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晶体颗粒大小对陶瓷产品的影响

引言:

陶瓷产品的力学性能受其微观结构的影响非常大。最终成品的强度是一系列复杂的相互作

用的结果。如原料的特征和成分,产品在原料混合和成型阶段和烧结阶段的情况(窑炉内斜

坡,浸泡温度,炉温和烧结时间等)。任何一个步骤的不同都会导致最终成品性能的巨大差

异,所以要在生产出来之前预测一套瓷砖产品的性能是非常困难的。

某些研究指出,影响陶瓷产品强度的最主要因数是其晶体颗粒的尺寸。为了更精确地了解

晶体颗粒对瓷砖产品的影响,我们收集了一系列不同批次,除了有着不同晶体颗粒尺寸,其

他外部条件都相同情况下生产出来的的硬陶瓷制品。通过实验测量和对比晶体颗粒直径的大

小和产品内细微裂缝的长度。我们或许可以得出结论:断裂强度与晶体颗粒的大小无关,而

是烧结过程中晶体微粒和玻璃基质之间产生的细微裂缝。

1.1陶瓷产品的强度

通过前人的研究,我们得出陶瓷产品强度的基本公式是:

其中,代表了断裂韧性,为使产品产生裂缝的能量值,是杨氏模量,为微

小裂纹尺寸,是“断裂力学”因素。根据“断裂力学”的原理,

…………………..

通过以上一连串公式,我们知道陶瓷产品的强度是由两个主要因数影响:微小裂纹尺寸

和临界应力强度因素(亦即使产品产生裂缝的能量值)。

在实验中,我们用这两项参数来分析该陶瓷产品的力学性能。

临界应力强度因素(也就是“断裂韧性”)代表的使样品产生裂纹导致断裂的外力强

度。断裂韧性数值则因不同的因数而变化:1.晶体内裂缝,2.晶体之间的裂缝,3.砖体内

部压力和4.玻璃晶体之间的粘合程度。而另一方面,微小裂纹则是由于原料颗粒大小

不均匀,导致局部压力过大而造成的。由于裂纹的存在,可能会引发各种质量缺陷。

例如:针孔,大颗粒,表面微裂纹,晶体间断裂纹和混入杂质。如果使用适当大小的

晶体颗粒作为原料来制作,就可以把成品的断裂强度,断裂韧性和以上提到的质量问题

到最小程度。制造出最好的陶瓷产品。下文将会详细阐述和分析我们实验的结果。

2.实验步骤

………………

3.实验结果

Table2:8种不同的原料晶体颗粒尺寸

Table3:8种不同直径的晶体制成成品的断裂强度和断裂韧性数据如上图。正常范围内的偏差已经

计算在内。

Fig.4是8个批次产品断裂强度和断裂韧性示意图。它清晰地显示了成品的断裂强度和

断裂韧性受晶体颗粒直径大小的影响非常大。随着晶体颗粒的尺寸越来越小,成品的抗

断裂性能也越高。到了一定尺寸后,再细的晶体颗粒成品测出来的数值又下降一点。此

结果表明合适的晶体颗粒能做出最佳力学性能的产品。例如F组和G组的产品是左右批

次中性能最好的两组。此外,从B组到H组,断裂强度和断裂韧性的数值都按相同的比

例上升。只有A组测出的两个数值有较大的偏差。这个实验数据或许证明了从C组到H

组,晶体颗粒直径对微小裂纹的影响不大。我们会在下文说明。

从table3和fig.4可以看出来,从E组开始,断裂韧性数值才大于1。也

就是说只有在90%的颗粒直径都小于19微米的时候可以得到更佳的断裂强度。这个颗

粒尺寸和其他几位做研究的人得出的值非常接近。其他研究者得出的断裂韧性系数为

1.6。所以,E组到H组的晶体颗粒尺寸合适制作陶瓷产品。

而A组到D组的数据则较让人失望。做相关研究的其他几位作者则指出平均直径在

30微米左右的晶体颗粒可以制出最佳抗断裂性能的陶瓷产品。不过从table2.中我们看

到,即使是D组,即使平均晶体颗粒直径只有30微米,但扔有10%的晶体颗粒直径大

于48微米。我们认为这些大颗粒影响了最终成品的抗断裂性能。

我们的实验数据和其他做相似研究的作家得出的结论大体一致。

4.结果讨论

下文我们将讲述我们做的另一个实验来验证之前得出的结论,特别是(1)晶

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