لعاب هاي شيشه سراميكي پخت سريع ؛ ويژگي ها، كاربرد و انواع آنها

لعاب هاي شيشه سراميكي پخت سريع ؛ ويژگي ها، كاربرد و انواع آنها

بيژن افتخاري يكتا، الهام خطيبي

دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران

چكيده :

لعاب هاي شيشه سراميكي گروهي جديد از لعاب هاي فريت شده مي باشند كه در طي پخت متبلور شده وخـواص منحـصر بفردي از قبيل ضرايب انبساط حرارتي بسيار متنوع، سختي بيشتر و كيفيت سطحي بهترنـسبت بـه لعـاب هـاي معمـولي را ارايه مينمايد.اين ويژگي ها از تشكيل ذرات بلورين بسيار ريز دانه در زمينه شيشه اي لعاب نشات مي گيرد.اين لعـاب هـا را بر اساس فاز بلوريني كه پس از پخت متبلور ميشوند به لعاب هاي دايوپـسايدي، كورديريتي،گـانيتي و مـولايتي تقـسيم بندي مي نمايند.در اين مقاله محدوده تركيبي انواع لعاب هاي مذكور را مورد بررسي قرار داده،ارتباط بين دماي تبلور و قابليت زينتر شـدن لعاب بر كيفيت سطحي لعاب در طي پخت سريع آنها مطالعه شده و ويژگي هـاي فيزیكـي و مكـانيكي هـر يـك بـا اسـتفاده از تصاوير ميكروسكپي مورد بحث قرار گرفته است.

۱- شيشه – سراميك ها

شيشه – سراميك ها جامدات پلي كريستالي هستند كه از طريق كنترل تبلور در شيشه سـاخته مـيشـوند. تبلـور كنتـرل شـده شيشه به معناي جدايش خود خواسته فاز بلورين از شيشه اصلي به صورت بلورك هاي ريز مـي باشـد.تعـداد بلـورك هـا، سرعت رشد آنها و همچنين اندازه نهايي آنها توسط عمليات حرارتي مناسـب كنتـرل مـي شـود.تبلـور سراسـري در حجـم شيشه در حضور موادي كه جوانه زني را شتاب مي بخشد و به آنها عامل جوانـه زا مـي گـوييم، اتفـاق مـي افتـد.محـصول بدست آمده داراي ساختمان ريز دانه و يكنواخت)اندازه بلورك ها به طور معمول بين ۰,۱ تا ۱ ميكرون ( مي باشد كه شـامل مقاديري فاز شيشه اي بر جاي مانده است.]۱[روش معمول جهت تهيه شيشه – سراميك هـا، ذوب و ريختـه گـري شيـشه و سپس عمليات حرارتي قطعه شكل داده شده مي باشد؛ روش ديگر كه عمدت Ĥ براي تهيـه قطعـات پيچيـده، كامپوزيـت هـا و يـا لعاب هاي شيشه – سراميك بكار مي رود، زينتر كردن مي باشد. شيشه – سراميك ها بـه دليـل خـواص ويـژه اي كـه دارنـد، از جمله ريزساختار نهايي همگن، عدم وجود تخلخل، تغييرات ناچيز ابعادي در هنگام تبديل شدن به شيـشه – سـراميك، خـواص شيميايي و اپتيكي مناسب و مهمتر از همه قابليت طراحي ريزساختار و خـواص مـوردنظر ديگـر، كاربردهـاي بـسياري پيـدا كرده اند.اين خواص تابع خواص فيزيكي و شيميايي فازهاي بلورين و شيشه برجـا مانـده و همچنـين مورفولـوژي، ابعـاد و ميزان فاز بلوري تشكيل شده است]۲[.

