نتایج چهار مجموعه از آزمایشات موج شوک صفحه ای گزارش شده برای تعیین استحکام برسی AION می پردازیم. تحلیل ما نشان می دهد که فشردگی AION تحت یک شیفت حدود 16-20 GPa قرار می گیرد که نسبتاً فشرده تر می شود. هرچند، AION به حفظ استحکام برشی در تنش های بالاتر ادامه می دهد. دلیل شیفت مشاهده شده باید درک شود و به طور رضایت بخشی باید توضیح داده شود.

مقدمه

نیترید آلومینیوم (AION یکی از سه ماده مهم در Al2O3 و سیستم AIN است که دو ماده دیگر اعضای نهایی AL2O3 و AIN است. زمانی که نسبت AL2O3 و AIN 9:5 باشد، دارای ساختار مکعبی است و ترکیب آن Al23O27N5 (35.7 mole % AIN). فاز مکعبی AION بین 28-40 mole % از AIN می ماند و چگالی آن را درصد مول تغییر می کند. چگالی ایده آل با 35.7 mole% از AIN  3.711 Mg/m^ [1] است. همچنین شفاف است و شفافیت خود را حتی زمانی که تخلخل 1-2.6% به واسطه حجم در ماده حاضر است حفظ می کند. چگالی یک AION شفاف بین 3.6 و 3.67 Mg/m3 تغییر می کند. همچنین دارای ویژگی های مکانیکی عالی مشابه با Al2O3 است. همچنین ماده ای با دوام برای کاربردهای نیازمد سختی بالا، استحکام مکانیکی و شفافیت الکترومغناطیسی گسترده است. ویژگی های الاستیک AION پلی کریستالین و وابستگی آن به فشار و دما توسط Graham et. al. [2]. اندازه گیری شده است. درصد مول AION در ماده آنها بین 30 و 35.7 تغییر نمود. چگالی ماده AION آنها بین 3.604 و 3.649 Mg/m3 برای ماده با درصد مول AIN تغییر نمود. ماده AION استفاده شده در مرجع 2 دارای تخلخل متغیر بی 2.6 و 1.8 درصد بود. درصد مول 35.7 ماده AIN آنها دارای تخلخل 3.644±0.004  Mg/m3 بود که متکی بر تخلخل 1.9 درصد در AION بود. مقادیر اندازه گیری شده ثوابت الاستیک برای چهار ماده AION پلی کریستالین گزارش شده در مرجع 2 در جدول 1 داده شده است. مشتقات و دمای ثوابت الاستیک تنها برای دو تا از چهار ماده AION اندازه گیری شد.

کاربرد پتانسیل AION نیاز به این داشت که رفتار آن تحت شرایط بارگذاری دینامیک مطالعه شود. نتایج آزمایشات تاثیر دینامیک [3-4] که AION باید به طور بالقوه یک ماده بادوام به صورت جایگزینی برای یاقوت کریستال تک در محیط تاثیر مرتبط باشد. این کار، چهار بررسی مستقل [5-8] را برای تعیین پاسخ موج شوک AION انگیزه بخشید. چگالی های ماده های AION استفاده شده در مراجع 5-8 از 3.51  تا 3.67 Mg/m3 تغییر نمود. مواد با چگالی کمتر شفاف نبودند. هدف اولیه مطالعه کنونی، استفاده از نتایج این چهار بررسی موج شوک برای بررسی این مورد بود که آیا AION استحکام برسی را تحت انتشار موج شوک صفحه ای حفظ می کند یا خیر، زیرا استحکام برشی یک ماده برای اهمیت آن تحت شرایط بارگذاری تاثیر مهم در نظر گرفته می شود.

آزمایشات و مواد

ماهیت های چهار مطالعات موج شوک صفحه ای روی AION در جدول 2 نشان داده شده است. جزئیات آزمایشات انجام گرفته در این مطالعات در مراجع 8-5 نشان داده شده است. بنابراین، جزئیات این چهار مجموعه از آزمایشات در اینجا فراهم نشده است. ویژگی های چگالی و پلاستیکی مواد AION استفاده شده در این مطالعات در جدول 1 داده شده است. مواد استفاده در مرجع 7 و 8 توسط آزمایشگاه تحقیقات نظامی (ARL) فراهم شد. ویژگی های ماده ARL در ستون آخر جدول 1 داده شده است.

