脉冲激励技术评价陶瓷釉层的弹性模量

聂光临，包亦望，万德田，李月明

（1.中国建筑材料科学研究总院，绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024；2.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403)

脉冲激励技术评价陶瓷釉层的弹性模量

聂光临1，包亦望1，万德田1，李月明2

（1.中国建筑材料科学研究总院，绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024；2.景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403)

陶瓷釉层的弹性模量是坯釉适应性的主要影响因素之一，准确评价陶瓷釉层的弹性模量对于陶瓷制品的组成结构设计和内应力分析具有重大意义。本研究基于相对法推导出了涂层—基体—复合体弹性模量之间的解析关系，提出了利用脉冲激励技术（IET）测量涂层弹性模量的方法。利用IET和三点弯相对法分别测量釉面砖釉层的弹性模量，二者测试结果的比较阐明了IET测量涂层弹性模量的正确性与可靠性，且实验发现结构致密的外侧釉层的弹性模量较结构疏松的内侧釉层弹性模量大。

脉冲激励技术；相对法；陶瓷釉层；弹性模量

0 引 言

陶瓷釉自成为日常生活用品已经历了较长一段时间的发展，随着人们生活水平的提高，其用途越来越广，用量也越来越大，逐渐成为国民经济领域中的重要材料之一[1]。在陶瓷制品上施加一层薄釉作为涂层可使其机械强度提高20%-40%[2]，并能改善制品的热稳定性，可防止液体、气体对陶瓷制品的侵蚀，且釉层还能增加陶瓷制品的美观效果。但是釉层与陶瓷坯体的性能存有一定的差异，二者的适应性不好会造成釉裂、剥釉、弯曲变形、炸瓷等缺陷[3]。釉层的弹性模量是坯釉适应性的主要影响因素之一，即具有较低弹性模量的釉层有利于陶瓷坯体与釉层的相适应[4,5]。且釉层弹性模量的大小对陶瓷釉制品的残余热应力和热稳定性具有重要影响[6,7]，继而影响产品质量。由此可见准确评价陶瓷釉层的弹性模量对于指导陶瓷釉制品生产和应用具有十分重要的意义。

脉冲激励技术(impulse excitation technology, IET)是一种简便快捷、准确、无损的弹性模量测量方法，且其测量设备简单、易于操作[8]，容易实现高温弹性模量的测量。但是IET通常用于测量块体材料的弹性模量[9-12]，却无法测量薄膜/涂层的弹性模量。显然，利用IET测量涂层弹性模量具有十分重要的意义。因此，本研究将IET与本课题组所提出的相对法结合起来，推导出相应的解析关系式，并用于测量陶瓷釉层的弹性模量。

本文结合相对法，扩宽了IET的应用领域，即利用IET和相应的解析关系式可直接获得涂层的弹性模量。利用IET测得复合体及去除涂层后基体的弹性模量，代入所构建的涂层弹性模量(Ec)—复合体弹性模量(Eq)—基体弹性模量(Es)的理论方程，即可求解得涂层的弹性模量。同时介绍了利用IET测量多层涂层试样的方法，并将此方法应用于测量陶瓷釉制品的中间层(内侧涂层)和外侧釉层(外侧涂层)的弹性模量。通过IET与本课题组先前提出的三点弯相对法[13,14]的测试结果对比，阐明了IET测量涂层弹性模量的准确性和可靠性。结果表明陶瓷釉制品外侧釉层的弹性模量高于中间层，其原因在于外侧釉层的结构更加致密。

1 基本原理

IET测量块体材料弹性模量具有可重复性好、精度高、操作简单的优点，但却无法直接测得涂层的弹性模量，因此可考虑使用相对法[13-15]来解决这一问题。相对法是一种间接测试方法，其核心问题是构建易测得的材料参数与难以直接测得的材料参数间的解析关系式。本研究首先构建了Ec-Eq-Es的解析方程，然后利用IET测得Eq和Es，并代入所构建的解析方程即可求解得Ec。

