Керамика свойства и применение. Керамический материал: свойства, технология производства, применение

Керамическими называют строительные материалы и изделия, получаемые обжигом до камневидного состояния различных глиняных и им подобных масс.

3.1. Сырьевые материалы для производства керамических изделий

3.1.1. Глины. Глинами называют группу распространенных в природе осадочных горных пород, сложенных различными глинистыми минералами - водными алюмосиликатами - со слоистой кристаллической структурой. Важнейшими глинистыми минералами являются каолинит (Al 2 О 3 2 SiO 2 2H 2 O); галлуазит (Al 2 0 3 2SiO 2 4H 2 O) монтмориллонит (Al 2 O 3 4SiO 2 n Н 2 О); бейделлит (Al 2 O 3 3SiO 2 nН 2 О) и продукты разной степени гидратации слюд.

Если в глинах преобладают каолинит и галлуазит, то глины называют каолинитовыми; если преобладают монтмориллонит и бейделлит – монтмориллонитовые; если преобладают продукты разной степени гидратации слюд – гидрослюдистые. Высокодисперсные породы с преобладанием монтмориллонита называют бентонитами

Глинистые минералы определяют основную особенность глин - образовывать с водой пластичное теcто, способное в процессе высыхания сохранять приданную ему форму и после обжига приобретать свойства камня.

Наряду с глинообразующими минералами в глинах встречаются кварцы, полевой шпат, серный колчедан, гидроксиды железа, карбонаты кальция и магния, соединения титана, ванадия, органические примеси и др. примеси, которые влияют как на технологию производства керамических изделий, так и на их свойства.

Керамические свойства глин характеризуются пластичностью, связностью и связующей способностью, воздушной и огневой усадкой, огнеупорностью и цветом черепка после обжига.

Пластичность глин. Пластичностью глин называют способность глиняного теста под действием внешних сил принимать заданную форму без образования трещин и устойчиво сохранять ее.

Примеси, содержащиеся в глинах, понижают пластичность глин и тем в большей степени, чем выше их содержание. Пластичность глин повышается с увеличением количества воды в глиняном тесте, но до некоторого предела, сверх которого глиняное тесто начинает терять удобоформуемость (прилипает к поверхности глиноперерабатывающих машин). Чем пластичнее глины, тем больше они требуют воды для получения удобоформуемого глиняного теста и тем больше их воздушная усадка.

Техническим показателем пластичности является число пластичности:

Пл = W т – W р , 3.1

где W т и W р значения влажности в %, соответствующие пределу текучести и пределу раскатывания глиняного жгута.

Высокопластичные глины имеют водопотребность более 28%, число пластичности более 15, и воздушную усадку 10…15%. Изделия из этих глин сильно уменьшаются в объеме при высыхании и дают трещины. Излишняя пластичность устраняется введением отощающих добавок.

Глины средней пластичности имеют водопотребность 20…28%, число пластичности 7…15 и воздушную усадку 7…10%.

У малопластичных глин водопотребность менее 20%, число пластичности менее 7 и воздушную усадку 5…7%. Изделия из этих глин трудно формовать. Недостаточную пластичность устраняют путем освобождения от песка (отмучивания), вылеживания (естественного выветривания), измельчения в специальных машинах, обработкой паром или добавлением пластичной глины.

Связность – усилие, необходимое для разъединения частиц глины. Связность обусловлена малой величиной и пластинчатой формой частиц глинистого вещества. Чем выше количество глинистых фракций, тем выше связность.

Связующая способность глины выражается в том, что глина может связывать частицы непластичного вещества (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие – сырец .

Усадка глин. Глинистые минералы при смачивании глин водой набухают вследствие того, что поглощаемая ими вода располагается между отдельными слоями их кристаллических решеток; при этом межплоскостные расстояния решеток значительно увеличиваются. При сушке глин происходит обратный процесс, сопровождающийся усадкой.

Под воздушной усадкой (линейной или объемной) понимают уменьшение линейных размеров и объема образца из глиняного теста при высыхании. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глины.

