Применение керамики кратко. Основные понятия, используемые в керамике, ее виды

Российская Федерация

Министерство образования и науки Челябинской области

Профессиональное училище №130

По дисциплине: «Материаловедение»

Тема: Керамические материалы

Выполнил: учащийся гр.28 Белобородов А.

Проверил: Преподаватель Долин А.М.

Южно-Уральск 2008г.

Введение

1. Общие сведения о керамических материалах

2. Сырье для производства керамических материалов и изделий

2.1 Глинистые материалы

2.2 Отощающие материалы

Заключение

Список литературы

Введение

В современном мире в строительстве очень широко применяются керамические материалы и изделия. Это обусловлено большой прочностью, значительной долговечностью, декоративностью многих видов керамики, а также распространенностью в природе сырьевых материалов.

Целью данной работы является рассмотрение и изучение керамических материалов. В соответствии с поставленной целью можно выделить и задачи работы: изучить общие сведение о керамических материалах: понятие, виды, свойства керамических материалов и изделий; сырье для производства керамических материалов и изделий: глинистые материалы, отощающие материалы.

Керамические изделия обладают различны ми свойствами, которые определяются составом исходного сырья, способами его переработки, а также условиями обжига - газовой средой, температурой и длительностью. Материал (т.е. тело), из которого состоят керамические изделия, в технологии керамики именуют керамическим черепком.

1. Общие сведения о керамических материалах

Керамическими называют материалы и изделия, изготовляемые формованием и обжигом глин. «Керамос»- на древнегреческом языке означало гончарную глину, а также изделия из обожженной глины. В глубокой древности из глин путем обжига получали посуду, а позднее (около 5000 лет назад) стали изготовлять кирпич, а затем черепицу.

Большая прочность, значительная долговечность, декоративность многих видов керамики, а также распространенность в природе сырьевых материалов обусловили широкое применение керамических материалов и изделий в строительстве. В долговечности керамических материалов можно убедиться на примере Московского Кремля, стены которого сложены почти 500 лет назад.

Среди сырьевых порошкообразных материалов - глина, которая имеет преимущественное применение при производстве строительной керамики. Она большей частью содержит примеси, влияющие на ее цвет и термические свойства. Наименьшее количество примесей содержит глина с высоким содержанием минерала каолинита и потому называемая каолином, имеющая практически белый цвет. Кроме каолинитовых глин разных цветов и оттенков применяют монтмориллонитовые, гидрослюдистые.

Кроме глины к применяемым порошкообразным материалам, являющимися главными компонентами керамических изделий, относятся также некоторые другие минеральные вещества природного происхождения - кварциты, магнезиты, хромистые железняки.

Для технической керамики (чаще именуемой специальной) используют искусственно получаемые специальной очисткой порошки в виде чистых оксидов, например оксиды алюминия, магния, кальция, диоксиды циркония, тория и др. Они позволяют получать изделия с высокими температурами плавления (до 2500-3000В°С и выше), что имеет важное значение в реактивной технике, радиотехнической керамике. Материалы высшей огнеупорности изготовляют на основе карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов и других соединений металлов как без глинистых сырьевых веществ. Некоторые из них имеют температуры плавления до 3500 - 4000В°С, особенно из группы карбидов.

Большой практический интерес имеют керметы, состоящие обычно из металлической и керамической частей с соответствующими свойствами. Получили признание огнеупоры переменного состава. У этих материалов одна поверхность представлена чистым тугоплавким металлом, например, вольфрамом, другая - огнеупорным керамическим материалом, например оксидом бериллия. Между поверхностями в поперечном сечении состав постепенно изменяется, что повышает стойкость материала к тепловому удару.

Для строительной керамики, как отмечено выше, вполне пригодна глина, которая является распространенным в природе, дешевым и хорошо изученным сырьем. В сочетании с некоторыми добавочными материалами из нее получают в керамической промышленности разнообразные изделия и в широком ассортименте. Их классифицируют по ряду признаков. По конструкционному назначению выделяют изделия стеновые, фасадные, для пола, отделочные, для перекрытий, кровельные изделия, санитарно-технические изделия, дорожные материалы и изделия, для подземных коммуникаций, огнеупорные изделия, теплоизоляционные материалы и изделия, химически стойкую керамику.

По структурному признаку все изделия разделяют на две группы: пористые и плотные. Пористые керамические изделия впитывают более 5% по весу воды (кирпич обыкновенный, черепица, дренажные трубы). В среднем водопоглощение пористых изделий составляет 8 - 20% по весу или 15 - 35% по объему. Плотными принимают изделия с водопоглощением меньше 5% по массе, и они практически водонепроницаемые, например плитки для пола, канализационные трубы, кислотоупорный кирпич и плитки, дорожный кирпич, санитарный фарфор. Чаще всего оно составляет 2 - 4% по весу или 4 - 8% по объему. Абсолютно плотных керамических изделий не имеется, так как испаряющаяся вода затворения, вводимая в глиняное тесто, всегда оставляет некоторое количество микро- и макропор.

