بررسی تغییر شکل ها و حالت کشش در سرامیک توسط دیلاتومتر

بررسی تغییر شکل ها و حالت کشش در مصالح سنتی سرامیک توسط دیلاتومتر کمپانی TA Instruments

در این مقاله ، تکنیک، ابزار دقیق و آزمایش‌های لازم برای ایجاد یک سیستم بدنه/لعاب ایده‌آل برای کاشی‌های سرامیکی با کیفیت بالا، و بهینه‌سازی چرخه پخت را برای جلوگیری از رایج‌ترین عیوب محصول (مانند سطح ضعیف، براده‌شدن یا فرسودگی) instance poor planarity, chipping or crazing توصیف می‌کند. که علت اصلی زیان های قابل توجه در تولید محصولات سنتی سرامیک هستند.

مقدمه

در حین پخت، لعاب اعمال شده بر روی بدنه سرامیکی دستخوش تغییراتی می شود که به سادگی می توان آنها را به شرح زیر نام برد: از بین رفتن آب تشکیل دهنده اجزای رسی، انتقال شیشه و نرم شدن.

مطابق با این نقطه، لعاب شروع به ذوب شدن می کند و یک لایه مایع پیوسته ایجاد می کند.

در طول خنک شدن، ویسکوزیته لعاب افزایش می یابد تا زمانی که لعاب سفت شود و همزمان با بدنه سرامیکی شروع به انقباض کند، اما نه لزوماً به همان صورت.

یک دمای کلیدی بیشتر باید برای توصیف این پدیده قفل شدن بین دو ماده در طول خنک شدن تعریف شود، یعنی دمای کوپلینگ coupling.

مطابق با دمای کوپلینگ coupling ، لعاب در حین گرم شدن نرم می شود (جذب کشش absorbing tensions) و در هنگام سرد شدن جامد می شود (افزایش کشش building up tensions).

مواد سرامیکی سنتی، تغییر شکل ها، حالت کشش، منحنی خمشی، ODP 868

در کاشی‌های لعابدار یا دولایه، تغییر شکل‌ها deformations ممکن است از رفتار متفاوت دو لایه همپوشانی، هم در طول فاز گرمایش و هم در مرحله سرمایش ایجاد شود.

جفت شدن مواد با رفتارهای حرارتی متفاوت به دلیل ناسازگاری حرارتی بین لایه ها، ناگزیر سیستمی از تنش ها ( استرس stresses ) را ایجاد می کند.

مطالعه تفاوت های CTE معمول است فقط به منحنی های انبساط حرارتی منفرد بدنه و لعاب نگاه می کنیم، بنابراین نادیده گرفته می شود که آنها یک سیستم مکانیکی منحصر به فرد را تشکیل می دهند.

این رویکرد عمدتاً به دلیل مهارت تحلیل ضعیف دیلاتومترهای سنتی در ناحیه چسبناک الاستیک دو لایه است، زمانی که تنش ها tensions در درجه اول ایجاد می شوند.

دو راه برای تطبیق تنش‌ها به دلیل عدم تطابق انبساط حرارتی thermal expansion در این سیستم دولایه bilayer وجود دارد: خمش bending ، تا حد معینی که توسط استحکام مکانیکی مواد اجازه می‌دهد، و در نهایت ترک cracking ، زمانی که آستانه شکست تریشولد threshold غلبه کرد.

با این حال، در صنعت کاشی و سرامیک استفاده از differential cooling بر روی سطوح کاشی برای کنترل مسطح بودن محصول نهایی یک روش معمول است.

یعنی بسته به تقعر یا تحدب کاشی هایی که قبلا پخته شده اند، سطح لعاب سریعتر یا کندتر از بستر خنک می شود.

عدم تطابق CTE و واکنش های بین فازی پارامترهای کلیدی هستند که باید در طول چرخه شلیک کنترل شوند.

با جزئیات بیشتر، دو موقعیت بالقوه وجود دارد:

تفاوت‌های differences CTE منجر به یک کاشی مقعر concave می‌شود، بنابراین اصلاحی که باید اتخاذ شود اعمال خنک‌سازی سریع‌تر روی لعاب است، که پس از آن فشرده می‌شود، اما کاشی در نهایت صاف می‌شود.
تفاوت های differences CTE منجر به یک کاشی محدب convex می شود، بنابراین اصلاحی که باید اتخاذ شود اعمال خنک سازی کندتر روی لعاب است، که پس از آن کشش tension خواهد داشت، اما کاشی در نهایت صاف می شود.

این کلید کل آنالیز و اهمیت اجرای این آزمایش با حالت فلکسیمتر fleximeter mode انعطاف‌سنج ODP 868 است: با این داده‌ها، هم QC و هم R&D متوجه می‌شوند که در طول فرآیند تولید چه چیزی ممکن است اشتباه باشد.

از این رو یک پایگاه علمی و محکم برای کار کردن دارید.

تغییر شکل‌های نظری: کوپلینگ بین لعاب و بدنه سرامیکی توسط آموروس، نگر، بلدا و سانچز مورد مطالعه قرار گرفت که از فرمولی برگرفته از معادله تیموشنکو برای محاسبه نظری انحنای ناشی از حالت کشش (فشرده/کشش) compression/ traction در کاشی و سرامیک لعاب‌دار استفاده شد.