При обжиге глин после удаления гигроскопической влаги и выгорания органических примесей происходит разложение глинистых минералов. Так, каолинит при температуре 500 - 600°С теряет химически связанную воду; при этом процесс протекает с полным распадом кристаллической решетки и образованием аморфной смеси глинозема А1 2 О 3 и кремнезема SiO 2 . При дальнейшем нагреве до температур 900 - 950° С возникают новые металлические силикаты, например муллит 3Al 2 О 3 2SiО 2 , и образуется некоторое количество расплава (жидкой фазы) вследствие плавления наиболее легкоплавких минералов, входящих в состав обжигаемых глиняных масс. Чем больше в составе глин окислов-плавней Na 2 O, К 2 O, MgO, CaO, Fe 2 O 3 , тем ниже температура образовали жидкой фазы. В процессе обжига под действием сил поверхностного натяжения жидкой фазы твердые частицы обжигаемого материала сближаются, и объем его уменьшается, т. е. происходит огневая усадка.

Огневой усадкой (линейной или объемной) называется уменьшение линейных размеров и объема высушенных глиняных образцов в процессе обжига.

Переход глиняных масс при обжиге и последующем охлаждении в камнеподобное тело обусловлен сцеплением частиц в результате диффузионных процессов, приводящих к возникновению новых кристаллических силикатов за счет топохимических реакций, и образованием стекловидного расплава, связывающего отдельные огнеупорные зерна в прочный монолитный черепок. Процесс уплотнения глиняных масс при обжиге принято называть спеканием .

Температура обжига, при которой водопоглощение обожженного изделия составляет 5%, принимается за начало спекания глин . Температурный интервал между огнеупорностью и началом спекания называется интервалом спекания глин. Он зависит от состава глин: чистые каолиновые глины имеют интервал спекания более 100° С, присутствие в составе глин кальцита СаСО 3 уменьшает интервал спекания. При производстве плотных керамических изделий можно использовать только глины с большим интервалом спекания.

Огнеупорность глин зависит от их состава. Для чистого каолинита огнеупорность равна 1780° С. По огнеупорности глины подразделяются на огнеупорные - с огнеупорностью более 1580° С, тугоплавкие -с огнеупорностью 1350 - 1580° С и легкоплавкие - с огнеупорностью менее 1350° С.

Для получения керамических строительных материалов используют преимущественно легкоплавкие (кирпичные) глины, содержащие значительное количество кварцевого песка, соединений железа и других плавней.

Цвет глиняного черепка , после обжига зависит от состава глин, в частности от присутствия в них окислов; железа. Соединения железа окрашивают керамический черепок в красный цвет при обжиге в окислительной среде и в темно-коричневый или черный цвет при обжиге в восстановительной среде. Интенсивность окраски повышается с увеличением содержания в глине Fe 2 O 3 .

3.1.2. Отощающие материалы. Отощающие материалы добавляют к пластичным глинам для уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях.

В качестве отощающих материалов используют кварцевый песок и пылевидный кварц (природные материалы), дегидратированную глину (получают нагреванием глины до 600…700 о С – при этом глина теряет пластичность), шамот (получают обжигом огнеупорных или тугоплавких глин при 1000…1400 о С с последующим измельчением до 0,16…2 мм), золы и шлаки (отходы промышленности).

3.1.3. Порообразующие материалы. Порообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью.

Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют (например, мел, молотый доломит и др.) с выделением газа (например, СО 2), или выгорают (древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль и др.). Эти добавки одновременно являются отощающими.

3.1.4. Плавни. Плавни добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо понизить температуру ее спекания.

Для этого используют полевые шпаты, железную руду, доломит, магнезит, тальк и т.п. При получении цветной керамики в сырьевую массу добавляют в качестве плавней оксиды металлов: железа, кобальта, хрома и т.п.

1.5. Глазури и ангобы. Для придания стойкости к внешним воздействиям, водонепроницаемости и декоративного вида поверхность некоторых изделий (облицовочный кирпич, керамическая плитка, керамические трубы и др.) покрывают глазурью или ангобом .

Глазурь – стекловидный слой, нанесенный на поверхность керамического материала, закрепленный на нем с помощью обжига при высокой температуре. Глазури могут быть прозрачными и не прозрачными (глухими), иметь различный цвет.

Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, оксиды свинца или стронция, борную кислоту, буру и др. Состав глазури, как правило, является ноу-хау предприятия. Сырьевую смесь размалывают в порошок (в сыром виде или после сплавления в виде фритты) и наносят в виде суспензии перед обжигом.

