多孔陶瓷，又稱微孔陶瓷或泡沫陶瓷，具有均勻分布的微孔，有三維立體骨架結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的物理表面特性，對液體和氣體具有選擇通過性、能量吸收或阻壓特性，加上陶瓷本身都有的耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異特性，使多孔陶瓷在氣體液體過濾、凈化分離、化工催化載體、生物植入材料等方面廣泛應(yīng)用。

采用垂直膨脹儀可以對多孔陶瓷的致密燒結(jié)工藝進(jìn)行表征研究。

儀器

TA垂直熱膨脹儀：DIL822

測量模式：雙桿真差分

溫度范圍：RT～1700 oC（可選配-160~700, RT～1100，1500，2000，2300 oC）

DIL822系列熱膨脹儀是垂直式雙桿真差分熱膨脹儀。儀器外形和部件原理見圖1。

水平膨脹儀的頂桿須對樣品施加較大的壓力^【1】， 而DIL822的垂直式配置，頂桿壓力小，不會受到高溫下樣品表面軟化的影響。且頂桿與樣品間無摩擦，不影響高溫下頂桿準(zhǔn)直，提高了高溫下準(zhǔn)確度。

采用同一位移傳感器，雙桿真差分測量模式，使得頂桿的系統(tǒng)膨脹大大減小^【2】，提高了測量重復(fù)性；采用光學(xué)編碼器作為位移傳感器，分辨率真實(shí)可達(dá)1nm。

樣品準(zhǔn)備

多孔陶瓷Al₂O₃-ZrO₂，樣品不容易加工成兩端面平行，不容易與頂桿準(zhǔn)直，如果在水平頂桿膨脹儀中測試，需要托架來托住樣品，則會產(chǎn)生較大的摩擦力，同時樣品在1600度以上會燒結(jié)軟化。

因此，考慮采用氧化鋁坩堝蓋覆蓋住樣品，可以非常容易的防止在樣品臺上，易準(zhǔn)直，不會污染和粘住頂桿，且在測試中施加較小的力，不影響燒結(jié)過程。

樣品長度20.00 mm，截面4×4mm。加力0.02N，Ar流速1 L/h。

線性燒結(jié)

用戶采用線性升溫速率10K/min至1650度，停留60分鐘。燒結(jié)收縮率9.7%。

圖3 線性燒結(jié)收縮曲線

二次燒結(jié)

將樣品再次升溫至1650度，并恒溫更長的時間，250分鐘，考察是否完全燒結(jié)。

測試結(jié)果顯示，樣品仍然有約1.4%的收縮，即樣品在前面的60分鐘恒溫中，并未燒結(jié)完全。

圖4 再次燒結(jié)的收縮曲線

相變比較

對第二次燒結(jié)過的樣品進(jìn)行再次升溫測試，即可得到完全燒結(jié)樣品的膨脹曲線。從圖中藍(lán)色曲線，可以清楚地看出可逆相變過程和鋒利的相變。而未完全燒結(jié)的樣品的紅色曲線，則伴隨不可逆的二次燒結(jié)過程，其相變曲線也不夠鋒利。

圖5 燒結(jié)完全后的膨脹曲線及相變過程

速率控制燒結(jié)（RCS）

垂直膨脹儀帶有速率燒結(jié)控制模塊（Rate Controlled Sintering， RCS），采用同樣的1650度溫度和60分鐘恒溫時間，程序控制達(dá)到線性的燒結(jié)控制-0.02%/min，樣品得到快速而完全的燒結(jié)。

圖6 速率燒結(jié)控制的燒結(jié)過程

總結(jié)：

垂直式差分膨脹儀能更好地準(zhǔn)直樣品，施加非常小的壓力，適宜燒結(jié)和軟化樣品的實(shí)驗(yàn)；

RCS燒結(jié)控制模塊可以直接給出程序控溫曲線，以達(dá)到特定的燒結(jié)速率，無須采用多次速率進(jìn)行測試；

線性速率燒結(jié)能達(dá)到更優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量和重復(fù)性；

對陶瓷樣品可更好的控制晶粒尺寸和燒結(jié)致密度。

參考文獻(xiàn):

[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