По назначению в строительстве различают следующие группы керамических материалов и изделий:

стеновые материалы (кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый и легкий, камни керамические пустотелые);

кровельные материалы и материалы для перекрытий (черепица, керамические пустотелые изделия);

облицовочные материалы для наружной и внутренней облицовки (кирпич и камни лицевые, плиты керамические фасадные, малогабаритные плитки);

материалы для полов (плитки);

материалы специального назначения (дорожные, санитарно-строительные, химически стойкие, материалы для подземных коммуникаций, в частности трубы, теплоизоляционные, огнеупорные и др.);

заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).

Наибольшего развития достигли стеновые материалы, причем наряду с общим увеличением объема производства особое внимание обращено на увеличение выпуска эффективных изделий (пустотелый кирпич и камни, керамические блоки и панели и т.д.). Предусмотрено также расширить производство фасадной керамики, особенно для индустриальной отделки зданий, глазурованных плиток для внутренней облицовки, плиток для полов, канализационных и дренажных труб, санитарно-строительных изделий, искусственных пористых заполнителей для бетонов.

По температуре плавления керамические изделия и исходные глины разделяются на легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350В°С), тугоплавкие (с температурой плавления 1350-1580В°С) и огнеупорные (свыше 1580В°С). Выше отмечались также примеры изделий и сырья высшей огнеупорности (с температурой плавления в интервале 2000-4000Х), используемых для технических (специальных) целей.

Отличительная особенность всех керамических изделий и материалов состоит в их сравнительно высокой прочности, но малой деформативности. Хрупкость чаще всего относится к отрицательным свойствам строительной керамики. Она обладает высокой химической стойкостью и долговечностью, а форма и размеры изделий из керамики обычно соответствуют установленным стандартам или техническим условиям.

На российском рынке в настоящее время представлены жидкие керамические теплоизоляционные материалы, которые находят своего потребителя, благодаря широкой области применения и простоте использования при небольших затратах труда. Так как предлагаемые материалы в основном производятся за рубежом, они имеют высокую стоимость, что ограничивает возможность их массового использования в строительстве, энергетике и ЖКХ и т.д. Тогда как отечественные аналоги зачастую оставляют желать лучшего, и своим «качеством» вызывают негатив и предвзятость у конечного пользователя к жидким керамическим теплоизоляционным материалам.

2. Сырье для производства керамических материалов и изделий

Сырьевые материалы, используемые для изготовления керамических изделий, можно подразделить на пластичные глинистые (каолины и глины) и отощающие (шамот, кварц, шлаки, выгорающие добавки). Для понижения температуры спекания в глину иногда добавляют плавни. Каолин и глины объединяют общим названием - глинистые материалы.

керамический строительство кровельный облицовочный

2.1 Глинистые материалы

Каолины. Каолины образовались в природе из полевых шпатов и других алюмосиликатов, не загрязненных окислами железа. Они состоят преимущественно из минерала каолинита. После обжига присущий им белый или почти белый цвет сохраняется.

Глины. Глинами называют осадочные породы, представляющие собой тонкоземлистые минеральные массы, способные независимо от их минералогического и химического состава образовывать с водой пластичное тесто, которое после обжига превращается в водостойкое и прочное камневидное тело.

Состоят глины из тесной смеси различных минералов, среди которых наиболее распространенными являются каолинитовые, монтмориллонитовые и гидрослюдистые. Представителями каолинитовых минералов являются каолинит и галлуазит. В монтмориллонитовую группу входят монтмориллонит, бейделлит и их железистые разновидности. Гидрослюды - в основном продукт разной степени гидратации слюд.

Наряду с этими минералами в глинах встречаются кварц, полевой шпат, серный колчедан, гидраты окислов железа и алюминия, карбонаты кальция и магния, соединения титана, ванадия. Такие примеси влияют как на технологию керамических изделий, так и на их свойства. Например, тонко распределенный углекислый кальций и окислы железа понижают огнеупорность глин. Если в глине имеются крупные зерна и песчинки углекислого кальция, то при обжиге из них образуются более или менее крупные включения извести, которая на воздухе гидратируется с увеличением объема (дутики), что вызывает образование трещин или разрушение изделий. Соединения ванадия служат причиной появления зеленоватых налетов (выцветов) на кирпиче, что портит внешний вид фасадов.

Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.

При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.

Режущий керамический инструмент . Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы – быстрорежущие стали и твердые сплавы (таблица 14.2).

Высокие свойства режущей керамики позволили существенно повысить скорости механической обработки стали и чугуна (таблица 14.3).

Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений – нитрида бора с кубической решеткой (-BN), обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида кремния Si 3 N 4 . Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения, выпускаемые под названиями эльбор, боразон , композит 09 и др., имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1300 – 1400°С. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.

