TOMMI光學熱膨脹儀在陶瓷工業生產和科研中的應用

彭 誠 呂 明 雷丙龍 吳建青

（華南理工大學材料學院，廣東廣州 510640）

0 前言

TOMMI 光學熱膨脹儀是由德國弗勞恩霍夫硅酸鹽研究所（Fraunhofer Institute for Silicate Research,Germany）研制的。它能夠實時地記錄熱過程中樣品的變化情況，而且能夠通過后期的軟件處理，將樣品的變化情況量化，對熱過程進行精確的分析，獲得所需要的樣品高溫特性信息。利用該設備可以測試陶瓷坯體的高溫燒結特性、釉料的熔融、陶瓷材料與基底的高溫潤濕、陶瓷材料的熱膨脹系數等性質，為陶瓷生產和科研帶來了很大的便利。

1 儀器簡介

1.1 工作原理

TOMMI 光學熱膨脹儀的原理是利用平行光束照射受熱的被測樣品，通過高精度CMOS 傳感器記錄樣品在背景上的投影，來實時地反映樣品的高溫變化情況，如圖1 所示。實時溫度由鉑-鉑銠熱電偶測量。

TOMMI 光學熱膨脹儀附帶了一套功能強大的軟件系統。軟件可以在CMOS 傳感器記錄下圖像的同時對圖像中的樣品進行測量，可測量的參數包括樣品的寬度、高度、面積、重心坐標，某界面的曲率、粗糙度、接觸角等數據。測量原理如圖2 所示，軟件根據背景框以特定的算法確定輪廓線和基線，輪廓線與基線之間的部分被認定為樣品。軟件可以測量整個樣品的數據如平均寬度、平均高度和面積，也可以測量選定區域內平均寬度和平均高度（如圖2 中黃色框所示，該框會隨著溫度改變以確保測量相同的位置）。測量的數據為ASCII 文本格式，可以導入origin 等軟件作圖。此外，軟件還可以將拍攝的圖片生成連續的視頻，供用戶進行對比分析。

1.2 儀器組成與結構

TOMMI 光學熱膨脹儀主要由加熱系統、光學系統和信息處理系統三個部分組成。

圖3 某陶瓷坯體的燒成收縮曲線Fig.3 Sintering shrinkage of a ceramic body

圖5 樣品的相對高度隨溫度的變化曲線Fig.5 The relative height versus temperature

（1）加熱系統：由高溫箱式電爐構成，采用可控硅控制，可按設定程序控溫，也可以設定條件觸發事件，例如收縮率達到50%停止加熱、失重30%之前保溫等。

（2）光學系統：由鹵素燈、觀察窗口和CMOS 攝像頭組成。觀察窗口采用耐熱光學玻璃制成，設在爐膛兩側，以便光路通過。觀察窗口帶有冷卻系統，高溫時通過鼓入冷空氣進行保護。

（3）信息處理系統：采用計算機軟件對采集的圖像進行分析。

1.3 性能參數

測量溫度范圍為室溫到1650℃，升溫速率低溫階段不超過35℃/min，高溫階段不超過10℃/min。拍攝速度最快1 張/秒，標稱最小測量精度為2μm。測量時需將陶瓷粉體干壓成圓片或圓柱狀，最小樣品尺寸為Ф2×2mm，最大樣品尺寸為Ф20×15mm。測量熱膨脹系數，需要將粉體預先干壓成圓片燒結。

圖6 樣品在各個溫度點的圖像Fig.6 The pictures of the sample at varied temperatures

2 應用實例

2.1 坯體高溫燒結特性

幾乎所有的陶瓷材料都必須經歷高溫燒結的過程。在燒成過程中，原料經歷脫水、固相反應、晶形轉變、部分熔融等一系列物理化學變化，最終成為具有強度的陶瓷。燒成制度的制定對陶瓷產品的性能具有重要的影響[1,2]，如何獲得材料在高溫狀態下的信息，并據此改善燒成制度是獲得高質量陶瓷產品的關鍵。使用TOMMI 光學熱膨脹儀可以簡單快捷地獲得坯體在燒成過程的膨脹收縮情況，從而確定其燒成制度。

圖3 為某陶瓷粉體壓片后的燒成收縮曲線。坯體在918℃開始收縮，1020℃左右開始出現明顯的體積收縮，在1182℃收縮率最大，此后逐漸膨脹。根據溫度范圍測定方法[3]，從燒成曲線可以很直觀地確定燒成溫度的上限為1182℃，將收縮率回推1%獲得燒成溫度下限為1178℃，該粉體的燒成溫度應為1178℃～1182℃之間。