آنها فرضیه‌های ساده‌کننده‌ای ارائه کردند: مواد همسانگرد ایزوتروپیک isotropic ، همگن homogeneous ، کاملاً الاستیک، عدم توسعه رابط بین تکیه‌گاه و لعاب، دمای یکسان در بین لایه‌ها، نسبت مدول الاستیسیته ثابت در طول خنک‌سازی.

D = deformation intended as “deflection” [mm]

L = length [mm], h = thickness [mm]

ΔC = percentage difference between the single

منحنی های دیلاتومتری بدنه سرامیکی و لعاب در دمای اتاق (پس از translating منحنی دیلاتومتری لعاب به طوری که مطابق با دمای کوپلینگ با منحنی دیلاتومتری بدنه منطبق شود)

Ss= support thickness,

Sg= glaze thickness,

Es= support elasticity modulus,

Eg= glaze elasticity modulus.

روش تجربی

با در نظر گرفتن محدودیت‌هایی برای تعیین رفتار خمشی flexion behaviour یک ماده سرامیکی لعابدار، روش‌های تجربی برای مطالعه تغییر شکل‌های ناشی از حالت کشش ایجاد شده بین لعاب و تکیه‌گاه سرامیکی از اهمیت اساسی برخوردار هستند.

شکل 3: نمونه ODP 868 FLEX (80x5x5 میلی متر) به دست آمده از یک کاشی چینی لعابدار glazed porcelain tile

منحنی خمشی یک نمونه مونوپوروزای monoporosa لعابدار

شکل 6: منحنی انبساط لعاب و بدنه تشکیل دهنده نمونه مونوپوروزای monoporosa لعابدار

شکل 7: پس از همگام سازی دو منحنی انبساط در دمای جفت، آنها دیگر در مبدا بر هم منطبق نیستند.

تفاوت بین آنها در سطح فشردگی ایجاد شده در لعاب است.

منحنی انبساط لعاب و بدنه تشکیل دهنده نمونه مونوپوروزای monoporosa لعابدار

نتیجه گیری

با این حال، مطالعه کمی وضعیت تنش ایجاد شده بین لعاب و بدنه پس از پخت به منظور جلوگیری از بروز برخی مشکلات مکرر در محصولات لعاب‌دار، به‌عنوان مثال خراشیدگی تاخیری delayed crazing یا نقص‌های مسطح جدی، اساسی است.

برای به دست آوردن نتیجه نهایی، لازم است منحنی انبساط حرارتی لعاب را طوری حرکت دهید که مطابق با دمای کوپلینگ با منحنی انبساط حرارتی بدنه منطبق شود (شکل های 6 و 7 را ببینید).

این دو منحنی، پس از تغییر، دیگر در مبدأ (دمای اتاق) منطبق نیستند.

این تفاوت مستقیماً با کشش (کشش یا فشار) ایجاد شده بین لعاب و بدنه بلافاصله پس از firing متناسب است.

حالت Fleximeter ODP 868 برای پس‌تحلیل محصولاتی که مستعد نقص‌های مسطح پس از firing هستند بسیار مهم است.

یک نمونه را می توان مستقیماً از تولید گرفته و بالاتر از دمای کوپلینگ آن تجزیه و تحلیل کرد: منحنی خمشی در طول خنک شدن نشان می دهد که سیستم مکانیکی چقدر کشش داشته است.

حالت دیلاتومتر افقی DILATOMETER HORIZONTAL دارای 2 دوربین ویدیویی HiRes است و برای مطالعه انبساط و انقباض نمونه هایی به طول 30 تا 60 میلی متر استفاده می شود.

به راحتی می توان مهم ترین پارامترها مانند انبساط حرارتی خطی، ضریب انبساط حرارتی (CTE)، دمای انتقال شیشه (Tg) و دمای نرم شدن دیلاتومتری را تعیین کرد.

differential cooling چیست؟

تکنیک منحنی خنک‌کننده تفاضلی شامل اندازه‌گیری تفاوت در سرعت سرد شدن یک چربی یا روغن متبلور و غیر متبلور تحت شرایط خاص است.

چه چیزی در ترمو دیلاتومتری اندازه گیری می شود؟

دیلاتومتری یک روش حرارتی- تحلیلی برای اندازه گیری انقباض یا انبساط مواد در یک رنج دمایی کنترل شده است.

دیلاتومتر توانایی اندازه گیری دقیق انبساط حرارتی مواد را در دماهای بین محیط و 1000 درجه سانتیگراد در هوا یا زیر جو دارد.

ضریب انبساط حرارتی به روش دیلاتومتری چگونه اندازه گیری می شود؟

دیلاتومتری تکنیکی برای اندازه گیری انبساط حرارتی ابعادی یک ماده است.

اغلب این مقدار با اندازه گیری تغییر طول به عنوان یک ماده گرم و سرد می شود.

انبساط حرارتی با تغییر طول تقسیم بر طول اولیه تعیین می شود

انواع آنالایزرهای حرارتی