ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (MIS: )

Transcript

1 Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ (MIS: ) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 3.1. Διεργασίες υαλοποίησης από βιομηχανικά απόβλητα και παραγωγή Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.

2 Διεργασίες υαλοποίησης από βιομηχανικά απόβλητα και παραγωγή Λόγω της υψηλής ψαθυρότητας των κεραμικών υλικών, η μορφοποίησή τους πριν την έψησή τους αποτελεί το πιο σημαντικό στάδιο της διεργασίας, ή πιο σωστά της γραμμής παραγωγής της κατασκευής κεραμικών υλικών, ενώ ο πιο σημαντικός έλεγχος της ποιότητάς τους αφορά στην αντοχή τους σε κάμψη. Στην άσκηση αυτή κατασκευάζονται δοκίμια από σκόνη αλούμινας με τις μεθόδους της χύτευσης αιωρήματος σε καλούπι από γύψο (slip-casting) και με μορφοποίηση αιωρήματος σε λεπτή ταινία ελεγχόμενου πάχους (tape-casting). Η εκπαίδευση στην άσκηση αυτή περιλαμβάνει την αναφορά σε όλες τις βασικές μεθόδους μορφοποίησης και επίσης τονίζονται τα κρίσιμα σημεία που επηρεάζουν την επιτυχή κατασκευή του κεραμικού κατά τη ξήρανση και την έψηση. Ο έλεγχος της μηχανικής αντοχής πυροσυσσωματωμένων κεραμικών δοκιμίων μετράται με πειράματα αντοχής σε κάμψη 3 σημείων.

3 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΘΕΩΡΙΑ 1.1 Στάδια γραμμής παραγωγής κεραμικών Μία τυπική διαδικασία κατασκευής ενός κεραμικού υλικού περιλαμβάνει τα ακόλουθα διακριτά στάδια: Στάδιο 1: Πρώτες ύλες Οι πρώτες ύλες μπορεί να ληφθούν α. απευθείας από τη φύση, π.χ. ένα ορυχείο, β. με χημικό τρόπο, π.χ. χημική καταβύθιση, μέθοδος sol-gel, ή γ. από ανακύκλωση, π.χ. κενές φιάλες, σπασμένα κεραμικά κλπ. Σε ότι αφορά στο (α), τα κοιτάσματα των πρώτων υλών καλής ποιότητας είναι αφενός λίγα σε ολόκληρο τον κόσμο, αφετέρου βαίνουν σταδιακά εξαντλούμενα, π.χ. η εξάντληση των κοιτασμάτων καλής ποιότητας άστριων καλίου. Στη δεύτερη κατηγορία, (β), μπορεί να προστεθεί και η παραγωγή υαλοθραυσμάτων (glass-frit). Τα υαλοθραύσματα παράγονται με ταχεία ψύξη τήγματος υάλου. Το τηγμένο γυαλί, όπως είναι ζεστό στο χωνευτήριο (ή στον πυρίμαχο κάδο) στο φούρνο, χυτεύεται αμέσως σε νερό, ή σε ψυχρές μεταλλικές πλάκες κλπ. Η ταχεία ψύξη προκαλεί εκτεταμένο θρυμματισμό του και επίσης δεν του δίνει καθόλου χρόνο να προλάβει να κρυσταλλωθεί. Στάδιο 2: Σκόνες Το δεύτερο στάδιο αφορά στην κονιορτοποίηση των πρώτων υλών με άλεση (π.χ. με σφυρόμυλο ή σφαιρόμυλο). Ο έλεγχος της κοκκομετρίας (δηλαδή η κατά βάρος κατανομή του μεγέθους των κόκκων) μπορεί να γίνει με πολλές μεθόδους, όπως είναι κοσκίνιση, καταβύθιση, σκέδαση φωτός (Coulter) κλπ. Υπάρχουν ειδικές εφαρμογές όπου τα σωματίδια των πρώτων υλών απαιτείται να έχουν σχήμα διαφορετικό από το σύνηθες μίας κονιορτοποιημένης σκόνης, όπως είναι, για παράδειγμα, σωματίδια μεγάλης ειδικής επιφάνειας τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν σε σχήμα νιφάδας με τη μέθοδο spray-dry (με τη μέθοδο spray-dry, ατμός μεγάλης ταχύτητας και θερμοκρασίας περίπου 90 o C έρχεται σε αντιρροή με αιώρημα από κεραμική σκόνη η οποία εκτοξεύεται με μεγάλη ταχύτητα από το ακροφύσιο ενός ψεκαστήρα μέσα σε έναν κυκλώνα). Στάδιο 3: Ανάμιξη Στο τρίτο στάδιο, παρασκευάζεται το μίγμα της σκόνης του κεραμικού με την κατάλληλη αναλογία. Δηλαδή, γίνεται η ζύγιση των ποσοτήτων της σκόνης της κάθε πρώτης ύλης. Στο στάδιο αυτό προστίθενται και τα κάθε είδους πρόσθετα (που θα συναντήσουμε και αναλύσουμε στη συνέχεια) για να σχηματιστεί το μίγμα. Η αναλογία των πρώτων υλών ενός κεραμικού ουσιαστικά σχετίζεται με το σχεδιασμό των συστάσεων του κεραμικού. Φυσικά, όταν δοκιμάζονται και ελέγχονται εντελώς νέες συστάσεις κεραμικών, η αναλογία των πρώτων υλών έχει ακόμα πιο ιδιάζουσα σημασία. Έτσι, πρέπει εδώ να τονιστεί ότι, στο σχεδιασμό των νέων συστάσεων καθώς και στην επιλογή, τόσο των αναλογιών των πρώτων υλών, όσο και της Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 1

4 βέλτιστης διαδικασίας παραγωγής, το πιο σημαντικό εργαλείο του Μηχανικού Υλικών είναι η Θερμοδυναμική. Και ως γνωστόν, όλη η πληροφορία της Θερμοδυναμικής των ήδη γνωστών συστημάτων, διμερών, τριμερών κλπ., είναι αποτυπωμένη στα Διαγράμματα Φάσεων. Στην αναλογία (δηλαδή στις ακριβείς ποσότητες που θα πρέπει να ζυγιστούν για να κατασκευαστεί το μίγμα της σκόνης), πρέπει να ληφθούν υπόψη οι απώλειες λόγω θέρμανσης των πρώτων υλών (π.χ. τα ανθρακικά, τα ενυδατωμένα ή τα αμμωνιακά άλατα, με τη θέρμανση προς σχηματισμό οξειδίων παράγουν αέρια CO 2, H 2 O και NH 3, αντίστοιχα). Επίσης, ιδιαίτερα κατά την κατασκευή προηγμένων κεραμικών, π.χ. που προορίζονται για χρήση σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, πρέπει να υπολογιστούν ως αντιδραστήρια και τα αέρια που είναι χημικά προσροφημένα στην επιφάνεια των αρχικών κόνεων (π.χ. το οξυγόνο στην επιφάνεια σκόνης Si). Στάδιο 4: Ομογενοποίηση Το μίγμα που κατασκευάστηκε στο προηγούμενο στάδιο, πρέπει να ομογενοποιηθεί. Αυτό θα γίνει με άλεση. Η άλεση μπορεί να είναι ξηρή ή υγρή. Η ξηρή άλεση έχει το μειονέκτημα ότι ανεβάζει τη θερμοκρασία, ιδιαίτερα σε περίπτωση άλεσης με μεγάλες ταχύτητες περιστροφής. Συνεπώς, η ξηρή άλεση δεν συνίσταται για ευαίσθητα, στη θερμοκρασία, υλικά που μπορεί να αποδομηθούν ή αντιδράσουν κλπ. Επίσης, μπορεί να μολύνει το μίγμα της σκόνης με υλικά από το αλεστικό μέσο. Οπότε, επίσης δεν συνίσταται για παρασκευή υπερκαθαρών κόνεων. Τέλος, άλεση σε πολύ υψηλές ταχύτητες περιστροφής (δηλαδή πολλά g) και για μεγάλο χρόνο (π.χ. 24 ώρες), μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε αλλαγή της κρυσταλλικής δομής ορισμένων κεραμικών κόνεων. Η υγρή άλεση έχει το μειονέκτημα ότι δεν συνίσταται σε περιπτώσεις που το μίγμα αντιδρά με το υγρό μέσο. Αυτό μπορεί να είναι νερό, ή κάποιος οργανικός διαλύτης, π.χ. αιθανόλη, αιθέρας, ακετόνη κλπ. Στην ξηρή άλεση, κυρίως, αλλά και στην υγρή, αν η σκόνη αντιδρά εύκολα με το οξυγόνο, η άλεση μπορεί να γίνει σε ειδική προστατευτική ατμόσφαιρα, π.χ. αζώτου ή αργού. Η αλεστική συσκευή είναι συνήθως μύλος, περιστρεφόμενος (κυλινδρόμυλος) ή πλανητικός. Η ταχύτητα περιστροφής, το μέγεθος των σφαιρών, η χημική σύσταση των σφαιρών και του δοχείου άλεσης, η αναλογία βάρους σκόνης/σφαιρών και ο χρόνος άλεσης είναι πολύ σημαντικές παράμετροι που πρέπει κάποιος να ρυθμίσει ώστε να έχει το βέλτιστο αποτέλεσμα, που σημαίνει πολύ καλά ομογενοποιημένο μίγμα με την επιθυμητή κοκκομετρία και στον ελάχιστο δυνατό χρόνο. Προφανώς, μεγαλύτερος χρόνος άλεσης ή αύξηση της ταχύτητας άλεσης αυξάνει την ενέργεια που καταναλώνεται και συνεπώς ανεβάζει το κόστος παραγωγής του κεραμικού υλικού. Στάδιο 5: Μορφοποίηση Η μορφοποίηση του άψητου δοκιμίου είναι πολύ σημαντικό στάδιο στην κατασκευή των κεραμικών δεδομένου ότι, μετά την έψηση, είναι αδύνατον να γίνει οποιαδήποτε άλλη διεργασία μορφοποίησης. Όπως είναι γνωστό, οι μέθοδοι μορφοποίησης είναι η σφυρηλάτηση, η κοπή με χρήση εργαλείων, όπως είναι ο Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 2

