沉降(sedimentation)
沉降就是顆粒往下沉。任何比周圍液體密的顆粒都被重力往下拉,假以時日便漂到底部形成沉積物——泥沙從河中沉澱、咖啡渣沉到杯底。對陶瓷漿料而言這是持續的威脅:粉末比水密得多,擱著就傾向沉降,而它如何沉降決定了你是否還能用它、以及它會做出什麼樣的澆鑄坯體。
單一顆粒沉降多快,由史托克斯定律(Stokes' law)給出:v = (2 times r^2 times (rho_p - rho_f) times g) / (9 times eta),其中 r 是顆粒半徑,rho_p 與 rho_f 是顆粒與流體的密度,g 是重力,eta 是液體黏度。教訓就在那個 r^2:沉降速度隨尺寸平方,所以大十倍的顆粒沉快一百倍。這就是為什麼細小的次微米陶瓷粉末沉得慢、粗砂先掉出,也是為什麼粒徑分布在沉降時會偏析——粗顆粒比細顆粒先到底。但真正的決定因素其實是分散狀態。分散良好的泥漿一顆一顆緩慢沉降,堆成緊密、緻密、難以重攪的硬沉積物。絮凝的泥漿,其顆粒已併成大而開放的絮團,沉得快,卻堆成蓬鬆、鬆散、高孔隙的沉積物,易於重新分散。帶有真正降伏應力的強絮凝泥漿甚至可能完全不沉,因為它的顆粒網絡把一切撐住。
這使沉降既是頭痛也是診斷。當貯存的泥漿分層、或澆鑄時粗細偏析、留下自上而下有密度梯度的生坯時,它是問題;控制它,正是為什麼泥漿要保持分散、或刻意給一點降伏應力、或使用前先攪拌。但觀察漿料如何沉降,也是判斷其膠體狀態的經典廉價測試:快速沉成蓬鬆床的泥漿是絮凝的,緩慢沉成堅硬緻密餅的則分散良好。在注漿成形中,同樣的物理被反過來利用——模具把液體抽出、將顆粒固結成澆鑄壁,這是沉降與過濾為你所用、而非與你作對。
把同樣的氧化鋁粉倒進兩個罐子。分散的那罐,顆粒在數小時內涓涓下沉,堆成薄、硬、緻密、黏在底部的餅。絮凝的那罐,顆粒在數分鐘內以大絮團落下,堆成高、鬆、混濁、一搖就能旋起的沉積物。同樣的粉末、相反的沉積物——五分鐘就能讀出膠體狀態。
分散的泥漿緩慢沉成堅硬緻密的餅;絮凝的快速沉成鬆散蓬鬆的床——一個判斷分散狀態的簡單測試。
違反直覺的是,分散良好的泥漿沉得較慢,卻堆成更緻密、更硬的餅;絮凝的泥漿沉得較快,卻堆成更鬆散、更多孔的床。沉得快不代表堆得緻密——對生坯而言,重要的是沉積物的結構。