晶体颗粒大小对陶瓷产品的影响.doc

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）晶体颗粒直径对陶瓷成品断裂硬度和断裂韧性的影响非常大和（2）这两项抗断裂数值受晶体颗粒直径影响的程度几乎相同。
从table2.中可以看出，8组各自的晶体颗粒直径有相差很大，从最小的0.1微米左右到100微米。 而晶体中的玻璃成分会在高温的窑炉中融化并在到了一个饱和极限之后停止。而这个融化速度则会根据晶体颗粒的直径不同而变化。从本实验的情况来看直径越小的晶体颗粒融化得越快，并且在直径大的颗粒融化之前就已经完全融化。也就是说，原料内直径最大的颗粒将影响最终陶瓷成品的抗断裂性能。

4.1断裂强度

前文曾经提到，成品的断裂强度取决于其断裂韧性和细微裂纹。晶体颗粒直径和成品裂纹的大小对比如fig.5。从表中我们可以看出，A组和B组成品的最大裂纹长度与其最大颗粒直径基本相等。
在A组和B组情况下：微小裂纹长度≈最大颗粒直径
因此我们可以得出：最终成品的抗断裂系数受最大直径的颗粒影响。这些颗粒能作为粘合剂填充进比它们更大的裂缝里面去。如果裂缝比最大颗粒的直径小，就不起作用。这结论在C组到H组的实验数据中得到证实。在C组到H组的实验中，微小裂纹的长度大致相等，但最大晶体颗粒的直径从C组的140微米到H组的11微米，相差很大，而H组的成品抗断裂性能开始出现下降趋势，所以通过H组的数据我们可以测量出裂纹长度和最大颗粒直径的最大比率：
裂纹长度/最大颗粒直径（H组）≈200微米/11微米≈18
由此我们可以得出结论：晶体颗粒的对裂纹的修补作用有一定标准，太细的颗粒将失去作用。
---------------------------------------------2.20 18：:00

结论：
本文说明了陶瓷产品的制作阶段可以通过加入25%重量比（25 Wt%），的晶体颗粒成为作为添加剂加入原料内一并烧结，使最终成品断裂强度和断裂韧性得到显著提高。晶体颗粒的作用是减少在加热过程中结晶体和玻璃晶体之间开裂形成的微小裂缝，增强砖体韧性。添加剂对陶瓷产品的增强作用则受直径最大的颗粒影响。因此，把原料内的大晶体颗粒去除，保证原料晶体颗粒大小的均匀，就可极大地减少成品的裂纹。增加产品合格率。