陶瓷材料高温弯曲度的测试与应用

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【摘要】随着陶瓷材料应用领域的不断拓展,对陶瓷制品规整度的要求日益提高。要解决陶瓷制品的变形问题,如何测量与评价陶瓷材料的高温弯曲度就显得十分重要。本文首次提出两种简单实用的测试方法,可直观地分析、判断与评价陶瓷材料的高温弯曲度,为陶瓷材料的研究试验工作提供极大的帮助;也可为评价金属或高分子材料高温条件下抵抗变形的能力提供参考。

【关键词】陶瓷材料 变形 高温弯曲度 测试方法

【中图分类号】TM28 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08(b)-0186-02

1 测量陶瓷高温弯曲度的意义

陶瓷材料是采用特定的原料与配方,经过成型与高温烧结后制成的一大类无机非金属固体材料。陶瓷材料具备熔点高、耐高温、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、化学稳定性好以及重量轻、弹性模量大、强度高等优良性能,并具有电、光、磁、力、声、热、化学和生物特性。随着科学技术的不断发展与需要,陶瓷材料已超出传统日用瓷、艺术陈设瓷、建筑瓷、卫生瓷的领域向先进陶瓷方向发展。陶瓷材料所具备的绝缘性、铁电性、压电性、半导性、铁磁性、部分超导性等功能使其成为影响电子技术发展的举足轻重的关键材料;陶瓷材料所具有的耐高温、耐腐蚀、重量轻特性使其成为(热)结构材料的主要材料之一。陶瓷材料已从辅助材料发展成制造业的主要材料,在军工、工农业生产、交通、医疗、环保和机器人、生命与宇宙科学研究等领域广泛应用,并对电子技术、计算技术、空间技术、能源工程等新技术的发展起着重要的作用。

当今,工业、能源、交通、空间技术等部门对结构陶瓷材料都提出了很高的要求。如各种陶瓷喷嘴、陶瓷密封圈、陶瓷刀具、陶瓷叶片、陶瓷柱塞等,除要求具有良好的耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性和足够的机械强度等性能之外,还必须做成具有尺寸与加工精度要求的精密部件。由于陶瓷材料硬度高、脆性大,机械加工困难,在制备过程特别是在烧结时会收缩并产生不同程度变形,陶瓷材料的变形会直接影响到陶瓷制品的规整度与产品合格率,如何解决陶瓷材料的变形问题已显得十分紧迫与重要。

影响陶瓷材料变形的因素很多,必须对症下药才能解决。归纳起来陶瓷变形的原因可具体分为内外两大方面[1-3]:(一)内在原因:主要是在重力和热应力的作用下,由于造型的复杂性引起各部位受力与收缩不匀、而造成变形。重力的作用垂直向下,造成陶瓷的烧成收缩纵向大于横向,并使装窑烧成时重心偏离支撑点的器件,在高温热塑性的状态下产生弯曲变形。热应力则主要与制品的造型直接相关,制品比例尺寸、厚薄及形状的不均匀或不对称性,会产生温度梯度或收缩的不同,在制品的各个部位产生不同的热应力。(二)外部因素:①配方设计不当;②粉体(泥料)的颗粒度分布不合理;③成型、装窑操作不当;④干燥、烧成制度不合理;⑤造型设计不合理。

迄今为止,讨论与研究陶瓷材料变形问题的文章较多[4-6],但目前所说的陶瓷变形度是只针对陶瓷制品而言的,测量方法又随着制品种类而有很大差别。对广大陶瓷科研与教学人员来说,缺乏一种能针对陶瓷材料本身抵抗变形能力进行测量与评价的科学方法。近年来,我们参照日本长崎窑业技术中心的测试方法[7],在研究与实验过程中不断改进,对陶瓷材料的高温弯曲度进行测试与控制,为配方设计与工艺参数的制定提供了很大的帮助,取得了比较满意的效果。本文推荐两种简单实用的测试方法,可直观地分析、判断与评价陶瓷材料的高温弯曲度,为陶瓷材料的研究试验工作提供极大的帮助,也可为评价金属或高分子材料高温条件下抵抗变形的能力提供参考。

2 具体测试方法

2.1 陶瓷材料高温弯曲度的测试与计算,实验具体方案如下所述:

2.1.1 试样的制备

用石膏或金属模具采用注浆或压制的成型方法,将待测试料制成70×10×2.5mm的薄片状试样,干燥备用。

2.1.2 试样的烧成

如图1所示,将干燥后的试样小心地安插并固定在耐火泥的底座上,注意试样与底座水平面之间的角度为60度后,放入窑炉在预先设定的烧成条件下烧结。

2.1.3 高温弯曲度的测量与计算

量出烧成前后的H与h值,用下列公式计算高温弯曲度:

高温弯曲度(%)=(H-h)×100/H

2.2 生产现场管理用的测定方法

“1”所述方法可以准确、直观地测试出各种试样高温弯曲度的数值来评价各种陶瓷材料抵抗变形能力的大小。但由于试样安装时必须细致小心、费工费时、比较麻烦,操作人员之间造成的误差也相对较大。为了适应工厂现场管理的需要,特别设计了更简便易行的方法,具体操作步骤如下:

2.2.1 试样的制备

用石膏或金属模具采用注浆或压制的成型方法,将待测试料制成150×30×3mm的试样,干燥备用。

2.2.2 台架的制作

选用一块耐火砖(建议选用刚玉泡沫砖),按图2所示先切割成140×30×30mm的长方块,然后在侧面的上方间距100mm钻两个通孔,再插入两根小刚玉棒(70×3mm)。

2.2.3 试样的安装

为防止粘连,在上述干燥试样的底部涂少量氧化铝浆料后,按图2所示安放在氧化铝小棒上,放入窑炉在预先设定的烧成条件下烧结。

2.2.4 高温弯曲度的测量与评价

如图3所示,将烧成后的试样放在木板制成的架子上,测量出试样中心弯曲最低点的尺寸,即可对该种陶瓷材料的高温弯曲度进行评价。

2.3 经验交流

为保证测试数据的准确度,方便操作,并获得最佳的效果,通过多年的实践总结,我们得出一些经验,供大家参考:①必须防止试样干燥时发生变形,最好采用自然干燥的方式,并注意观察,经常翻身;②为便于操作,防止折断,可将试样先低温素烧;③安放试样时,除了保证倾斜角为60度之外,还要求插入深度一致,试样的露出部分长度以48mm为宜;④为更直观地观察与评价,可将多个试样(或与标准试样)并排安放在同一基座之上;⑤在烧成过程中要防止振动,避免试样移位。

参考文献

[1] 郭集开.陶瓷变形缺陷的生成原因及克服办法.广东建材.2006.3.

[2] 张万胜.日用陶瓷制品变形因素及克服措施.佛山陶瓷.2003.12.

[3] 赵存河.浅谈玻化仿古砖的变形问题.陶瓷.2006.6.

[4] 马向平,王书义,陈威等.金属陶瓷在高温下的变形规律.北京科技大学学报.2007.2.

[5] 叶超群,严彪,徐政.高强度SiC陶瓷泡沫的变形特性.建筑材料学报.2006.5.

[6] 丁一宁,王岳华,董香军.在循环高温荷载作用下陶瓷管道的应力与变形.硅酸盐学报.2006.5.

[7] 大串邦男,武内浩一等.陶磁器造技高度化事での指事例.崎技センタ-平成12年度研究告.2001年.