Состав и свойства основных марок режущей керамики приведены в таблице 14.4.

Режущие керамические пластины используются для оснащения различных фрез, токарных резцов, расточных головок, специального инструмента.

Керамические двигатели . Из второго закона термодинамики следует, что для повышения КПД любого термодинамического процесса необходимо повышать температуру на входе в энергетическое преобразовательное устройство: КПД = 1 – T 2 /Т 1 , где Т 1 и Т 2 – температуры на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства соответственно. Чем выше температура T 1 тем больше КПД. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми. Наиболее эффективно применение керамики для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1300 – 1500 К, иметь прочность при изгибе не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПа м 1/2 . Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяет керамика на основе диоксида циркония ZrO 2 и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводятся в Японии и США. Японская фирма «Isuzu Motors Ltd» освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, «Nissan Motors Ltd» – крыльчатки турбокомпрессора, фирма «Mazda Motors Ltd» – форкамеры и пальца толкателя.

Компания «Cammin Engine» (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrO 2 , нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30 %.

Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Двигатель развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30 – 50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1470 – 1670 К (в перспективе до 1770 – 1920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.

Повышение тактико-технических характеристик авиационных двигателей невозможно без применения керамических материалов.

Керамика специального назначения . К керамике специального назначения относятся сверхпроводящая керамика, керамика для изготовления контейнеров с радиоактивными отходами, броневой защиты военной техники и тепловой защиты головных частей ракет и космических кораблей.

Контейнеры для хранения радиоактивных отходов . Одним из сдерживающих факторов развития ядерной энергетики является сложность захоронения радиоактивных отходов. Для изготовления контейнеров применяют керамику на основе оксида В 2 О 3 и карбида бора В4С в смеси с оксидом свинца РbО или соединениями типа 2РbО PbSO 4 . После спекания такие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характеризуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным частицам – нейтронам и -квантам.

Ударопрочная броневая керамика . По своей природе керамические материалы являются хрупкими. Однако при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного удара, когда эта скорость превышает скорость движения дислокаций в металле, пластические свойства металлов не будут играть никакой роли и металл будет таким же хрупким, как и керамика. В этом конкретном случае керамика существенно прочнее металла.

Важными свойствами керамических материалов, обусловивших их применение в качестве брони, является высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при в 2 – 3 раза меньшей плотности. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамику для защиты от бронепрожигающих снарядов.

В качестве критерия пригодности материала для броневой защиты М может быть использовано следующее соотношение:

где Е – модуль упругости, ГПа; Н к – твердость по Кнупу, ГПа; – предел прочности, МПа; Т пл – температура плавления, К; – плотность, г/см 3 .

В таблице 14.5 приведены основные свойства широко применяемых броневых керамических материалов в сравнении со свойствами броневой стали.

Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида бора. Их массовое применение сдерживается высокой стоимостью метода прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимости существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта. Керамику из диборида титана, имеющую наибольшую твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.

Для массового производства керамики наиболее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминия. Керамику на его основе используют для защиты живой силы, сухопутной и морской военной техники.

По данным фирмы «Morgan M. Ltd» (США), пластина из карбида бора толщиной 6,5 мм или из оксида алюминия толщиной 8 мм останавливает пулю калибром 7,62 мм, летящую со скоростью более 800 м/с при выстреле в упор. Для достижения того же эффекта стальная броня должна иметь толщину 10 мм, при этом масса ее будет в 4 раза больше, чем у керамической.

Наиболее эффективно применение композиционной брони, состоящей из нескольких разнородных слоев. Наружный керамический слой воспринимает основную ударную и тепловую нагрузку, дробится на мелкие частицы и рассеивает кинетическую энергию снаряда. Остаточная кинетическая энергия снаряда поглощается упругой деформацией подложки, в качестве которой может использоваться сталь, дюралюминий или кевларовая ткань в несколько слоев. Эффективно покрытие керамики легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет.

Конструкция керамической брони показана на рисунке 14.2.

Рисунок 14.2 – Конструкция керамической бронепанели: а, б – составляющие элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разного калибра; в – фрагмент бронепанели, собранный из элементов а и б; 1 – бронебойная пуля калибра 12,7 мм; 2 – пуля калибра 7,62 мм; 3 – защитное покрытие частично снято

Бронепанель состоит из отдельных последовательно соединенных керамических пластин размером 50 * 50 или 100 * 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12,6 мм используют пластины из Аl 2 О 3 толщиной 15 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм – пластины из Аl 2 О 3 толщиной 6 мм и 12 слоев кевлара.

Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией США керамической брони из Аl 2 О 3 , SiC и В 4 С показало ее высокую эффективность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов на основе AlN, TiB 2 и полиамидных смол, армированных керамическими волокнами.

Керамика в ракетно-космическом машиностроении . При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, кораблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надежной теплозащите.