5 τόρνος, η φρέζα, κλπ. Είναι προφανές ότι, ενώ αυτές οι μέθοδοι και τα αντίστοιχα εργαλεία για να εφαρμοστούν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεταλλικά υλικά και πλαστικά, είναι εντελώς αδύνατον να χρησιμοποιηθούν σε ψημένα κεραμικά, υάλους και υαλοκεραμικά, λόγω της υψηλής τους ψαθυρότητας. Έτσι, τα κεραμικά υλικά αναγκαστικά μορφοποιούνται πριν ψηθούν και αποκτήσουν την τελική τους μηχανική αντοχή και σκληρότητα. Το μορφοποιημένο κεραμικό δοκίμιο πριν την έψηση λέγεται «άψητο δοκίμιο». Στη ξενόγλωσση τεχνική ορολογία θα το δείτε να ονομάζεται ως «πράσινο δοκίμιο» με τους όρους «green sample» στα Αγγλικά, ή «amostra verde» στα Ισπανικά, αλλά οι όροι αυτοί ουδεμία σχέση έχουν με το χρώμα αλλά δηλώνουν ότι το δείγμα είναι ωμό, δηλαδή άψητο. Υπάρχουν 3 βασικοί τρόποι που μπορεί η σκόνη του κεραμικού, της υάλου ή του υαλοκεραμικού να πάρει το σχήμα (οποιοδήποτε σχήμα, οσοδήποτε πολύπλοκο) του τελικού τρισδιάστατου δοκιμίου. Τέτοια σχήματα μπορεί να είναι μια απλή πελέτα (δηλαδή ένα κυλινδρικό δοκίμιο), ένα κωνικό χωνευτήριο, ένα πλακίδιο δαπέδου, ένα βάζο, ένα πιάτο, αλλά και μία οθόνη αφής (touch screen) ενός κινητού τηλεφώνου ή η επιφάνεια μίας κεραμικής κουζίνας. Αναμφισβήτητα, τα πιο πολύπλοκα σχήματα κεραμικών τα έχουν τα είδη υγιεινής, τα οποία επίσης έχουν μεγάλο όγκο και κατασκευάζονται σε τεράστιες ποσότητες παγκοσμίως. Στα δε προηγμένα κεραμικά, τα κεραμικά δοκίμια μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικά και πραγματικά πολύπλοκα σχήματα, για παράδειγμα βίδες, πλακέτες για SOFC και διάφορα ηλεκτρονικά κυκλώματα και συσκευές, δόντια, καρδιακές βαλβίδες, κεραμικά φρένα και κεφαλές πιστονιών αυτοκινήτων, πλακίδια διαστημικών λεωφορείων, βιοαισθητήρες για φάρμες ζώων ή σε διαγνωστικές συσκευές της βιοϊατρικής, οπτικά συστήματα κατόπτρων ή φίλτρων σε μικροσκόπια τηλεσκόπια κλπ. Ο πρώτος τρόπος μορφοποίησης είναι η ξηρή συμπίεση. Με τη μέθοδο αυτή, λεπτόκκοκη κεραμική σκόνη με μέγεθος σωματιδίων μικρότερο των 5 μm (καλύτερα < 1 μm) συμπιέζεται σε υψηλή πίεση. Η συμπίεση φέρνει πολύ κοντά τα σωματίδια της σκόνης. Επίσης, με την υψηλή συμπίεση διασφαλίζεται ότι, μόλις αφαιρεθεί η πίεση, το δοκίμιο μπορεί να απομακρυνθεί από το καλούπι και να μεταφερθεί χωρίς να καταρρεύσει στο φούρνο για τη πυροσυσσωμάτωση. Είναι προφανές ότι με τις ξηρές μεθόδους μορφοποίησης τα δοκίμια είναι έτοιμα για πυροσυσσωμάτωση (δηλαδή δεν απαιτείται καμία απολύτως ξήρανση). Για να συμπιεστεί μία κεραμική σκόνη απαιτούνται ένα καλούπι με το τελικό σχήμα του δοκιμίου και μία πρέσα. Η σκόνη τοποθετείται μέσα στο δοκίμιο και μετά ασκείται η πίεση. Πρέπει να σημειωθεί ότι, η πίεση είναι ο λόγος της εφαρμοζόμενης δύναμης προς την επιφάνεια άσκησης της δύναμης αυτής (p=f/a). Συνεπώς, μεγαλύτερα δοκίμια απαιτούν εφαρμογή μεγαλύτερων δυνάμεων. Όμως, τόσο οι πρέσες όσο και τα καλούπια έχουν ανώτατα όρια λειτουργίας και ασφαλούς (για τους εργαζόμενους και εκπαιδευόμενους) όρια, πάνω από τα οποία υπάρχει κίνδυνος να σπάσει και η πρέσα και το καλούπι. Συνεπώς, η ξηρή συμπίεση δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε πολύ μεγάλα κεραμικά δοκίμια. Επίσης, το κόστος αυξάνεται γεωμετρικά όσο μεγαλύτερη είναι η πρέσα και μεγαλύτερα είναι τα καλούπια. Λόγω της φόρτωσης της σκόνης και της εκφόρτωσης του συμπιεσμένου δοκιμίου από το καλούπι, η μέθοδος δεν είναι συνεχής. Η άσκηση της πίεσης γίνεται είτε Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 3

6 χειροκίνητα (με τη μέθοδο του μοχλού), είτε με πιεστική ηλεκτρική αντλία. Και στις δύο περιπτώσεις, στο πιστόνι που ασκεί την πίεση στο δοκίμιο, η δύναμη ασκείται από ειδικό λάδι το οποίο βρίσκεται σε μία ειδική δεξαμενή στην πρέσα. Ο πιο απλός τρόπος συμπίεσης είναι η μονοαξονική συμπίεση (uniaxial press). Η πλήρωση του καλουπιού είναι πολύ σημαντική. Αυτό γίνεται ως εξής: Η λεπτόκοκκη σκόνη τοποθετείται μέσα στο καλούπι και το καλούπι δονείται ή η σκόνη συμπιέζεται με το χέρι. Σκοπός είναι να πετύχουμε τη μέγιστη πάκτωση της σκόνης μέσα στο καλούπι. Στη μονοαξονική συμπίεση, η δύναμη ασκείται μόνο από τη μία πλευρά, δηλαδή μόνο από το ένα πιστόνι (έμβολο) του καλουπιού, ενώ το άλλο πιστόνι είναι σταθερά ακίνητο. Η πίεση αυξάνεται γρήγορα και παραμένει σταθερή για ορισμένο χρόνο. Στη χειροκίνητη πρέσα του εργαστηρίου, συνήθως 30 s είναι αρκετά. Πολλές φορές, όταν επιτευχθεί η μέγιστη πίεση, παρατηρείται ότι η πίεση ελαττώνεται ελαφρά. Αυτό οφείλεται στη συμπιεστότητα της σκόνης (και αυτό επηρεάζεται από τη σκληρότητα του υλικού) ή τη χαλαρή πάκτωση της σκόνης όταν γεμίζαμε το καλούπι. Στην περίπτωση αυτή, αυξάνουμε την πίεση συνεχώς (με το μοχλό της πρέσας), μέχρι να παραμένει για 30 s (στην περίπτωση της χειροκίνητης εργαστηριακής πρέσας) σταθερή η πίεση. Μετά, το δοκίμιο απομακρύνεται (με πάρα πολύ προσοχή για να μη σπάσει) από το καλούπι. Στην περίπτωση αυτή της μορφοποίησης, υπάρχουν κάποιες τεχνικές που συνήθως χρησιμοποιούνται. Η πρώτη είναι ότι μπορεί το καλούπι, δηλαδή η κοίλη επιφάνειά του και η κυρτή επιφάνεια του πιστονιού, να αλείφονται από ειδικό λάδι (λιπαντικό, lubricant) που θα διευκολύνει την ολίσθηση του πιστονιού κατά τη συμπίεση. Το λάδι αυτό ενδέχεται να μολύνει την εξωτερική επιφάνεια του συμπιεσμένου δοκιμίου αλλά εφόσον είναι οργανικό και καθαρό θα καεί πλήρως κατά την έψηση και πολύ πριν την έναρξη της πυροσυσσωμάτωσης. Ένα σημαντικό τεχνικό πρόβλημα είναι ότι λεπτόκοκκές σκόνες με μέγεθος σωματιδίων < 0.5 μm αφήνουν υπολείμματα σωματιδίων στον ελάχιστο χώρο ανάμεσα στο πιστόνι και στο καλούπι. Έτσι, ανάμεσα σε κάθε συμπίεση, πρέπει να καθαρίζονται πάρα πολύ καλά όλα τα μέρη του καλουπιού. Εάν παραμείνουν υπολείμματα λεπτόκοκκης σκόνης στο καλούπι, είναι απολύτως σίγουρο ότι μετά από δεύτερη συμπίεση, το πιστόνι θα σφηνώσει μέσα στο καλούπι. Τότε, η διάνοιξή του απαγορεύεται αυστηρά να γίνει με σφυρί (γιατί θα παχύνει τα άκρα του πιστονιού και θα το καταστρέψει) παρά μόνο με εξωλκέα από μηχανουργό. Τέλος, για να διασφαλιστεί η δομική ακεραιότητα του δοκιμίου κατά την απομάκρυνσή του από το καλούπι και τη μεταφορά του στο φούρνο, πολλές φορές η σκόνη αναμιγνύεται (granulated) με μικρή ποσότητα συνδέτη (binder). Ο συνδέτης έχει μία λιπαρή υφή (είναι σαν κερί). Η πολυβυνιλική αλκοόλη (PVA) χρησιμοποιείται πολύ συχνά ως συνδέτης. Η παρουσία του συνδέτη στο συμπιεσμένο δοκίμιο συγκρατεί με ασφάλεια συνδεδεμένους μεταξύ τους τούς κόκκους της σκόνης στο δοκίμιο όσο αυτό μεταφέρεται μετά την πρέσα. Επίσης, μία μικροκίνηση σε ένα απολύτως ξηρό συμπιεσμένο δοκίμιο μπορεί να προκαλέσει σχηματισμό μικρορωγμών οι οποίες μπορεί να εξελιχθούν σε εμφανείς ρωγμές ή και θραύση των υλικών μετά την πυροσυσσωμάτωση. Η παρουσία του συνδέτη δεν επιτρέπει το σχηματισμό τέτοιων μικρορωγμών ή ακόμα και τάσεων που μπορεί να αναπτυχθούν από τη συμπίεση και τελικά να οδηγήσουν σε ρωγμές όταν το δοκίμιο Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 4

