Effetto della velocità di raffreddamento sul volume specifico delle fasi vetrose

Il volume specifico di vetri e ceramiche dipende dalla velocità di raffreddamento applicata durante la transizione da liquido viscoso a vetro solido. Un raffreddamento lento permette alle molecole di riorganizzarsi dalla struttura liquida disordinata alla struttura parzialmente ordinata della fase vetrosa, con una riduzione sensibile del coefficiente di espansione termica e del volume specifico. Un raffreddamento rapido, al contrario, non concede tempo sufficiente per questo riarrangiamento, congelando la struttura in un volume specifico più elevato: più la velocità è alta, più il volume rimane espanso. Questo comportamento è caratteristico della maggior parte delle fasi vetrose inorganiche, e particolarmente per quelle silicee.

Se la velocità di raffreddamento è superiore alla trasmissione del calore attraverso il materiale, si sviluppano differenze tra gli spigoli (più veloci) ed il centro (più lento) del materiale. Questi raffreddamenti differenziali si traducono in inomogeneità di volume specifico: i bordi e le superfici esterne possono avere un volume specifico significativamente superiore rispetto all’interno, causando tensioni residue e rendendo fragile il manufatto.

Il Dilatometro Ottico ELS-MDF misura direttamente l’effetto della velocità di raffreddamento sul volume specifico di vetri, ceramiche e vetroceramici prodotti nei cicli industriali reali. A questo scopo, si ricava un campione da un pezzo ottenuto dalla fabbrica, e si misura con un ciclo termico che superi la temperatura di transizione vetrosa (ma rimanendo ben lontano dal rammollimento), quindi decresce lentamente fino a temperatura ambiente. Se il ciclo industriale che ha prodotto il pezzo era più veloce di quello di test, il risultato sarà un campione più corto, perché il raffreddamento graduale ha permesso il rilassamento completo delle fasi vetrose al loro volume di equilibrio (minimo).

Definiamo questa procedura “Testi di Variazione del Volume”, e quantifichiamo la differenza di volume tra la parte di curva in riscaldamento e quella in raffreddamento ad una temperatura fissa, e.g. 100°C. Il grafico seguente mostra un test di raffreddamento lento (-10°C/min) realizzato su un campione proveniente da una piastrella ceramica cotta in un forno a rulli monocanale industriale. In questo caso, la differenza di volume a 100°C è di 0.0521%.

Il Dilatometro Ottico ELS-MDF può simulare un ciclo industriale completo a partire dal campione crudo, grazie al riscaldamento veloce (fino ad 80°C/min) combinato con la nuova opzione strumentale di Flash Cooling. Il Flash Cooling simula il raffreddamento improvviso subito dal materiale, ad esempio in un forno a rulli, aprendo il forno motorizzato alla fine del ciclo termico.

Il grafico seguente mostra un campione cotto a 66°C/min e raffreddato con il Flash Cooling:

L’eccesso di volume specifico causato dal flash cooling può essere misurato ripetendo la misura sul campione cotto in questo modo, riscaldando nuovamente oltre la transizione vetrosa e raffreddandolo lentamente (-10°C/min). La differenza di volume risultante a 100°C è 0.077%.

Per confronto, se lo stesso campione crudo venisse cotto e poi fosse raffreddato lentamente, la variazione di volume produrrebbe una differenza dello 0.042%, inferiore del 45% rispetto al campione ottenuto col raffreddamento rapido.

Il Test di Variazione di Volume, combinato con il Flash Cooling, è uno strumento indispensabile per il designer di materiali che ambisca a minimizzare gli stress residui nei ceramici tradizionali, nei vetri e nei materiali vetrosi in generale.