Ангоб изготавливают из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность сырцового изделия. В отличие от глазури ангоб не дает при обжиге расплава, т.е. не образует стекловидного слоя, и поэтому поверхность получается матовой. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

3.2. Основы технологии производства керамических изделий

Процесс производства всех керамических изделий включает добычу глины, подготовку глиняных масс к формованию, формование изделий, сушку, обжиг.

Для некоторых керамических изделий процесс их получения (после обжига) заканчивается внешней отделкой.

При производстве керамической плитки, керамических труб, санитарно-технических изделий технология дополнительно включает глазурование перед обжигом или после первичного обжига, а иногда и нанесение рисунка различными методами (чаще всего декорированием).

Добыча и транспортировка глины. В большинстве случаев глину добывают открытым способом, для чего используют одно- и многоковшовые экскаваторы, скреперы и другие механизмы. На завод глину доставляют рельсовым транспортом, автотранспортом, подвесными дорогами и конвейерами.

Подготовка керамической массы. Карьерная глина в большинстве случаев не пригодна для получения керамических изделий. Поэтому технология любого керамического производства начинается с приготовления керамической массы.

Цель этой стадии производства – разрушить природную структуру глиняного сырья, удалить вредные примеси, измельчить крупные куски и получить однородную удобоформуемую массу.

При подготовке к формованию глин высокой (избыточной) пластичности в их состав вводят отощающие и порообразующие добавки, а при необходимости и плавни. При наличии в глине каменистых включений крупностью свыше 5 мм ее пропускают через камневыделительные вальцы или эти включения измельчают, обрабатывая глину на бегунах.

Затем в глиномешалке глину перемешивают с водой для получения глиняного теста формовочной влажности.

В зависимости от вида изготавливаемой продукции и свойств сырья керамическую массу получают пластическим, полусухим и шликерным (мокрым) способом и соответственно выбирают способ формования.

Формование изделий.

Пластический способ формования. При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают друг с другом с добавкой воды до получения теста. Влажность получаемой массы колеблется от 15 до 25 % и более. Подготовленная глиняная масса поступает в формующий пресс, чаще всего в ленточный обычный или снабженный вакуум-камерой (рис. 3.1).

Разрежение способствует удалению воздуха из глины и сближению ее частиц, что повышает однородность и формуемость массы, а также прочность сырца. Глиняный брус требуемого сечения, выходящий через мундштук пресса, разрезают резательным аппаратом на изделия (сырцовые изделия). Пластический способ подготовки массы и формования наиболее распространен при выпуске массовых материалов (кирпича сплошного и пустотелого, камней черепицы, облицовочных плиток и т.п.).

Полусухой и сухой способы формования.

При полусухом способе подготовки сырьевые материалы вначале подсушивают, дробят, размалывают в порошок, а затем перемешивают и увлажняют водой или, что лучше, паром, так как при этом облегчается прев ращение глины в однородную массу, улучшаются ее набухаемость и формовочная способность. Керамическая масса представляет собой малопластичный пресс-порошок с небольшой влажностью: 8...12 % при полусухом и 2...8 % (чаще 4...6%) при сухом способе формования. Поэтому изделия из таких масс формуют под большим давлением (15...40 МПа) на специальных автоматических прессах. Изделия после прессования иногда можно сразу обжигать без предварительной сушки, что ведет к ускорению производства, сокращению расхода топлива и удешевлению продукции. В отличие от пластического способа формования можно использовать малопластичные глины, что расширяет сырьевую базу производства. Полусухим способом прессования изготовляют кирпич сплошной и пустотелый, облицовочные плитки, а сухим способом - плотные керамические изделия (плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора).

Шликерный способ . По шликерному способу исходные материалы предварительно измельчают и тщательно смешивают с большим количеством воды (влажность смеси до 40%) до получения однородной текучей массы (шликера). Шликер используют непосредственно для изготовления изделий (способ литья) или для приготовления пресс-порошка, высушивая его в распылительных башенных сушилках. Шликерный способ применяют в технологии фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток.

Шликер с влажностью 35-45% заливают в гипсовые формы (или в формы из специальной пористой пластмассы). Вода из шликера впитывается пористым материалом, а на поверхности формы образуется сырцовое изделие. В зависимости от вида изделия, его формы и назначения шликер может полностью обезвоживаться в форме (наливной метод) – так изготавливают изделия сложной формы, например санитарно-техническую керамику и т.п., или частично обезвоживаться. При этом в процессе формования шликер доливают до требуемого уровня, а после истечения определенного времени полностью выливают из формы. При этом на поверхности формы остается тонкостенное изделие.