7 υποστεί τη θερμική επεξεργασία και τη πυροσυσσωμάτωση. Ο πολυμερικός συνδέτης θα καεί πλήρως στο στάδιο της πυροσυσσωμάτωσης. Είναι προφανές ότι η μέγιστη συμπίεση θα επιτευχθεί στα σωματίδια της σκόνης που βρίσκονται σε επαφή με το πιστόνι που κινείται. Η δεύτερη μεγαλύτερη συμπίεση θα υπάρχει στα τοιχώματα του καλουπιού, ενώ η ελάχιστη συμπίεση προφανώς υπάρχει στο εσωτερικό του δοκιμίου. Η διαφορετική συμπίεση στα διάφορα σημεία του συμπιεσμένου δοκιμίου θα οδηγήσει σε ανομοιογένεια της πυκνότητας του δοκιμίου μετά τη πυροσυσσωμάτωση. Σε μία ακραία περίπτωση, η μεγάλη διαφορά της πυκνότητας της σκόνης μέσα στο άψητο δοκίμιο μετά τη συμπίεσή του μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε καταστροφή του δοκιμίου κατά την πυροσυσσωμάτωση. Είναι προφανές ότι, η παρουσία τόσο του λιπαντικού όσο και του συνδέτη, εκτός όσων προαναφέρθηκαν, διευκολύνουν την ολίσθηση των σωματιδίων της κεραμικής σκόνης μεταξύ τους όταν αυτά συμπιέζονται μέσα στο καλούπι και έτσι ευνοείται σημαντικά η ομοιόμορφη κατανομή της πίεσης σε όλον τον όγκο του συμπιεσμένου δοκιμίου. Πέραν από αυτά, όμως, έχουν προταθεί βελτιωμένες μέθοδοι ξηρής συμπίεσης. Οι βελτιώσεις, όμως, αυτές (οι οποίες παρουσιάζονται στη συνέχεια), αυξάνουν σημαντικά το κόστος της συσκευής. Μία απλή βελτίωση είναι η διαξονική συμπίεση. Στην περίπτωση αυτή, και τα δύο πιστόνια κινούνται και έτσι η πίεση στο δοκίμια ασκείται και από τις δύο πλευρές. Όμως, η πιο εξελιγμένη εφαρμογή πίεσης είναι η ισοστατική συμπίεση. Στην ισοστατική συμπίεση, το δοκίμιο κατασκευάζεται ως εξής: Κατασκευάζεται πρώτα ένα ελαστικό καλούπι. Το ελαστικό υλικό μοιάζει με μπαλόνι ή λάστιχο αλλά με μεγάλο πάχος (περίπου 1 mm). Έτσι, το καλούπι έχει μεν μεγάλη ελαστικότητα αλλά μπορεί να διατηρεί και το σχήμα του. Το ελαστικό αυτό καλούπι φτιάχνεται ως εξής: Παρασκευάζεται ένα υγρό μίγμα από το ειδικό αυτό πολυμερές. Μέσα σε αυτό το τήγμα, βυθίζεται το πρότυπο δοκίμιο. Σε λίγα λεπτά, γύρω από το πρότυπο, στερεοποιείται ένα παχύ στρώμα από το ελαστικό πολυμερές. Έτσι, είναι προφανές ότι μπορεί να φτιαχτεί κάθε περίπλοκο σχήμα καλουπιού, κάτι που δεν είναι εύκολο (ή και αδύνατο) στη μονοαξονική ή στη διαξονική συμπίεση. Η κεραμική σκόνη τοποθετείται μέσα στο ελαστικό καλούπι. Η πάκτωση της σκόνης είναι πάρα πολύ σημαντική. Το ελαστικό κλείνεται ερμητικά (με έναν κόμπο, όπως σε ένα μπαλόνι) και όλο το ελαστικό βυθίζεται σε ένα μεγάλο δοχείο με λάδι. Το δοχείο αυτό έχει χαλύβδινα τοιχώματα μεγάλου πάχους για να αντέχουν σε πολύ μεγάλες πιέσεις (π.χ τόνους). Κλείνεται το καπάκι του το δοχείου του λαδιού και μετά ασκείται μεγάλη πίεση (π.χ tons) για ορισμένο (όχι μεγάλο) χρόνο (π.χ. 30s - 60s). Κατά τη διάρκεια της συμπίεσης, είναι προφανές ότι η πίεση ασκείται από το λάδι κάθετα σε όλα τα σημεία της επιφάνειας του δοκιμίου, όσο περίπλοκο σχήμα και να έχει αυτό (π.χ. ένας στροφαλοφόρος άξονας αυτοκινήτου ή μία βίδα). Μετά, το καλούπι απομακρύνεται από το λάδι και με προσοχή απομακρύνουμε από το καλούπι το δοκίμιο της συμπιεσμένης κεραμικής σκόνης. Η μέθοδος της ισοστατικής συμπίεσης απαιτεί πολύ μεγάλη εμπειρία. Διαφορετικά, το συμπιεσμένο δοκίμιο μπορεί να προκύψει σε πολλά μικρότερα κομμάτια (π.χ. μπορεί να μοιάζει σα μπανάνα κομμένη σε κυλινδρικά κομμάτια). Πολύ σημαντικές παράμετροι είναι η κοκκομετρία της σκόνης και η πολύ καλή πάκτωση πριν τη συμπίεση. Επίσης, σε Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 5

8 μεγάλα δοκίμια, για τη διατήρηση του σχήματος του ελαστικού καλουπιού μπορεί να χρησιμοποιηθούν και διάφορα βοηθήματα και ικριώματα (π.χ. από μέταλλο). Επειδή, όπως προαναφέρθηκε, μετά τη ξηρή συμπίεση το δοκίμιο είναι έτοιμο για πυροσυσσωμάτωση, μία εναλλακτική βελτιωμένη μέθοδος προτείνει η πυροσυσσωμάτωση να γίνεται μέσα στο καλούπι ταυτόχρονα με τη συμπίεση. Με απλά λόγια, η συμπίεση της σκόνης μπορεί να γίνει εν ψυχρώ (οπότε, η πυροσυσσωμάτωσή της θα γίνει σε άλλο στάδιο) ή εν θερμώ όπου συμπίεση και πυροσυσσωμάτωση μπορεί να γίνουν ταυτόχρονα. Στην περίπτωση της μονοαξονικής ή διαξονικής συμπίεσης, αυτό μπορεί να γίνει εάν το καλούπι είναι ταυτόχρονα και φούρνος. Όμως, κάποιος πρέπει να σκεφτεί ότι ενώ τα κεραμικά οξείδια δεν έχουν πρόβλημα οξείδωσης με την έψησή τους στον αέρα, τα μεταλλικά καλούπια θα υποστούν έντονη οξείδωση στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες πυροσυσσωμάτωσης των κεραμικών. Συνεπώς, για μία τέτοια τεχνολογική προσέγγιση, πρέπει να τοποθετηθεί η πρέσα μέσα σε ένα φούρνο που να λειτουργεί σε προστατευτική ατμόσφαιρα (ή κενό) για να προστατεύει και η κεραμική σκόνη και το καλούπι. Η πιο εξελιγμένη εν θερμώ μέθοδος ξηρής συμπίεσης είναι ισοστατική συμπίεση εν θερμώ (hot isostatic pressing, HIP), όπου το δοκίμιο υφίσταται ταυτόχρονα ισοστατική συμπίεση και έψηση στη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης. Μία, όμως, συσκευή HIP είναι πάρα πολύ ακριβή και ο όγκος της είναι όσο ένα μεγάλο δωμάτιο. Από τα παραπάνω, γίνεται προφανές ότι, κεραμικά υλικά μεγάλου μεγέθους και περίπλοκου σχήματος που παράγονται σε μεγάλες ποσότητες δεν μπορούν να κατασκευαστούν με τις μεθόδους ξηρής συμπίεσης ή η κατασκευή τους με αυτές τις μεθόδους είναι ασύμφορη οικονομικά, χρονοβόρος και υπάρχει μεγάλος κίνδυνος να αποτύχει η κατασκευή τους. Για την κατασκευή τέτοιων υλικών, οι υγρές μέθοδοι αποτελούν πολύ καλή λύση. Η γενική ιδέα είναι πολύ απλή. Η κεραμική σκόνη αιωρείται (δεν διαλύεται) σε ένα υγρό μέσο (π.χ. νερό). Το υγρό αιώρημα (suspension) μπορεί να χειριστεί και να μορφοποιηθεί πολύ εύκολα. Επίσης, στο αιώρημα, εφόσον αυτό είναι τελείως ομοιογενές, μπορεί να διασφαλιστεί η μέγιστη ομοιογένεια της γεωμετρικής προσέγγισης των σωματιδίων της κεραμικής σκόνης μεταξύ τους (δηλαδή αίρεται αυτόματα το πρόβλημα της ομοιογενούς πυκνότητας του άψητου δοκιμίου, όπως αναφέρθηκε στην περίπτωση της ξηρής συμπίεσης). Είναι επίσης αντιληπτό ότι, η μέθοδος αυτή είναι ιδανική εάν το τελικό κεραμικό αποτελείται από δύο οι περισσότερες κεραμικές πρώτες ύλες επειδή αυτές θα αναμιχθούν τέλεια (δηλαδή στη σωστή αναλογία) σε όλο τον όγκο του αιωρήματος. Όταν ο διαλύτης απομακρυνθεί με τη ξήρανση, το τελικό άψητο υλικό της κεραμικής σκόνης θα είναι σαν να έχει προέλθει από ξηρή συμπίεση, έτοιμο για πυροσυσσωμάτωση. Παρόλη τη φαινομενική απλότητα της μεθόδου και υπό το φως της δυνατότητας κατασκευής κάθε είδους άψητου κεραμικού δοκιμίου, η παρασκευή ενός καλής ποιότητας αιωρήματος είναι μία διεργασία πολύ σημαντική. Επίσης, πρέπει να διασφαλίζεται ότι, κατά τη ξήρανση δεν θα ανακύψουν κίνδυνοι να σχηματιστούν ρωγμές που θα οδηγήσουν στην κατάρρευση του κεραμικού μετά την πυροσυσσωμάτωση. Το αιώρημα παρασκευάζεται ως εξής: η σκόνη του κεραμικού αναμιγνύεται με το υγρό. Για λόγους οικονομικούς καθώς και για λόγους οικολογικούς και προστασίας Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 6

