Inleiding
Zirkoonoxide keramiek wordt veel gebruikt in tandheelkundige toepassingen vanwege de uitstekende mechanische sterkte, biocompatibiliteit en esthetische aantrekkingskracht. Het bereiken van optimale sintercondities is essentieel om ervoor te zorgen dat het eindproduct voldoet aan de eisen van tandheelkundige restauraties.
Sinterparameters, zoals de opwarmsnelheid en wachttijd, hebben een grote invloed op de sinterkinetiek en beïnvloeden verdichting, korrelgroei en de algemene microstructuur. Met name verdichtingsprocessen, die worden gekenmerkt door een afname van de porositeit samen met korrelgroei, leiden tot een afname van het volume; deze volumekrimp kan vervolgens worden gemeten met een dilatometer.
Perfecte combinatie: Kinetische analyse en dilatometrie
Een combinatie van kinetische analyse en dilatometrie geeft een gedetailleerd inzicht in het krimpgedrag en maakt nauwkeurige voorspellingen mogelijk van de materiaalrespons onder variërende thermische profielen [1].
Dit onderzoek is gericht op het optimaliseren van het sinterproces van zirkoonoxide keramiek door dilatometriemetingen te combineren met kinetische analyse. Door een serie testen uit te voeren bij constante verwarmingssnelheden werden krimpcurven verkregen en geanalyseerd om de belangrijkste kinetische parameters te bepalen. Deze parameters werden vervolgens gebruikt om via simulatie temperatuurprogramma's te voorspellen die constante sinteringssnelheden handhaven.
Meetomstandigheden voor een optimale ontslakkingProces
Optimalisatie van de verwerking van keramiek kan effectief worden bereikt door een tweefasenaanpak met gecontroleerd OntbindenOntbinding is een van de belangrijkste productiestappen in de keramische en poedermetallurgische industrie. Het verwijst naar de thermische of katalytische verwijdering van additieven die gebruikt worden in stappen voorafgaand aan de productie, zoals gieten.ontbinden gevolgd door SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren. small In ons geval was het materiaal dat we ontvingen al ontslijmd, wat in figuur 1 wordt bevestigd door het massaverlies van 0,41% dat met TGA werd waargenomen bij verhitting tot 700°C. Daarom ligt de nadruk op het optimaliseren van de sinterfase. In gevallen waarin het bindmiddelgehalte en dus het massaverlies hoger is, is een zorgvuldige optimalisatie van de ontbindstap echter ook essentieel om defecten te voorkomen. Dit kan effectief bereikt worden door thermogravimetrische analyse (TGA) te combineren met Kinetics Neo software om de fase van het ontbindingsprofiel te optimaliseren.
Dilatometermetingen werden uitgevoerd met de NETZSCH DIL 402 Expedis® Supreme. De dilatometer was uitgerust met een Al2O3 monsterhouder, die in een grafietoven met Al2O3 beschermbuis werd geplaatst. De metingen werden uitgevoerd in lucht met een stroomsnelheid van 50 ml/min. De verwarmingssnelheden van 4, 8 en 15 K/min werden toegepast op een cilindrisch proefstuk van zirkoniumkeramiek met een lengte van 10 mm en een diameter van 4 mm.
Meetresultaten en discussie
De gemeten TGA-curve wordt getoond in figuur 1. Een totaal gewichtsverlies van ongeveer 0,41 % wordt waargenomen binnen een periode van ongeveer 70 minuten. Dit is te wijten aan de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van vocht en de ontbinding van het bindmiddel.
Figuur 2 toont de lengteverandering van het zirkonia groene lichaam gemeten met een NETZSCH dilatometer. De lineaire thermische uitzetting is te zien tot 900 °C gevolgd door sinterkrimp.
De metingen werden uitgevoerd bij verwarmingssnelheden van 4, 8 en 15 K/min om de thermische respons onder verschillende omstandigheden te evalueren.
Kinetische analyse door Kinetics Neo Software
Kinetics Neo software wordt gebruikt om experimentele gegevens van dilatometrie te analyseren, die krimp (SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren) meet bij verschillende verwarmingssnelheden, vervolgens de reactiekinetiek wiskundig modelleert en simuleert hoe verschillende temperatuurprofielen het sinterproces beïnvloeden, waardoor het bakprogramma geoptimaliseerd kan worden.
Figuur 3 illustreert de lengteveranderingen die optreden tussen 640°C en 1550°C bij verwarmingssnelheden van 4, 8 en 15 K/min. Getoond worden zowel de gemeten DIL (dilatometrie)-curven (symbolen) met lineaire thermische uitzetting afgetrokken voor basislijncorrectie, als de voorspellingen verkregen met het eenstapskernenkinetiekmodel dat gebaseerd is op de Avrami-Erofeev-vergelijking met behulp van de NETZSCH Kinetics Neo software. De resultaten tonen een vermindering van de lengte van het monster met een uiteindelijke krimp van 18,9% na verwijdering van de thermische lengte-uitzetting.
