陶瓷材料线收缩率的测定:实验原理

陶瓷坯体成型后,需要干燥方可入窑。可塑性黏土或陶瓷坯料在干燥过程中会产生收缩。如果干燥收缩大,干燥过程中容易产生开裂变形等缺陷,那么产品就应该选择缓慢平稳的干燥过程(尤其是等速干燥阶段)。在实际生产过程中,可以根据干燥收缩率确定毛坯、模具及挤泥机出口的尺寸,根据后坯体的强度选择生坯的运输和装窑方式。因此,测定坯料在干燥过程中的收缩、失重和临界水分,对于鉴定坯料的干燥特征,对制定合理的干燥工艺具有很强的实际意义。

实验原理

在陶瓷坯料的干燥过程中,随着干燥温度的升高和时间的延长,坯体中的水分不断扩散蒸发,坯体的质量不断减轻,同时体积和孔隙也不断变化。坯体的干燥可以分为三个阶段,最初是开始加热阶段,这一阶段的时间很短,坯体体积基本不变;当温度升至湿球温度时,干燥速度达到最大,这时就转入等速干燥阶段。这时的干燥速度固定不变,坯体表面温度也固定不变,但是坯体的体积却迅速收缩,此阶段是干燥过程中最危险的阶段。

到降速阶段,由于体积收缩造成水分的内扩散阻力增大,干燥速度开始下降,坯体的平均温度上升,降速阶段坯体体积收缩基本停止。由等速阶段转为降速阶段的转折点叫临界点,此时坯体的水分即为临界水分。对于不同组成的坯体,即使在同一加工方法的条件下,它们在干燥过程中水分蒸发的速度和收缩速度以及停止收缩时的水分(临界水分)也有所不同:有的坯料干燥时蒸发很快,收缩大,临界水分很低;有的坯料干燥时,水分蒸发较慢,收缩较小,临界水分较高。除了干燥阶段,陶瓷材料在烧成过程中会产生一系列诸如氧化分解、气体挥发、易熔物熔融成液相等物理化学变化,这会造成陶瓷坯体中的空隙被填充,坯体颗粒进一步靠拢,材料的体积减小,进一步产生线性尺寸收缩与体积收缩。

黏土或坯料的干燥线收缩率定义为干燥过程中其直线方向产生的收缩量与原始试样直线长度之比;而烧成过程中直线方向产生的收缩量与干燥试样直线长度之比则为烧成线收缩率。干燥和烧成过程中,直线方向产生的总收缩量与原始试样直线长度之比称为总线收缩率,一般采用卡尺或测量显微镜进行测定。

黏土或坯料干燥过程中体积的变化和原始试样体积之比称为干燥体积收缩率。烧成过程中体积的变化与干燥试样体积之比值为烧成体积收缩率。干燥和烧成工艺中的总的体积变化与原始试样体积之比值称为总体积收缩率。

线收缩的测定比较简单,对于在干燥过程中易发生变形歪扭的试样,必须测定体积收缩。烧成的试样体积可根据阿基米德原理测定在水中减轻的质量计算求得。干燥前后的试样体积可根据阿基米德原理测定其在煤油中减轻的质量求得。

理论研究表明,黏土和坯体中的分子间内聚力、表面张力等是干燥和烧成过程中产生收缩的主要原因。黏土或坯料在干燥和烧成过程中所产生的线性尺寸、体积的变化受到很多因素的影响,包括坯料的组成、含水量、颗粒形状、粒径大小、黏土矿物类型、有机物含量、成型方法、成型压力方向以及烧成温度、气氛等。

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