9 της δημόσιας υγείας των εργαζομένων, των περιοίκων καθώς και της χλωρίδας και της πανίδας της περιοχής γύρω από το χώρο κατασκευής των κεραμικών, σαφώς προτιμάται το νερό έναντι οργανικών πτητικών διαλυτών. Επίσης, πρέπει να είναι σίγουρο ότι δεν λαμβάνει χώρα καμία χημική αντίδραση μεταξύ της συγκεκριμένης κεραμικής σκόνης και του διαλύτη (που να αλλοιώσει τη χημική σύσταση της κεραμικής σκόνης). Το τελικό ζητούμενο του άψητου δοκιμίου είναι η ομοιογένεια της πυκνότητας των κόκκων της κεραμικής σκόνης σε όλη τη μάζα του και η μέγιστη πυκνότητα της κεραμικής σκόνης στο δοκίμιο. Το δεύτερο μπορεί να επιτευχθεί με τη μεγιστοποίηση της φόρτωσης του αιωρήματος (loading of suspension). Είναι προφανές ότι, ένα αραιό αιώρημα θα οδηγήσει σε ένα αραιό σε κεραμική σκόνη άψητο δοκίμιο, το οποίο δεν είναι επιθυμητό για να γίνει καλή πυροσυσσωμάτωση ενός κεραμικού. Στην πράξη, η φόρτωση των αιωρημάτων των κεραμικών κόνεων είναι περίπου 60-65%, δηλαδή σε 100 kg αιωρήματος, τα 65 kg είναι κεραμική σκόνη. Είναι προφανές ότι δεν είναι δυνατόν να παρασκευαστεί ένα αιώρημα με ελάχιστο διαλύτη. Έτσι, παρότι είναι πολύ επιθυμητό, είναι πάρα πολύ δύσκολο να επιτευχθεί η αύξηση της φόρτωσης του αιωρήματος π.χ. σε 70% ή 75%. Είναι προφανές ότι, μεγαλύτερη φόρτωση του αιωρήματος αυξάνει το ιξώδες του αιωρήματος. Έτσι, το φυσικοχημικό μέγεθος που χαρακτηρίζει την ποιότητα του αιωρήματος είναι το ιξώδες του. Όταν η κεραμική σκόνη αναμιχθεί με το υγρό, το μίγμα ανακατεύεται με τη βοήθεια ενός αναδευτήρα, όπως είναι ένα mixer σε εργαστηριακή κλίμακα ή με μεγάλες προπέλες στις μεγάλες δεξαμενές στη βιομηχανία. Το αιώρημα περνάει από κόσκινο ώστε να κατακρατηθούν τα συσσωματώματα και μετά τοποθετείται σε σφαιρόμυλο. Στο σφαιρόμυλο (ball milling) το αιώρημα ομογενοποιείται. Επίσης, οι κόκκοι του υλικού γίνονται λεπτότεροι (μικρότεροι σε μέγεθος). Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ποιότητα του αιωρήματος είναι η ταχύτητα περιστροφής, ο χρόνος μίξης, η αναλογία ανάμεσα στις σφαίρες με διαφορετικές διαμέτρους και η κατά βάρος αναλογία σφαιρών και αιωρήματος. Υπάρχουν πολλές επιστημονικές μελέτες και τεχνικές εκθέσεις στη βιβλιογραφία των κεραμικών με παράθεση πειραματικών αποτελεσμάτων αλλά και παρουσίαση μοντέλων και μηχανισμών με σκοπό να βελτιστοποιήσουν τους παράγοντες αυτούς, πάντα υπό το φως της μεγιστοποίησης της φόρτωσης του αιωρήματος σε κεραμική σκόνη. Πρέπει να σημειωθεί ότι, η βελτιστοποίηση των παραγόντων αυτών δεν αφορά μόνο στην οικονομική πτυχή (δηλαδή ότι πολύωρη ανάμιξη καταναλώνει πιο πολύ ενέργεια κλπ). Ο Μηχανικός στην κεραμική βιομηχανία γνωρίζει επίσης ότι πιο έντονη ή πολύωρη ανάμιξη δεν οδηγεί απαραίτητα σε καλύτερης ποιότητας αιώρημα. Συγκεκριμένα, εάν ένα αιώρημα αναμιχθεί σε υπερβολικά μεγάλο χρονικό διάστημα, τότε μπορεί να απομιχθεί (δηλαδή να χωρίσει η διεσπαρμένη φάση από την υγρή φάση). Επίσης, ένας άλλος πολύ σημαντικός παράγοντας που δεν είναι επιθυμητή η παρατεταμένη ανάμιξη σε σφαιρόμυλο είναι και η πιθανή μόλυνση του αιωρήματος. Για παράδειγμα, εάν το αιώρημα είναι από αλούμινα, είναι καλό, τόσο το δοχείο όσο και οι σφαίρες, να είναι επίσης από αλούμινα. Εάν είναι, για παράδειγμα, από πορσελάνη, τότε η πρόσκρουση των σκληρών σωματιδίων της αλούμινας θα προκαλέσει αποκόλληση σωματιδίων από τη πορσελάνη του δοχείου και των σφαιρών και έτσι το αιώρημα, όσο παρατείνεται η Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 7

