Úvod
Zirkoniová keramika se široce používá v zubním lékařství díky své vynikající mechanické pevnosti, biokompatibilitě a estetickému vzhledu. Dosažení optimálních podmínek slinování je rozhodující pro zajištění toho, aby konečný výrobek splňoval požadavky na zubní náhrady.
Parametry spékání, jako je rychlost ohřevu a doba udržování, významně ovlivňují kinetiku spékání a mají vliv na zhušťování, růst zrn a celkovou mikrostrukturu. Konkrétně procesy zhušťování, charakterizované snížením pórovitosti spolu s růstem zrn, vedou ke zmenšení objemu; toto objemové smrštění lze následně měřit pomocí dilatometru.
Dokonalá kombinace: Kinetická analýza a dilatometrie
Kombinace kinetické analýzy a dilatometrie umožňuje detailní pochopení chování při smršťování a přesnou předpověď reakcí materiálu při různých teplotních profilech [1].
Cílem této studie je optimalizovat proces spékání zirkoniové keramiky kombinací dilatometrických měření s kinetickou analýzou. Provedením série testů při konstantních rychlostech ohřevu byly získány křivky smršťování, které byly analyzovány za účelem získání klíčových kinetických parametrů. Tyto parametry pak byly použity k předpovědi pomocí simulace teplotních programů, které udržují konstantní rychlost slinování.
Podmínky měření pro optimální odstranění vazbyProces
Optimalizace zpracování keramiky lze účinně dosáhnout dvoustupňovým přístupem zahrnujícím řízené odbedňování a následné spékání. V našem případě byl materiál, který jsme obdrželi, již odbedněn, což potvrzuje na obrázku 1 small úbytek hmotnosti 0,41 % zjištěný pomocí TGA zahřátím na 700 °C. Proto se zaměřujeme na optimalizaci fáze spékání. V případech, kdy je obsah pojiva, a tedy i hmotnostní ztráta vyšší, by však byla nezbytná i pečlivá optimalizace kroku odbedňování, aby se předešlo vzniku defektů. Toho lze účinně dosáhnout kombinací termogravimetrické analýzy (TGA) se softwarem Kinetics Neo pro optimalizaci fáze odbedňovacího profilu.
Dilatometrická měření byla prováděna pomocí NETZSCH DIL 402 Expedis® Supreme. Dilatometr byl vybaven držákem vzorku Al2O3, který byl umístěn v grafitové peci s ochrannou trubicí Al2O3. Měření probíhala ve vzduchu při průtoku 50 ml/min. Rychlosti ohřevu 4, 8 a 15 K/min byly aplikovány na zirkoniový keramický válcový vzorek o délce 10 mm a průměru 4 mm.
Výsledky měření a diskuse
Naměřená křivka TGA je znázorněna na obrázku 1. Během přibližně 70 minut došlo k celkovému úbytku hmotnosti přibližně 0,41 %, což je způsobeno OdpařováníVypařování prvku nebo sloučeniny je fázový přechod z kapalné fáze do páry. Existují dva typy vypařování: vypařování a var.odpařováním vlhkosti a rozkladem pojiva.
Obrázek 2 ukazuje změnu délky zeleného zirkonového tělesa měřenou pomocí dilatometru NETZSCH. Do teploty 900 °C je patrná lineární teplotní roztažnost, po které následuje smrštění při spékání.
Měření byla prováděna při rychlostech ohřevu 4, 8 a 15 K/min, aby bylo možné vyhodnotit tepelnou odezvu za různých podmínek.
Kinetická analýza pomocí softwaru Kinetics Neo
Kinetics Neo software se používá k analýze experimentálních dat z dilatometrie, která měří smršťování (spékání) při různých rychlostech ohřevu, a poté matematicky modeluje reakční kinetiku a simuluje, jak různé teplotní profily ovlivňují proces spékání, což umožňuje optimalizaci vypalovacího programu.
Obrázek 3 znázorňuje délkové změny probíhající mezi 640 °C a 1550 °C při rychlostech ohřevu 4, 8 a 15 K/min. Prezentovány jsou jak naměřené křivky DIL (dilatometrie) (symboly) s odečtenou lineární teplotní roztažností pro korekci základní linie, tak předpovědi získané pomocí jednostupňového modelu nukleační kinetiky, který je založen na Avramiho-Erofejevově rovnici s využitím softwaru NETZSCH Kinetics Neo . Výsledky ukazují zkrácení délky vzorku s konečným smrštěním 18,9 % po odstranění tepelné délkové roztažnosti.