۲- لعاب هاي شيشه-سراميكي

اخيراً بهبود خواص لعاب كاشي هاي سراميكي مورد توجه قرار گرفته است.لعاب هاي سنتي مقاومت به سايش كمي داشـته و به سرعت خواص ظاهري از جمله شفافيت ظاهري، رنگ و بافت خود را از دست مي دهند]۳[. اين در حالي است كه استفاده از فريت هايي كه مي توانند در هنگام پخت بسرعت متبلور شوند و خواص منحصر بـه فـردي را در لعاب ايجاد كنند مي تواند ناتواني هاي مذكور را به شدت كاهش دهـد و مزايـاي ديگـري كـه در ادامـه بـه آنهـا اشـاره ميشود را دربرداشته باشد:

لعاب هاي شيشه-سراميك از نقطعه نرم شوندگي بالايي برخوردارند بنابراين مي توانند در سيستم هاي پخت سـريع كاشـي كيفيت سطحي بهتري را ارائه دهند.بدليل آنكه بلورك هاي موجود دراين نوع لعاب ها در مقايسه با لعاب هاي كريـستالين و مات معمولي ريزتر مي باشد، سطوح لعاب هاي مذكور بسيار صاف و نرمتر خواهد بود.استحكام كاشـي هـاي داراي لعـاب شيشه-سراميك از كاشي هاي داراي لعاب هاي معمولي بيشتر مي باشد.تهيه لعاب هايي با ضرايب انبساط حرارتـي بـسيار متنوع فقط با لعاب هاي شيشه-سراميكي امكان پذير مي باشد.به دليل ريز بودن بلورك هاي ايجاد شـده در ايـن لعـاب هـا، مي توان با استفاده از آنها و بدون استفاده از اپك كننده هاي مرسوم )زيركون و اكسيد قلع( به سفيدي مطلوب دست يافت. ميتوان با ايجاد بلورك هايي با مورفولوژي غير كروي استحكام و تافنس شكست لعاب را افزايش داد]۴[.

۳-نحوه پخت لعاب هاي شيشه – سراميكي

در شيشه – سراميك ها و لعاب هاي شيشه – سراميكي، هميشه دو عامل جريان ناروان شيشه۱و تبلور در طي پخت با يكديگر در حال رقابت خواهند بود.اگر قبل از آنكه زينتر شدن بصورت كامل رخ دهد شيشه متبلور شـود، ويـسكوزيته آن افـزايش يافته و همين عامل از پخت كامل قطعه و لعاب جلوگيري خواهد كرد.از سوي ديگر وقوع فقط انـدكي تبلـور در هنگـام زينتـر شدن لعاب باعث مي شود كه دماي نرم شوندگي ديلاتومتري لعاب افزايش يابد.وقوع چنين حالتي مي تواند به بهبود كيفيـت ظاهري لعاب، بخصوص در سيستم هاي پخت سريع )مونوپروزا( كمك نمايـد.بنـابراين اگـر رفتـار تبلـور )بـا كمـك DTA(و زينترينگ) با كمك ميكروسكوپ حرارتي (چهار لعاب مختلف كه در شكل۱با حروفF3،F2 ،F1وF4 نشان داده شده انـد را در نظر بگيريم مي توانيم ادعا كنيم كه لعاب F1 بدليل آنكه اصولا از دماي نرم شوندگي ديلاتومتري كمي برخـوردار اسـت و در محدوده دمائي C°۷۰۰-۷۵۰ كاملا زينتر مي شود لعاب مناسبي براي سيـستم هـاي تـك پخـت سـريع نخواهـد بـود و ذوب زود هنگام آن موجب بروز پين هول و احتمالا جوش مي شود.

همچنين در لعاب F2 بدليل تبلور زودهنگام دماي زينتر شدن )از طريق افزايش ويسكوزيته( به شـدت افـزايش يافتـه و بـه C°۱۴۰۰ منتقل مي شود.بنابراين چنين لعابي در دماهاي متداول پخت لعاب هاي مونوپروزا و حتـي كـف، نپختـه بـاقي خواهـد ماند.در فريت F3 تبلور در دماي C°۷۱۰ شروع مي شود

) يعني قبل از شروع انقباض در۷۵۰°C( و  به آهـستگي تـا C°۹۲۰ ادامـه مي يابد.پس از اين دما سرعت انقباض بطور ناگهاني افزايش مي يابد و لعاب در C°۱۱۲۰-۱۱۰۰ به عمل مي آيد.ايـن لعـاب از نظر محدوده دمائي وقوع تبلور و زينترينگ براي مصرف در كاشي هاي مونوپروزا بسيار مناسب خواهـد بـود و پـس از پخت احتمالا از كيفيت سطحي مناسبي برخوردار خواهد بود.