10 μίξη, θα εμπλουτίζεται σε πορσελάνη, η οποία προφανώς θα πυροσυσσωματωθεί μαζί με την αλούμινα και έτσι το τελικό κεραμικό θα έχει χαμηλή καθαρότητα σε αλούμινα. Μετά την άλεση στο σφαιρόμυλο, το αιώρημα περνάει από κόσκινο για την κατακράτηση των πιθανών μεγάλων, σε διάσταση, συσσωματωμάτων και απαερώνεται με εφαρμογή κενού για την απομάκρυνση των φυσαλίδων του αέρα. Τώρα, το αιώρημα είναι έτοιμο για χύτευση. Αυτό μπορεί να επιβεβαιωθεί με μέτρηση του ιξώδους. Πρέπει να σημειωθεί ότι, εάν ο διαλύτης είναι πτητικός, τότε η εξάτμισή του λαμβάνει γρήγορα χώρα με αποτέλεσμα το ιξώδες του αιωρήματος να αυξάνεται πολύ γρήγορα με το χρόνο. Σε κάθε περίπτωση, η χύτευση του αιωρήματος έχει στόχο αφενός να δοθεί στο αιώρημα το σχήμα του τελικού κεραμικού, αφετέρου να ευνοεί η μέθοδος χύτευσης την απομάκρυνση της υγρής φάσης ε έναν δεύτερο χρόνο. Μία απλή μέθοδος είναι η μέθοδος χύτευσης αιωρήματος slip casting. Είναι ο πιο απλός και ευρέως διαδεδομένος τρόπος, δηλαδή να χυτευθεί το αιώρημα στην εσωτερική κοιλότητα ενός καλουπιού από γύψο. Ένα καλούπι από γύψο έχει πορώδες από τριχοειδείς πόρους. Το καλούπι αυτό κατασκευάζεται από ένα μίγμα γύψου και νερού το οποίο στερεοποιείται. Έτσι, όταν, κατά την κατασκευή του, το γύψινο καλούπι στεγνώσει, εφόσον δεν λαμβάνει χώρα καμία απολύτως ελάττωση του όγκου του καλουπιού, ο χώρος που καταλάμβανε το νερό, σχηματίζει τώρα το πορώδες του στεγνού καλουπιού. Γι αυτό, το πορώδες του γύψινου καλουπιού είναι πολύ μεγάλο ενώ το μέγεθος των πόρων είναι πολύ μικρό. Όταν το αιώρημα της κεραμικής σκόνης χυτευθεί μέσα σε ένα τέτοιο εντελώς στεγνό γύψινο καλούπι, το υγρό του αιωρήματος θα απορροφηθεί μέσα στους πόρους του γύψινου καλουπιού, όπως ακριβώς μουσκεύει ένα ύφασμα, δηλαδή λόγω δυνάμεων στα τριχοειδή αγγεία του πορώδους του γύψινου καλουπιού και όχι λόγω βαρύτητας. Όμως, το μικρό μέγεθος των πόρων του καλουπιού είναι απαγορευτικό για να επιτρέψουν τη διείσδυση και των μεγάλου μεγέθους σωματιδίων της κεραμικής σκόνης. Έτσι, ενώ το υγρό του αιωρήματος συνεχώς συνεχίζει να εγκαταλείπει το αιώρημα και να μουσκεύει το καλούπι, τα σωματίδια της κεραμικής σκόνης στοιβάζονται στα τοιχώματα του καλουπιού, σε όλα τα τοιχώματα και όχι μόνο τα κάτω, δεδομένου ότι έχει παρασκευαστεί ένα καλής ποιότητας αιώρημα, που σημαίνει ότι όλα τα σωματίδια της κεραμικής σκόνης αιωρούνται μέσα στο υγρό μέσο και δεν μπορούν να καθιζήσουν. Έτσι, πάω στα τοιχώματα του καλουπιού της γύψου, όσο περνάει ο χρόνος, σχηματίζεται ένα όλο και πιο παχύ στρώμα από πολύ πυκνή αλούμινα (το κέλυφος αυτό δεν είναι πια αιώρημα). Όταν το πάχος του κελύφους γίνει όσο επιθυμούμε, απομακρύνουνε το υπόλοιπο υγρό αιώρημα. Θα δούμε τότε ότι, το γύψινο καλούπι θα είναι μουσκεμένο ενώ πάνω στα τοιχώματα της εσωτερικής κοιλότητάς του θα είναι ένα καλοσχηματισμένο κέλυφος, σαν μία υγρή και στιλπνή κεραμική πάστα. Αφήνουμε ανάποδα καλούπι για να στεγνώσει το κεραμικό κέλυφος. Σε περίπου 30 min, το κεραμικό κέλυφος μπορεί να αποκολληθεί από την επιφάνεια του γύψινου καλουπιού. Έτσι, το κεραμικό κέλυφος μπορεί να παραληφθεί μόνο του για να προχωρήσει αμέσως μετά στο στάδιο της ξήρανσης για την πλήρη απομάκρυνση της υγρής φάσης. Πριν προχωρήσουμε στην παρουσίαση άλλων μεθόδων χύτευσης αιωρημάτων, πρέπει να αναφερθούν τι άλλα πρόσθετα μπορούν να προστεθούν στο αιώρημα. Στη ξηρή συμπίεση, είδαμε ότι, στη σκόνη μπορεί να προστεθεί για παράδειγμα PVA για να Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 8

11 διατηρείται η δομική ακεραιότητα του άψητου δοκιμίου. Όμοια, για τους ίδιους λόγους, όταν το αιώρημα στερεοποιηθεί, και σε ένα αιώρημα μπορεί να προστεθεί πολυμερικός συνδέτης. Όμως, όταν το αιώρημα στεγνώσει (μετά τη χύτευση), δεν πρέπει να κατακερματιστεί σε κομμάτια, όπως η ξεραμένη λάσπη μετά τη βροχή. Η προσθήκη πλαστικοποιητή (plastisizer) στο αιώρημα συμβάλει σε αυτό. Ο πλαστικοποιητής είναι σαν κόλλα. Έτσι, όταν στεγνώσει το αιώρημα, το κεραμικό κέλυφος έχει μία πλαστικότητα η οποία επιτρέπει την πολύ εύκολη μηχανική επεξεργασία και γενικώς, το κεραμικό κέλυφος προστατεύεται από δημιουργία ανεπιθύμητων μικρορωγμών που μπορεί να δημιουργηθούν από βίαιες μηχανικές καταπονήσεις (είτε κατά τη μεταφορά, είτε κατά την αποκόλληση από το γύψινο καλούπι, είτε κατά τη μορφοποίηση του στερεοποιημένου αιωρήματος, π.χ. κοπή, σκάλισμα, σμίλευση κλπ). Τέλος, αυτό που προέχει είναι να εξασφαλιστεί ο σχηματισμός αιωρήματος. Αιώρημα έχουμε όταν στερεά σωματίδια μεγέθους <1 μm αιωρούνται σε ένα υγρό μέσο. Κολλοειδές αιώρημα είναι, για παράδειγμα, το γάλα. Εάν τα στερεά σωματίδια δεν έχουν επιφανειακά φορτία, τότε τα στερεά σωματίδια θα καταβυθιστούν. Τα κεραμικά υλικά, ανάλογα με το ph του υγρού μέσου, αναπτύσσουν ηλεκτρικά φορτία (διαβάστε για το δυναμικό ζήτα, zeta potential). Μόνο στο ισοηλεκτρικό σημείο (pi), τα σωματίδια έχουν ουδέτερο φορτίο (δηλ. εάν pi σωματιδίων = ph διαλύματος, τότε το σύνολο των θετικών φορτίων είναι ίσο με το σύνολο των αρνητικών φορτίων). Έτσι, για ένα αιώρημα, πρέπει το ph του υγρού να μην είναι ίσο με το pi του κεραμικού. Επίσης, πρέπει κατά την ανάμιξη και την άλεση (ball-milling) να μη σχηματίζονται συσσωματώματα. Αυτό μπορεί να γίνει με προσθήκη ειδικών αντιδραστηρίων διασπορέα (deflocculants ή dispersants) τα οποία καταστέλλουν το σχηματισμό τέτοιων συσσωματωμάτων και ευνοούν τη διασπορά των σωματιδίων της κεραμικής σκόνης στο υγρό μέσο. Έτσι, τα αιωρήματα των κεραμικών κόνεων περιέχουν συνήθως όλα αυτά τα πρόσθετα. Όμως, ενώ η παρουσία όλων αυτών των αντιδραστηρίων σίγουρα είναι απαραίτητη γιατί αυτά διασφαλίζουν την καλή ποιότητα του τελικού κεραμικού, προφανώς, στο στάδιο της έψησης, όλα αυτά θα καούν σε θερμοκρασίες πολύ μικρότερες από τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης. Συνεπώς, η αυξημένη παρουσία τους στο αιώρημα και στο άψητο κεραμικό αυξάνουν το κόστος του τελικού προϊόντος. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές εργασίες που αφενός μελετούν διάφορες ουσίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρόσθετα για να κατασκευαστεί τελικά ένα καλό κεραμικό υλικό όπως προαναφέρθηκε, αφετέρου μελετούν πώς μπορεί να ελαχιστοποιηθεί η προσθήκη τους ώστε να μειωθεί το κόστος των παραγόμενων κεραμικών. Με τη μέθοδο του slip casting, κατασκευάζονται κεραμικά μεγάλου μεγέθους και πολύπλοκου σχήματος. Παραδείγματα είναι χωνευτήρια, βάζα, κούπες, κλπ. Όμως, η πιο σημαντική (κατ ελάχιστο από άποψη οικονομικής σημασίας) εφαρμογή είναι η κατασκευή ειδών υγιεινής. Στην περίπτωση αυτή, τα γύψινα καλούπια είναι πολύ μεγάλα (όσο είναι ένα γραφείο). Επίσης, λόγω του πολύπλοκου σχήματός τους, το γύψινο καλούπι αποτελείται από 4 ή 8 διαφορετικά κομμάτια τα οποία είναι δεμένα μεταξύ τους σε απόλυτη συναρμογή όταν χυτεύεται το αιώρημα ενώ λύνονται για να ληφθεί το κεραμικό άψητο δοκίμιο. Τα γύψινα καλούπια, εφόσον ξεραθούν, μπορούν Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 9

