光学膨胀表征瓷胎烧结后冷却过程中的体积变化

引言

传统陶瓷胎体，主要由黏土，长石和石英混合烧结而成。烧结过程中产生大量玻璃相，在烧结完成后依然存在。烧结成品包含大比例的玻璃相基体，以及包含在其中的晶相，如石英和二次莫来石相。

此两相影响成品的ZZ性能，也能够通过冷却速度来改变ZZ体积。

对于冷却回线和残余应力水平的深度研究表明，也应考虑冷却速率对玻璃相的体积影响。

光学膨胀，使得玻璃化转变温度以上的黏性变形避免受到接触式膨胀仪压力的影响，从而使冷却速率对体积影响的表征成为可能。

仪器设备

光学平台ODP868（图1）除了含有高温显微镜模块（Heating Microscope），还具有光学膨胀Optical Dilatometry模块。其独特的非接触测量模式，避免了顶杆膨胀仪施加给样品的压力带来的影响。两束平行光照射样品的两端，两端的影像被两个高清相机分别采集，从而对样品的膨胀和收缩变形提供绝 对的测量方法。图2为水平放置在光学板上的瓷胎样品。

图1 高温光学平台ODP868

图2  光学测量的瓷胎样品（50*5*5mm）

结果讨论

图3是某种瓷胎样品，采用同样的升降温速率20K/min得到的加热冷却回线。

图3 光学测量中的收缩回线

由于石英相的热膨胀系数大于其它相，因此在炉窑中快速冷却的瓷胎会形成微裂纹，部分石英相脱离基体。在膨胀测量中升温段的玻璃化转变温度以上，与玻璃相脱离的石英相会与玻璃相重新融合。冷却过程中相变点以下，由于相对较低的冷却速率，所有石英相均与玻璃相一起参与收缩，其热膨胀系数会低于加热段的热膨胀系数，形成冷却回线。

一般而言，瓷胎的体积变化，取决于微裂纹的密度，瓷胎中的玻璃相的含量，以及炉窑中的冷却速率。 

图4为该种瓷胎样品，以10K/min升温到1000度，以2K/min冷却到500度，再以5K/min升温到1000度，再次以2K/min冷却到室温，得到的热膨胀曲线。

图4 瓷片样品慢速冷却中的热膨胀曲线

DY次升温，可见石英的相变。764度为其它玻璃相的玻璃化转变温度Tg，904度以上斜率降低，是由于其它玻璃相黏度降低后的体积减小。这一过程会一直持续到低速降温至Tg。再次升温的热膨胀曲线与前次降温段重合，直到Tg点之后体积再次减小。再次降温过程中，收缩曲线与首次升温曲线平行，但是在Y轴上明显更低。其差值与室温到200度的膨胀量相当。

总结

光学平台中ODP可以模拟工业环境下的烧结工况，高温显微镜可以表征和优化陶瓷的烧结过程，其光学热膨胀模块可以直观定量表征瓷胎不同冷却速率下的体积变化。

膨胀系数（线性膨胀和体积膨胀）是材料的一种物理性质，用以表征物体热膨胀性质。

线膨胀系数

固体物质的温度每改变1℃时，其长度的变化和它在原温度（不一定为0℃）时长度之比，叫做“线性膨胀系数"。

L0 =样品长度，ΔLk=温度Tk时的长度变化

线性膨胀系数测量室通过膨胀仪进行分析。在程序控温下，样品在炉体中加热，能准确控制所需的加热速率、所需的温度保持时间和规定的冷却过程。在此过程中，连续记录样品尺寸。LINSEIS的不同膨胀仪针对特殊任务进行了优化，并配备了广泛的评估程序。

体膨胀系数

体膨胀系数表示温度变化1K时，物体体积相对于总体积的增减量。

日常生活中热膨胀

物质随着温度变化而作出的体积变化反应，这对各技术领域都有影响。在建筑和道路、桥梁和铁路施工中，必须计划伸缩缝，以吸收建筑材料的纵向膨胀。在管道内设有内置弯管形式的膨胀补偿器。供电架空线路的设计必须使电线在冬季不断裂，在夏季与地面有足够的距离。这些结构和许多其他结构计算的基础是线性热膨胀系数。

储存液体时，必须遵守规定的ZD填充量。在液面以上有一个空间保持自由以吸收体积波动。这些问题的计算使用体膨胀系数。

这些案例大多为物质受热膨胀，而物质受热收缩的是少数情况，所测尺寸的值是负数。在各向同性物质，其性质与所考虑的方向无关的情况下，体积膨胀系数是线性膨胀系数的三倍。

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图｜MCR 702 MultiDrive

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图｜Tosca 系列

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