陶瓷密度測量—一種新的解決方案

測量密度對于制造當(dāng)今許多產(chǎn)品至關(guān)重要。能夠快速有效地表征固體材料的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量不僅可以說明指導(dǎo)開發(fā)和制造過程，還可以影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

在陶瓷工程中，生產(chǎn)陶瓷部件的見方法是形成包含陶瓷材料和各種有機(jī)或無機(jī)添加劑的混合物的生坯，然后在窯中燒制以生產(chǎn)堅固的玻璃化物體。新壓制的陶瓷體的孔隙率控制著生坯在過程中（干燥、上釉和燒制）的行為，并在很大程度上決定了最終產(chǎn)品的特性。這使得有必要在成型過程中控制瓷磚孔隙率。由于測量瓷磚孔隙率的難度，體積密度是實際測量以控制壓制階段的物理量。通過測量產(chǎn)品的密度，可以更輕松地調(diào)節(jié)孔隙率并相應(yīng)地調(diào)整配方。例如，密度的降低可能表明存在空隙，而密度的增加可能表明工藝（例如接近其結(jié)晶狀態(tài)的聚合物）已得到優(yōu)化。因此，密度測量必須盡可能準(zhǔn)確，以減少材料中與機(jī)械阻力成正比并可能損害其結(jié)構(gòu)完整性的裂縫數(shù)量。因此，監(jiān)測密度不僅有助于質(zhì)量控制，還可以減少制造商的浪費(fèi)。因此，在確定密度時遵循測量程序非常重要。

測量體積密度——傳統(tǒng)方法

體積密度定義為物體的總質(zhì)量除以其體積（g/cm3）。盡管可以通過天平輕松確定質(zhì)量，但找出體積卻是一項挑戰(zhàn)。ASTM出版的書籍中描述了許多測定耐火材料和玻璃體積密度的ASTM方法。這些方法大多基于阿基米得原理的體積位移；也就是說，由于耐火材料和玻璃都與水兼容，因此它們的體積密度可以很容易地通過水中的體積位移來確定。但是，這種測試方法不適用于生坯陶瓷，它在水中很容易分解。

對于生坯陶瓷，汞置換被認(rèn)為是測量坯體體積的基準(zhǔn)方法。汞是一種的置換液——它的高潤濕角和大表面張力可防止它滲入生坯的小孔中。這種方法的其他優(yōu)點是其易于使用和明顯的高精度。然而，它具有破壞性、不連續(xù)和手動的缺點。此外，汞的高毒性意味著執(zhí)行工業(yè)壓實控制的工人面臨嚴(yán)重的健康問題，因此，現(xiàn)在在世界大部分地區(qū)進(jìn)行工業(yè)使用是非法的。這意味著公司必須尋找在瓷磚體積密度測量中使用汞的替代品。

氣體比重計是使用置換介質(zhì)來確定陶瓷體積的實驗室技術(shù)的一個例子。惰性氣體，如氦氣或氮?dú)?，被引入一個空腔室，在那里測量壓力。當(dāng)樣品放入腔室并重新密封時，相同數(shù)量的氣體會以相同的壓力膨脹到該區(qū)域。兩個壓力之間的差值與空樣品室的已知體積相結(jié)合，可以計算出樣品體積的體積。盡管現(xiàn)代氣體比重瓶已提高精度，但大多數(shù)儀器于測試小樣品，因此不適用于許多陶瓷應(yīng)用。此外，該方法依賴于樣品材料，分析氣體不含水分。樣品還必須在真空烘箱中進(jìn)行預(yù)處理以去除揮發(fā)性物質(zhì)。否則，污染可能會導(dǎo)致壓力不穩(wěn)定，從而可能導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。由于泄漏、溫度不穩(wěn)定性或熱梯度也可能發(fā)生錯誤。

鑒于置換方法在確定陶瓷孔隙率方面的潛在不準(zhǔn)確性，制造商一直熱衷于探索其他選擇。激光輪廓作為一種非接觸式、非破壞性的密度測量方法被開創(chuàng)了先河，特別適用于易碎樣品，例如生壓陶瓷。

激光掃描設(shè)備消除了傳統(tǒng)密度測量技術(shù)的許多不準(zhǔn)確和限制。StableMicroSystems的Ceramscan儀器的工作原理是將樣品加載到多個平臺選項中的一個，其中一個平臺選項是一個一次性板，樣品可以粘附在該板上，以支撐其周長。在運(yùn)行測試之前，只需將所需的設(shè)置輸入到軟件中即可。每次掃描后都會自動進(jìn)行測量，包括體積、表面積和密度。比較同一批次的樣品也更容易，因為平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)是自動計算的。

在測試期間，產(chǎn)品在外部天平上稱重測量到小數(shù)點后三位。激光設(shè)備經(jīng)檢測對眼睛安全，它會在旋轉(zhuǎn)時以可選擇的間隔進(jìn)行垂直掃描，以測量產(chǎn)品的輪廓。每個間隔收集400個數(shù)據(jù)點，以提供詳細(xì)的配置文件。使用這種方法可以快速進(jìn)行密度掃描；根據(jù)選擇的間隔（0.05毫米到50毫米）和的精確度，從幾秒到幾分鐘不等。制造商可以測試高度達(dá)300毫米、直徑達(dá)190毫米、重量達(dá)10公斤（使用儀器內(nèi)的稱重傳感器）的樣品，使其也適用于瓷磚和餐具等。

Ceramscan測量體積、密度和產(chǎn)品尺寸

?      流體置換技術(shù)不適用于多孔材料。Ceramscan式激光測量，不受樣品孔隙率的影響。

?      汞置換技術(shù)對環(huán)境具有毒性風(fēng)險，因此在許多國家是非法的。Ceramscan已被驗證與汞置換法一樣準(zhǔn)確

?      氣體置換技術(shù)通常測量非常小的樣品或以其他方式吸引高昂的儀器價格。Ceramscan同類產(chǎn)品中的測量范圍。

?      X射線技術(shù)價格昂貴，存在健康和安全問題，因此需要經(jīng)過全面培訓(xùn)的操作員。Ceramscan使用對眼睛安全的激光，因此是的密度測定程序

密度測量的未來及其他

陶瓷和其他層壓結(jié)構(gòu)需要顯示出最小的孔隙率，以保持其結(jié)構(gòu)完整性并確保高質(zhì)量的最終產(chǎn)品。然而，材料的易碎性意味著它特別難以測量。雖然傳統(tǒng)的密度測量方法，如氣體比重計，足以獲得樣品的合理視圖，但它們也依賴于穩(wěn)定的條件來進(jìn)行計算。

獲得一種避免損壞易碎陶瓷的密度測量方法是一種成本更低且耗時更少的傳統(tǒng)技術(shù)替代方案。此外，StableMicroSystems的Ceramscan為傳統(tǒng)的有毒方法提供了有希望的替代品，使制造商能夠以的方式做出準(zhǔn)確的判斷，從而為配方過程提供信息并提高其最終產(chǎn)品的質(zhì)量。