Материалы для тепловой защиты должны обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности.

Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических кораблей многоразового использования. Свойства плит ряда составов приведены в таблице 14.6. Средний диаметр волокон 3 – 11 мкм.

Для повышения прочности, отражательной способности и абляционных характеристик внешней поверхности теплозащитных материалов их покрывают слоем эмали толщиной около 300 мкм. Эмаль, содержащую SiC или 94 % SiO 2 и 6 % В 2 О 3 , в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при 1470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и гиперзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1670 К. Варианты системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рисунке 14.3.

Рисунок 14.3 – Система керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов для температур от 1250 до 1700 о С: 1 – керамика на основе SiC или Si 3 N 4 ; 2 – теплоизоляция; 3 – спеченная керамика

Высокопористый волокнистый слой теплоизоляции на основе FRCI, АЕТВ или HTR защищен облицовкой из слоя карбида кремния. Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.

В узком смысле слово керамика обозначает глину , прошедшую обжиг .

Самая ранняя керамика использовалась как посуда из глины или из смесей её с другими материалами. В настоящее время керамика применяется как материал в промышленности (машиностроение, приборостроение, авиационная промышленность и др.), строительстве, искусстве, широко используется в медицине, науке. В XX столетии были созданы новые керамические материалы для использования в полупроводниковой индустрии и др. областях.

Энциклопедичный YouTube

1 / 2

✪ ТЁПЛАЯ КЕРАМИКА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ДОМА

✪ Керамика за 120 Евро? Для чего она нужна?

Субтитры

Виды керамики

В зависимости от строения различают тонкую керамику (черепок стекловидный или мелкозернистый) и грубую (черепок крупнозернистый). Основные виды тонкой керамики - фарфор , полуфарфор, каменная керамика , фаянс , майолика . Основной вид грубой керамики - гончарная керамика . Кроме того, различают керамику карбидную (карбид вольфрама , карбид кремния), алюмооксидную , циркониевую (на основе ZrO 2), нитридную (на основе AlN) и пр.

Гончарная керамика имеет черепок красно-коричневого цвета (используются красножгущиеся глины), большой пористости, водопоглощение до 18 %. Изделия могут покрываться бесцветными глазурями, расписываются цветными глиняными красками - ангобами .

История

Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, первым созданным человеком искусственным материалом. Считалось, что возникновение керамики напрямую связано с переходом человека к оседлому образу жизни, поэтому оно произошло намного позднее, чем корзины . Ещё недавно первые известные нам образцы керамики относились к эпохе верхнего палеолита (граветтская культура) . Древнейший предмет из обожжённой глины датируется 29-25 тысячелетиями до нашей эры. Это вестоницкая Венера , хранящаяся в Моравском музее в Брно .

Найденные в 1993 году горшки из пещеры Сяньжэньдон (англ. ) в провинции Цзянси на юго-востоке КНР были слеплены 20-19 тыс. лет назад . Черепки от остроконечного сосуда, найденные в пещере Юйчаньянь (англ. ) в провинции Хунань на юго-востоке Китая, датируются возрастом 18,3-17,5 тыс. лет назад .

Древнейшая керамическая посуда (12 тыс. л. н.) в России обнаружена в Забайкалье (на археологических памятниках усть-каренгской культуры ) и на Дальнем Востоке (громатухинская, осиповская, селемджинская культуры; см. Сибирский неолит).

Керамика с толстым слоем растительного воска и жирного осадка с ливийских местонахождений в Сахаре (Юан Афуда (Uan Afuda ) и Такартори (Takarkori) датируется периодом 8200-6400 лет до н. э.

Первоначально керамика формовалась вручную. Изобретение гончарного круга в третьем тысячелетии до нашей эры (поздний энеолит - ранний бронзовый век) позволило значительно ускорить и упростить процесс формовки изделия. В доколумбовых культурах Америки индейская керамика изготавливалась без гончарного круга вплоть до прихода европейцев.

Отдельные виды керамики формировались постепенно по мере совершенствования производственных процессов, в зависимости от свойств сырья и получаемых условий обработки.

Древнейшие виды керамики - это разнообразные сосуды, а также пряслица , ткацкие грузики и другие предметы. Эта бытовая керамика разными способами облагораживалась - наносился рельеф штамповкой, прочерчиванием, налепными элементами. Сосуды получали разную окраску в зависимости от способа обжига. Их могли лощить, окрашивать или разрисовывать орнаментом, покрывать ангобом, глянцеватым слоем (греческая керамика и римские Terra sigillata ), цветной глазурью («Гафнеркерамика» Ренессанса).

К концу XVI века в Европе появилась майолика (в зависимости от происхождения, также часто называется фаянсом). Обладая пористым черепком из содержащей железо и известь, но при этом белой фаянсовой массы, она была покрыта двумя глазурями: непрозрачной, с высоким содержанием олова, и прозрачной блестящей свинцовой глазурью.

