|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน | |
|
สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน คุณสมบัติที่สำคัญที่หลายคนมองข้าม
ดร. คชินท์ สายอินทวงศ์
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Thermal expansion coefficient- COE) คือค่าของความแตกต่างของความยาวหรือปริมาตรของชิ้นงานที่เปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 1 °C เมื่อเทียบกับความยาวหรือปริมาตรเริ่มต้น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนนั้นเป็นคุณลักษณะเฉพาะของวัสดุนั้นๆซึ่งขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ โครงสร้างผลึก อุณหภูมิของจุดหลอมตัว (melting point) ความหนาแน่นของชิ้นงาน อุณหภูมิในการเผา การวัดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนนั้นสามารถหาได้หลายวิธี เช่น ใช้การคำนวณจาก %ออกไซด์ที่มีอยู่ในสูตร การใช้วงแหวนสำหรับการทดสอบ (Fit ring ) สำหรับการตรวจวัดค่าที่ถูกต้องแม่นยำที่สุดจะใช้เครื่องมือที่เรียกว่าเครื่อง Dilatometer โดยการนำชิ้นงานที่ต้องการทดสอบมาตัดให้ได้ขนาดตามที่กำหนดแล้วใส่เข้าไปในช่องสำหรับใส่ชิ้นตัวอย่างแล้วเปิดเครื่องเพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึงอุณหภูมิสูงสุดที่ได้กำหนดไว้ ในขณะที่ชิ้นงานจะมีการขยายตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเครื่องก็จะคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนให้ตามช่วงของอุณหภูมิที่ต้องการตรวจสอบค่า โดยสามารถวัดได้ทั้งชิ้นงานดิบและชิ้นงานที่ผ่านการเผามาแล้ว
รูปภาพแสดง ตัวอย่างชิ้นงานที่ใช้วัดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน
ช่วงอุณหภูมิที่ใช้ในการ Run เครื่อง Dilatometer เพื่อวัดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนนั้นโดยปกติจะอยู่ที่ช่วงอุณหภูมิห้องถึง 1000 °C และช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนจะอยู่ในช่วง 20-500 °C เพราะเป็นช่วงที่ไม่เกินอุณหภูมิของ Quartz inversion ซึ่งอาจจะทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของชิ้นงานแตกต่างกันไปได้
รูปภาพ เครื่องวัดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Dilatometer)
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน โดยทั่วไปจะคำนวณได้จากสมการต่อไปนี้
∝ คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน t = อุณหภูมิห้อง t’ = อุณหภูมิสูงสุดที่ใช้วัด Lo = ความยาวของชิ้นงานที่อุณหภูมิห้อง L = ความยาวของชิ้นงานที่อุณหภูมิสูงสุด
ถ้าคำนวณโดยใช้ค่าความยาวที่แตกต่างของชิ้นงานเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไปจะมีค่าเป็น Linear expansion ซึ่งนักเซรามิกที่วิจัยทางด้าน Advance ceramic มักจะใช้ค่า Linear expansion ในการอ้างอิงค่าของวัสดุ แต่ถ้าเป็นในอุตสาหกรรมเซรามิกแบบดั้งเดิม (Conventional ceramic) มักจะคุ้นเคยและใช้ค่า Volume expansion ในการอ้างอิงสำหรับเนื้อดินและสีเคลือบ หลายครั้งจึงพบว่านักวัสดุศาสตร์สมัยใหม่กับนักอุตสาหกรรมจะพูดถึงค่านี้ด้วยตัวเลขคนละตัวกันทั้งที่เป็นวัสดุชนิดเดียวกัน
ตัวอย่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุเซรามิกชนิดต่างๆแสดงในตารางที่ 1
