Basic HTML Version
52
Keramický zpravodaj 29 (6) (2013)
HISTORIE
(History)
KERAMICKÉ ozvěny (5)
(Echoes of ceramics (5))
Jaroslav KUnc
Teplotní roztažnost a keramická praxe
Při hodnocení chování jílů za ohřevu jsme probírali [1], jak
při příliš rychlém ohřevu dochází v teplotních oblastech
náhlých objemových změn ke vzniku prasklin. Tentokrát
se zaměříme na materiálovou vlastnost týkající se
teplotní roztažnosti. Keramik se s ní běžně setká u glazur
a u vyzdívek vypalovacích agregátů. V prvním případě musí
řešit průběžně příslušnou technologickou problematiku,
ve druhém se musí zabývat udržováním spolehlivé funkce
pecních agregátů po dlouhou dobu a řešit s tím spojenou
ekonomii výroby.
Teplotní (tepelná) roztažnost se hodnotí u pevných materiálů
pomocí koeficientu vyjadřovaného známým vzorcem
l
t
=l
0
∙(1+
α
∆t), resp. l-l
0
=l
0
∙
α
(t-t
0
). Koeficient
α
platí jen pro
vymezené teplotní rozmezí (t-t
0
), v němž se hodnotí jako
průměrná lineární roztažnost materiálu. Je to sice určité
zjednodušení, ale z hlediska praxe postačující. Koeficient
α
se udává ve dvojí rovnocenné exponenciální formě (
є
∙10
-6
,
nebo
є
∙10
-7
) představující poměrnou roztažnost na jeden °C
(resp. K). Pevné látky vykazující nepřeberné množství
strukturních variací mají koeficient roztažnosti vesměs
kladný, pouze zcela výjimečně záporný. Čtenář si může najít
velmi mnoho údajů o roztažnosti různých pevných látek na
internetu [2].
Při sledování roztažnosti pevných materiálů musíme přísně
dbát na jejich strukturu a homogenitu. Zaměřme se nejprve
na krystalické materiály. u krystalů jako takových, musíme
rozlišovat roztažnost nejen podle jejich druhu, ale i podle
jejich krystalických os, neboť ta je s výjimkou krychlové
soustavy různá. Pokud pak ještě navíc při ohřevu některých
krystalických látek dochází k modifikační přeměně, tak je
to spojeno i se změnou koeficientu tepelné roztažnosti.
Vezměme si typický příklad z keramiky: křemen, známý
svým prizmatickým šestibokým tvarem s jehlanovitým
zakončením, se roztahuje podélně s hlavní osou výrazně
méně nežli v osách vedlejších. Koeficient
α
pro hlavní osu má
hodnotu 7,7∙10
-6
, pro vedlejší osu
α
=14∙10
-6
. Proto se hrubě
krystalický křemenec složený z náhodně orientovaných
krystalů snadno v žáru rozpadá (vlivem vzájemného
odtlačování jednotlivých krystalů). Při 573 °C křemen
mění modifikaci
β
na
α
spojenou s prudkým nárůstem, při
čemž tato změna je vratná. Pak při dalším ohřevu křemen
α
žádnou další roztažnost nevykazuje, spíše naopak, avšak
jen potud, pokud při výpalu nad 870 °C nedochází k dalším
přitom hlubším a trvalým nevratným modifikačním změnám
na tridymit a cristobalit. Tyto modifikace SiO
2
se vyznačují
zvláště velkou změnou roztažností a to při 170-300 °C
v důsledku vlastních rychlých a vratných modifikačních
přeměn. Jsou podstatnou složkou dinasu a proto dinasové
kameny je třeba v uvedeném teplotním rozmezí zvláště
pomalu zahřívat či chladit, aby se předešlo jejich rozpadu.
Jmenované modifikační přeměny krystalických fází SiO
2
lze
příznivě ovlivňovat přídavkem mineralizátorů, což jsou oxidy
vápníku a železa. Jiný příklad důležité modifikační změny
se týká vysoce žárovzdorného materiálu na bázi ZrO
2
,
vmoderní době široce používaného v nejnáročnějších částech
pecních vyzdívek (sklářství, hutnictví). V tomto případě
jde o potlačení rychlé modifikační změny kolem 1150 °C,
spojené s velkou změnou roztažnosti (
≈
2,5 %), k čemuž
se používá přídavku oxidů Mg, Y, Ca, Ce. Jimi se stabilizuje
struktura (kubická s pevnými roztoky uvedených oxidů) bez
dalších náhlých objemových změn. Pokud krystalická látka
je složena z náhodně orientovaných jednotlivých více či
méně ideálních krystalů, je nutno při měření roztažnosti brát
tuto skutečnost v úvahu – např. u kompaktních křemenců
sestávajících z nahodile orientovaných křemenných zrn se
koeficient roztažnosti nachází v rozmezí 11-12∙10
-6
.
U skel je roztažnost obecně větší než u krystalů a je také velmi
různá. Měření
α
s ohledem na jejich běžnou homogenitu není
prakticky závislé na směru měření. Podle typu a druhu skla
se roztažnosti (do 300 °C) pohybují převážně v následujícím
rozsahu: nejmenší je u křemenného skla (
α
=0,5∙10
-6
), nízká
je také u skla do krbů (aby při změnách teplot nepraskalo),
poměrně malou roztažností se vyznačuje varné sklo
borosilikátové (Simax, Pyrex - 3,3∙10
-6
), laboratorní sklo
pak má roztažnost kolem 7-8∙10
-6
, dosti vysoký koeficient
α
kolem 9∙10
-6
má běžné tabulové či užitkové sklo. Křišťálové
sklo olovnaté má roztažnost ještě vyšší – kolem 10∙10
-6
).
Je
samozřejmé, že s koeficientem roztažnosti stoupá citlivost
ke změnám teplot. Podotkněme ještě, že fa Electric Glass
propaguje [3] své nově vyvinuté speciální sklo s nulovou
roztažností mezi -40 až +80 °C. Příslušný graf (viz obr. 1),
jsme z této jejich nabídky převzali. Je uvedeno, že toto sklo
má široké možnosti technického použití.
U glazur stejně tak jako u skelných materiálů se navíc
vyskytuje charakteristická diskontinuita roztažnosti v oblasti
transformačního intervalu Tg, kdy sklovitá fáze přecházející
z pevného stavu do viskozního, náhle silně expanduje.
Typickou křivku roztažnosti základního smaltu ve srovnání
s roztažností oceli uvádíme na obr. 2 - diagram převzat
z [4] (krátký závěrečný pokles křivky znamená deformační
měknutí pod vlivem dotykového přítlaku na zkušební tělísko
v dilatometru). u smaltovaných plechů je dobrá soudržnost
obou materiálů závislá na blízkosti koeficientů
α
, což
právě tento diagram názorně ukazuje. Způsob teplotního
Obr. 1
Teplotní roztažnosti skel
Obr. 2
Typické křivky teplotní roztažnosti