Каменная керамика также изготовлялась Веджвудом в Англии. Тонкий фаянс как особый сорт керамики с белым пористым черепком, покрытым белой же глазурью, появился в Англии в первой половине XVIII века. Фаянс в зависимости от крепости черепка делится на мягкий тонкий фаянс с высоким содержанием извести, средний - с более низким её содержанием и твёрдый - совсем без извести. Этот последний по составу и крепости черепка часто напоминает каменную керамику или фарфор .

Изготовление гончарных форм с использованием и без использования гончарного круга

История появления керамики на Руси

Археологические находки во многих древнерусских городах свидетельствуют о широком развитии на Руси гончарного ремесла. В Древней Руси применяли большей частью двухъярусные (нижний, топочный ярус зарывали в землю) гончарные горны, но были и одноярусные.

Монголо-татарское нашествие повлияло на развитие древнерусской культуры. История одной из её ветвей - керамики, сместилась из южных регионов в северные и западные пограничные города, в московские земли, поэтому не случайно возрождение изразцового искусства в Древней Руси было уничтожено множеством произведений русских гончаров IX-XII веков. Например, исчезли двуручные корчаги-амфоры, вертикальные светильники, искусство перегородчатой эмали, глазурь (самая простая - жёлтая, уцелела только в Новгороде), более простым стал орнамент.

Отдельное направление русской, а затем и современной российской керамики, составляет гжель (по имени города). Эти изделия исполняются в бело-синем стиле.

Прозрачная керамика

Исходные керамические материалы непрозрачны из-за особенностей их структуры. Однако спекание частиц нанометровых размеров позволило создать прозрачные керамические материалы, обладающие свойствами (диапазоном рабочих длин волн излучения, дисперсией, показателем преломления), лежащими за пределами стандартного диапазона значений для оптических стёкол .

Нанокерамика

Технология производства керамических изделий

Технологическая схема производства керамической плитки включает следующие основные фазы:

Приготовление шликера ;
Формовка изделия;
Сушка;
Приготовление глазури и глазуровка (эмалировка);

Сырьё для керамических масс подразделяется на пластичное (глины и каолины) и непластичное. Добавки шамота и кварца уменьшают усадку изделий и вероятность растрескивания на стадии формования. В качестве стеклообразователей используют свинцовый сурик , буру .

Приготовление шликера

Приготовление шликера идёт в три фазы:

Первая фаза: помол полевого шпата и песка (помол ведётся от 10 до 12 часов);
В первую фазу добавляется глина;
Во вторую фазу добавляется каолин . Готовый шликер сливается в ёмкости и выдерживается.

Транспортировка из сырьевого склада производится при помощи погрузчика в приёмные бункера. Откуда по конвейеру отправляется либо в шаровую мельницу (для помола), либо в турборастворители (для роспуска глины и каолина)

Участок по приготовлению глазури

Глазури - глянцевидные сплавы, расплавляющиеся на керамическом черепке слоем толщиной 0,12 - 0,40 мм. Глазурь наносится, чтобы покрыть черепок изделия плотным и гладким слоем, а также для придания изделию с плотным черепком повышенной прочности и привлекательного внешнего вида, для гарантии диэлектрических свойств и защиты декора от механических и химических воздействий.

В состав глазури входит тонко измельчённый циркон , мел , белила . В одну из определяемых технологом ёмкостей загружается готовая глазурь. Её пропускают несколько раз через вибросита и магнитноуловители для извлечения металлических примесей, наличие которых в глазури может повлечь за собой образование дефектов в ходе производства. В состав добавляется клей, и глазурь отправляется на линию.

Формование

Перед формовкой шликер загружается в одну из ёмкостей. Три ёмкости используются поочерёдно (меняясь примерно раз в сутки) для определённого стенда. Форму предварительно очищают от остатков шликера после предыдущей формовки, обрабатывают шликерной водой и просушивают.

Шликер заливают в просушенные формы. Формы рассчитаны на 80 заливок. При формовании используется наливной способ. Форма впитывает в себя часть воды, и объём шликера уменьшается. В форму доливают шликер для поддержания требуемого объема.

После затвердевания изделия просушиваются, производится первичная отбраковка изделий (трещины, деформации).

Ручная обработка изделий

После формования изделия поступают в цех ручной обработки.

После нанесения глазури изделие отправляется на обжиг в печь. Печь укомплектована модулем предварительной сушки, камерами обеспыливания и обдува. Термическая обработка ведётся при температуре 1230 градусов, длина печи составляет порядка 89 метров. Цикл от погрузки до разгрузки вагонетки составляет около полутора суток. Обжиг изделий в печи проходит в продолжение суток.

После обжига проводят сортировку: разделение на группы подобных изделий, выявление дефектов. Если дефекты устранимы, то они отправляются на доработку и удаляются вручную на участке реставрации. В противном случае изделие считается бракованным.

