Wprowadzenie
Ceramika cyrkonowa jest szeroko stosowana w stomatologii ze względu na jej doskonałą wytrzymałość mechaniczną, biokompatybilność i estetykę. Osiągnięcie optymalnych warunków spiekania ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że produkt końcowy spełnia wymagania uzupełnień dentystycznych.
Parametry spiekania, takie jak szybkość nagrzewania i czas podtrzymania, znacząco wpływają na kinetykę spiekania i wpływają na zagęszczanie, wzrost ziaren i ogólną mikrostrukturę. W szczególności procesy zagęszczania, charakteryzujące się zmniejszeniem porowatości wraz ze wzrostem ziaren, prowadzą do zmniejszenia objętości; ten skurcz objętości można następnie zmierzyć za pomocą dylatometru.
Idealne połączenie: Analiza kinetyczna i dylatometria
Połączenie analizy kinetycznej i dylatometrii zapewnia szczegółowe zrozumienie zachowania skurczu i umożliwia dokładne przewidywanie reakcji materiału przy różnych profilach termicznych [1].
Niniejsze badanie ma na celu optymalizację procesu spiekania ceramiki cyrkonowej poprzez połączenie pomiarów dylatometrycznych z analizą kinetyczną. Przeprowadzając serię testów przy stałych szybkościach ogrzewania, uzyskano krzywe skurczu i przeanalizowano je w celu wyodrębnienia kluczowych parametrów kinetycznych. Parametry te zostały następnie wykorzystane do przewidywania poprzez symulację programów temperaturowych, które utrzymują stałe szybkości spiekania.
Warunki pomiaru dla optymalnego usuwania lepiszczaProces
Optymalizacja przetwarzania ceramiki może być skutecznie osiągnięta poprzez dwuetapowe podejście obejmujące kontrolowane rozdrabnianie, a następnie SpiekanieSpiekanie to proces produkcyjny polegający na formowaniu mechanicznie wytrzymałego korpusu z proszku ceramicznego lub metalicznego. spiekanie. W naszym przypadku materiał, który otrzymaliśmy, był już rozdrobniony, co potwierdza rysunek 1 small utrata masy 0,41% zaobserwowana za pomocą TGA po podgrzaniu do 700 ° C. Dlatego też skupiliśmy się na optymalizacji etapu spiekania. Jednak w przypadkach, w których zawartość spoiwa, a tym samym utrata masy jest wyższa, staranna optymalizacja etapu usuwania lepiszcza byłaby również niezbędna, aby zapobiec defektom. Można to skutecznie osiągnąć poprzez połączenie analizy termograwimetrycznej (TGA) z oprogramowaniem Kinetics Neo w celu optymalizacji etapu profilu usuwania lepiszcza.
Pomiary dylatometryczne przeprowadzono przy użyciu oprogramowania NETZSCH DIL 402 ExpedisSupreme. Dylatometr był wyposażony w uchwyt próbki Al2O3, który był umieszczony w piecu grafitowym z rurą ochronną Al2O3. Pomiary przeprowadzono w powietrzu przy prędkości przepływu 50 ml/min. Szybkości nagrzewania 4, 8 i 15 K/min zastosowano do ceramicznej cyrkonowej próbki cylindrycznej o długości 10 mm i średnicy 4 mm.
Wyniki pomiarów i dyskusja
Zmierzona krzywa TGA jest pokazana na rysunku 1. Całkowity ubytek masy wynoszący ok. 0,41% jest obserwowany w ciągu ok. 70 minut. Jest to spowodowane odparowaniem wilgoci i rozkładem spoiwa.
Rysunek 2 przedstawia zmianę długości zielonego korpusu z tlenku cyrkonu zmierzoną za pomocą dylatometru NETZSCH. Liniowa rozszerzalność cieplna jest widoczna do 900°C, po czym następuje skurcz spiekania.
Pomiary przeprowadzono przy szybkościach ogrzewania 4, 8 i 15 K/min, aby ocenić reakcję termiczną w różnych warunkach.
Analiza kinetyczna przez Kinetics Neo Software
Kinetics Neo jest wykorzystywane do analizy danych eksperymentalnych z dylatometrii, która mierzy skurcz (SpiekanieSpiekanie to proces produkcyjny polegający na formowaniu mechanicznie wytrzymałego korpusu z proszku ceramicznego lub metalicznego. spiekanie) przy różnych szybkościach ogrzewania, a następnie matematycznie modeluje kinetykę reakcji i symuluje wpływ różnych profili temperaturowych na proces spiekania, umożliwiając optymalizację programu wypalania.
Rysunek 3 ilustruje zmiany długości zachodzące między 640°C a 1550°C przy szybkościach ogrzewania 4, 8 i 15 K/min. Przedstawiono zarówno zmierzone krzywe DIL (dylatometria) (symbole) z liniową rozszerzalnością cieplną odjętą w celu korekty linii bazowej, jak i przewidywania uzyskane przy użyciu jednoetapowego modelu kinetyki zarodkowania opartego na równaniu Avramiego-Erofeeva przy użyciu oprogramowania NETZSCH Kinetics Neo . Wyniki pokazują zmniejszenie długości próbki z końcowym skurczem wynoszącym 18,9% po usunięciu rozszerzalności cieplnej.
Odpowiednie parametry kinetyczne podsumowano w tabeli 1. Model wykazuje doskonałą zgodność z danymi eksperymentalnymi, ze współczynnikiem determinacji 0,9999.