ตารางที่ 1 ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุเซรามิกเทียบกับวัสดุอื่นๆ
| Type of body |
Measured range °C |
Average coefficient (cm./cm.°C) x10-6 |
| Fused silica |
20 - 1000 |
0.48 |
| Cordierite insulators |
20 - 1000 |
2.10 |
| Zircon porcelain |
20 - 700 |
3.68 |
| Vitreous china |
20 - 100 |
4.00 |
| Chemical stoneware |
20 - 1000 |
4.75 |
| High tension porcelain |
20 - 700 |
5.30 |
| Semi-vitreous dinnerware |
30 - 1000 |
5.80 |
| Rutile insulators |
20 - 1000 |
7.20 |
| Steatite |
20 - 700 |
6.2 - 9.1 |
| Quartz |
20 - 400 |
17 |
| Alumina |
20 - 1000 |
8 |
| NaCl |
0 |
40 |
| H2O |
0 |
90 |
| Fe2O3 |
0 |
9 |
สำหรับวัสดุเซรามิกนั้นถ้ามีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำก็จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติในด้านการทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยเฉียบพลัน (Thermal shock resistance) รวมทั้งค่า Spalling resistance ตัวอย่างเช่นเนื้อดินคอร์เดียไรท์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอยู่เพียง 2.1x10-6 °C-1 ซึ่งเป็นค่าที่ต่ำมากทำให้มีการใช้งานเนื้อคอร์เดียไรท์เป็นแผ่นรองเผา (Slab), จ๊อ (Saggar) และ Kiln furniture อื่นๆ รวมทั้งเป็นผลิตภัณฑ์บรรจุอาหารที่สามารถทนความร้อนได้ในเตาอบ
ในผลิตภัณฑ์เซรามิกที่มีผิวเคลือบเพื่อสร้างความสวยงามนั้น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินควรมีค่าสูงกว่าของสีเคลือบเพื่อให้ที่ชั้นเคลือบอยู่ในสภาพของแรงอัด (compressive) แต่ไม่ควรให้มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินสูงกว่าชั้นเคลือบมากเกินไป เพราะจะทำให้เกิดปัญหาเคลือบร่อน (peeling) ภายหลังการเผาขึ้นได้
แต่ถ้าชั้นเคลือบมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนสูงกว่าเนื้อดิน ชั้นเคลือบจะอยู่ในรูปของแรงดึง (tension) ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาผิวเคลือบราน (crazing) ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาเวลานำไปใช้งานได้
ตัวอย่างกรณีของปัญหาที่พบเกี่ยวกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน
รูปภาพการเกิดการแตกร้าวเนื่องจากการรัดตัวของเคลือบ
กรณีที่เกิดเนื่องจากสาเหตุของความไม่สัมพันธ์กันระหว่างเนื้อดินและสีเคลือบได้แก่กรณีของกระเบื้องหลังคาเซรามิกที่มีปัญหาเคลือบรานก็จะทำให้เกิดสิ่งสกปรกเข้าไปแทรกอยู่ในรอยร้าวของชั้นเคลือบ และทำให้เกิดคราบราดำที่ไม่สามารถชะล้างออกไปได้ ทำให้ความสวยงามลดลง กระเบื้องบุผนังที่มีค่าการดูดซึมน้ำสูงจะเกิดปัญหาความชื้นถูกดูดซึมเข้าไปในเนื้อกระเบื้องจนเกิดปัญหา Delay crazing ขึ้น ทำให้มีคราบสกปรกเข้าไปติดฝังแน่นและไม่สามารถขัดออกได้