12 να ξαναχρησιμοποιηθούν (σημειώνεται ότι ταχεία ξήρανση των γύψινων καλουπιών μπορεί να οδηγήσει στην απόλυτη θραύση τους). Όμως, στα καλής ποιότητας κεραμικά, τα γύψινα καλούπια δεν χρησιμοποιούνται περισσότερες από 5-6 συνολικά φόρες και μετά απορρίπτονται). Ένα γύψινο καλούπι θα απορροφά ταχύτερα το νερό και θα σχηματίζει ταχύτερα το κέλυφος του κεραμικού στην εσωτερική του επιφάνεια εάν έχει πιο μεγάλο πορώδες (και αντίστροφα). Μεγάλο πορώδες σημαίνει ότι, η αναλογία νερού/γύψο που χρησιμοποιείται όταν το γύψινο καλούπι κατασκευάζεται, είναι μεγάλη (και αντίστροφα). Στη βιομηχανία κεραμικών, η αναλογία νερού/γύψο ποικίλει από 1/1.2 έως 1/1.4. Έτσι, αν πρέπει να κατασκευαστούν μεγάλα δοκίμια σε μία βιομηχανία κατασκευής παραδοσιακών κεραμικών, θα προτιμηθούν μεγάλες ταχύτητες απορρόφησης (άρα μεγάλο πορώδες). Όμως, η ταχεία αύξηση του πάχους του κελύφους θα οδηγήσει σε μία πιο φτωχή ομοιογένεια στην πάκτωση (και την πυκνότητα) του κεραμικού κελύφους. Εάν τα παραγόμενα δοκίμια είναι μικρά και εάν η υψηλή ομοιογένεια της πυκνότητας του άψητου δοκιμίου είναι το ζητούμενο (π.χ. δομικά κεραμικά για βιοϊατρικές εφαρμογές), τότε η μικρή ταχύτητα απορρόφησης του διαλύτη είναι απαραίτητη, κάτι που εξασφαλίζεται από μικρό πορώδες του γύψινου καλουπιού. Μία μέθοδος επιταχυνόμενης απομάκρυνσης του υγρού από το αιώρημα είναι η μέθοδος του injection molding, όπου το αιώρημα πιέζεται μηχανικά ώστε να προχωρήσει ταχύτερα μέσα στο πορώδες του καλουπιού. Προφανώς, τα καλούπια αυτά είναι ειδικά. Το αιώρημα μπορεί, επίσης, να αφεθεί να στεγνώσει με φυσικό τρόπο μέσα στο καλούπι. Με τον τρόπο αυτό, η ξήρανση γίνεται πιο αργά. Η μέθοδος αυτή μπορεί να προτιμηθεί εάν πρέπει να κατασκευαστεί κεραμικό με πολύ μικρό πορώδες μετά την πυροσυσσωμάτωση (δηλ. ~100% σχετική πυκνότητα σε σχέση με τη θεωρητική). Στις περιπτώσει αυτές, το αιώρημα μπορεί να είναι πιο πυκνό (με πολύ μεγάλη φόρτωση). Μία ειδική μέθοδος που το αιώρημα ξηραίνεται με φυσικό τρόπο στο περιβάλλον εφαρμόζεται για την κατασκευή ταινιών μεγάλης επιφάνειας και πολύ λεπτού πάχους (<1 mm). Λόγω της μεγάλης επιφάνειας, είναι αδύνατον να κατασκευαστούν οι ταινίες αυτές με τη μέθοδο της ξηρής συμπίεσης (δεδομένου ότι το μέγεθος της επιφάνειας είναι στον παρονομαστή της εξίσωσης της πίεσης, η δύναμη που θα έπρεπε να ασκηθεί θα ήταν τεράστια). Επίσης, με τη μέθοδο χύτευσης αιωρήματος, η μέθοδος κατασκευής της ταινίας είναι συνεχής. Συγκεκριμένα, το αιώρημα χυτεύεται σε έναν πλαστικό διάδρομο. Η απόσταση από τη χοάνη με το πλαστικό υπόστρωμα καθορίζει το πάχος της ταινίας. Η ταχύτητα κίνησης της ταινίας και το ιξώδες του αιωρήματος είναι πολύ σημαντικές παράμετροι. Καθώς η ταινία προχωράει, το αιώρημα εισέρχεται σε ειδικό φούρνο τύπου τούνελ για να ξηραθεί και ακόμα και να πυροσυσσωματωθεί στο τέλος της διαδρομής. Τέτοιες κεραμικές ταινίες χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εφαρμογές, π.χ. πιεζοηλεκτρικά κεραμικά, διηλεκτρικά υποστρώματα, υποστρώματα για ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα, πυκνωτές πολλαπλών στοιβάδων, υπεραγώγιμα υλικά, σύνθετα κεραμικά, αισθητήρες πολλαπλών φύλλων κλπ. Μία εφαρμογή με ειδικό ενδιαφέρον είναι η δομή σάντουιτς στα SOFC (solid oxide fuel cells), όπου ένα σύστημα ανόδου/ηλεκτρολύτη/καθόδου, όλα Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 10

13 κατασκευασμένα από κεραμικές ταινίες, μπορούν, όταν βρεθεί στους 900 ο C, να μετατρέπουν με υψηλότατο συντελεστή μετατροπής τη χημική ενέργεια της οξείδωσης του υδρογόνου από οξυγόνο προς σχηματισμό νερού σε ηλεκτρική (εάν λυθεί το πρόβλημα της χαμηλής ισχύος των SOFCs, θα αποτελέσουν τις οικολογικές μπαταρίες του μέλλοντος). Μια πολύ μοντέρνα μέθοδος που αξιοποιεί τη χυτευσιμότητα των αιωρημάτων είναι η μέθοδος ταχείας προτυποποίησης (rapid prototyping). Με τη μέθοδο αυτή, ένας εκτυπωτής τύπου inject σχηματίζει τρισδιάστατα δοκίμια. Συγκεκριμένα, η κεφαλή του εκτυπωτή ψεκάζει πολλές φορές επάνω από το ίδιο σημείο και έτσι χτίζει σιγά-σιγά αλλά προοδευτικά και την τρίτη διάσταση του δοκιμίου, δηλαδή το ύψος του (ο απλός εκτυπωτής ενός υπολογιστή, όταν εκτυπώνει, χτίζει τα «δοκίμια» που φτιάχνει, δηλαδή τα γράμματα που εκτυπώνει, ουσιαστικά σε δύο διαστάσεις). Στα πολυμερή υλικά, η μέθοδος είναι αρκετά διαδεδομένη. Στα κεραμικά, δεν υπάρχει μεγάλη γνώση για κατασκευή κατάλληλων αιωρημάτων για έναν τέτοιο inject printer. Στις μέρες μας, μπορούν να κατασκευαστούν πρότυπα δείγματα, όπως είναι οδοντικά κεραμικά εμφυτεύματα. Στη βιοϊατρική, για παράδειγμα, μία κρανιακή κάκωση είναι συνήθως απρόβλεπτη ως προς το σχήμα της. Έτσι, ο χειρουργός, αν χρειαστεί να εμφυτεύσει ένα κεραμικό εμφύτευμα, αυτό θα έχει ένα τυχαίο σχήμα ανάλογα με την κάκωση (τραυματισμό) του ασθενούς. Αυτό λοιπόν το κεραμικό θα μπορεί να κατασκευαστεί με απόλυτη ακρίβεια με τη μέθοδο του rapid prototyping. Σήμερα, ένα τέτοιοι tailor made («κομμένο και ραμμένο», δηλαδή) για τον κάθε ασθενή δοκίμιο μπορεί να κατασκευαστεί με slip casting ή injection molding. Εκτός από τις παραπάνω τεχνικές της ξηρής συμπίεσης και της χύτευσης αιωρημάτων, η αρχαιότερη μέθοδος μορφοποίησης κεραμικών είναι αγγειοπλαστική. Οι μέθοδοι αυτές λέγονται πλαστικές. Είναι γνωστό ότι, στον απλό κόσμο συχνά γίνεται συνταύτιση μεταξύ αγγειοπλαστικής και κεραμικών. Βασικό στοιχείο της αγγειοπλαστικής είναι ο αγγειοπλαστικός τροχός. Ο αγγειοπλαστικός τροχός αναφέρεται από τον Όμηρο και πιστεύεται ότι ήρθε στον Ελλαδικό χώρο από την ανατολή. Από όσα αναφέρθηκαν προηγουμένως, είναι προφανές ότι δεν είναι εύκολο (ίσως αδύνατον) να κατασκευαστεί ένα κεραμικό δοκίμιο από αλούμινα ή σίλικα με τον αγγειοπλαστικό τροχό. Για να μπορέσει ένα κεραμικό να μορφοποιηθεί με πλαστικές μεθόδους, πρέπει οι πρώτες ύλες να περιέχουν φυλλόμορφες αργίλους, τύπου καολινίτη, μουσκοβίτη, ιλίτη κλπ. Η δομή αυτών των αργίλων επιτρέπει να έχουν τη γνωστή πλαστικότητά τους. Στη βιομηχανία των κεραμικών υλικών, πρώτες ύλες τέτοιου τύπου αναμιγνύονται με άλλα συστατικά, π.χ. χαλαζίας και άστριοι, και αλέθονται όλα μαζί. Το μίγμα υγραίνεται ελαφρά ώστε να κατασκευαστεί μία πάστα (με υφή σαν πλαστελίνη). Η κεραμική πάστα εισέρχεται σε μηχανή εξώθησης (extrusion). Η μηχανή αυτή αποτελείται από έναν ατέρμονα κοχλία ο οποίος προωθεί συνεχώς την πάστα. Στο τελικό στάδιο στη συσκευή, εφαρμόζεται κενό ώστε να απομακρυνθούν οι φυσαλίδες από την πάστα (αν η πάστα έχει φυσαλίδες, τότε, όταν το κεραμικό θερμανθεί, η διαστολή των αερίων στις φυσαλίδες μπορεί να οδηγήσουν στη θραύση του κεραμικού). Η πάστα προωθείται για να περάσει τελικά μέσα από τη σχισμή κατάλληλου ακροφύσιου που δίνει το σχήμα του προφίλ του κεραμικού. Μία λεπίδα (ή Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 11

