测定陶瓷瓷胎透光度

    当平行光线垂直照射在单位厚度的物体上时，物体将对光产生吸收，透射光减弱，透射光与入射光之比叫这一物体的透光度。透光度以符号T表示，以I_O代表入射光强度，I代表透射光强度，则

    T=I/I_O

    透光度的测定分透明体透光度和半透明体透光度测定两种。当光线垂直照射在透明物体（如玻璃、水、酒精、汽油等）上面时，透明体对光的散射趋近于零，光强分布为：I_O=I₁+I₂，其中I₁为吸收光强度，I₂为透射光强度。I₂随I₁的变化而变化，I₁越大I₂越小，反之，I₁越小I₂越大。引起I₁变化的因素有两个：一是吸光介质的浓度，这和物体的物性有关，但对特定的物体来说吸光介质的浓度是固定不变的。二是物体的厚度，I₂随物体厚度的增加而减小。透光度随物体厚度的变化关系遵守郎伯定律：

    logT= ―εd，

    式中：T――透光度（I/I₀）

    ε――克分子消光系数

    d――物体厚度

    透光度的对数与物体厚度的变化关系曲线如图1所示。

    从图一可以看出，透明物体透光度的对数与厚度成简单直线变化关系。

    如果测定陶瓷瓷胎透光度情况就不一样了。瓷胎属于半透明体，由晶相，玻璃相、气相等组成，当光线垂直照射在瓷胎表面上时具有一定的散射现象。因此进入瓷胎的光相对强度就不是100%，散射光强度和吸收光强度的变化同时影响透射光强度的变化。其光强分布为：因此散射光强度的变化对瓷胎

    I_O=I₁+I₂+I₃

    I_O―I₂=I₁+I₂

    透光度测定有一定的影响。例如：两种材质相同厚度相同而表面光洁度不同的陶瓷试片，一种试片的散射光强度为70%，则进入试片的光强度为30%，如果吸收光占进入试片光的40%，透射光占60%，则吸收光强度占总入射光强度为30%×0.4=12%，而透射光强度占总入射光强度为30%×0.6=18%。另一种试片的散射光强度为50%，进入试片的光强度也为50%，由于两种试片的材质相同，消光系数也相同，因此同样吸收进入试片光强度的40%，透射光为60%，则吸收光强度占总入射光强度为50%×0.4=20%，透射光强度占总入射光强度为50%×0.6=30%质地相同而表面机械加工程度不同的两种陶瓷试片测得的透光度值并不一样，这是由于试片表面的光洁程度不同所造成的。陶瓷瓷胎散射光强度一方面取决于试片表面的光洁程度，另一方面还取决于瓷胎内部的相组成。虽然瓷胎对光具有散射作用，但透光度的对数与厚度的变化关系依然遵守郎伯定律。关系曲线如图2所示。

    图二有两条曲线，一条是反射曲线，它平行于横座标轴，说明曲线不随厚度发生变化，只随反射光的大小而平等位移。另一条是透光度的对数与厚度的关系曲线，这条曲线与透明体曲线的变化规律是一致的。散射光强度的不同造成了透射光强度的不同，两不同透射光强度的对数差在logT座标上形成了一段截距。图二的曲线方程为：

    logT= ―εd + c

    因此要求曲线斜率ε就必须消掉常数C。

    logT―C= ―εd

    ―ε=（logT―C）/d

    ―ε=△logT/△d

    二、CS―4色差计的改装

    1、色差计的工作原理

    CS―4色差计属于一机多用的仪器，可以测定陶瓷颜料的色度、色差、分光特性曲线，透射率、反射率等。仪器由稳压器、光学系统、电学系三部分构成。光学系统包括光源、透镜、孔径光栏、电学系统包括电位计、检流计、光电池等。从光源发出的光经过两个透镜聚集后变成平行光，一路光直接照射在补偿光电池COMP上做补偿器的电源，补偿器电流的大小通过改变入射光的相对角度来调节。另一路光做为测试用的入射光源I_O，这路光线经过孔径光栏和样品室进入积分球，再经过45°反光镜反射垂直向上照在仪器顶端上的陶瓷漫射体上，陶瓷漫射体将入射的平行光漫反射到整个积分球的内表面。在积分球的不同位置锒嵌四块光电池。正底部锒有R光电池，用以测定物体的透身率和反射率。正前部锒有Y光电池，左面锒X光电池，右面锒Z光电池。XYZ光电池都是用以测定陶瓷颜料的色度和色差的。在测物体的透射和反射时，透射光和反射光强度的变化都将引起积分球内表面照度的变化，光电R将积分球照度的变化转变成电信号输出。如图3。

    R光电池输出的电信号通过检流计A使检流计光点发生偏转。调节电位计的滑动臂使其输出一个与R光电池输出信号大小相等方向相反的电流信号，此时检流计光点处于中间平衡位置。电位计滑动臂的位置指示出透射光或反射光的相对强度。

