สัมประสิทธิ์ การ ขยายตัว เชิง เส้น ของ โลหะ ไป ประยุกต์ ใช้ ใน ด้าน ใด ได้ บาง

คอร์สเรียน

เกี่ยวกับเรา

OPENDURIAN

หน้าแรก

คอร์สเรียน

คลังข้อสอบ

คลังความรู้

เกี่ยวกับเรา

ล็อคอิน / สมัครสมาชิก

• ม. ปลาย
• /
• 9 วิชาฟิสิกส์
• /
• ฟิสิกส์ 9 วิชาสามัญ ปี 63

ข้อ 17

17 of 26

ฝึกทำโจทย์แบบชิลๆ

น้องๆ สามารถเลือกทำโจทย์ได้ตามต้องการ ไม่มีการจับเวลา ไม่มีการนับคะแนน ตอบผิดแล้ว สามารถตอบใหม่ได้ สิ่งสำคัญ ก็คือ ควรทำความเข้าใจกับวิธีทำในเฉลยละเอียด การเรียนคณิตศาสตร์ให้ได้คะแนนดี ต้องเรียนด้วยการลองทำโจทย์เยอะๆ

เคล็ดลับจากติวเตอร์

ระหว่างอ่านเฉลย อย่าลืมมองหา "เคล็ดลับจากติวเตอร์" กรอบสีเขียว เพื่อเรียนวิธีลัด ตีโจทย์แตก เร็ว แวร๊ง!

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Thermal expansion coefficient- COE) คือค่าของความแตกต่างของความยาวหรือปริมาตรของชิ้นงานที่เปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 1 °C เมื่อเทียบกับความยาวหรือปริมาตรเริ่มต้น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนนั้นเป็นคุณลักษณะเฉพาะของวัสดุนั้นๆซึ่งขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ โครงสร้างผลึก อุณหภูมิของจุดหลอมตัว (melting point) ความหนาแน่นของชิ้นงาน อุณหภูมิในการเผา การวัดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนนั้นสามารถหาได้หลายวิธี เช่น ใช้การคำนวณจาก %ออกไซด์ที่มีอยู่ในสูตร การใช้วงแหวนสำหรับการทดสอบ (Fit ring ) สำหรับการตรวจวัดค่าที่ถูกต้องแม่นยำที่สุดจะใช้เครื่องมือที่เรียกว่าเครื่อง Dilatometer โดยการนำชิ้นงานที่ต้องการทดสอบมาตัดให้ได้ขนาดตามที่กำหนดแล้วใส่เข้าไปในช่องสำหรับใส่ชิ้นตัวอย่างแล้วเปิดเครื่องเพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจนถึงอุณหภูมิสูงสุดที่ได้กำหนดไว้ ในขณะที่ชิ้นงานจะมีการขยายตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเครื่องก็จะคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนให้ตามช่วงของอุณหภูมิที่ต้องการตรวจสอบค่า โดยสามารถวัดได้ทั้งชิ้นงานดิบและชิ้นงานที่ผ่านการเผามาแล้ว

รูปภาพแสดง ตัวอย่างชิ้นงานที่ใช้วัดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน

รูปภาพ เครื่องวัดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Dilatometer)

ถ้าคำนวณโดยใช้ค่าความยาวที่แตกต่างของชิ้นงานเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไปจะมีค่าเป็น Linear expansion ซึ่งนักเซรามิกที่วิจัยทางด้าน Advance ceramic มักจะใช้ค่า Linear expansion ในการอ้างอิงค่าของวัสดุ แต่ถ้าเป็นในอุตสาหกรรมเซรามิกแบบดั้งเดิม (Conventional ceramic) มักจะคุ้นเคยและใช้ค่า Volume expansion ในการอ้างอิงสำหรับเนื้อดินและสีเคลือบ หลายครั้งจึงพบว่านักวัสดุศาสตร์สมัยใหม่กับนักอุตสาหกรรมจะพูดถึงค่านี้ด้วยตัวเลขคนละตัวกันทั้งที่เป็นวัสดุชนิดเดียวกัน