По составу и свойствам керамические изделия делят на типы, виды и разновидности.

Тип керамики определяется

составом и соотношением отдельных фаз

Их обработкой, особенно тонкостью помола,

составом глазурей,

температурой и длительностью обжига.

В состав масс всех типов керамики входят пластичные глинистые вещества (глина, каолин), отощающие материалы (кварц, кварцевый песок), плавни (полевой шпат, пегматит, перлит, костяная зола и др.) При обжиге отформованных изделий в результате сложных физико-химических превращений и взаимодействий компонентов масс и глазурей, формируется их структура.

По характеру строения керамику подразделяют на грубую и тонкую.

Изделия грубой керамики (гончарные изделия, кирпич, черепица) имеют пористый крупнозернистый черепок неоднородной структуры, окрашенный естественными примесями в желтовато-коричневые цвета.

Тонкокерамические изделия отличаются тонкозернистым белым или светлоокрашенным, спекшимся или мелкопористым черепком однородной структуры.

По степени спекания (плотности) черепка различают керамические изделия:

Плотные, спекшиеся с водопоглощением менее 5% - фарфор, тонкокаменные изделия, полуфарфор;

Пористые с водопоглощением более 5% - фаянс, майолика, гончарные изделия.

В зависимости от строения различают:

Грубую имеют пористый крупнозернистый в изломе черепок неоднородной структуры, окрашенный естественными примесями в желтовато-коричневые цвета (пористость 5-30%) - гончарная керамика - гончарные изделия, кирпич, черепица. К грубой керамике относят многие строительные керамические материалы, например лицевой кирпич

Тонкую керамику отличается тонкозернистым белым или светлоокрашенным, спекшимся стекловидным или мелкопористым черепком однородной структуры (пористость <5%) - фарфор, полуфарфор, фаянс, майолика, керметы.

В особую группу выделяют так называемую высокопористую керамику (пористость 30-90%), к которой обычно относят теплоизоляционные керамические материалы.

Свойства керамических изделий зависят как от состава применяемых масс, так и от технологических особенностей их производства.

Керамика необходима там, где требуется высокая устойчивость к внешнему воздействию: высокая температура, истирание, агрессивные среды и т.д.

Неизменность структуры и свойств обеспечивают прочные химические связи.

Благодаря уникальности своих свойств керамики получили заслуженное признание в различных отраслях техники.

Физические и механические свойства керамик определяются характером химической связи и кристаллической структурой.

В зависимости от назначения керамики получение заданных свойств изделий достигается подбором сырьевых материалов и добавок и особенностями технологии.

К основным свойствам относятся плотность, механическая прочность, твердость, пористость, термическая стойкость, химическая устойчивость, белизна, просвечиваемость, скорость распространения звуковых волн.

Керамики характеризуются высокой твёрдостью, жёсткостью, относительно высоким пределом прочности на сжатие и недостатком пластичности.

Твердость. Даже пористая гончарная глина царапает стекло, т.к. содержит частицы кварца (по Моосу 7).Техническая керамика содержит в своем составе окись алюминия (по Моосу 9) – сапфир, рубин. Наиболее полно это свойство используют в абразивных керамических материалах – карбид кремния, окись алюминия, нитрид бора и углерода – твердые и сверхтвердые материалы.

Механическая прочность - одно из важнейших свойств, от которого зависит долговечность изделия. Обладает достаточно высокой прочностью. Прочность сильно зависит от пористости керамики. глиняный горшок, фарфоровая чашка с тонкими стенками… Удельная механическая прочность, т. е. отношение приложенного усилия к единице толщины дна, определяется по методу свободного падения стального шарика по дну изделия. У фаянса она более высокая, чем у фарфора. Прочность на удар по методу маятника наоборот у фаянсовых изделий ниже, чем у фарфоровых.

Хорошо выдерживает напряжения сжатия, хуже изгиба и совсем плохо напряжения растяжения (35-350 МПа, обычный кирпич 5 МПа, стальная проволока рояльная 3100 МПа, кожа 40 МПа, человеческий волос 190 МПа). При конструировании формы изделия рассчитывают форму так, чтобы возникающие в процессе эксплуатации усилия приводили к напряжениям сжатия или изгиба.(картинка).

Плотност ь зависит от состава и пористости фарфора равна 2,25-2,4 г/см³, а фаянса - 1,92-1,96 г/см³.

Пористость определяют методом водопоглощения, которая у фарфора составляет 0,01-0,2%, а у фаянса - 9-12%.

Огнеупорность – устйчивость к действию высоких температур.Востребована в печах и агрегатах для выплавки металлов. Т 1000-3000. При Т более 1000 прочнее любых сплавов. Зависит от состава, т.е. от температуры плавления основных ее компонентов. Не все керам материалы являются огнеупорными, вся строительная керамика, хозяйственно-бытовая – невысокие температуры эксплуатации. Пожар выдержат, но глазурное покрытие покроется цеком.