对于IET，矩形截面的长条状试样的弹性模量[10-12,16-17]可由下式计算：

式中，E为试样的弹性模量(Pa)，m为试样的质量(g)，ff为弯曲响应频率(Hz)，L、b、t分别为试样的长、宽、厚(mm)。T1为弯曲响应模式下的校正因子，其大小由泊松比ν和试样厚度长度比所决定，如下式所示。

将式(3)代入式(1)可得IET测量弹性模量的计算公式：

因此复合体和基体的弹性模量可利用式(4)方便快捷地测得。对于带有涂层的复合体，其横截面如图1所示，h、H分别为涂层和基体的厚度，且本研究中假设涂层与基体间的界面为理想界面。

对于异质材料叠层梁可利用等效截面法[18]分析复合体样品，假设Ec>Es，定义α=Ec/Es，即涂层可转换为与基体同质的材料，但其宽度为原来宽度的α倍，如图2所示。

图1 单层涂层试样的横截面示意图Fig. 1 Schematic illustration of cross-section of single coated beam specimen

图2 等效截面转换Fig.2 The conversion of equivalent cross section

利用IET及式(4)可测得图2(a)的弹性模量Eq，将复合体表层涂层打磨掉之后可测得基体的弹性模量Es。根据材料力学可得图2中(a)和(b)的截面惯性矩分别为：

根据图2中(a)与(b)等效，即二者在相同载荷及跨距下所产生的挠度变形相同，则可构建下述等式：

上式(7)中，P为施加载荷，l 为三点弯实验中的跨距。联立式(5)、(6)、(7)可得：

在测试弹性模量之前须准确测量出样品的几何尺寸，包括长度、宽度、涂层和基体的厚度。脉冲激励技术测量涂层弹性模量的步骤如下：(1) 利用IET和式(4)测得复合体试样的弹性模量Eq；(2) 将复合体试样表面涂层去除掉后，再次利用IET和式(4)测得基体的弹性模量Es；(3)将Eq、Es及样品尺寸代入式(8)和(9)，解得涂层的弹性模量Ec。

而对于涂层数量多于或等于2的多层涂层试样(如图3)而言，可以采用递推法评价各个涂层的弹性模量，具体测试方法如下：

(1)如图3所示的复合试样具有3层涂层，首先测得复合体(3-1)的几何尺寸，利用IET和式(4)测得复合体的弹性模量Eq1。

(2)去除掉最外侧涂层1后，利用IET和式(4)测得剩余部分(3-2)的弹性模量Es1。

(3)将多层涂层复合体试样视为由最外侧涂层1和剩余部分(3-2)组成的单层涂层复合体试样，将Eq1和Es1代入式(8)和(9)，可得最外侧涂层的弹性模量Ec1。

(4)重复步骤(2)可得3-3的弹性模量Es2，Eq2= Es1，将Eq2和Es2代入式(8)和(9)，可得第2层涂层的弹性模量Ec2。

(5)以此类推可得各个涂层的弹性模量。

图3 多层涂层复合梁试样的横截面示意图Fig. 3 Schematic illustration of cross-section of multilayer coating beam specimen

2 实 验

选用二次烧成工艺制备的商用釉面砖为研究对象，首先利用VHX-600数码显微镜获得其横截面(如图4所示)。由图4可以看出，陶瓷坯体表面有明显的两层釉层，外侧釉层(outer layer)颜色较深，内侧釉层(inner layer)颜色较浅。在二次烧成过程中，釉层材料会发生熔融并渗入陶瓷坯体，从而在釉层与陶瓷坯体界面处形成中间层(内侧釉层)。釉面砖横截面的微观结构可由日本Hitachi的S-4800扫描电镜获得，可利用EDS进行局部元素分析。釉层弹性模量可通过IET测得，同时也利用本课题组先前提出的三点弯相对法[13,14]对釉层弹性模量进行表征，通过二者测试结果的对比以验证IET测量涂层弹性模量方法的准确性与可靠性。

