应用故事 | 古陶瓷热膨胀测试

烧结是制备陶瓷材料过程中最为关键的一个过程。所谓烧结，是指陶瓷坯体在一定的高温过程中，内部发生一系列诸如相变，矿物组份的分解或新组份的生成、溶解沉淀、晶粒生长并相互结合、致密化过程等物理化学过程，使材料获得一定的密度、微观结构、强度和其他物理性能的一个过程。烧结可以让陶瓷更加致密，美观，具有机械强度。

对于古陶瓷的研究，烧成温度是至关重要的，因为它是古代陶瓷制作技术能力，高温技术水平以及窑性能的重要体现。除在考古学上的直接意义外，烧成温度还为研究和复原古陶瓷器烧制工艺提供关键信息。另外，烧成温度还对古陶瓷和窑的其他科学研究(如热释光和地磁测年)有重要价值。

古陶瓷具有稀缺性，文化价值和历史价值等特点，使其非常珍贵，即使对古陶瓷进行研究测量的时候，取样都不能非常大，古陶瓷的热膨胀测试在古陶瓷的研究过程中又极其重要，那么如果进行取样，如何进行热膨胀测试呢？另外很多陶瓷成品表面都会存在釉层，釉层的熔融温度会比陶瓷的烧结温度要低，这样在测试过程中釉层就有可能会和仪器支架发生粘连，因此需要采用措施保护仪器的推杆和挡片。

本文采用热机械分析仪（TMA）和热膨胀仪（DIL）对不同尺寸古陶瓷的热膨胀系数进行了测量，测量使用了氧化铝垫片，以防止表面未处理干净的釉层粘连推杆和垫片。

仪器原理

热机械分析仪（TMA）和热膨胀仪（DIL）的测试样品热膨胀的原理基本一致，都是使样品处于一定的温度程序下，施加一定的静态载荷，观察样品在一定方向上的尺寸随温度或时间的变化关系。

样品信息

1. 样品名称：古陶瓷

2. 样品描述：古陶瓷碎片

3. 温度程序：RT-1300 ℃，升温速度5℃/min

4. 测量模式：压缩模式

5. 样品支架：氧化铝

本次测试样品是古陶瓷的碎片，样品长度是18.981 mm（仪器自动测量长度），测试前需要将样品两端磨平，让两端平行。需要尽量去除釉层，测样时需要加垫片，防止样品与推杆和支架发生粘连。测试从RT测试到1300℃，直至样品发生烧结，另外给样品施加0.2N的负载力，让样品更加稳定。

DIL测试

上图是古陶瓷的DIL热膨胀曲线，从图中可以看到样品的热膨胀曲线在522.9℃以前呈现线性膨胀，在522.9℃斜率发生变化，应该是古陶瓷内部成分的相转变，当升温到1117.9℃，样品开始收缩，表明样品发生了烧结。代表该古陶瓷在古代的时候的烧结最高温度是1117.9℃。

TMA测试

上图是古陶瓷的TMA热膨胀曲线，从图中可以看到样品的热膨胀曲线呈现线性膨胀，在30-500℃的热膨胀系数是4.9942×10^-6 ，当升温到1071.9℃，样品开始收缩，表明样品发生了烧结，当温度到1298.2样品开始进入剧烈收缩阶段。该测试结果表明该古陶瓷在古代的时候的烧结最高温度是1071.9℃。

作者

刘少博

耐驰仪器公司应用实验室