ตัวอย่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุเซรามิกชนิดต่างๆแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุเซรามิกเทียบกับวัสดุอื่นๆ

สำหรับวัสดุเซรามิกนั้นถ้ามีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำก็จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติในด้านการทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยเฉียบพลัน (Thermal shock resistance) รวมทั้งค่า Spalling resistance ตัวอย่างเช่นเนื้อดินคอร์เดียไรท์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอยู่เพียง 2.1x10-6 °C-1 ซึ่งเป็นค่าที่ต่ำมากทำให้มีการใช้งานเนื้อคอร์เดียไรท์เป็นแผ่นรองเผา (Slab), จ๊อ (Saggar) และ Kiln furniture อื่นๆ รวมทั้งเป็นผลิตภัณฑ์บรรจุอาหารที่สามารถทนความร้อนได้ในเตาอบ

ในผลิตภัณฑ์เซรามิกที่มีผิวเคลือบเพื่อสร้างความสวยงามนั้น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินควรมีค่าสูงกว่าของสีเคลือบเพื่อให้ที่ชั้นเคลือบอยู่ในสภาพของแรงอัด (compressive) แต่ไม่ควรให้มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินสูงกว่าชั้นเคลือบมากเกินไป เพราะจะทำให้เกิดปัญหาเคลือบร่อน (peeling) ภายหลังการเผาขึ้นได้

แต่ถ้าชั้นเคลือบมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนสูงกว่าเนื้อดิน ชั้นเคลือบจะอยู่ในรูปของแรงดึง (tension) ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาผิวเคลือบราน (crazing) ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาเวลานำไปใช้งานได้

รูปภาพการเกิดการแตกร้าวเนื่องจากการรัดตัวของเคลือบ

ในอุตสาหกรรมลูกถ้วยไฟฟ้านั้นจำเป็นต้องมีรูปทรงที่หลากหลายเพื่อรองรับการใช้งานที่แตกต่างกันไป เช่น ลูกถ้วยแบบล้อ (spool) สำหรับงานรองรับสายไฟภายในอาคาร ลูกถ้วยสำหรับรองรับฟิวส์ ลูกถ้วยแบบโพสท์ (line post, pin post) สำหรับสายไฟฟ้าแรงสูงและตัวแยกสายไฟฟ้าไม่ให้ติดกัน ซึ่งหลังใช้งานไปแล้วอายุการใช้งานของลูกถ้วยไฟฟ้าจะไม่เท่ากัน ส่วนหนึ่งเกิดจากปัญหาการแตกรานของผิวเคลือบเนื่องจากความเครียดภายในของเนื้อลูกถ้วยเมื่อเกิดแรงดึงและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของเนื้อลูกถ้วยในระหว่างช่วงกลางวันและกลางคืน ซึ่งเมื่อผิวเคลือบของลูกถ้วยไฟฟ้าเกิดรอยร้าวเล็กๆขึ้นก็จะเกิดปัญหากระแสไฟฟ้ากระโดดข้ามลูกถ้วยไฟฟ้าจนเกิดการลัดวงจร (flash over) เนื่องจากผิวลูกถ้วยมีรอยร้าวหรือมีสิ่งสกปรกไปยึดติดที่ผิว ซึ่งปัญหาเหล่านี้มาจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินกับเคลือบไม่สัมพันธ์กัน