ในอุตสาหกรรมลูกถ้วยไฟฟ้านั้นจำเป็นต้องมีรูปทรงที่หลากหลายเพื่อรองรับการใช้งานที่แตกต่างกันไป เช่น ลูกถ้วยแบบล้อ (spool) สำหรับงานรองรับสายไฟภายในอาคาร ลูกถ้วยสำหรับรองรับฟิวส์ ลูกถ้วยแบบโพสท์ (line post, pin post) สำหรับสายไฟฟ้าแรงสูงและตัวแยกสายไฟฟ้าไม่ให้ติดกัน ซึ่งหลังใช้งานไปแล้วอายุการใช้งานของลูกถ้วยไฟฟ้าจะไม่เท่ากัน ส่วนหนึ่งเกิดจากปัญหาการแตกรานของผิวเคลือบเนื่องจากความเครียดภายในของเนื้อลูกถ้วยเมื่อเกิดแรงดึงและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของเนื้อลูกถ้วยในระหว่างช่วงกลางวันและกลางคืน ซึ่งเมื่อผิวเคลือบของลูกถ้วยไฟฟ้าเกิดรอยร้าวเล็กๆขึ้นก็จะเกิดปัญหากระแสไฟฟ้ากระโดดข้ามลูกถ้วยไฟฟ้าจนเกิดการลัดวงจร (flash over) เนื่องจากผิวลูกถ้วยมีรอยร้าวหรือมีสิ่งสกปรกไปยึดติดที่ผิว ซึ่งปัญหาเหล่านี้มาจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินกับเคลือบไม่สัมพันธ์กัน
ในการผลิตผลิตภัณฑ์เซรามิกในอุตสาหกรรมขนาดเล็กและค่อนไปทางขนาดกลางนั้น ผู้ผลิตมักไม่ให้ความสนใจต่อค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินและสีเคลือบ โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่เผาที่อุณหภูมิต่ำเช่นผลิตภัณฑ์เนื้อโดโลไมท์ แจกันประดับสีสดใสที่ใช้เคลือบแคดเมียมไฟต่ำ เคลือบออกไซด์ไฟต่ำที่มักเผาในช่วง 1050-1120 °C ที่มักจะเกิดปัญหาเคลือบร่อน, เคลือบร้าวที่เมื่อลูบแล้วสะดุดมือ, เผาแล้วเคลือบรัดผลิตภัณฑ์จนแตกไม่สามารถนำไปใช้งานได้ทั้งๆที่ใช้เนื้อดินถังเดียวกัน ใช้เคลือบตัวเดียวกันกับครั้งก่อนที่เผาไปแล้วไม่พบปัญหา บางครั้งผิวเคลือบเรียบสวย แต่บางครั้งหรือบางชิ้นงานที่เผาพร้อมกันกลับเกิดปัญหาเคลือบรานขึ้น ปัญหาเรื่องการต้องการทำให้เคลือบรานเพื่อดูคล้ายงานศิลปะแต่บางครั้งที่ผลิตกลับรานน้อยหรือไม่รานเลย สิ่งเหล่านี้เป็นผลมาจากค่า สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนทั้งสิ้น
ในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์เซรามิกนั้นมีได้หลายวิธีทั้งการขึ้นรูป แบบใช้แรงอัดซึ่งมีทั้งอัดแบบแห้งและแบบกึ่งเปียก การขึ้นรูปแบบรีดโดยใช้เครื่องรีดแบบดูดอากาศ การขึ้นรูปแบบหล่อ การขึ้นรูปด้วยมือ การขึ้นรูปโดยใช้เครื่องจิกเกอร์ซึ่งทางผู้ผลิตจะคำนึงถึงลักษณะรูปทรงของผลิตภัณฑ์ในการที่จะเลือกกระบวนการในการขึ้นรูป โดยทั่วๆไปในอุตสาหกรรมเซรามิกนั้นในบริษัทหนึ่งๆอาจมีการขึ้นรูปได้หลายแบบโดยใช้เนื้อดินสูตรเดียวกันหรือขึ้นรูปแบบเดียวกันแต่มีปัจจัยหรือ ตัวแปรในการขึ้นรูปที่แตกต่างกันไปขึ้น กับขนาด รูปทรง สมบัติทางกายภาพของเนื้อดิน หรือการแก้ไขปัญหาในการผลิตในขณะนั้นๆ ซึ่งทำให้ประสบปัญหาหลายอย่างตามมา ตัวอย่างเช่นในอุตสาหกรรม กระเบื้องเซรามิก บางครั้งมีการเปลี่ยนแปลงค่าแรงอัดที่ใช้ขึ้นรูปเนื่องจากขนาดของกระเบื้องเปลี่ยนแปลงไปแต่เมื่อปรับค่าแรงอัดแล้วพบว่ากระเบื้องหลังเผามีค่าความโค้ง-แอ่น (planarity) เปลี่ยนแปลงไปด้วย อุตสาหกรรมลูกถ้วยไฟฟ้าที่มีกระบวนการขึ้นรูปหลายวิธี เช่นเดียวกับอุตสาหกรรมถ้วย ชามและผลิตภัณฑ์บนโต๊ะอาหาร
สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนกับกระบวนการขึ้นรูปสำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ รวมทั้งแนวทางในการแก้ไขปัญหาเรื่องการรานตัวของเคลือบ (Crazing) การร่อนตัวของเคลือบ (Peeling) การแตกร้าวที่เกิดจากความไม่สัมพันธ์กันระหว่างเนื้อดินและเคลือบนั้น จะขอนำเสนออย่างละเอียดในบทความหน้าครับ
Reference
1. J.R. Taylor and A.C. Bull, Ceramic glaze technology, Pergamon press, 1986
2. Lawrence H. Van Vlack, Physical ceramics for engineers, Addison-Wesley publishing company, 1984
|
|
|
|
|
|
|