Сушка изделий.

Сушка - весьма ответственный этап технологии, так как трещины обычно возникают именно на этом этапе, а при обжиге они лишь окончательно выявляются. Обычно достаточным является высушивание сырца до остаточной влажности - 6...8%.

В процессе сушки продвижение влаги из толщи керамического изделия к наружным слоям происходит значительно медленнее, чем влагоотдача с поверхности, особенно это проявляется в ребрах и углах изделий. При этом возникает различная степень усадки внутренних и внешних слоев, а следовательно, создаются напряжения, которые могут привести к растрескиванию материала. Для предотвращения этого к жирным глинам прибавляют отощители, которые образуют жесткий скелет, препятствующий сближению глинистых частиц, увеличивают пористость изделия, что способствует продвижению воды из его внутренних слоев к наружным. Для уменьшения чувствительности глин к сушке применяют также паропрогрев и вакуумирование глин, используют некоторые органические вещества в малых дозах – лигносульфанаты (ЛСТ), дегтевые и битуминозные вещества и др.

Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях (в сушильных сараях). Естественная сушка, хотя и не требует затрат топлива, но в значительной степени зависит от погоды и длится очень долго (10...20 суток). В настоящее время сушку сырца, как правило, производят искусственно в специальных сушилках периодического (камерных) или непрерывного действия (туннельных). В качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигательных печей или горячий воздух из калориферов. Срок сушки сокращается до 2...3 сут, а иногда до нескольких часов.

Обжиг изделий.

Обжиг - важная и завершающая стадия технологического процесса керамических изделий. Суммарные затраты на обжиг достигают 35...40 % себестоимости товарной продукции. При обжиге сырца образуется искусственный каменный материал, который в отличие от глины не размывается водой и обладает относительно высокой прочностью. Это объясняется физико-химическими процессами, происходящими в глине под влиянием повышенных температур.

При нагреве сырых керамических изделий до 110°С удаляется свободная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы восстанавливаются. С повышением температуры до 500...700 °С выгорают органические примеси и удаляется химически связанная вода, находящаяся в глинистых минералах и других соединениях керамической массы, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. Затем происходит разложение глинистых минералов вплоть до полного распада кристаллической решетки и образования аморфной смеси Аl 2 О 3 и SiO 2 . При дальнейшем нагреве до 1000°С вследствие реакций в твердой фазе возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al 2 O 3 -SiO 2 , и далее при 1200...1300°С переход его в муллит 3Аl 2 Оз-2SiO 2 . Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава (жидкой фазы). Расплав обволакивает нерасплавившиеся частицы, частично заполняет поры между ними и, обладая силой поверхностного натяжения, стягивает их, вызывая сближение и уплотнение. После остывания образуется камнеподобный черепок.

Обжиг изделий из «кирпичных глин» ведут при температуре 900…1000 о С. При получении изделий со спекшимся черепком из тугоплавких и огнеупорных глин обжиг ведут при температуре 1150…1400 о С.

Для обжига керамических материалов используют специальные печи: туннельные, кольцевые, щелевые, роликовые и др.

После обжига изделия охлаждают постепенно, чтобы предотвратить образование трещин.

Обожженные изделия могут различаться по степени обжига и по наличию дефектов.

3.3. Виды керамических материалов и изделий

Все керамические материалы делят на две группы (в зависимости от пористости) – пористые (с водопоглощением более 5%) и плотные (с водопоглощением менее 5%).

По назначению керамические материалы и изделия подразделяются на стеновые материалы, кирпич и камни специального назначения, пустотелые изделия для перекрытий, материалы для облицовки фасадов зданий, изделия для внутренней облицовки, кровельные материалы, трубы (канализационные и дренажные), огнеупорные материалы, санитарно-технические изделия.

К группе стеновых материалов относятся кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый, пористо-пустотелый, легкие и пустотелые керамические камни.

