乾燥、脫脂與生坯體

毛細應力(capillary stress)

把一支細玻璃管插進水中,水會沿著管內爬升,水面彎成一個小碗狀的凹陷,叫作彎液面。這股爬升就是毛細作用,它來自一股真實的拉力:水的表面張力包在彎曲的液面上,使液體處於張力之下、被吸上來。現在把同樣的吸力,想像在乾燥中陶瓷顆粒之間數以百萬計的微小縫隙裡。表面每一個小小的彎液面都在拉扯著水——並透過水,把顆粒擠在一起。這股擠壓就是毛細應力,乾燥背後隱藏的反派。

楊-拉普拉斯(Young–Laplace)關係給出這股吸力的大小:跨越彎曲液面的壓力差(記作 delta-P)為 delta-P = 2 gamma cos(theta) / r,其中 gamma 是液體的表面張力,theta 是接觸角(液體潤濕固體的程度),r 是孔隙或縫隙的半徑。孔隙愈小,彎液面彎得愈緊,拉得也愈用力。以水(gamma 約 0.072 N/m)完全潤濕一個半徑 0.1 微米(即 1e-7 m)的孔隙為例,delta-P 約為 2 x 0.072 / 1e-7,大約 1.4 MPa。若把孔隙縮到 10 nm,應力便升到約 14 MPa——對脆弱的生坯是很嚴重的擠壓。

毛細應力是驅動有用的乾燥收縮的引擎——它正是在恆速乾燥期把顆粒拉進緊密堆積的那股力。但同一股力一旦作用不均,就立刻轉為破壞性:乾得較快的表面會形成較細、彎得較急的彎液面,因而比更濕的內部有更高的吸力,而這個落差正是把坯體裂開、弄翹的張力。留意方程式裡那條嚴酷的教訓:因為應力與 1/r 成正比,先進陶瓷所珍視的細微次微米粉末,孔隙最小、毛細應力也最危險——這正是為什麼最精細的坯體常常最難乾。

兩張吸墨紙,一張浸水、一張浸酒精,乾起來大不相同:水的表面張力約為酒精的三倍,離開時把纖維拉得緊得多。陶瓷工作者有時反過來利用這一招,用低表面張力的液體來乾燥麻煩的坯體,以減輕毛細擠壓、避免開裂。

毛細應力 = 2 gamma cos(theta) / r:孔隙愈小、表面張力愈高,對乾燥中坯體的擠壓就愈強。

毛細應力並非全然是壞事——沒有它就沒有乾燥收縮,生坯會鬆散不成形。目標從來不是消除它,而是讓它均勻:均勻的吸力把坯體整齊地壓實,不均的吸力則把它撕裂。

又称
capillary pressurecapillary suction毛細管應力毛細壓力