لعاب F4 نيز پس از پخت درC°۱۱۰۰ قاعـدتاً مـي بايـست فاقـد تخلخل باشد و از كيفيت سطحي مطلوبي برخوردار باشد.اما بدليل آنكه دماي نرم شدن اين لعاب كمتر از لعاب F3 مي باشـد احتمال دارد كه در سيستم هاي پخت سريع داراي سطحي حاوي پين هول باشد.بنابراين لعاب هائي با شـرايط زينترينـگ و تبلور همانندF3همواره مطلوبتر مي باشند.

۴-سيستم هاي شيشه سراميكي مورد استفاده در لعاب ها

با توجه به شرايط و تجهيزات لازم براي تهيه و پخت لعاب، تاكنون فقط شيشه-سراميك هاي سيستم هاي Li2O-Al2O3-SiO2 ، CaO-MgO-Al2O3-SiO2 ، Al2O3-SiO2 و ZnO-Al2O3-SiO2 به عنوان لعاب مورد بررسي قرار گرفته اند.

۱-۴- سيستمLi2O-Al2O3-SiO2

ازويژگي هاي شيشه – سراميك هاي خانواده LAS ضريب انبساط حرارتي كم و حتي صفر در محدوده دمائي C̊۰-۳۰۰ مـي باشد.اين خاصيت به دليل امكان تبلور كنترل شده محلول جامد بتااسپيدومن )Li2O.Al2O3.4SiO2( و يا محلول جامد بتاكوارتز مي باشد كه منجر به توليد شيشه-سراميكي با خواص مكانيكي خوب و مقاومت حرارتي و شيميايي بالا مي شود. گزارش شده است كه پوشش بدست آمده از اين سيستم بسيار فـشرده، عـاري از هرگونـه تخلخـل و تـرك و عيـب بـوده و سختي آن برابر با سختي قطعات چيني است ]۵[.

۲-۴-  سيستم CaO-MgO-Al2O3-SiO2

تركيبات متعلق به سيستم هاي CaO-MgO-SiO2 ، MgO-Al2O3-SiO2 وCaO-MgO-Al2O3-SiO2 مـي تواننـد از ارزانتـرين مـواد اوليه طبيعي و يا سرباره ها تهيه شوند و از نظر نوع و ميزان مواد مصرفي با تركيبات فريت هاي معمول در صـنعت كاشـي نزديكي بيشتري دارند. محققين در بررسي هاي گذشته سيستمي بـا تركيـب %۵۵CaO 5%  ، MgO 15%  ، Al2O3 25%  ، SiO2 در منطقه فازي كورديريت را به عنوان شيشه مبنـا انتخـاب نمـوده و تـاثير افـزودن TiO2  ، B2O3 و )Na2O(K2O را بـر روي ايـن سيــستم بررســي كــرده انــد. بررســي هــا نــشان داد كــه پــس از پخــت لعــاب مبنــا در دمــاي پخــت C̊۱۱۶۰ ، فازهــاي كورديريت )۲MgO , Al2O3 , 5SiO2 (و آنورتيت) CaO,Al2O3, 2SiO2 (به عنوان فازهاي اصلي متبلور شدند.

افزودن TiO2 به اين سيستم باعث مي شود تا كورديريت فاز اصلي بوده و آنورتيت به فـاز فرعـي تبـديل شـود، بـرعكس در شيشه هاي حاوي اكسيد قليايي تنها فاز تشكيل شده آنورتيت است. افزودن B2O3 نيز از طريق بهبود خاصيت ويسكوز فلـو، قبل از تبلور به زينتر شدن كمك مينمايد و همچنين مانع تشكيل كورديريت مي شود. درشيشه سراميك هاي اخير در زمـان هاي عمليات حرارتي طولاني مدت جدايش فازي مايع-مايع از نوع جوانه زني و رشد صورت ميگيرد اما در فرايند پخت سريع بدليل مدت زمان كم جدايش مايع-مايع در شيشه مشاهده نمي گردد.