14 μία ισχυρή κλωστή) κόβει τη μορφοποιημένη πάστα που βγαίνει από τον εξωθητή σε συγκεκριμένα μήκη (π.χ. στο μήκος του τούβλου ή του πλακιδίου κλπ). Με τη μέθοδο της εξώθησης κατασκευάζονται κεραμίδια, τούβλα, κεραμικά πλακίδια, κεραμικοί σωλήνες κλπ. Από όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, το πολύ σημαντικό στα κεραμικά που κατασκευάζονται με πλαστικές μεθόδους αφορά κυρίως στις πρώτες ύλες καθώς και στις αναλογίες τους στο τελικό μίγμα. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι στο μίγμα των πρώτων υλών, τα υλικά που έχουν τα συστατικά με πλαστικά χαρακτηριστικά βρίσκονται στα λεπτόκκοκα κλάσματα του μίγματος ενώ τα σκληρά και δύσπλαστα υλικά (π.χ. οι άστριοι) είναι στα χονδρόκοκκα. Με πλαστικές μεθόδους κατασκευάζονται και τα είδη εστίασης (πιάτα, πιατέλες), με τη διαφορά ότι δεν χρησιμοποιείται εξωθητής αλλά πρέσα, όπου το μίγμα του πηλού συγκεκριμένου βάρους τοποθετείται σε πρέσα. Όταν η πρέσα πιέσει το μίγμα, σχηματίζει το κεραμικό που πρέπει να κατασκευαστεί. Επίσης, στις πλαστικές μεθόδους εντάσσεται και η χρήση του αγγειοπλαστικού τροχού όπου το κεραμικό μορφοποιείται με το χέρι. Στην περίπτωση αυτή, κάθε κεραμικό δεν μπορεί να είναι ακριβώς ίδιο με τα υπόλοιπα (δηλαδή έχουμε μηδενική επαναληψιμότητα). Αυτό ασφαλώς μπορεί να είναι σε κάποιες περιπτώσεις και προτέρημα (π.χ. ένα μοναδικό έργο τέχνης, π.χ. ένα χειροποίητο πιάτο κλπ). Επίσης, το κόστος του τελικού προϊόντος εξαρτάται από το εργατικό κόστος (είναι γνωστό ότι σε μερικές χώρες, το κόστος της ημερήσιας αποζημίωσης ενός εργάτη είναι πιο μικρό από ότι τη χρήση μηχανών). Στις πλαστικές μεθόδους, πρέπει να σημειωθεί ότι, εάν γίνει ανάλυση του άψητου δοκιμίου μετά τον εξωθητή με περίθλαση ακτίνων Χ, είναι πολύ πιθανόν να ενισχυθούν οι κορυφές σε χαμηλές γωνίες 2θ. Όπως είναι γνωστό, στις μικρές γωνίες καταγράφονται οι περιθλάσεις από τις πλεγματικές αποστάσεις ανάμεσα στα φύλλα των αργίλων. Η εξώθηση ευθυγραμμίζει κατά μήκος του άξονα της εξώθησης τα φύλλα αυτών των αργίλων. Έτσι, οι κορυφές αυτές γίνονται πιο έντονες όταν το κεραμικό κατασκευάζεται με τη μέθοδο της εξώθησης, ακόμα και όταν οι πρώτες αυτές ύλες είναι σε μικρή αναλογία μέσα στο μίγμα των κεραμικών κόνεων. Στάδιο 6: Ξήρανση Η ξήρανση είναι μία διεργασία που προφανώς εφαρμόζεται μόνο στις περιπτώσεις που η μορφοποίηση της κεραμικής σκόνης έχει συμπεριλάβει υγρή φάση. Σε κάθε περίπτωση, το κεραμικό όταν θα εισέλθει στον κλίβανο για να ψηθεί και να πυροσυσσωματωθεί, πρέπει να είναι απολύτως στεγνό. Η ξήρανση, αν και φαινομενικά είναι μία εύκολη διεργασία, στην κεραμική βιομηχανία και τεχνολογία είναι πάρα πολύ σημαντική, γιατί αν δεν γίνει καλά μπορεί να οδηγήσει σε ολική καταστροφή του κεραμικού όταν αυτό πυροσυσσωματωθεί, και φυσικά είναι χρονοβόρος. Το τελευταίο σημαίνει ότι, η ξήρανση αφενός είναι το στάδιο της κατασκευής που καθυστερεί τη γραμμή παραγωγής αφετέρου απαιτεί τεράστιους αποθηκευτικούς χώρους στη βιομηχανία. Ας μη διαφεύγει, επίσης, της προσοχής ότι το άψητο δοκίμιο είναι εξαιρετικά ασθενές μηχανικά. Συνεπώς, το δοκίμιο εκτίθεται σε περισσότερους κινδύνους να καταστραφεί όσο παρατείνεται ο χρόνος ανάμεσα στη μορφοποίηση και στην τελική έψηση. Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 12

15 Η ξήρανση των κεραμικών δοκιμίων πρέπει να γίνει αργά. Μία συνήθεις διαδικασία ξήρανσης περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια. Το κεραμικό, μετά την απομάκρυνση από το καλούπι (π.χ. από το slip casting, το tape casting, τον εξωθητή, ή τον αγγειοπλαστικό τροχό), αφήνεται να στεγνώσει σε φυσικό περιβάλλον για περίπου 1 μέρα. Μετά, εισάγεται σε κλίβανο με θερμοκρασία ρεύματος θερμού αέρα περίπου 40 ο C - 45 ο C για 24 ώρες για να επιταχυνθεί η εξάτμιση του νερού (εάν υπάρχει άλλο υγρό, π.χ. οργανικό, οι θερμοκρασίες και οι χρόνοι μπορεί να είναι διαφορετικοί). Τέλος, το κεραμικό στεγνώνει εντελώς με εισαγωγή του σε κλίβανο θερμαινόμενου αέρα 105 o C για μισή μέρα. Είναι πολύ σημαντικό, όταν το κεραμικό βγει από τον κλίβανο των 105 o C να μην υποστεί θερμικό αιφνιδιασμό όταν βρεθεί σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Παρά το γεγονός ότι η διαφορά θερμοκρασίας βαθμών είναι μικρή σε σχέση με την υψηλή πυριμαχηκότητα των κεραμικών, η ταχεία έκθεση του κεραμικού σε αυτήν τη θερμοκρασιακή διαφορά μπορεί να οδηγήσει σε σχηματισμό αόρατων μικρορωγμών που θα εμφανιστούν με μορφή κανονικών ρωγμών όταν το κεραμικό πυροσυσσωματωθεί. Η αντοχή του άψητου δοκιμίου σε τέτοιους θερμικούς αιφνιδιασμούς εξαρτάται από τη φύση του κεραμικού ή τη σύσταση του κεραμικού (εάν υπάρχουν περισσότερες της μίας πρώτες ύλες). Σε κάθε περίπτωση η αργή ψύξη του υλικού ελαττώνει αυτές τις περιπτώσεις καταστροφικής επίδρασης. Φυσικά, και η παρουσία πλαστικοποιητή συντελεί αποφασιστικά στην απορρόφηση τέτοιων μηχανικών τάσεων λόγω αλλαγής θερμοκρασίας. Πρέπει να σημειωθεί ότι κατά τη ξήρανση δεν λαμβάνει χώρα καμία αλλαγή (π.χ. μείωση) των διαστάσεων του δοκιμίου (εκτός εάν ο όγκος των πρώτων υλών επηρεάζεται από το νερό κλπ.). Εάν κάποιος προσπαθήσει να επιταχύνει τη διαδικασία της ξήρανσης, όπως για παράδειγμα τοποθετώντας τα κεραμικά απευθείας στον κλίβανο των 105 o C, το κεραμικό δοκίμιο θα σπάσει. Αυτό οφείλεται στην τεράστια αύξηση της πίεσης στα τριχοειδή αγγεία στο κεραμικό δοκίμιο όταν εξατμίζεται η τελευταία σταγόνα. Λόγω της εξίσωσης Laplace, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος του τριχοειδούς αγγείου, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση. Με όσα αναφέρθηκαν μέχρι τώρα, πρέπει να έγινε αντιληπτό ότι, η εξάτμιση λαμβάνει χώρα σε πίεση 1 atm αυξάνοντας μόνο τη θερμοκρασία. Αν και αυτές είναι οι συνθήκες για τη ξήρανση της πλειονότητας των κεραμικών, υπάρχουν και άλλες δυνατές τεχνολογικά προσεγγίσεις που μπορούν να εφαρμοστούν ανάλογα με τις απαιτήσεις και τις εφαρμογές τυο τελικού προϊόντος. Έτσι, απομάκρυνση του διαλύτη μπορεί να λάβει χώρα αλλάζοντας την ατμοσφαιρική πίεση, για παράδειγμα αν το υγρό κεραμικό βρεθεί στις συνθήκες του τριπλού σημείου του υγρού. Για το νερό αυτό δεν είναι ίσως τόσο εύκολα εφικτό αλλά ίσως είναι ελκυστικό για περιπτώσεις άλλων οργανικών διαλυτών. Επίσης, από την εξίσωση Laplace, η πίεση στα τριχοειδή αγγεία (η οποία αν αυξηθεί πολύ μπορεί να οδηγήσει σε άσκηση πολύ υψηλών πιέσεων στα τοιχώματα των τριχοειδών αγγείων του κεραμικού με αποτέλεσμα να τα ρηγματώσει) μπορεί να ελαττωθεί εάν η επιφανειακή τάση του υγρού ελαττωθεί. Το νερό έχει πολύ υψηλή επιφανειακή τάση ενώ η επιφανειακή τάση των οργανικών διαλυτών είναι πολύ χαμηλότερη. Έτσι, αν και η χρήση των οργανικών διαλυτών δεν ενδείκνυται λόγω Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 13