    2、色差计的改装

    色差计虽有测透射光的装置，但只能测透明体的透射光不能测瓷胎的透射光。其原因有二：一是光线通过试片之后有散射现象，透射是以漫透射为主，镜透射为次。由于漫射光和入射光轴线有一定的夹角不能进入积分球，只有镜透射光才能进入积分球。二是积分球的内表面积大约等于R光电池的200倍，即使是镜透射光也不能全部为光电池所接收，而只能接收 ，光信号非常微弱，所以直接用色差计的透光系统测瓷胎的透光度是不可能的，必须加以改装，增加瓷胎透光度测试头。

    （1）瓷胎透光度测试头

    瓷胎透光度测试头外型呈园林体，分底座和敝光罩两部分。在底座的中心有一个φ8的透孔，在最底部焊一个φ2.4的孔径光栏，在上部有一个Φ30深3mm的样品槽，敝光罩内径与底座外径要正好吻合，敝光罩的顶部锒嵌一块硒光电池T，光电池与试片距离约5mm左右，这样透过试片的光程大大缩短，透射光能全部为光电池所接收。整个测试头放在陶瓷漫射体的位置而取代漫射体。被45°反光镜反射的光线做为入射光的光源进入测试头。 如图4。

    T光电池的两个输出端钮通过发线转换开关K与电位计并联。如图5。

    当仪器用于透光度测定时分线转换开关打到2，当仪器用于其他项目测定时分线开关打到1。这样瓷胎透光度的测定就成为一个独立的测试系统。

    （2）T光电池的线性校正

    光电池的作用是将光信号变成电信号输出，光通量越大，输出的电流也越大，但光通量达到一定时，，光电流不再随光通量的增大而增加，出现了饱和状态，如图6。

    为了保证透光度测定的准确性，必需保障光电池工作在线性范围内。因此要严格控制入射光的光通量和外电路的阻抗。控制光通量的简便方法有两种：一种是缩小光柱的孔径减小光电池的受光面积。一是降低入射光强度。但降低入射光强度会影响整机工作参数，特别是会影响标准光源的功率分布特性，通过实验证明缩小光栏孔径比较切实可行。现将不同光栏孔径下测得的ε值和透光度做一比较，结果列于表1。

表1  不同光栏孔径下ε值和透光度

    从表1可以看出光栏孔径在8mm时比光栏孔径在2.4mm时的光通量大，透光度也大显然光电池工作在非线性区域。光栏孔径在2.4mm时光电池是否工作在线性区可以通过改变入射光强度的型式改变光通量来加以验证，如果透光度不受光源强度变化的影响则证明光电池工作在线性区域。验证结果列于表2。

表2  验证结果表

    通过试验可以确信，采用本仪器光源相对强度为100，光栏孔径在2.4mm的条件下进行透光度测定是可行的，透光度测定的相对误差为0.82%。

    （3）仪器的重现性

    重现性是仪器的一项重要的技术指标，仪器的重现性不好将给测试结果带来很大的误差，测试数据不可靠。所谓重现性是指同一样品在同一条件下多次测试其结果应基本一致，误差不得超出一定范围。相对误差越小说明重现性越好。表3列出了五次重复测试结果，测定时间间隔为10分钟一次。

表3  五次重复测试结果

    五次测试结果的平均值为21.93，平均偏差±0.096相对误差0.44%。

    三、负ε值的测定

    从透光度的概念来分析，瓷胎透光度不能简单地用透射光与入射光的比值来衡量，而只能用瓷胎的消光系统负ε值来衡量，因此瓷胎透光度的测定实质上就是负ε值的测定。

    取同一产品部位相近的三个陶瓷试片，试片尺寸为20×20mm，分别磨制成约0.5，1.0，1.5mm厚，然后用千分表精确测量其厚度做为d₁，d₂，d₃，以空气为参考点（100%）测量三个试片的透射光强度I₁，I₂，I₃，以透光度的对数为纵座标，试片的厚度为横座标绘制logT―d曲线，如图7。

    logT―d曲线绘出之后，以曲线为斜边做一直角三角形，纵座标logT和横座标d分别为直角三角形的两个直角边，测量两直角边的长度（以座标纸的格数表示），ΔlogT与Δd的比值即所求的负ε值。由于习惯的原因，人们往往用百分透光度来表示，用下式计算：

    %T=10^―ε×100

    利用改装后的CS―4型色差计对有关出口瓷厂的日用细瓷进行了负ε的测定，测定结果列于表4。

表4  有关出口瓷厂日用细瓷负ε测定结果

    四、分析

    1、消光系数负ε是物体的一个物理常数，这个常数只与物质内部结构有关而与其他测试条件无关。因此它能客观地描述瓷胎的透光性能。

    2、以空气为参比测得的瓷胎透光度距参比点较远，而且三个透光度值比较密集，这样会给读数和计算带来误差。绘制logT―d曲线只是为了计算负ε值而曲线的实际位置并没有什么意义，因此可以取三个试片中最薄的一片做参比点将三个测试点展开，这样一方面可以消除读数及计算误差，另一方面可以使光电池输出的电信号线性更好。

    3、由于入射光是白光，所以只能测高白瓷的透光度，对白度较低的瓷胎由于物体对不同波长光选择性吸收的影响，对光电池应进行颜色较正，需要加一个主波长为520～550nm的绿色滤光片。