По средней плотности в сухом состоянии стеновые материалы делят на классы А (ρ о = 700 - 1000 кг/м 3), Б (1000-1300 кг/м 3), В (1300-1450 кг/м 3) и Г (более 1450 кг/м 3):

Чем ниже средняя плотность стеновых материалов, тем больше их пористость и меньше теплопроводность. Минимальная пористость керамических стеновых материалов ограничивается соответствующими стандартами и контролируется их водопоглощением. Водопоглощение кирпича глиняного, обыкновенного и пустотелого полусухого прессования должно быть не менее 8%,. а пустотелого пластического формования и пустотелых керамических камней - не менее 6-%.

Все стеновые керамические материалы должны быть достаточно морозостойкими (не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии). Кирпич строительный легкий должен выдерживать не менее 10 циклов.

Кирпич строительный. Кирпичом глиняным обыкновенным называют искусственный, камень в форме прямоугольного параллелепипеда. Изготавливается одинарным с размером 250х120х65 мм или модульным с размером 250х120х88мм. Средняя плотность кирпича в сухом состоянии в зависимости от способа изготовления колеблется в пределах от 1600 до 1900 кг/м 3 . Более высокую среднюю плотность, а следовательно, и теплопроводность имеет кирпич полусухого прессования.

По пределу прочности при сжатии; и изгибе подразделяется на семь марок: 75, 100, 125, 150, 250 и 300. Кирпич глиняный обыкновенный применяют для кладки внутренних и наружных стен, столбов, сводов и других частей зданий, в которых полностью, используется его высокая прочность.

Обычный строительный кирпич имеет довольно большую теплопроводность, поэтому приходится возводить наружные стены большей толщины, чем это требуется по расчету на прочность. В подобных случаях более эффективно применение не столь прочного, но менее теплопроводного пустотелого, пористо-пустотелого и легкого кирпича.

Пустотелый кирпич имеет щелевидные пустоты или круглые отверстия, которые образуются в процессе пластического формования кирпича при прохождении глиняного бруса через специальный мундштук с металлическими кернами. Полусухим прессованием пустотелый кирпич изготовляют со сквозными и несквозными пустотами. Пористопустотелый кирпич получают аналогично пустотелому, но в состав глин вводят выгорающие добавки. Легкий пористый кирпич изготовляют как из глин с выгорающими добавками, так и из диатомитов (трепелов) с выгорающими добавками или без них.

Пустотелые керамические камни изготовляют так же, как и кирпич,- способом пластического прессования. Камни имеют следующие размеры: длина 250 или 288, ширина 120, 138, 250 или 288 и толщина 138 мм. Средняя плотность в сухом состоянии колеблется в пределах 1300-1450 кг/м 3 . По пределу прочности при сжатии по сечению брутто (без вычета площади пустот) камни подразделяют на марки 75, 100, 125 и 150.

По назначению различают керамические камни для кладки несущих стен одноэтажных и многоэтажных зданий и для внутренних несущих стен и перегородок.

Кирпич и камни специального назначения

К этой группе керамических материалов относятся кирпич глиняный лекальный, камни для канализационных сооружений и кирпич для дорожных одежд.

Кирпич глиняный лекальный изготовляют способом пластического формования четырех типов с различным радиусом кривизны. Предназначается он для кладки промышленных дымовых труб. По прочности при сжатии и изгибе кирпич подразделяется на марки 100, 125 и 150. Требования к лекальному кирпичу по морозостойкости и водопоглощению такие же, как и к обычному кирпичу.

Камни для канализационных сооружений имеют трапецеидальную форму и предназначаются для устройства подземных коллекторов. Они должны иметь пре дел прочности при "сжатии не менее 200 кгс/см2 (20 МПа).

Кирпич для дорожных одежд , иначе называемый клинкерным, получают обжигом до спекания, поэтому для его изготовления применяют тугоплавкие глины с большим интервалом спекания (около 100°С). Клинкерный кирпич разделяется на марки 400, 600 и 1000 с водопоглощением и морозостойкостью соответственно для М400 – 6% и 30 циклов; М600 – 4% и 50 циклов; М1000 – 2% и 100 циклов. Кроме того, к данному кирпичу предъявляют требования к сопротивлению истираемости и ударным воздействиям.

Клинкерный кирпич применяют для устройства одежды дорог, полов промышленных зданий, а также для кладки фундаментов, цоколей, столбов, стен ответственных сооружений и канализационных коллекторов.