Příslušné kinetické parametry jsou shrnuty v tabulce 1. Model vykazuje vynikající shodu s experimentálními údaji s koeficientem determinace 0,9999.
Tabulka 1: Kinetické parametry zeleného zirkonového tělesa na základě měření DIL
| Reakční krok | A → B |
|---|---|
| Typ reakce | An* |
| Aktivační energie [kJ/mol} | 573.75 |
| Log (Pre- Exp) [Log (1/s)] | 17.349 |
| Rozměr n | 0,4 |
| Příspěvek | 1 |
| Koeficient determinace (R²) | 0.9999 |
*An: n-rozměrná nukleace podle Avramiho-Erofejeva
Stupeň konverze α, který lze interpretovat jako stupeň slinutí, se vypočítá pomocí softwaru Kinetics Neo z měření dilatometrem, kde se α pohybuje v rozmezí 0 až 1 (rovnice 1). V termické analýze je konverze operačně definována jako podíl termoanalytického účinku pozorovaného při teplotě T (nebo v čase t) a celkového termoanalytického účinku, takže definice termoanalytické konverze je následující:
kde ΔL(T) je částečná změna délky DIL do teploty T a ΔL(celkem) je celková změna délky. To předpokládá, že všechny pevné látky reagují stejně a rychlost spékání závisí pouze na teplotě.
Za předpokladu, že všechny složky v pevné látce nebo v různých kondenzovaných fázích vykazují stejnou reaktivitu na kinetiku termické analýzy (2), je kinetika jednostupňové reakce reprezentována následující rychlostní rovnicí:
kde v rovnici (2) je α stupeň slinování, t je čas, dα/dt je rychlost konverze, T je teplota reakce, K(T) je teplotně závislá rychlostní konstanta reakce a f(α) je konverzní funkce, která ukazuje typ použité reakce a závisí na mechanismu.
Optimalizace procesů podle Kinetics Neo Software
Dilatometrické měření na obrázku 4 znázorňuje chování spékání zeleného zirkonového tělesa při rychlosti ohřevu 8 K/min. Toto měření zobrazuje rozměrové změny vzorku při tomto původním, neoptimalizovaném teplotním profilu.
Dilatometrické měření na obrázku 5 znázorňuje chování spékání zeleného zirkonového tělesa při optimalizovaném teplotním profilu. Toto měření odhaluje neustálé rozměrové změny, ke kterým dochází během procesu spékání. Optimalizací teplotního profilu jsme úspěšně zkrátili celkovou dobu spékání ze 183 minut na 72 minut při zachování konstantní rychlosti spékání 3,7 % za minutu.
Konečná změna délky odpovídá výsledkům uvedeným na obrázku 2 a naznačuje úplné spékání.
Software Termica Neo - Simulace spékání za předpokladu reálných podmínek
Software Termica Neo se používá k simulaci procesu spékání keramiky s geometrií skutečných rozměrů, což umožňuje přesnou předpověď rozložení teploty a smrštění během výpalu. Analýzou kolísání teploty v keramickém tělese v osovém i radiálním směru simulace usnadňuje optimalizaci a pomáhá předcházet problémům, jako je lokální přehřátí nebo nedohřátí, které by mohly ohrozit kvalitu konečného výrobku.
Pomocí softwaru Termica Neo lze realizovat simulaci spékání uvnitř materiálu včetně teplotních gradientů, konverze a rychlosti spékání v každém bodě spékaného objemu. Jako okolní teplota je zde zvolen optimalizovaný teplotní profil. Na obrázku 6 (A) je znázorněno rozložení teploty při t = 6 min v keramickém tělese. Rychlost spékání v čase = 41 min (B) je v závislosti na souřadnicích vyšší na povrchu než ve středu. (C) představuje stupeň spékání po optimalizovaném vypalovacím cyklu 72 minut, kde červená barva a zmenšená lineární velikost znamenají úplné spékání.
Závěr
Kombinované použití NETZSCH DIL, Kinetics Neo, a softwaru Termica Neo prokázalo velkou účinnost při určování kinetických parametrů a přesné předpovědi chování keramiky za různých podmínek. Teplotní profily předpovězené pomocí simulace, vypočtené pro zajištění konstantního smrštění, vedou k optimalizaci procesu spékání. Zpřesněním těchto teplotních profilů jsme dosáhli pozoruhodného zkrácení celkové doby spékání ze 183 minut na 72 minut, čímž jsme zkrátili dobu zpracování přibližně o 60 %. Tento přístup lze aplikovat na všechny keramické materiály včetně fází spékání a odbedňování.