垂直热膨胀仪研究相变増韧多孔陶瓷的烧结

多孔陶瓷，又称微孔陶瓷或泡沫陶瓷，具有均匀分布的微孔，有三维立体骨架结构，具有独特的物理表面特性，对液体和气体具有选择通过性、能量吸收或阻压特性，加上陶瓷本身都有的耐高温、耐腐蚀等优异特性，使多孔陶瓷在气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、生物植入材料等方面广泛应用。

采用垂直膨胀仪可以对多孔陶瓷的致密烧结工艺进行表征研究。

仪器

TA垂直热膨胀仪：DIL822

测量模式：双杆真差分

温度范围：RT～1700 oC（可选配-160~700, RT～1100，1500，2000，2300 oC）

DIL822系列热膨胀仪是垂直式双杆真差分热膨胀仪。仪器外形和部件原理见图1。

水平膨胀仪的顶杆须对样品施加较大的压力^【1】， 而DIL822的垂直式配置，顶杆压力小，不会受到高温下样品表面软化的影响。且顶杆与样品间无摩擦，不影响高温下顶杆准直，提高了高温下准确度。

采用同一位移传感器，双杆真差分测量模式，使得顶杆的系统膨胀大大减小^【2】，提高了测量重复性；采用光学编码器作为位移传感器，分辨率真实可达1nm。

样品准备

多孔陶瓷Al₂O₃-ZrO₂，样品不容易加工成两端面平行，不容易与顶杆准直，如果在水平顶杆膨胀仪中测试，需要托架来托住样品，则会产生较大的摩擦力，同时样品在1600度以上会烧结软化。

因此，考虑采用氧化铝坩埚盖覆盖住样品，可以非常容易的防止在样品台上，易准直，不会污染和粘住顶杆，且在测试中施加较小的力，不影响烧结过程。

样品长度20.00 mm，截面4×4mm。加力0.02N，Ar流速1 L/h。

线性烧结

用户采用线性升温速率10K/min至1650度，停留60分钟。烧结收缩率9.7%。

图3 线性烧结收缩曲线

二次烧结

将样品再次升温至1650度，并恒温更长的时间，250分钟，考察是否完全烧结。

测试结果显示，样品仍然有约1.4%的收缩，即样品在前面的60分钟恒温中，并未烧结完全。

图4 再次烧结的收缩曲线

相变比较

对第二次烧结过的样品进行再次升温测试，即可得到完全烧结样品的膨胀曲线。从图中蓝色曲线，可以清楚地看出可逆相变过程和锋利的相变。而未完全烧结的样品的红色曲线，则伴随不可逆的二次烧结过程，其相变曲线也不够锋利。

图5 烧结完全后的膨胀曲线及相变过程

速率控制烧结（RCS）

垂直膨胀仪带有速率烧结控制模块（Rate Controlled Sintering， RCS），采用同样的1650度温度和60分钟恒温时间，程序控制达到线性的烧结控制-0.02%/min，样品得到快速而完全的烧结。

图6 速率烧结控制的烧结过程

总结：

垂直式差分膨胀仪能更好地准直样品，施加非常小的压力，适宜烧结和软化样品的实验；

RCS烧结控制模块可以直接给出程序控温曲线，以达到特定的烧结速率，无须采用多次速率进行测试；

线性速率烧结能达到更优的产品质量和重复性；

对陶瓷样品可更好的控制晶粒尺寸和烧结致密度。

参考文献:

[1] MIROSLAV JANKULA, etc., Typical Problems in Push-rod Dilatometry Analysis. Materials Technology, 2013. 11-14.

[2] J. Shieh, etc., The Selection of Sensors. Progress in Materials Science, 2001. 461-504