Пустотелые керамические изделия для перекрытий. К этой группе изделий относятся:

Камни для часторебристых перекрытий марок 50, 75, 100, 150 и 200 со средне плотностью в сухом состоянии не более 1000 кг/м 3 ;

Камни для армокерамических балок марок 75, 100, 150 и 200 со средней плотностью не более 1300 кг/м 3 ;

Камни для накатов марок 35, 50 и 75 со средней плотностью не более 1000 кг/м 3 .

Керамические изделия для облицовки фасадов зданий

Для облицовки фасадов зданий применяют как не глазурованные керамические изделия, так и покрытые глазурью. Керамические изделия для облицовки фасадов зданий подразделяются на облицовочный кирпич и лицевые керамические камни, ковровую керамику, плитки фасадные малогабаритные, плиты керамические фасадные.

Кирпич и камни керамические лицевые не должны иметь выцветов, высолов, крупных включений и других дефектов. Лицевые поверхности кирпича и камня могут быть гладкими, рельефными или офактуренными.

По пределу прочности при сжатии и изгибе кирпич и камни делят на марки 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Водопоглощение их должно быть не менее 6 и не более 14%. В насыщенном водой состоянии они должны выдерживать без каких-либо повреждений не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Облицовочный кирпич может иметь размеры 250х120х65 мм или быть других размеров - (европейского и американского стандартов).

Ковровой керамикой называют набор мелкоразмерных (от 20х20 до 46х46 мм) тонкостенных глазурованных или неглазурованных плиток, наклеенных на бумажную основу. Требования к плиткам по морозостойкости и водопоглощению примерно те же, что и к лицевым керамическим камням.

Плитки фасадные малогабаритные изготовляют как глазурованными, так и без глазури.

Плиты керамические фасадные подразделяют на закладные, устанавливаемые одновременно с кладкой стен, и на прислонные, устанавливаемые на растворе после возведения и осадки стены. Плиты могут быть не глазурованными и покрытыми глазурью. Неглазурованные плиты называют терракотовыми. Изготовляют их из глин, имеющих после обжига белый или светло окрашенный черепок.

Требования по морозостойкости к фасадным плитам такие же, как и к другим керамическим материалам, применяемым для облицовки зданий: водопоглощение их не должно быть более 14%.

Керамические изделия для внутренней облицовки

К этой группе изделий относятся плитки для облицовки стен и плитки для полов.

Плитки для облицовки стен подразделяются на майоликовые, изготовляемые из легкоплавких глин с окрашенным, черепком и с лицевой стороны покрытые глухой (непрозрачной) глазурью, и фаянсовые, изготовляемые из огнеупорных беложгущихся глин с добавками отощающих материалов (кварцевого песка и молотого плиточного боя) с лицевой стороной, покрытой прозрачной белой или цветными глазурями. На глазурь различными методами может быть нанесен рисунок (шелкографией, декорированием и т.п.)

Раньше выпускали плитки квадратные (150х150 мм и 100х100 мм), прямоугольные (150х25, 150х75, 150х100 мм) и фасонные.

Сейчас большинство заводов Украины и России перешло на европейский стандарт – прямоугольные 300х200 мм (иногда 250х200, 400х225 мм). Однако в элитных коллекциях могут применяться и другие размеры плиток. В современных технологиях для получения правильной геометрии изделий используется высокоточное штамповочное оборудование, а также лазерная обрезка готовых изделий.

Толщина плиток не должна быть более 6 мм.

Плитки должны быть термически стойкими, т. е. на глазури не должны появляться отколы и поверхностные волосные трещины при нагревании до 125°С с последующим быстрым охлаждением в воде комнатной температуры. Как майоликовые, так и фаянсовые плитки имеют пористый черепок; водопоглощение их не должно превышать 16%.

Плитки применяют для внутренней облицовки стен санитарно-технических узлов, а также помещений с повышенной влажностью.

Плитки для полов изготовляют полусухим прессованием и обжигают до спекания. По виду лицевой поверхности плитки подразделяют на гладкие, с рельефом и тисненые, а по цвету - на одноцветные и многоцветные. По форме различают плитки квадратные, прямоугольные, треугольные, шестигранные, четырехгранные (половинки шестигранных), пятигранные и восьмигранные. Плитки для полов характеризуются высокой плотностью (водопоглощение не более 4%) и малым истиранием (потери массы при испытании не должны превышать 0,08 г/см 2).