在进行IET测试前，须将釉面砖切割成100 mm×16 mm×5 mm的长条状。利用比利时Diepenbeek的RFDA-HTVP1750-C脉冲激励测试系统测得长条状釉面砖试样的弯曲响应频率，利用ULTRA TEC 研磨抛光机对釉面砖釉层进行研磨以去除表面釉层，涂层的厚度可由日本KEYENCE的VHX-600数码显微镜测得，样品的宽度和高度可由游标卡尺(精度0.02 mm)测得。首先利用IET测得初始釉面砖整体(图4-a)的弹性模量；然后通过研磨的方法去除外侧釉层，利用IET测得去除外侧釉层后的釉面砖(图4-b)的弹性模量；而后研磨去除内侧釉层，再次利用IET测得去除内侧釉层后的陶瓷基体(图4-c)的弹性模量；最后将所测得的弹性模量与试样的几何尺寸代入解析式(8)和(9)即可得各个釉层的弹性模量。

为验证IET测量涂层弹性模量的准确性，本研究同时采用了三点弯相对法对釉面砖釉层的弹性模量进行测量，其测试参数如下：利用美国MTS的Criterion C45万能实验机进行三点弯曲试验，加载速率由横梁位移控制，横梁位移速率选用0.2 mm/min，跨距选用80 mm，载荷峰值选用30 N。由于IET是一种无损测试技术，因而经IET测试过的样品可直接用于三点弯曲试验。首先对初始釉面砖整体(图4-a)和去除外侧釉层后的釉面砖(图4-b)进行三点弯曲试验，记录二者在相同加载条件下的跨距中心位置的挠度变化，将所测得的挠度与样品尺寸代入所推导的公式中即可得外侧釉层的弹性模量；然后对去除内侧釉层后的陶瓷基体(图4-c)进行三点弯曲试验，记录跨距中心位置样品的挠度变化，利用所推导的公式可得内侧釉层的弹性模量。

3 结果与讨论

利用上述的IET方法可测得釉面砖表面两层釉层的弹性模量，并将其测试结果与利用三点弯相对法[13,14]测得的结果作比较，三组试样的测试结果如下表1所示。由于釉面与基体之间有一层过渡层，釉层可以看作是双层涂层来处理。初始釉面砖整体的弹性模量被定义为Eq1，去除外侧釉层的釉面砖的弹性模量被定义为Eq2，再磨掉过渡层剩下的陶瓷基体的弹性模量被定义为Es，外侧釉层(第一层)的弹性模量记为Ec-outer，内侧釉层(第二层)的弹性模量记为Ec-inner。由表1可得，利用IET和三点弯相对法测得的外侧釉层的弹性模量分别为49.48 GPa和45.13 GPa，利用IET和三点弯相对法测得的内侧釉层的弹性模量分别为41.91 GPa和38.21 GPa，由此可见IET与三点弯相对法的测试结果相近，即证明了IET测量涂层弹性模量的准确性与有效性。

图4 釉面砖横截面示意图(a釉面砖；b去除外侧釉层后的釉面砖；c陶瓷基体)Fig.4 The cross-section of rectangular glazed tile: (a) the glazed tile with outer and inner coatings, (b) the glazed tile after removing the outer coating, (c) the ceramic substrate

表1 釉面砖外侧及内侧釉层的弹性模量测试结果Tab.1 The test results of glaze coatings using IET and three-point bending tests by relative method

另外由表1可知，外侧釉层的弹性模量较内侧釉层弹性模量大。由釉面砖的微观组织结构(如图5所示)可以看出，陶瓷基体内部孔隙较多；内侧釉层结构较为疏松；而外侧釉层结构较为致密。即具有致密结构的外侧釉层的弹性模量较具有疏松结构的内侧釉层的弹性模量大，其原因在于疏松结构中孔隙的存在会降低材料的弹性模量[19-20]。此外，由表1也可知，利用IET测得的块体材料的弹性模量比三点弯曲法测到的结果略高，这符合传统和经验的规律，它是由于弯曲法在受力过程中测到的挠度还可能含有部分样品与支点的接触位移，所测得的挠度比真实挠度略大，从而使得计算的弹性模量偏低。