سختي شيشه سراميك هاي حاصله پس از پخت در دماي C̊۱۱۶۰ درمحدوده kg/mm2680-576 بوده كه بـا افـزايش دمـاي پخت تا C̊۱۱۹۰ ميزان سختي تا محدوده kg/mm2579 -710 افـزايش يافـت. در شـكل ۲ ريزسـاختار نمونـه اي از شيـشه – سراميك كورديريتي نشان داده شده است]۶[.

ميتوان انتظار داشت كه افزايش ميزان كلسيم در شيشه مبنا منجر به تبلور فاز دايوپسايد به عنوان فاز اصلي شود. بنابراين در تحقيقــي ديگــر تركيــب اوليــه )A( در منطقــه فــازي دايوپــسايد در ديــاگرام چهارتــائي سيــستم مــذكور بــه صــورت ۶۰%CaO 16%  ، MgO 10% ، Al2O3 14% ، SiO2 انتخاب شده است و اثر افزودن اكسيدهاي تيتانيوم، بور، پتاسيم و سـديم بـر روي آن مورد بررسي قرار گرفته است]۸[.

نتايج بررسي هاي ميكروسكوپي حاكي از جدايش فازي مايع-مايع از نوع جوانه زني و رشد در شيشه هاي عمليات حرارتـي شده مذكور به مدت ۳۰ دقيقه در C̊۸۰۰ بود كه در شكل ۳ نشان داده شده است پس از پخت شيشه – سراميك دايوپسايدي مذكور در دماي C̊۱۱۶۰ – ۱۱۸۰ توسط روش پخت سـريع، فـاز اصـلي دايوپـسايد بصورت بلورك هائي كه از طريق تبلور سطحي متبلور شده اند بصورت خوشه هاي بلوري در لعاب پراكنـده خواهنـد بـود.شكل ۴a يكي از اين بلورك ها و شكل ۴b وقوع تبلور سطحي از كناره هاي هر ذره فريت متشكله لعاب را نشان مي دهد.

براساس نتايج حاصله سختي نمونه پخت سريع شده در دماي C̊۱۱۶۰ حدوداً برابر با kg/mm2620 بوده است]۹[. با افزودن ZrO2 به سيستم فريت مذكور، در محدوده دمائي بين دماي تبلور و دمـاي زينتـر شـدن )Tc – Tsintering( بتـدريج فاز زيركون متبلور مي گردد اما با افزايش اكسيدهاي كلسيم و منيزيم دماي تبلور و همچنين قابليت تبلور زيركن بـه تـدريج كاهش مي يابد و دايوپسايد همچنان بصورت فاز اصلي متبلور شده باقي مي ماند.

شكل ۵ نمونه اي از ريزساختار اين شيشه – سراميك ها را نشان مي دهد در اين تصوير ذرات شبه كروي دايوپسايد و ذرات ريز سوزني شكل بين آنها زيركون مي باشند.

ادعا شده است كه سطح اين لعاب ها، به علت قابليت تبلور گسترده، از كيفيت خـوبي برخـوردار نبـوده اسـت. اضـافه كـردن اكسيد روي موجب بهبود كيفيت پخت لعاب مي گردد اما اين امر موجب كاهش درصد فازهاي بلوري و برخلاف آنچه انتظـار مي رفت باعث افزايش سختي لعاب نيز ميگردد. محققين مذكور اين رفتار را با كاهش تخلخل و غني شدن فاز شيشه اي برجا مانده از CaO و MgO توجيه كرده اند]۱۰[. سختي لعاب شيشه – سراميك حاوي ۹/۵% وزني ZrO2 كه پس از پخـت سـريع درC̊۱۱۸۰، داراي فازهاي بلورين دايوپسايد و زيركون بوده اند، برابر با۷۳۲ويكرز گزارش شده است.]۱۰[

۵-  سيستم ZnO – AL2O3 – SIO2

شيـشه سـراميك هـاي خـانواده مـذكور را مـي تـوان بـه سـه گـروه اصـلي شيـشه سـراميك هـاي ويلميتـي )۲ZnO.SiO2( ،  گانيتي )ZnO.Al2O3( يا كريستوباليت و شيشه سراميك هاي محلول جامد بتاكوارتز يا پتاليـت روي )ZnO.Al2O3.8SiO2( دسـته بندي كرد.

