Ο ρόλος της πυριτίας στη βελτιστοποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων της πορσελάνης

Abstract

The aim of this Ph.D. work is to investigate the quartz related factors that affect the mechanical properties of porcelain as well as the mechanisms that control the development of high mechanical strength. The studied range of values for each factor was focused οn the range that is used in industrial practice. In this context, the effect of filler grain size, quartz content, firing temperature and time on the physical and mechanical properties of a sanitaryware porcelain has been studied. The results are being discussed in respect to the three suggested theories on porcelain strength (i.e. matrix reinforcement theory, dispersion strengthening theory, mullite hypothesis). The investigation has been carried out by using the Taguchi method for experimental design. It is shown that quartz grain size is the most important factor regarding porcelain strength. It influences strength in two ways: directly by inducing compressive stresses to the vitreous phase and indirectly through the development of a favorable microstructure. It is shown that two perquisites have to be met in order to achieve high bending strength. These are a well developed microstructure and a high direct effect of quartz. Both are met for bodies containing quartz grains in the range 5-20 μm. These bodies exhibited ~30% higher strength than the reference industrial porcelain. The results do not confirm the mullite and the dispersion strengthening hypothesis. On the other hand the matrix reinforcement theory and the mechanism that quartz grains retard crack propagation agree with the results. Subsequently, the work is focused on the direct effect of quartz on strength. The aim is to study the direct effect as a function of quartz grain size and content without the interference of the indirect effect. Silica fume (SF) is used in order to achieve dense microstructure with varying quartz content and grain size. The results showed that SF enhances sintering allowing the development of a dense microstructure even when coarse quartz is used. Strength is increased in the cases which sintering would be incomplete, without the addition of SF. However, when the microstructure is adequate dense, increasing the SF content reduces strength. It is also shown that increasing the levels of quartz grain size and content results in increased strength. However, after a certain point, further increase of coarse quartz content results in strength reduction due to the induction of flaws around the quartz grains.

Η εργασία έχει στόχο την εξέταση των παραγόντων που καθορίζουν τις μηχανικές ιδιότητες της πορσελάνης και σχετίζονται με το χαλαζία καθώς και τον προσδιορισμό των μηχανισμών που ο χαλαζίας επιδρά στην αντοχή σε θραύση της πορσελάνης. Η μελέτη εστιάστηκε σε μια Ελληνική πορσελάνη βιομηχανικής προέλευσης. Αρχικά εξετάστηκαν ποιοι από τους παράγοντες: μέγεθος κόκκων πληρωτικού, περιεκτικότητα χαλαζία, θερμοκρασία και χρόνος έψησης επηρεάζουν πραγματικά και σε ποιο βαθμό τις μηχανικές ιδιότητες. Στη συνέχεια, επιχειρήθηκε η αποσαφήνιση των μηχανισμών που καθορίζουν τις αντοχές καθώς και η εξέταση των μηχανισμών που προτείνονται από τις θεωρίες του μουλλίτη, της ενισχυμένης μήτρας και της ενίσχυσης με διασπορά. Ο πειραματικός σχεδιασμός έγινε με τη μέθοδο Taguchi. Από τη συζήτηση των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι το κοκκομετρικό κλάσμα του χαλαζία είναι ο σημαντικότερος παράγοντας καθορίζοντας τις αντοχές με δύο τρόπους: άμεσα, μέσω της ανάπτυξης θλιπτικών τάσεων στην υαλώδη φάση και έμμεσα, καθορίζοντας τα χαρακτηριστικά της μικροδομής. Αποδείχθηκε ότι για την ανάπτυξη υψηλών αντοχών πρέπει να επιτευχθεί ικανοποιητική μικροδομή και στη συνέχεια να μεγιστοποιηθεί η άμεση επίδρασή του. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας χαλαζία με μέγεθος κόκκων 5-20 μm όπου επιτυγχάνεται βελτίωση των αντοχών κατά ~30%. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας μίγμα χαλαζία - silica fume ως πληρωτικό υλικό μελετήθηκε η άμεση επίδραση του χαλαζία στις μηχανικές ιδιότητες συναρτήσει της κοκκομετρικής του κατανομής και της περιεκτικότητάς του. Η χρήση silica fume διευκολύνει την πυροσυσσωμάτωση επιτρέποντας το σχηματισμό συμπαγών δομών, ακόμα και όταν χρησιμοποιείται χονδρόκοκκος χαλαζίας. Η χρήση της οδηγεί σε αύξηση των αντοχών μόνο στις περιπτώσεις, που έχει ως συνέπεια το χαμηλό βαθμό έψησης. Όταν ο βαθμός έψησης είναι ικανοποιητικός, η αύξηση της περιεκτικότητας σε silica fume μειώνει σημαντικά τις αντοχές. Αποδείχθηκε ότι η αύξηση της κοκκομετρίας και της περιεκτικότητας του χαλαζία οδηγούν αρχικά σε αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων. Η αύξηση σταδιακά αντισταθμίζεται από την εισαγωγή ατελειών από τους όλο και μεγαλύτερους και όλο και περισσότερους κόκκους χαλαζία με αποτέλεσμα τη μείωση των αντοχών. Η θεωρία της ενίσχυσης με διασπορά και η θεωρία του μουλλίτη δεν εξηγούν τα πειραματικά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα εξηγούνται βάσει της ικανότητας των κόκκων χαλαζία να εμποδίζουν την πλάτυνση των ρωγμών και της θεωρίας της ενισχυμένης μήτρας.