Кровельные материалы (глиняная черепица)

Глиняная черепица-один из старейших кровельных материалов. Несмотря на это, глиняная черепица является одним из лучших кровельных материалов. Основные ее преимущества - долговечность (более 100лет) и огнестойкость. Кроме того, за счет поглощения - испарения воды и высокой теплоемкости черепица регулирует микроклимат помещения, повышая комфортность здания.

Изготавливают черепицу пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную, волнистую ленточную, S-образную ленточную и коньковую желобчатую. Для изготовления черепицы применяют легкоплавкие пластичные глины.

Ленточную черепицу изготовляют по схеме, аналогичной схеме производства кирпича по способу пластического формования. Однако глиняную массу перед формованием более тщательно обрабатывают, обычно на бегунах. Выходные отверстия мундштука пресса имеют форму, соответствующую форме черепицы, выходящей пи пресса в виде ленты; глиняную массу разрезают на резательных станках на отдельные черепицы. Штампованную черепицу прессуют в металлических или гипсовых формах на эксцентриковых прессах, обжигают в кольцевых или туннельных печах при температуре 1000-1100° С.

К глиняной черепице предъявляют следующие требования: разрушающая нагрузка при испытании черепицы на излом в воздушно-сухом состоянии должна быть не менее: 100 кг для S-образной, 80 кг для пазовой штампованной и 70 кг для всех остальных типов черепицы. Масса 1 м 2 покрытия из черепицы в насыщенном водой состоянии должна быть для плоской ленточной не более 65 кг, для остальных типов - не более 50 кг (за исключением коньковой, масса 1 м 2 которой не должна превышать 8 кг). В насыщенном водой состоянии черепица должна выдерживать не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Керамические канализационные и дренажные трубы

Канализационные трубы изготовляют из тугоплавких и огнеупорных глин. Формуют трубы на вертикальных ленточных прессах из пластичной хорошо подготовленной глиняной массы. После сушки труб на их внутреннюю и наружную поверхности наносят легкоплавкие
составы (глазурь), которые в процессе обжига труб образуют стекловидную пленку. Наличие тонкого слоя глазури на поверхности труб предопределяет их высокую стойкость к воздействию кислот и щелочей. Канализационные трубы делают круглого сечения с раструбом на одном конце. Трубы должны выдерживать гидравлическое давление не менее 2 атмосферы (0,2 МПа) и иметь водопоглощение черепка не более 9% для первого сорта и 11 % для второго. Высокая химическая стойкость керамических труб позволяет эффективно применять их для отвода промышленных вод, содержащих щелочи и кислоты, а также при укладке канализационных труб в агрессивных средах.

Дренажные керамические трубы изготовляют как не глазурованными без раструбов, так и глазурованными с раструбом различных диаметров. Они должны выдерживать без каких-либо признаков разрушения не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. Дренажные трубы применяют главным образом для осушения заболоченных почв,

Огнеупорные керамические материалы

Огнеупорными называются керамические материалы с огнеупорностью не менее 1580° С. Материалы, получаемые из огнеупорных глин, отощенных той же глиной, но предварительно обожженной до спекания и измельченной (шамотом), называют шамотными изделиями.

Шамотные изделия в форме кирпича называют шамотным кирпичом. Изготовляют его из огнеупорных глин полусухим прессованием или пластическим формованием с последующим обжигом до спекания при температуре 1300-1400° С. Из огнеупорных глин, отощенных шамотом, изготовляют также фасонные огнеупорные изделия, в том числе крупные блоки. Огнеупорность шамотных изделий примерно равна 1670-1770° С.

Шамотные огнеупоры характеризуются высокой термической стойкостью, способностью хорошо противостоять действию кислых топливных шлаков и расплавленного стекла при температурах до 1500° С. Используют их для кладки стен и сводов печей, обмуровки топок, дымоходов и т. п.

Санитарно-технические изделия

Оборудование санитарно-технических узлов жилых и производственных помещений (ванны, раковины и т. д.) можно изготовлять из фаянса, полуфарфора и фарфора.

Фарфором называют плотный керамический материал с черепком белого цвета, получаемый обжигом сырьевой смеси, в состав которой входят огнеупорная глина, каолин, полевой шпат, кварц и фарфоровый бой.

Фаянсом называют керамические материалы с мелкопористым черепком обычно белого цвета, для получения которых применяют те же, что и для фарфора, сырьевые материалы, но другой рецептуры. Так, для получения фаянса состав сырьевой массы может быть следующий (%): каолино-глинистая часть 45-50, кварцевый песок 35-45, полевой шпат 2-5, мел 10 и бой изделий или шамот 10-15. Фарфор отличается от фаянса большей плотностью и прочностью.