افتخاري و همكاران با جايگزيني تدريجي ZnO به ازاي اكسيدهاي كلسيم و منيـزيم و يكـسان نمـودن نـسبت مـولي Al2O3 و ZnO در تركيب يك فريت شيشه – سراميك دايوپسايدي حاوي زيركون و پخت فريـت حاصـله درC̊۱۱۸۰ شيـشه – سـراميك هاي گانيتي تشكيل شده اند.]۱۱[

فريـت حاصـله حـاوي %۵۵.۳۵B2O3  ، K2O 2.62%  ، Na2O 1.02%  ، ZrO2  9.54% ، MgO 0.5% ، CaO 0.57% ، Al2O3 22.05%  ، SiO25.53%و%۱۷.۵ ZnO  بود.آزمايش هاي انجام شده نشان داد كه افزودن ۳/۵ % اكسيد ليتيم منجر به تبلـور فازهـاي بلـورين جديدي به نام محلول جامد بتاكوارتز و ويلميت )۲ZnO.SiO2( در محدوده دمائي پيك تبلور مـي شـود. افـزايش دمـا تـا دمـاي پخت C̊۱۱۸۰ ميزان گانيت كمتري را نسبت به فريت فاقد اكسيد ليتيم درپي داشـت. نامبردگـان كـاهش ميـزان گانيـت را بـه مصرف اجزاي آن )يعنيSiO2,Zno( توسط فاز از قبل متبلور شده ويلميت نسبت داده اند. سختي لعاب مذكور برابـر بـا ۶۵۱/۶ ويكرز گزارش شده است]۱۱[.

شكل ۶ ريزساختار لعاب حاوي ذرات سوزني شكل زيركون و ذرات مكعبي گانيت را، پـس از پختـه شـدن سـريع در C̊۱۱۸۰ نشان مي دهد.

خواص مكانيكي، حرارتي و نوري ذاتي مولايت سبب شده است تا شيشه – سراميك هاي بر پايه مولايت كـه بـه عنـوان لعـاب مصرف مي شوند بتوانند در مقايسه با لعاب هاي سنتي خواص فيزيكي-مكانيكي بهتري را به نمايش گذارند.اين سيستم از اكسيدهاي ديرگداز SiO2 و Al2O3 تشكيل شده كه به منظور بهبود و تسهيل شرايط ذوب آنهـا از اكـسيد هـايي مانند MgO  ، B2O3 و ZnO استفاده مي شود.

۶-شيشه سراميك هاي بر پايه مولايت

در تحقيقات انجام شده بر روي فريتي حـاوي

%۵۳ B2O3 12% ،MgO 9% ،CaO 3% ، Al2O3 23% ، SiO2 نـشان داد كـه فازهـاي بلورين كورديريت و مولايت دو فاز اصلي هستند كه در اين لعاب متبلور مي شوند]۳[. در لعاب هاي فاقد اكسيد بور سـرعت تشكيل مولايت بسيار كم مي باشد اما با افزودن اكسيد بور، هرچه مقدار اكسيد بور و دماي عمليـات حرارتـي بيـشتر باشـد مقدار فاز ثانويه كورديريت كمتر و بر مولايت سوزني اضافه خواهد شد]۳[.

جدايش فازي از مراحل مقدماتي تبلور در اينگونه لعاب هاست.نتايج نشان مي دهند كه هرچه مقدار اكسيد بور بيـشتر باشـد تعداد قطرات كوچك جدايش يافته بيشتر خواهد بود.سپس ابتدا توده هاي كوچكي از بلورك هاي سـوزني شـكل در سـطوح اوليه ذرات فريت تشكيل دهنده لعاب متبلور مي شوند.با افزايش دماي نهائي تعداد توده هاي بلورك مولايت افزايش مي يابد و سرانجام در شيشه سريع پخت شده در C̊۱۱۶۰ توزيع تقريبا پيوسته اي از بلورك هاي مولايـت در تمـامي سـطوح ذرات مشاهده مي شود)شكل۷(.

