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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!