نتایج

نتایج این آزمایشات روی AION می تواند به شرح زیر توصیف شود.دامنه های HEL از 10.5 تا 12.1 GPa تغییر می کند. این تغییر نشاندهنده وابستگی نظام مند HEL به چگالی اولیه AION است. نویسندگان مرجع 5 و 6، HEL دامنه های 10.5-10.9 GPa و به ترتیب 10.7 GPa گزارش نمودند. Sekine et al [7] یک مقدار نسبتاً بالاتر از HEL را گزارش نمودند، یعنی 11.2-12.1 GPa در مقایسه با 8.7-10.7 GPa گزارش شده توسط Thornhill et. al. [8] قرار گرفت هرچند ماده AION دارای چگالی یکسان بود. مقادیر بازده (Y) و تنش های برشی (t) از مقادیر HEL مورد نظر محاسبه شد و نسبت های پویزون از 6.6 تا 7.9 GPA و 3.3 تا 3.9 GPa تغییر می کند. t  نصف Y است. این مقادیر از مقادیر تنش بازده و تنش برشی نزدیک HEL متفاوت نیست، یعنی 9.9 GPa از اندازه گیری های Thornhill et. al. [8] به دست امد. جدول 3 نشاندهنده مقادیر اندازه گیری شده (T(X) طولی، جانبی، (T(y) و مقادیر محاسبه شده میانگین، < (T>, تنش ها و برش (t)، تنش برای AION است. عدم قطعیت ها در این مقادیر، به ترتیب 1،2،6 و 3 درصد است.

al داده های مرجع 5 را در دستیابی به رابطه خطی Us-up گنجاند. به علت چگالی ماده استفاده شده در مرجع 5، یعنی 3.51 Mg/m3، بسیار کمتر از چگالی AION در مرجع 7 استفاده شد و اگر در تعیین رابطه خطی Us-up مستثنی شود و s به جای 8.08 و 0.761 نشان داده شده در جدول 4، 7.86 km/s and 0.834, می شود. مقادیر C0 و s داده شده در پرانتز، مقادیر به دست آمده از داده های آزمایشات نشاندهنده انتشار یک موج تک است یعنی، 125 GPa و فراتر از آن. دو مقدار K0 به دست آمده با روش بالا برابر 227 و 916 GPa است. مقدار K0 به دست آمده توسط Thornhill et a [8] برابر 211 GPa است، یعنی نزدیک به مقدار ماژول حجمی AION و بسیار متفاوت از مقادیر مرجع 7. اینها نشان می دهد که منحنی فشردگی AION به دست آمده در مرجع 7 سخت تر از مقدار به دست آمده در مرجع 8 است. هر دو مطالعه نشاندهنده مشتق فشار ماژول حجمی است که باید تقریباً نیمی از مقدار به دست آمده توسط Graham et. al. [2]، یعنی 4.5 باشد. این نشان می دهد که حتی اگر سرعت موج شوک پیرو پیشروی الاستیک با دامنه برابر با یا بزرگتر از سرعت موج حجمی در AION حرکت کند، بسیار فشرده تر خواهد شد که از نتایج اندازه گیری های سرعت موج اولتراسونیک فشار بالا که در مرجع 2 گزارش شده است انتظار می رود. این مورد در شکل 1 نشان داده شده است.

نتیجه گیری

نیاز به انجام مطالعات بیشتر برای تعیین علل اساسی برای پاسخ شوک غیرمعمول مشاهده شده AION وجود دارد.

این مقاله در سال 2007 در مجموعه مقالات کنفرانس (AIP)، توسط آزمایشگاه تحقیقات ارتش منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله استحکام برشی اکسی نیترید آلومینیوم در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.