نتـايج حاصـل از ميكروسـكوپ حرارتـي بيـانگر آنـست كـه انقبـاض نمونـه هـا در حـدود C̊۸۵۰ شـروع و در محـدوده C̊۱۰۲۰-۱۰۵۰ خاتمه مي يابد. در اين لعاب نيز تبلور اصلي وقتي كه زينتر شدن تقريبا به پايان مي رسد بوقوع مي پيوندد.

۷- نتيجه گيري

با استفاده از لعاب هاي شيشه – سراميكي و با توجه به نوع سيستم انتخابي لعاب، مـي تـوان شيـشه-سـراميك هـائي حـاوي بلورك هاي متفاوت و در نتيجه خواص فيزيكي-مكانيكي و شيميايي متفاوت تهيه نمود. لعاب هاي شيشه – سراميكي عموماً از سختي بالاتر، مقاومت به سايش بهتري نسبت به لعاب هاي فريتي معمولي و يا خام دما بالا برخوردارند و مـي تـوان بـدون استفاده از سفيد كننده هاي مرسوم )مثلاً زيركون( به سفيدي مطلوب و سطحي درخشان دست يافت.رفتار تبلور- زينترينـگ از مشخصه هاي اصلي هر لعاب شيشه – سراميكي در كيفيت سطحي لعاب خواهد بود.

۸- مراجع

۱.الهام خطيبي، پرستو خوش اخلاق، پريسا اكبرشاهي،”بررسـي اثـر جوانـه زاهـايAgوCuبـر تبلـور حجمـي و تـاثير افزودن كائولن بر رفتار زينتر شدن شيشه-سراميك هاي فلوروميكا”، پايان نامه كارشناسـي، دانـشگاه علـم و صـنعت ايران،۱۳۸۵

  • ۲. Z. Strnad, “Glass-Ceramic Materials”, Elsevier, Amsterdam(1986)
  • 3. F. Jose Torres, E. Ruiz de Sola, J. Alarcón,” Effect of boron oxide on the microstructure of mullitebased glass-ceramicglazes for floor-tiles in the CaO–MgO–Al2O3–SiO2 system”, J.Eur.Ceram.Soc, Vol26,Issue 12, p2285-2292,(2006)
  • 4. Escardino Benloch,” Crystalline Glazes”, Cer.Acta.8, n4-3, p 5-35(1996)

5.ليلا رضازاده، پايان نامه كارشناسي ارشد”ساخت و بررسي لعاب شيـشه-سـراميك بـه منظـور بهبـود سـختي سـطح لعاب”، پژوهشگاه مواد و انرژي)۱۳۸۳(.

  • ۶. F. Jose Torres, J. Alarcón, ” Effect of additives on the crystallization of cordieritebased glass-ceramics as glazes for floor tiles”, J.Eur.Ceram.Soc, Vol23,Issue 6, p817-826,(2003)
  • 7. F. Jose Torres, J. Alarcón,”Effect of MgO/CaO ratio on the microstructure of cordierite-based glass-ceramic glazes for floor tiles”,J. Cer. Int, Vol31, Issue5,P 683-690(2005)
  • 8. F. Jose Torres, J. Alarcón, “Pyroxene-based glass-ceramics as glazes for floor tiles”, J.Eur.Ceram.Soc, Vol25,Issue 4, p349-355,(2005)
  • 9. F. Jose Torres, J. Alarcón,” Mechanism of crystallization of pyroxene-based glassceramic
  • 10. Glazes”,j. Noncrys. Sol, Vol 347, Issue 1-3,P45-51(2004)
  • 11. B.Eftekhari Yekta, P.Alizade and L.Rezazadeh,”Floor tile glass-ceramic glaze for improvement of glaze surfaceproperties”,J.Eur.Ceram.Soc.,No.16,Vol.26,P3809-3812(2006)
  • 12. B.Eftekhari Yekta,P.Alizadeh and l.Rezazadeh,”Synthesis of glass-ceramic glazes in the system ZnO-Al2O3-SiO2-ZrO2

system”, J.Eur.Cera.Soc.,27(2007)2311-2315.

 

برگشت به بالا
فروشگاه آنلاین طرح کاشی و سرامیک