Огнеупорностью называют свойство керамических материалов и изделий противостоять воздействию высоких температур, не расплавляясь. Показателем (количественной мерой) огнеупорности является температура, при которой образец из данного материала, имеющий форму трехгранной усеченной пирамиды (условно именуется «конусом»), деформируется под влиянием собственной тяжести, касаясь при этом своей вершиной керамической подставки.

Термостойкость характеризует способность изделия выдерживать резкие смены температур. Для глазурованных плиток =125-150 С, что означает возможность резкого перепада от этой температуры до 20 С без образования трещин.

Термостойкие материалы должны иметь низкий температурный коэф. лин. расш., высокую теплопроводность и мех прочность.

Наиболее термостойкой является кварцевая керамика, керамика на основе кордиерита, сподумена.

Наиболее термостойкие из художественной керамики фарфор и каменная керамика – делают чайники, чашки. Термическая стойкость фарфоровых изделий выше, чем у фаянсовых. Так, в соответствии с действующими ГОСТами 28390-89 и 28391-89 термостойкость фарфоровых изделий должна быть 185°С, фаянсовых - от 125°С (для бесцветных глазурей) и 115°С (для цветных глазурей).

Химические связи в керамиках весьма прочны, поэтому керамики характеризуются также высокими температурами плавления и химической устойчивостью.

Керамика tпл.,°С

Карбид титана TiC 3120

Борид титана TiB2 2980

Карбид вольфрама WC ~2850

Оксид алюминия Al2O3 2050

Оксид хрома Cr2O3 1990

Торстерит 2MgO·SiO2 1830

Муллит 3Al2O3·2SiO2 1810

Оксид кремния (кристобалит) 1715

Оксид титана TiO2 1605

Отсутствие свободных электронов служит причиной того, что керамики, как правило, плохо проводят электричество и тепло . Поэтому керамики широко используются в электротехнике как диэлектрики.

Потребности вакуумной техники в керамике связаны, в первую очередь, с их высокими диэлектрическими качествами, высокой химической стойкостью (в том числе и при высоких температурах) и высокой температуростойкостью.

отсутствие у большинства материалов гигроскопичности,

хорошие электрические (пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические)

и магнитные характеристики при достаточной механической прочности, стабильности характеристик и надежности,

стойкость к воздействию излучения высокой энергии и использование достаточно дешевого и доступного сырья обеспечило их широкое применение в различных областях.

Гигроскопичность - керамика является экологически чистым продуктом и имеет капиллярную структуру, позволяющую стене "дышать". Стена из такого материала выполняет функцию естественного кондиционера: вбирает влагу при ее избытке и отдает при недостатке, поддерживая здоровый температурно-влажностный баланс в жилом помещении. Поверхность стены остается сухой в любое время года, что, в свою очередь, предотвращает образование грибка и плесени.
В Европе керамический блок хорошо знают и любят. На сегодняшний день более половины зданий возводятся из этого материала. Теперь этот материал пришел и на российский рынок и уверенно продолжает его завоевание благодаря своим неоспоримым преимуществам.

Эстетические свойства керам материалов сложно охарактеризовать однозначно, так как слишком различны составы, фактуры поверхности и способы декорирования.

Для гончарной керамики и терракоты большую роль играет фактурность поверхности и теплые тона естественных природных окрасок. терракотовый цвет.

Декоративность майолики, фаянса, фарфора связана в первую очередь с покрытием глазурью и росписью. Фаянс – ощутимая толщина, грубость формы, фарфор изящная холодность, просвечиваемость.

Оценивая эстетические свойства керам изделий можно подчеркнуть их пластичность и естественность форм, многообразие фактур и расцветок, т.е.высокие декоративные возможности.

Керамика один из самых экологически чистых материалов.

Белизна - способность материала отражать падающий на него свет. Особенно важна белизна для фарфоровых изделий. Белизна определяется визуально путем сравнения испытуемого образца с эталоном или с помощью электрического фотометра, а также на "Спеколе".

Скорость распространения звуковых волн для фарфоровых изделий в 3-4 раза выше, чем у фаянсовых, поэтому при ударе деревянной палочкой по краю фарфоровые изделия издают высокий звук, а фаянсовые - глухой.

Просвечиваемость характерна для фарфора, который просвечивает при большой толщине изделия, так как имеет спекшийся черепок. Фаянсовые изделия не просвечивают из-за пористого черепка.

Твердость глазурного слоя по минералогический шкале для фарфора составляет 6,5-7,5, а для фаянса - 5,5-6,5, микротвердость определяется вдавливанием алмазной пирамидки. Фарфоровые глазури считаются твердыми, майоликовые - мягкими, а фаянсовые относятся к средним.

Химическая устойчивость глазурей и керамических красок, применяемых для бытовых фарфоровых и фаянсовых изделий, должна быть высокой, так как при обработке слабыми кислотами и щелочами при обыкновенной температуре или при нагревании до 60-65°С они не должны разрушаться.