ในการผลิตผลิตภัณฑ์เซรามิกในอุตสาหกรรมขนาดเล็กและค่อนไปทางขนาดกลางนั้น ผู้ผลิตมักไม่ให้ความสนใจต่อค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของเนื้อดินและสีเคลือบ โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่เผาที่อุณหภูมิต่ำเช่นผลิตภัณฑ์เนื้อโดโลไมท์ แจกันประดับสีสดใสที่ใช้เคลือบแคดเมียมไฟต่ำ เคลือบออกไซด์ไฟต่ำที่มักเผาในช่วง 1050-1120 °C ที่มักจะเกิดปัญหาเคลือบร่อน, เคลือบร้าวที่เมื่อลูบแล้วสะดุดมือ, เผาแล้วเคลือบรัดผลิตภัณฑ์จนแตกไม่สามารถนำไปใช้งานได้ทั้งๆที่ใช้เนื้อดินถังเดียวกัน ใช้เคลือบตัวเดียวกันกับครั้งก่อนที่เผาไปแล้วไม่พบปัญหา บางครั้งผิวเคลือบเรียบสวย แต่บางครั้งหรือบางชิ้นงานที่เผาพร้อมกันกลับเกิดปัญหาเคลือบรานขึ้น ปัญหาเรื่องการต้องการทำให้เคลือบรานเพื่อดูคล้ายงานศิลปะแต่บางครั้งที่ผลิตกลับรานน้อยหรือไม่รานเลย สิ่งเหล่านี้เป็นผลมาจากค่า สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนทั้งสิ้น

ในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์เซรามิกนั้นมีได้หลายวิธีทั้งการขึ้นรูป แบบใช้แรงอัดซึ่งมีทั้งอัดแบบแห้งและแบบกึ่งเปียก การขึ้นรูปแบบรีดโดยใช้เครื่องรีดแบบดูดอากาศ การขึ้นรูปแบบหล่อ การขึ้นรูปด้วยมือ การขึ้นรูปโดยใช้เครื่องจิกเกอร์ซึ่งทางผู้ผลิตจะคำนึงถึงลักษณะรูปทรงของผลิตภัณฑ์ในการที่จะเลือกกระบวนการในการขึ้นรูป โดยทั่วๆไปในอุตสาหกรรมเซรามิกนั้นในบริษัทหนึ่งๆอาจมีการขึ้นรูปได้หลายแบบโดยใช้เนื้อดินสูตรเดียวกันหรือขึ้นรูปแบบเดียวกันแต่มีปัจจัยหรือ ตัวแปรในการขึ้นรูปที่แตกต่างกันไปขึ้น กับขนาด รูปทรง สมบัติทางกายภาพของเนื้อดิน หรือการแก้ไขปัญหาในการผลิตในขณะนั้นๆ ซึ่งทำให้ประสบปัญหาหลายอย่างตามมา ตัวอย่างเช่นในอุตสาหกรรม กระเบื้องเซรามิก บางครั้งมีการเปลี่ยนแปลงค่าแรงอัดที่ใช้ขึ้นรูปเนื่องจากขนาดของกระเบื้องเปลี่ยนแปลงไปแต่เมื่อปรับค่าแรงอัดแล้วพบว่ากระเบื้องหลังเผามีค่าความโค้ง-แอ่น (planarity) เปลี่ยนแปลงไปด้วย อุตสาหกรรมลูกถ้วยไฟฟ้าที่มีกระบวนการขึ้นรูปหลายวิธี เช่นเดียวกับอุตสาหกรรมถ้วย ชามและผลิตภัณฑ์บนโต๊ะอาหาร

สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนกับกระบวนการขึ้นรูปสำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ รวมทั้งแนวทางในการแก้ไขปัญหาเรื่องการรานตัวของเคลือบ (Crazing) การร่อนตัวของเคลือบ (Peeling) การแตกร้าวที่เกิดจากความไม่สัมพันธ์กันระหว่างเนื้อดินและเคลือบนั้น จะขอนำเสนออย่างละเอียดในบทความหน้าครับ

Reference
1. J.R. Taylor and A.C. Bull, Ceramic glaze technology, Pergamon press, 1986
2. Lawrence H. Van Vlack, Physical ceramics for engineers, Addison-Wesley publishing company, 1984