Tabela 1: Parametry kinetyczne zielonego korpusu cyrkonowego na podstawie pomiarów DIL
| Etap reakcji | A → B |
|---|---|
| Typ reakcji | An* |
| Energia aktywacji [kJ/mol} | 573.75 |
| Log (Pre- Exp) [Log (1/s)] | 17.349 |
| Wymiar n | 0,4 |
| Wkład | 1 |
| Współczynnik determinacji (R²) | 0.9999 |
*An: n-wymiarowa nukleacja według Avramiego-Erofeeva
Stopień konwersji, α, który można interpretować jako stopień spiekania, jest obliczany przez oprogramowanie Kinetics Neo na podstawie pomiarów dylatometrycznych, gdzie α waha się od 0 do 1 (równanie 1). W analizie termicznej konwersja jest definiowana operacyjnie jako efekt termoanalityczny obserwowany w temperaturze T (lub w czasie t) podzielony przez całkowity efekt termoanalityczny, więc definicja konwersji termoanalitycznej jest następująca:
gdzie ΔL (T) jest częściową zmianą długości DIL do temperatury T, a ΔL (total) jest całkowitą zmianą długości. Zakłada to, że wszystkie ciała stałe reagują w ten sam sposób, a szybkość spiekania zależy tylko od temperatury.
Zakładając, że wszystkie składniki w fazie stałej lub różnych fazach skondensowanych wykazują identyczną reaktywność w kinetyce analizy termicznej (2), kinetyka reakcji jednoetapowej jest reprezentowana przez następujące równanie szybkości:
gdzie w równaniu (2), α oznacza stopień spiekania, t oznacza czas, dα/dt oznacza szybkość konwersji, T oznacza temperaturę reakcji, K(T) oznacza zależną od temperatury stałą szybkości reakcji, a f(α) oznacza funkcję konwersji, która pokazuje typ zastosowanej reakcji i opiera się na mechanizmie.
Optymalizacja procesów przez Kinetics Neo Software
Pomiar dylatometryczny pokazany na rysunku 4 ilustruje zachowanie spiekania zielonego korpusu z tlenku cyrkonu przy szybkości ogrzewania 8 K/min. Pomiar ten pokazuje zmiany wymiarów próbki w oryginalnym, niezoptymalizowanym profilu temperatury.
Pomiar dylatometryczny pokazany na rysunku 5 ilustruje zachowanie spiekania zielonego korpusu z tlenku cyrkonu w zoptymalizowanym profilu temperaturowym. Pomiar ten ujawnia stałe zmiany wymiarowe zachodzące podczas procesu spiekania. Optymalizując profil temperatury, z powodzeniem skróciliśmy całkowity czas spiekania ze 183 minut do 72 minut, utrzymując stałą szybkość spiekania na poziomie 3,7% na minutę.
Końcowa zmiana długości odpowiada wynikom pokazanym na rysunku 2 i wskazuje na całkowite SpiekanieSpiekanie to proces produkcyjny polegający na formowaniu mechanicznie wytrzymałego korpusu z proszku ceramicznego lub metalicznego. spiekanie.
Oprogramowanie Termica Neo - Symulacja spiekania w warunkach rzeczywistych
Oprogramowanie Termica Neo służy do symulacji procesu spiekania ceramiki o rzeczywistej geometrii, umożliwiając dokładne przewidywanie rozkładu temperatury i skurczu podczas wypalania. Analizując zmiany temperatury w korpusie ceramicznym zarówno osiowo, jak i promieniowo, symulacja ułatwia optymalizację, pomagając zapobiegać takim problemom, jak miejscowe przegrzanie lub niedogrzanie, które mogłyby zagrozić jakości produktu końcowego.
Korzystając z oprogramowania Termica Neo, można przeprowadzić symulację spiekania wewnątrz materiału, w tym gradientów temperatury, konwersji i szybkości spiekania w każdym punkcie spiekanej objętości. Tutaj zoptymalizowany profil temperatury jest wybierany jako temperatura otoczenia. Rysunek 6 (A) ilustruje Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład temperatury w t = 6 min w korpusie ceramicznym. Szybkość spiekania w czasie = 41 min (B) jest wyższa na powierzchni niż w środku, w zależności od współrzędnych. (C) przedstawia stopień spiekania po zoptymalizowanym cyklu wypalania trwającym 72 minuty, gdzie czerwony kolor i zmniejszony rozmiar liniowy oznaczają całkowite SpiekanieSpiekanie to proces produkcyjny polegający na formowaniu mechanicznie wytrzymałego korpusu z proszku ceramicznego lub metalicznego. spiekanie.
Wnioski
Połączone wykorzystanie NETZSCH DIL, Kinetics Neo i oprogramowania Termica Neo wykazało dużą skuteczność w określaniu parametrów kinetycznych i dokładnym przewidywaniu zachowania ceramiki w zmiennych warunkach. Profile temperatur przewidywane przez symulację, obliczone w celu zapewnienia stałego skurczu, prowadzą do optymalizacji procesu spiekania. Dzięki udoskonaleniu tych profili temperaturowych osiągnęliśmy znaczne skrócenie całkowitego czasu spiekania z 183 minut do 72 minut, skracając czas przetwarzania o około 60%. Podejście to można zastosować do wszystkich materiałów ceramicznych, w tym etapów spiekania i usuwania lepiszcza.