علم سرامیک

پرس خشک

 نسبت منظري و گراديانهاي فشار

 منبع: فصل هفتم، رسها، صفحه های 125 و 126 از کتاب

 Ceramic and Glass Raw Materials, Structure, Properties and Processing

 Editors: James F. Shackelford and Robert H. Doremus

 ترجمه: ابوالفضل گِروِئي

 پرس خشک به آن دسته از روشهاي شکلدهي اشاره ميکند که تا ۱۵ درصد آب نياز دارند و تغيير شکل خميري (پلاستيک) آميز رس-آب کمينه (مینیمم) است. در حد پائيني محتواي آب، آب به صورت لايه اي که به طور جزئي جذب سطحي شده وجود دارد. در حدِ بالاترِ محتواي آب، سطح ذره با لاية ]آب[ جذب شده به طور کامل پوشيده خواهد شد و مقداري آب در حفره هاي ريز چگالش خواهد يافت. ميزان آب لازم براي انجام پرس بسته به مشخصه هاي مطلوب پرس کردن، حالت آبـپوشي رس، چگونگي برهمکنشهاي رس با آب و اندازة ذرة رس تغيير ميکند (۱ و ۲). در پرس کردن خشک، آب در اصل به عنوان چسبي که استحکام خام را در بدنة فشرده شده افزايش ميدهد، عمل ميکند.

پرس کردن خشک به صورت شکل دادن و تراکم همزمان پودر در قالبِ صُلب يا محفظة قابل ارتجاع تعريف ميشود (۳). اختلافهاي متداول در اين فن (تکنيک) شامل پرسکاري تکمحوري و پرسکاري همفشار (ايزواستاتيک) است (۴). مقدار آب بايد کافي باشد تا چسبندگي ذرات رس را زياد کند، بدون اين که فيلم (لاية نازک) پيوسته اي از آب تشکيل شود که اجازه خواهد داد تغييرِ شکلِ خميري بيش از حد، زير يک بارِ اعمال شده رخ دهد. پرس کردنِ خشک، متداول ترين فن شکلدهي است که در صنعت سراميک استفاده ميشود و براي شکل دادنِ انواعي از سراميکهاي رس-پايه (سراميکهائي که بر اساس رس ساخته ميشوند) شامل کاشي کف و ديوار، آجرها و عايقهاي برقي به کار ميرود (۴).

شکلهاي با «نسبت منظري» (ارتفاع به قطر) پائين به طور مرسوم با عمليات پرسکاري شکل داده ميشوند (۴). نمايش نموداري (شماتيک) قالب به کار رفته براي پرسکاري خشک تک محوري همراه با نيروهاي به وجود آمده روي پودر فشرده در شکل يک نشان داده شده است. گسترة فشارهاي تراکمي از ۲۰ تا ۴۰۰ مگاپاسکال (۳ تا ۶۰ کيلو پوند بر اينچ مربع) با حد بالائي فشار در حدود ۱۰۰ مگاپاسکال براي پرس کردن تک محوري است. ساخت قطعه هاي با «نسبت منظري» بالا يا استفاده از فشارهاي پرس بالاتر از ۱۰۰ مگاپاسکال ميتواند به توسعة شيبهاي فشار (شکل دو) و نقصهاي ديگر که بر کيفيت قطعه ها پس از پرس کردن و پس از پخت اثر ميگذارند، منجر شود (۴). به عنوان يک نکته، بيشتر سراميکهاي غير رسي به افزودن چسبها يا نرم کننده (پلاستيسايزر)ها  به عنوان «کمک-شکل دهنده» نياز دارند (۱). معمولاً افزودنيهاي آلي به عنوان چسبها يا نرم کننده ها به کار ميروند اما رسهائي مانند بنـتونيتها نيز در بسياري از کاربردها به عنوان چسب/نرم کننده مصرف ميشوند (۵).

 ceramics after pressing at (a) low and (b) high pressure (Reproduced by permission of John Wiley from J.S. Reed, Principles of Ceramic Processing, 2nd Edition, John Wiley, New York, 1995) [1].

 John Wiley from J.S. Reed, Principles of Ceramic Processing, 2nd Edition, John Wiley, New York, 1995.

٭ ٭ ٭

Dry Pressing

Dry pressing refers to forming methods that require up to 15 wt% water in which plastic deformation of the clay–water mixture is minimal. At the lower end of the water contents, water is present as a partially adsorbed layer. At the higher end, the particle surfaces will be completely covered by the adsorbed layer and some water will condense in fine pores. The amount of water needed for a pressing operation varies depending on the pressing characteristics desired, the state of hydration of the clay, how the clay interacts with water, and the particle size of the clay [1,2]. In dry pressing, water acts mainly as a binder that promotes green strength in a compacted body.

Dry pressing is defined as the simultaneous shaping and compaction of a powder in either a rigid die or a flexible container [3]. Common variations on the technique include uniaxial pressing and isostatic pressing [4]. The water content must be sufficient to promote binding of the clay particles without forming a continuous water film that would allow for excessive plastic deformation under an applied load. Dry pressing is the most common forming technique used in the ceramics industry and it is used to form a variety of clay-based ceramics including floor and wall tile, bricks, and electrical insulators [4].

Shapes with a low aspect ratio (height to diameter) are commonly formed by pressing operations [4]. A schematic representation of a die used for uniaxial dry pressing, along with the resulting forces on the powder compact, is shown in Fig. 1. Compaction pressures range from 20 to 400 MPa (3–60 ksi) with an upper pressure limit of around 100 MPa for uniaxial pressing. Fabrication of parts with high aspect ratios or the use of pressing pressures above 100 MPa can lead to the development of pressure gradients (Fig. 2) and other defects that affect the quality of parts after pressing and after firing [4]. As a side note, most nonclay ceramics require the addition of binders and plasticizers as forming aids [1]. Organic additives are commonly used as binders and plasticizers, but clays such as bentonites are also used as binders/plasticizers in many applications [5].

 References:

 1. J.S. Reed, Principles of Ceramic Processing, 2nd edn., John Wiley, New York, 1995.

 2. F.H. Norton, Elements of Ceramics, Addison-Wesley, Reading, MA, 1952, pp. 1–35.

 3. S.J. Glass and K.G. Ewsuk, Ceramic powder compaction, MRS Bulletin, 1997, pp. 24–28.

 4. B.J. McEntire, Dry pressing, in Ceramics and Glasses: Engineered Materials Handbook, Vol. 4, S.J. Schneider, Jr. (ed.), ASM International, Materials Park, OH, 1991, pp. 141–146.

 5. R.E. Grim, Applied Clay Mineralogy, McGraw-Hill, New York, 1962.