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陶瓷密度測(cè)量—一種新的解決方案

測(cè)量密度對(duì)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(jiān)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(cè)量瓷磚孔隙率的難度，體積密度是實(shí)際測(cè)量以控制壓制階段的物理量。通過測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)遵循測(cè)量程序非常重要。

測(cè)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(xiàng)挑戰(zhàn)。ASTM出版的書籍中描述了許多測(cè)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(cè)試方法不適用于生坯陶瓷，它在水中很容易分解。

對(duì)于生坯陶瓷，汞置換被認(rèn)為是測(cè)量坯體體積的基準(zhǔn)方法。汞是一種的置換液——它的高潤(rùn)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(diǎn)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(dòng)的缺點(diǎn)。此外，汞的高毒性意味著執(zhí)行工業(yè)壓實(shí)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(cè)量中使用汞的替代品。

氣體比重計(jì)是使用置換介質(zhì)來確定陶瓷體積的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的一個(gè)例子。惰性氣體，如氦氣或氮?dú)?，被引入一個(gè)空腔室，在那里測(cè)量壓力。當(dāng)樣品放入腔室并重新密封時(shí)，相同數(shù)量的氣體會(huì)以相同的壓力膨脹到該區(qū)域。兩個(gè)壓力之間的差值與空樣品室的已知體積相結(jié)合，可以計(jì)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(cè)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(huì)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(cuò)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(cè)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(cè)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(gè)平臺(tái)選項(xiàng)中的一個(gè)，其中一個(gè)平臺(tái)選項(xiàng)是一個(gè)一次性板，樣品可以粘附在該板上，以支撐其周長(zhǎng)。在運(yùn)行測(cè)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(huì)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)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?yàn)槠骄?、?biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)是自動(dòng)計(jì)算的。

在測(cè)試期間，產(chǎn)品在外部天平上稱重測(cè)量到小數(shù)點(diǎn)后三位。激光設(shè)備經(jīng)檢測(cè)對(duì)眼睛安全，它會(huì)在旋轉(zhuǎn)時(shí)以可選擇的間隔進(jìn)行垂直掃描，以測(cè)量產(chǎn)品的輪廓。每個(gè)間隔收集400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(cè)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(cè)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(cè)量，不受樣品孔隙率的影響。

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

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

?      X射線技術(shù)價(jià)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(duì)眼睛安全的激光，因此是的密度測(cè)定程序

密度測(cè)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(cè)量。雖然傳統(tǒng)的密度測(cè)量方法，如氣體比重計(jì)，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(jì)算。

獲得一種避免損壞易碎陶瓷的密度測(cè)量方法是一種成本更低且耗時(shí)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。