應(yīng)用故事 | 陶瓷燒結(jié)行為模擬及工藝優(yōu)化

更新時間：2023-06-02 點擊次數(shù)：2198

雖然陶瓷燒結(jié)已有萬年的歷史，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對陶瓷制品的性能要求也越來越高，需要根據(jù)不同產(chǎn)品的性能要求調(diào)整/開發(fā)配方，而燒結(jié)工藝需要根據(jù)材料配方及粒度進(jìn)行制定和優(yōu)化。合理的工藝程序要求在保證成品率的基礎(chǔ)上盡量提高生產(chǎn)效率，傳統(tǒng)方法是通過大量的摸索試驗，不斷調(diào)整工藝參數(shù)，得到合適的工藝程序，時間和材料成本較高。本文介紹的熱分析技術(shù)結(jié)合動力學(xué)軟件的方法，是快速有效的得到合理燒結(jié)制度的一種方式。

本文將以衛(wèi)生陶瓷為例，通過熱分析儀器測試陶瓷生坯的燒結(jié)曲線，結(jié)合動力學(xué)軟件Kinetics neo對燒結(jié)行為進(jìn)行分析，建立燒結(jié)動力學(xué)模型，預(yù)測不同溫度條件下的燒結(jié)行為，并可獲得維持某一恒定收縮速率的溫度程序，為燒結(jié)工藝改進(jìn)提供有利依據(jù)。

樣品為6x6x14mm的衛(wèi)生陶瓷坯體，設(shè)備為TMA402F3，分別以5k/min、10k/min和20k/min的速率升溫，結(jié)合實際工藝溫度，此處加熱至1200℃，保溫90min，結(jié)果如圖1。

圖1 不同升溫速率下的陶瓷生坯燒結(jié)過程

圖1中上半部分為dL/L0曲線（實線，反應(yīng)尺寸變化）和溫度線（虛線），下半部分為dL的一階微分曲線（反應(yīng)尺寸變化速率）。樣品在850℃前基本處于膨脹趨勢（530℃前后有小幅拐折，對應(yīng)石英相變過程），約從890℃開始燒結(jié)收縮，從一階微分曲線看，樣品的收縮大致分為2個過程，主要收縮在第二階段，在等溫階段后期，由于晶體（莫來石相）長大，導(dǎo)致樣品呈膨脹趨勢。本文重點關(guān)注燒結(jié)收縮過程，因此后續(xù)分析僅截取700℃后的曲線，暫不考慮700℃前脫水、相變等因素導(dǎo)致的尺寸變化。

通過圖1的dL/L0曲線可以看出，不同升溫速率下的收縮量基本一致，且2步收縮隨升溫速率的變化趨勢一致（升溫速率越高，收縮速率峰值溫度越高），所以選擇兩步連串的反應(yīng)模型（A-B-C）。通過嘗試不同的反應(yīng)類型，最終得到擬合效果良好的Fn-An模型組合（第一步為n級反應(yīng)，第二步為成核生長反應(yīng)），擬合效果如圖2，實線為擬合曲線，虛線為實測曲線，擬合相關(guān)系數(shù)為99.984%。

圖2 動力學(xué)建模曲線與測試曲線對比

2步反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)如下，

利用上述反應(yīng)模型，預(yù)測樣品在不同溫度條件下燒結(jié)行為。

1、工藝溫度程序預(yù)測

實際生產(chǎn)過程中采用多段燒結(jié)，各段的工藝溫度程序如下（此處只截取700℃后的程序）。

樣品在此溫度程序下的收縮行為如圖3（左圖為收縮曲線，右圖為收縮速率曲線，虛線為溫度曲線，下同），實線為尺寸變化，虛線為溫度程序（下同）。至1200℃恒溫結(jié)束時，收縮基本完成，整個燒結(jié)過程大概需要240min，收縮速率最大處接近1.4%。

圖3 工藝溫度程序下的燒結(jié)曲線（左）、燒結(jié)速率曲線（右）

2、等速率燒結(jié)預(yù)測

在燒結(jié)階段控制樣品的收縮速率在某一恒定值，可以得到更致密、均勻的產(chǎn)品，但是收縮速率過快容易導(dǎo)致開裂，收縮速率過慢則會影響生產(chǎn)效率，結(jié)合樣品實際情況，此處選擇0.5%的收縮速率。通過等速率預(yù)測得到0.5%收縮速率對應(yīng)的溫度曲線，如圖4所示（左圖為收縮曲線，右圖為收縮速率曲線），整個過程需要時間約為210min，比之前的燒結(jié)工藝縮短30min左右，且收縮速率恒定在0.5%，有利于降低開裂比例。