圖7 座滴法測量熔塊與氧化鋁基片接觸角Fig.7 The contact angle between the frit and the alumina slice by sessile drop method

圖4 是某陶瓷廠含大量SiC 拋光廢渣的陶瓷磚坯的燒成收縮曲線。從圖上可以看出，坯體在較低溫度時略微膨脹，705℃開始收縮，904℃以后收縮加快，到1098℃收縮率最大，此后開始快速膨脹。因此，為避免SiC 氧化帶來的不良影響，拋光廢渣適用于生產燒成溫度較低的產品或者在坯體中少量添加。

2.2 釉料的熔融性質

釉料的熔融一般由高溫顯微鏡來測量，涉及到以下幾個溫度：

（1）試樣開始加熱的溫度t1（室溫）

（2）試樣投影邊角開始變圓時的溫度t2

（3）試樣投影呈半圓時的溫度t3

（4）試樣投影的弧高為原高二分之一時的溫度t4

（5）試樣投影的弧高為原高三分之一時的溫度t5

其中，t2為始融溫度，t3被稱為半球點，t3～t5為釉料的熔融溫度范圍[4]。TOMMI 光學熱膨脹儀可以實時地拍攝樣品圖像并測量樣品的高度，因而更加簡便和準確。

我們以99 瓷Al2O3基片為基底，對大鴻制釉公司的KT-1124型熔塊進行了測試。根據照片的高度測試曲線（圖5），可以很快確定t4和t5。樣品開始快速收縮的溫度（約634℃），對應釉料的軟化點tg。邊角開始變圓的溫度t2和半球化溫度t3由拍攝圖像給出，分別為808℃和980℃。各溫度點的圖像見圖6。

2.3 釉料與陶瓷的高溫接觸角

高溫座滴法是一種經典的物理化學研究方法，可以測定高溫熔體的表面張力、固液之間的潤濕性能[5]，因而廣泛應用于冶金、化工、選礦、材料等領域的表面性質研究。TOMMI 光學熱膨脹儀可以用來觀察釉料與其它材料的潤濕情況。我們用座滴法測試了上述熔塊與99 瓷氧化鋁基片之間的高溫潤濕情況。如圖7 所示，從半球點980℃開始，隨著溫度升高接觸角從98°逐漸減小到50°后趨于穩定。此方法不限定于陶瓷材料，也可用來測量玻璃或釉料與金屬之間的潤濕情況。

2.4 陶瓷的熱膨脹系數

圖8 某陶瓷的熱膨脹曲線Fig.8 Thermal expansion of a ceramic disc

TOMMI 光學熱膨脹儀還可以用來測量各種材料的熱膨脹系數。圖8 是某陶瓷在200℃～1000℃之間的熱膨脹曲線。可以看出，相對寬度Lt/L0與溫度有非常好的線性關系。經過擬合可獲得該材料的線膨脹系數為9.513×10-6/℃。與機械式膨脹儀[6]和傳統的光學熱膨脹儀[7]相比，本方法測試時與樣品無物理接觸，精度更高并且簡便易行。

3 結論

TOMMI 光學熱膨脹儀可以測試陶瓷坯體的高溫燒結特性、釉料的熔融、陶瓷材料與基底的高溫潤濕、陶瓷材料的熱膨脹系數等性質，相比常用的儀器如高溫顯微鏡、光學熱膨脹儀等，它具有功能多、精確度高、簡單直觀等特點。此外，通過選配附件，TOMMI 光學熱膨脹儀可以實現測量玻璃高溫粘度、陶瓷彎曲蠕變等功能，為陶瓷生產和科研帶來了很大的便利。

1 鄭懷,李書見,何永安等.骨灰瓷燒成制度的研究.中國陶瓷,1999,35(1):28～30

2 程小蘇,柯善軍,曾令可.衛生潔具表面缺陷的成因及對策.中國陶瓷,2009,45(3):47～49

3 GB/T 1547-1992,陶瓷材料燒法溫度范圍測定方法.北京:中國標準出版社,1992

4 GBT 1546-1992,陶瓷釉料熔融溫度范圍測定方法.北京:中國標準出版社,1992

5 楊曉紅,范志康,盛尊友等.Sn8.5ZnxBi 合金系與NdFeB 磁體間的潤濕性.稀有金屬材料與工程,2010,39(2):238～242

6 GB/T 16535-1996,工業陶瓷線熱膨脹系數試驗方法.北京:中國標準出版社,1996

7 岳成軍,王元化,王義杰.材料物理性能.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2003