图5 釉面砖的SEM图像(a陶瓷基体，b内侧釉层，c外侧釉层)Fig.5 The SEM images of the glazed tile: (a) the morphology of the substrate, showing the porous microstructure; (b) morphology of the loose inner coating; (c) morphology of dense outer coating

表2 釉面砖的局部元素分析 (atom%)Tab.2 The local elemental analysis of glazed tile by EDS (atom%)

外侧、内侧釉层结构致密性的差异与其材料组成有关，表2为利用EDS分别对陶瓷基体，内侧、外侧釉层进行局部元素分析，由结果可知陶瓷釉的元素分布是随着厚度呈梯度变化。即外侧釉层的Si、Al(网络形成体)含量最低，而K、Na、Ca、Mg(网络外体)含量最高，因而在陶瓷釉烧成过程中其粘度较低[21]，流动性较好，釉层内的气体更易排出，导致其结构更加致密。而内侧釉层Si、Al含量和K、Na、Ca、Mg含量居于陶瓷基体和外侧釉层之间，即内侧釉层主要是釉层材料发生软化熔融之后部分渗入多孔的陶瓷基体内部所形成的，但釉层材料无法完全填充陶瓷基体的内部孔隙，导致其组织结构较为疏松。

4 结 论

利用相对法推导了涂层、基体和复合体弹性模量之间的解析关系式，只要利用简单的脉冲激励法(IET)测得基体和复合体的弹性模量，即可获得涂层的弹性模量。

利用IET测得了陶瓷釉面砖釉层的弹性模量，并将其测试结果与三点弯相对法的测试结果作比较，结果表明二者的测试结果基本一致，即证明了利用脉冲激励技术测量涂层弹性模量的准确性与可靠性。相比之下IET测试操作简单，具有快速、无损、准确等优点，不需要复杂的加载及位移测量装置，在涂层弹性模量测量领域具有广阔的应用前景。

利用IET所测得的内侧与外侧釉层的弹性模量表明，釉面砖的外侧釉层的弹性模量较内侧釉层大，其原因在于：在釉面层的烧成过程中，由于外侧釉层Si、Al含量较低，而K、Na、Ca、Mg含量较高导致其粘度较低、流动性较好，从而所形成的组织结构也更加致密；而内侧釉层是由釉面材料软化熔融之后部分渗入陶瓷基体所形成的，其结构中含有部分孔隙，结构较为疏松，导致其弹性模量较低。

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Evaluating the Elastic Modulus of the Ceramic Glaze Coating Using Impulse Excitation Technology

NIE Guanglin1, BAO Yiwang1, WAN Detian1, LI Yueming2
(1. State Key Laboratory of Green Building Materials, China Building Materials Academy, Beijing 100024, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

The elastic modulus of ceramic coating plays an important role in the glaze-body fitting, and the accurate evaluation of the elastic modulus of ceramic coating is of great significance for the design of material composition and structure and the analysis of internal stress. In this study, the analytical relationship among the moduli of the coating, the substrate, and the coating/substrate system was derived based on the relative method. Also the method for measuring the elastic modulus of the coating using the impulse excitation technology (IET) was proposed. The IET and the three-point bending test by relative method were used to evaluate the elastic modulus of the glaze layer respectively, and the accuracy and reliability of the new method by IET was confirmed by the comparison of the testing results. The elastic modulus of the outer layer of the glazed tile is higher than that of the inner layer because of its denser structure.

impulse excitation technology; relative method; ceramic coating; elastic modulus

TQ174.4

A

1000-2278(2016)06-0626-06

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.007

2016-05-08。

2016-06-17。

国家自然科学基金(51172221和51472227)；科技部重大仪器专项项目(2011YQ140145)；“863计划”(2015AA034204)。

包亦望(1957-)，男，博士，教授。

Received date: 2016-05-08. Revised date: 2016-06-17.

Correspondent author:BAO Yiwang(1957-), male, Ph.D., Professor.

E-mail:ywbao@ctc.ac.cn