Comportamento tecnologico delle lastre ceramiche:

Compattazione, sinterizzazione e tensioni residue

Michele DondiISTEC – CNR Faenza

INNOVAZIONE DI PROCESSOPER LA FILIERADELLA PIASTRELLACERAMICA SOSTENIBILE

Seminario Tecnico Finale, Sassuolo 17 Maggio 2018

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Sandra FazioMaria Chiara Bignozzi

Matteo ArditGiuseppe Cruciani

Chiara ZanelliRoberto Soldati

Sonia ConteGuia Guarini

Cesare MelandriAndreana Piancastelli

Michele Dondi

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ObiettiviDescrizione dettagliata e modellazione fenomenologica dei processi di deposizione e compattazione delle polveri atomizzate, con particolare riguardo alle grandi lastre ceramiche.

Descrizione dettagliata e quantitativa dei processi attivi durante la cottura e loro modellazione fenomenologica, con particolare riguardo agli effetti sulle deformazioni e le tensioni residue delle lastre ceramiche.

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Caratte-ristiche

delle polveri

Distribuzione dimensionale

Distribuzione di umidità

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Diametro dell’agglomerato [µm]

1Granuli rotti

2Granuli subsferici Forma ideale

3Due granuli uniti(dimensione simile)

4Due granuli uniti(dimensione diversa)

5Tre o più granuli uniti («popcorn»)

Caratteristiche delle polveri:

Morfologia dei granuli

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Deposizione delle polveritramoggia

stampo o rullo compattatore

nastro superiore

nastro inferiore

flussoondulazioni disaerazione

Flusso di massa Angolo di riposo Tap densityRapporto diHausner

stampo o rullo compattatore

IPERCER 17/05/2018 7Flusso di massa (g/cm2 s)

Diam

etro m

edio

(µm)

Fraz

ione >

500 µ

m (%

)Fo

rma «

popc

orn»

(%)

Angolo di riposo st

atico (°)

Rapporto di Hausner (1)

flusso eccellente

flusso libero

atomizzato per gres porcellanato

polveri non ceramiche

Reologia delle polveri

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Compattazione delle polveri

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Compattazione delle polveri

50 kg/cm2 75 kg/cm2 150 kg/cm2 300 kg/cm2

100 kg/cm2 150 kg/cm2 300 kg/cm2

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Compattazione delle polveri

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Modello della compattazione

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Memoria della compattazione

Densità apparente in secco (g/cm3)

150                                                       700 kg/cm2

Δ=0.28 g/cm3

Δ=0.05 g/cm3

Ogni differenza di densità apparente alla pressa si traduce in ritiro differenziale in cottura

P=28%

P=22%

R=8%

R=5%

Den

sità

apparente do

po cottura (g/cm

3 )

P: porositàR: ritiro lineare

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Sinterizzazione reattiva

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Fase liquida (vetrosa)

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Viscosità della fase liquida

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Velocità di sinterizzazione

γ tensione superficialeη viscositàr granulometria

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Velocità di espansione

Velocità di densificazione

Velocità di densificazioneVelocità di 

espansione

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Viscosità della lastra

Viscosità della fase liquida:     ηliq

Viscosità effettiva della lastra,      cioè cristalli + fase liquida:       ηeff

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Greificazione: effetto «tampone»

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Greificazione: effetto «tampone»

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Raffreddamento

Tg

β α

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Raffreddamento

Modulo elastico:

ΔT interno/esterno

573°C = transizione β>α

~700°C = transizione vetrosa Tg

ΔT<20°C

ΔT~200°C

Tempo (minuti)

Porcellanato

Quarzo

Fase vetrosa

0                           10                          20       30

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Tensioni residue

eterogeneitàmicrostrutturale

Differenze nelle proprietàtermo-elastiche fra fasi

cristalline (quarzo e mullite) e matrice vetrosa

lastra

ritiri differenziali

Differenze di densità in crudo e di temperatura da punto a punto

durante la cottura (alla superficie e nello spessore)

in sezione

gradiente termico dentro la lastra

Differenze di temperatura tra l’interno e la superficie durante il

raffreddamento rapido con effetto sulla fase vetrosa

Raffreddamento rapido: esterno "rigido" quando interno ancora “molle”

1 µm

somma delle tensioni ~ 0rischio limitato

rilassamento lento delle tensionirischio alto

tensioni rilassate durante cotturarischio basso

Scala: MICRO MESO MACRO

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Tensioni residue

Esempio: superficie T~800°C – interno T~1000°Critiro differente e compressione dello strato esterno

Temperatura ambiente: volume differente della fase vetrosa > tensioni nello strato esterno

La transizione vetrosa èfortemente influenzata dal gradiente di raffreddamento: quanto più rapido tale gradiente e tanto maggiore sarà il volume finale della fase vetrosa

temperatura

volume molare

raffreddamento lento

raffreddamento rapido

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Concludendo…

Grazieper

l’attenzione!