16 υψηλού κόστους, οικολογικής προστασίας και προστασίας της δημόσιας υγείας, είναι ελκυστική γιατί μπορεί να διευκολύνει την ξήρανση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Στάδιο 7: Έψηση Πυροσυσσωμάτωση Ανάμεσα σε όλα τα στάδια της γραμμής παραγωγής κεραμικών, η πυροσυσσωμάτωση (sintering στα Αγγλικά) σαφώς καταλαμβάνει την πιο σπουδαία θέση. Είναι η διεργασία με την οποία το κεραμικό παίρνει τις χαρακτηριστικές και τελικές του ιδιότητες, όπως είναι η υψηλή μηχανική αντοχή και σκληρότητα, η υψηλή χημική ευστάθεια αλλά και η ψαθυρότητα. Μετά την πυροσυσσωμάτωση, ουσιαστικά τίποτα δεν μπορεί να τροποποιηθεί στο υλικό. Υπ αυτήν την προσέγγιση, όλα τα στάδια πριν την πυροσυσσωμάτωση ουσιαστικά προετοιμάζουν το υλικό ώστε να υποστεί μία επιτυχή πυροσυσσωμάτωση. Επίσης, η πυροσυσσωμάτωση είναι η πλέον ενεργοβόρος διεργασία σε όλη τη γραμμή παραγωγής. Συνεπώς, αποτελεί τεχνολογική πρόκληση για το Μηχανικό Υλικών να πετύχει, χωρίς καμία έκπτωση της ποιότητα του τελικού προϊόντος, την ελάττωση της θερμοκρασίας αλλά και του χρόνου πυροσυσσωμάτωσης. Αυτό κυρίως επιτυγχάνεται με βελτίωση του μίγματος των πρώτων υλών. Τέλος, η πυροσυσσωμάτωση είναι η βασική μέθοδος κατασκευής κεραμικών υλικών ενώ σε άλλες κατηγορίες υλικών (π.χ. μέταλλα) πιθανώς να εφαρμόζεται αλλά όχι ως η κύρια μέθοδος κατασκευής τους σε μεγάλες ποσότητες. Για την πυροσυσσωμάτωση, όπως έγινε αντιληπτό από τα προηγούμενα, χρησιμοποιούνται σκόνες. Τα προηγούμενα στάδια περιέγραψαν τις μεθόδους που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε τα σωματίδια των κόνεων αυτών να έρθουν σε επαφή το ένα πολύ κοντά στο άλλο, εξασφαλίζοντας, επίσης, τη μέγιστη πυκνότητα των σωματίδιων αυτών και την ομοιογένεια στην πυκνότητα και στην κατανομή των διαφόρων φάσεων (εάν έχουμε περισσότερες της μίας πρώτες ύλες) στο άψητο κεραμικό δοκίμιο. Για το λόγο αυτό, όλη η τεχνολογία λέγεται Τεχνολογία Κόνεων και η διαδικασία καλείται Κονιομεταλλουργία (οι δύο όροι στα Αγγλικά αποδίδονται με τους όρους powder technology και powder metallurgy, αντίστοιχα). Η πυροσυσσωμάτωση λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασίες μικρότερες του σημείου τήξης του κεραμικού. Συγκεκριμένα, έχει παρατηρηθεί ότι σε ένα υλικό, σε θερμοκρασίες περίπου 70%-80% του σημείου τήξης του, αν και είναι στερεό, η κινητική της διάχυσης είναι αρκετά υψηλή. Έτσι, όταν δύο σωματίδια είναι σε επαφή, όταν η θερμοκρασία είναι στην περιοχή αυτή, τότε το σημείο επαφής διευρύνεται, σχηματίζεται ένας λαιμός ανάμεσα στα δύο σωματίδια και τελικά το όλο φαινόμενο οδηγεί σε πλήρη ένωση των δύο αυτών σωματιδίων. Ο λαιμός διευρύνεται γιατί μάζα από τα δύο σωματίδια μεταφέρεται στην περιοχή του λαιμού. Η μάζα αυτή προέρχεται από διάχυση όγκου (δηλ. μάζα από το εσωτερικό των σωματιδίων μεταφέρεται στο λαιμό), από ενδοκρυσταλλική διάχυση με μεταφορά ολόκληρων κρυσταλλιτών στην περιοχή του λαιμού, από διάχυση επιφάνειας (δηλ. μάζα μεταφέρεται μέσω της κυρτής επιφάνειας των σωματιδίων στην κοίλη επιφάνεια του λαιμού) και από εξάτμιση από τις επιφάνειες των σωματιδίων και επανασυμπύκνωση στην κοίλη επιφάνεια του λαιμού. Τα φαινόμενα αυτά λαμβάνουν χώρα μόνο σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες και εφόσον τα δύο σωματίδια είναι συνδεμένα μεταξύ τους. Το τελευταίο έχει εξασφαλιστεί με τις μεθόδους μορφοποίησης. Επίσης, γίνεται αντιληπτό ότι τυχόν μικρορωγμές, δεν Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 14

17 θα επιτρέψουν την ομοιόμορφη συγκόλληση των σωματιδίων σε όλη τη μάζα του κεραμικού κατά την πυροσυσσωμάτωση. Από την παραπάνω περιγραφή γίνεται προφανές ότι με την πυροσυσσωμάτωση κλείνουν σταδιακά οι πόροι του υλικού, ελαττώνεται το πορώδες, το υλικό γίνεται πιο συμπαγές, σχηματίζονται οι κόκκοι του, δηλαδή η μικροδομή του, και έτσι παίρνει την τελική του μηχανική αντοχή. Έτσι, είναι ευνόητο ότι κατά την πυροσυσσωμάτωση το κεραμικό υλικό συρρικνώνεται. Ο βαθμός συρρίκνωσης εξαρτάται από το υλικό. Όμως είναι προφανές ότι, εάν δεν έχει επιτευχθεί καλή πάκτωση του άψητου δοκιμίου κατά τις μεθόδους μορφοποίησης (π.χ. εάν το αιώρημα είναι πολύ αραιό), τότε η συρρίκνωση θα είναι πολύ μεγάλη. Γενικώς, πάντως, η πολύ μεγάλη συρρίκνωση κατά την πυροσυσσωμάτωση εκθέτει το κεραμικό σε κίνδυνο να θραυτεί. Για να ελαττωθεί ο κίνδυνος θραύσης λόγω της συρρίκνωσης, η ταχύτητα ανόδου της θερμοκρασίας είναι συνήθως πολύ μικρή, 2 ή και 1 βαθμός ανά λεπτό. Η πυροσυσσωμάτωση λαμβάνει χώρα σχετικά γρήγορα. Έτσι σε μισή ή 1 ώρα, όλες οι συγκολλήσεις μεταξύ των σωματιδίων της κεραμικής σκόνης σε ένα δοκίμιο μπορεί να έχουν ολοκληρωθεί εφόσον το υλικό βρίσκεται σε θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης. Η ταχύτητα ψύξης μπορεί να είναι πιο μεγάλη (π.χ. 5 βαθμοί/min) δεδομένου ότι το υλικό έχει πια πυροσυσσωματωθεί. Σε μερικές περιπτώσεις, ανάλογα με το κεραμικό, ενώ το ανοιχτό πορώδες έχει εντελώς κλείσει, υπάρχει κλειστό πορώδες κυρίως στα τριπλά σημεία επαφής των κόκκων. Τα κενά αυτά, που μπορεί να είναι ένα πορώδες της τάξης του 4%, αδυνατούν μηχανικά το τελικό κεραμικό. Στην περίπτωση αυτή, για να έχουμε ένα απολύτως συμπαγές πυροσυσσωματωμένο κεραμικό, στις πρώτες ύλες μπορεί να προστεθεί σε μικρή ποσότητα (π.χ. 2-3%) και ένα άλλο κεραμικό υλικό το οποίο αντιδρά με το βασικό κεραμικό και είτε διαλύεται στο κρυσταλλικό πλέγμα του, είτε (το πιο σύνηθες) δημιουργεί μία υαλώδη φάση η οποία συγκεντρώνεται στα όρια των κόκκων και έτσι κλείνει κάθε πόρο. Η παρουσία τέτοιων υλικών δημιουργεί ευτηκτικές υγρές φάσεις κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης και έτσι ελαττώνεται η θερμοκρασία της πυροσυσσωμάτωσης και διευκολύνεται η αναδιάταξη των κόκκων κατά την πυροσυσσωμάτωση. Ο μηχανισμός αυτός λέγεται στα Αγγλικά liquid phase sintering και τα αντιδραστήρια αυτά λέγονται fluxing agents. Τέτοια ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά είναι το B 2 O 3, το MgO κ.α. Όμως, εάν το κεραμικό υλικό πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για ηλεκτρονικές εφαρμογές, τότε είναι απολύτως ανεπιθύμητη και η παραμικρή πρόσμιξη. Όμως, σε τέτοιες εφαρμογές, το κεραμικό υλικό δεν υφίσταται μηχανική καταπόνηση. Έτσι, το μικρό κλειστό πορώδες δεν έχει καμία σημασία. Συνεπώς, η τελική εφαρμογή (δομική ή ηλεκτρονική) θα καθορίσει εάν στις πρώτες ύλες θα προστεθεί ή όχι και κάποιο υλικό που να υποβοηθήσει την πυροσυσσωμάτωση. Η πυροσυσσωμάτωση λαμβάνει χώρα κατά το στάδιο της έψησης (firing στα Αγγλικά). Η έψηση μπορεί να γίνει σε έναν εργαστηριακό φούρνο με απλές ηλεκτρικές αντιστάσεις. Όμως, στη βιομηχανία, αφενός η ανάγκη για συνεχή παραγωγή αφετέρου η ελάττωση του κόστους, απαιτεί οι φούρνοι αυτοί να λειτουργούν συνεχώς (αποκλείεται ο φούρνος μια να θερμαίνεται και μία να ψύχεται) και να λειτουργούν με φυσικό αέριο, δεδομένου ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι εξαιρετικά ακριβό. Η χρήση Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος 15