Цвет “живой глины” обманчив. Высохшая на воздухе, она, как правило, лишь немного светлеет. Но при обжиге большинство глин резко меняют свой цвет: зеленая становится розовой, бурая - красной, синяя и черная - белой. Например, мастера из села Фнлимоново под Тулой лепят свои знаменитые игрушки из черно-синей глины, которая после обжига приобретает белый, чуть кремоватый цвет. Здесь в печи при обжиге выгорают все органические частицы, которые придавали ей “живую” черную окраску. Только белая глина и после обжига остается белой.

Керамические материалы обуславливается широким применением в различных областях деятельности человека.

Керамика-это фундамент медицинской техники. Детали из керамических материалов являются ключевыми компонентами усилителя рентгеновских снимков и источников рентгеновского излучения. Усилителя рентгеновских снимков - сердце компьютерных томографов. Он позволяет врачам с уверенностью ставить правильный диагноз при минимальном облучении пациентов.

Свойства, которыми обладает керамические элементы при изгибающей нагрузке, делают их незаменимыми компонентами измерительных систем в авиационной и космической технике. Внезапные изменения давления являются основной испытательной нагрузкой для любого летательного аппарата. Сенсорные мембраны, изготовленные из керамических материалов, распознают критические значения, передают сигналы тревоги и являются надежной защитой безопасности экипажа и пассажиров. Высокая разрешающая способность зарегистрированного сигнала достигается за счет прогиба сверхтонкой сенсорной мембраны.

Керамика используется в вакуумных камерах для ускорителей заряженных частиц, и гарантируют четкую и качественную работу благодаря стабильности геометрической формы в сочетании с высокими электроизоляционными свойствами. Фокусирующие устройства в электронных микроскопах изготовлены с точностью до нескольких микрон. Только при такой точности, возможно проводить исследования различных препаратов в области науки и техники под микроскопом, при высоком разрешении и с высокой четкостью.

В установках для изготовления фотоэлементов и полупроводников используются специальные процессы, происходящие исключительно в условиях глубокого вакуума. Такие материалы, как стекло и фарфор со своими свойствами, в этих экстремальных условиях оказываются за рамками своих возможностей. Электрические проходные изоляторы и изоляционные трубки из керамики помогают в осуществлении самых различных процессов.

Во время технологических обработок типографской пленки и бумаги встречается техническая керамика. В первую очередь, это - направляющие планки из керамических материалов, с помощью которых достигается очень высокая скорость перемещения пленки и бумаги благодаря отшлифованной поверхности, а также малым допускам по геометрическим размерам и по позиционированию. При помощи деталей из керамики возможна также переработка абразивных и даже чувствительных к механическим повреждениям видов пленки. Большая скорость перемещения в сочетании с высоким качеством делают незаменимым применение технической керамики в цифровой печати.

При производстве стекла керамике. Его термостойкость составляет до 1950°C. Благодаря использованию керамики достигается высокая точность измерения температуры при стекловарении и при производстве стеклокерамики. Керамика - химически инертный материал, таким образом, технологическая безопасность при переработке всех химических материалов полностью обеспечена.

При исчезновении напряжения с сети или в автономных системах топливные элементы из керамики обеспечивают электропитание. Изоляция отдельных поверхностей топливного элемента друг от друга и обеспечение зазора между ними осуществляется с помощью рамок из керамики.

При изготовлении электрических ламп термостойкость играет решающую роль. Благодаря высокой коррозионностойкости, колодки и формирующие ролики из керамических материалов гарантируют неизменно высокую точность.

Сварочные штифты из керамики обеспечивают высокую точность взаимного расположения свариваемых деталей автомобильных кузовов. Применение вытяжных штампов из керамики делает излишней дорогостоящую доработку деталей после процессов деформации металла.

Изделия из керамики, установленные в оборудовании для химической промышленности, значительно снижают потери из-за протечки жидких материалов. В то время как керамический защитный экран в магнитной муфте отвечает за обеспечение высокой герметичности химического насоса, антифрикционные свойства керамических поршней насосов высокого давления гарантируют долгую работоспособность элементов, обеспечивающих герметичность.

Инструменты из керамики при обработке твердых поверхностей обладают неоспоримыми преимуществами. О долговечности этих высококачественных инструментов особенно хорошо знают производители высокоточных механических приборов и устройств, например, в часовой, оптической и стекольной промышленности. Поликристаллический спеченный рубин (агломерат-рубин) имеет твердость, близкую к твердости алмаза, и может использоваться для различных видов обработки поверхности деталей.

Керамика отличается исключительным многообразием свойств по сравнению с другими типами материалов. Среди видов керамики всегда можно найти такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры, тогда как обратное возможно далеко не во всех случаях. Использование керамики открывает возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в пределах одной и той же химической композиции.