De bijbehorende kinetische parameters zijn samengevat in tabel 1. Het model toont een uitstekende overeenkomst met de experimentele gegevens, met een determinatiecoëfficiënt van 0,9999.
Tabel 1: Kinetische parameters van zirkonia groen lichaam op basis van DIL-metingen
| Reactie stap | A → B |
|---|---|
| Type reactie | An* |
| Activeringsenergie [kJ/mol} | 573.75 |
| Log (Pre- Exp) [Log (1/s)] | 17.349 |
| Afmeting n | 0,4 |
| Bijdrage | 1 |
| Determinatiecoëfficiënt (R²) | 0.9999 |
*An: n-dimensionale nucleatie volgens Avrami-Erofeev
De conversiegraad, α, die geïnterpreteerd kan worden als de sinteringsgraad, wordt berekend door de software Kinetics Neo op basis van dilatometermetingen waarbij α varieert van 0 tot 1 (eq 1). Bij thermische analyse wordt de conversie operationeel gedefinieerd als het thermoanalytische effect dat wordt waargenomen bij temperatuur T (of op tijdstip t) gedeeld door het totale thermoanalytische effect, dus de definitie van de thermoanalytische conversie is:
waarbij ΔL(T) de gedeeltelijke lengteverandering van het DIL is tot temperatuur T en ΔL(totaal) de totale lengteverandering. Hierbij wordt aangenomen dat alle vaste stoffen op dezelfde manier reageren en dat de sinteringssnelheid alleen van de temperatuur afhangt.
Ervan uitgaande dat alle componenten in vaste of verschillende gecondenseerde fasen een identieke reactiviteit vertonen op de thermische analysekinetiek (2), wordt de kinetiek van een eenstapsreactie weergegeven door de volgende snelheidsvergelijking:
waarbij in vergelijking (2) α de sinteringsgraad is, t de tijd, dα/dt de omzettingssnelheid, T de reactietemperatuur, K(T) de temperatuurafhankelijke reactiesnelheidsconstante en f(α) een omzettingsfunctie die het gebruikte reactietype aangeeft en afhankelijk is van het mechanisme.
Procesoptimalisatie door Kinetics Neo Software
De dilatometermeting in figuur 4 illustreert het sintergedrag van een zirkonia groen lichaam bij een verwarmingssnelheid van 8 K/min. Deze meting toont de dimensionale veranderingen van het preparaat onder dit oorspronkelijke, niet-geoptimaliseerde temperatuurprofiel.
De dilatometermeting in figuur 5 toont het sintergedrag van een zirkonia groen lichaam bij een geoptimaliseerd temperatuurprofiel. Deze meting laat de constante dimensionale veranderingen zien die optreden tijdens het sinterproces. Door het temperatuurprofiel te optimaliseren, hebben we de totale sintertijd met succes teruggebracht van 183 minuten tot 72 minuten bij een constante sinterfrequentie van 3,7% per minuut.
De uiteindelijke lengteverandering komt overeen met de resultaten in figuur 2 en duidt op volledige sintering.
Termica Neo Software - Simulatie van sinteren onder de aanname van reële omstandigheden
Termica Neo software wordt gebruikt voor het simuleren van het sinterproces van keramiek met geometrie op ware grootte, waardoor een nauwkeurige voorspelling van de temperatuurverdeling en krimp tijdens het bakken mogelijk wordt. Door de temperatuurvariaties binnen het keramische lichaam zowel axiaal als radiaal te analyseren, vergemakkelijkt de simulatie de optimalisatie en helpt problemen te voorkomen zoals plaatselijke oververhitting of onderverhitting die de kwaliteit van het eindproduct in gevaar kunnen brengen.
Met behulp van de Termica Neo software kan de simulatie voor het SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren in het materiaal worden uitgevoerd, inclusief temperatuurgradiënten, conversie en sinterfrequentie op elk punt van het gesinterde volume. Hier wordt het geoptimaliseerde temperatuurprofiel gekozen als de omgevingstemperatuur. Figuur 6 (A) toont de temperatuurverdeling op t = 6 min in het keramische lichaam. De sinteringssnelheid op t = 41 min (B) is hoger aan het oppervlak dan in het midden, afhankelijk van de coördinaten. (C) toont de mate van SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren na een geoptimaliseerde bakcyclus van 72 minuten, waarbij de rode kleur en de afgenomen lineaire grootte volledige sintering betekenen.
Conclusie
Het gecombineerde gebruik van de NETZSCH DIL, de Kinetics Neo en de Termica Neo software is zeer effectief gebleken bij het bepalen van kinetische parameters en het nauwkeurig voorspellen van keramisch gedrag onder wisselende omstandigheden. De temperatuurprofielen die door simulatie zijn voorspeld en die zijn berekend om een constante krimp te garanderen, leiden tot optimalisatie van het sinterproces. Door deze temperatuurprofielen te verfijnen, bereikten we een opmerkelijke verkorting van de totale sintertijd van 183 minuten naar 72 minuten, waardoor de verwerkingstijd met ongeveer 60% werd teruggebracht. Deze aanpak kan worden toegepast op alle keramische materialen, inclusief de sinter- en debindingstadia.