Полуфарфор по своим свойствам занимает промежуточное положение между фаянсом и фарфором.

Технология производства санитарно-технических керамических изделий включат все основные стадии. Стадия подготовки сырьевой смеси, как правило, более сложна. Санитарно-технические керамические изделия обычно получают путем литья жидкой массы (шликера) в формы с последующим высушиванием и обжигом изделий. Обжиг может быть одноразовый и двухразовый. Для придания санитарно-техническим изделиям водонепроницаемости и лучшего вида их покрывают глазурью. Глазуровочный состав (глазурь) наносят на отформованные изделия после сушки или первого обжига. При обжиге глазурь оплавляется и покрывает изделие тонкой блестящей пленкой.

Литература

1. Домокеев А.Г. Строительные материалы. – М. Высш. шк., 1989. – 495 с.
2. Горчаков Г.И. Баженов Ю.М. Строительные материалы. – М. Высш. шк., 1986.
3. Шейкин А.Е. Строительные материалы. – М. Высш. шк., 1978. – 432 с.
4. Савйовский В.В., Болотских О.Н. Ремонт и реконструкция гражданских зданий. – Харьков: Ватерпас, 1999 – 290 с

Виды керамических материалов. Керамические материалы относятся к основным материалам, оказывающим определяющее влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной продукции. Это влияние сохранится и в ближайшем будущем. Войдя в технику и технологию в конце 1960-х гг., керамические материалы произвели настоящую революцию в материаловедении, за короткое время став, по общему мнению, третьими промышленными материалами после металлов и полимеров.

Керамические материалы были первым конкурентоспособным по сравнению с металлами классом материалов для использования при высоких температурах.

Основными разработчиками и производителями керамических материалов являются США и Япония. В табл. 2.1 приведена классификация основных видов керамических материалов.

Исследование, проведенное Национальным бюро стандартов США, показало, что использование керамических материалов позволило к 2000 г. осуществить экономию ресурсов страны в размере более 3 млрд долл. Ожидаемая экономия была достигнута, прежде всего, за счет использования транспортных двигателей с деталями из керамических материалов, керамических материалов для обработки резанием и оптокерамики для передачи информации. Помимо прямой экономии применение керамических материалов позволит снизить расход дорогих и дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях.

Изготовление керамических материалов. Керамическая технология предусматривает следующие основные этапы: получение исходных порошков, консолидацию порошков, т.е. изготовление компактных материалов, их обработку и контроль изделий.

При производстве высококачественных керамических материалов с высокой однородностью структуры используют порошки исходных материалов с размером частиц до 1 мкм. Процесс получения столь высокой степени дисперсности требует больших затрат энергии и является одним из основных этапов керамической технологии.

Характеристика основных видов керамических материалов

Измельчение производят механическим путем с помощью мелющих тел, а таюке распылением измельчаемого материала в жидком состоянии, осаждением на холодных поверхностях из парогазовой фазы, виброкавитационным воздействием на частицы, находящиеся в жидкости, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и другими методами.

Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее перспективны вибрационные мельницы, или аттриторы.

Консолидация керамических материалов состоит из процессов формования и спекания. Различают три основные группы методов формования:

• прессование под действием сжимающего давления, при котором происходит уплотнение порошка за счет уменьшения пористости;
• пластичное формование выдавливанием прутков и труб через мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификаторами, увеличивающими их текучесть;
• шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий любой сложной формы, в котором для формования используют жидкие суспензии порошков.

При переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки изделий и удаления пластификаторов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной - экструзии и шликерному литью.

При спекании отдельные частицы порошков превращаются в монолит и формируются окончательные свойства керамики. Процесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой.

При изготовлении керамических материалов применяют печи для спекания при атмосферном давлении, установки горячего изо- статического прессования (газостаты), прессы горячего прессования с усилием прессования до 1 500 кН. Температура спекания в зависимости от состава может составлять 2000...2 200 °С.

Часто применяют совмещенные методы консолидации, сочетающие формование со спеканием, а в некоторых случаях - синтез образующегося соединения с одновременным формованием и спеканием.

Обработка керамических материалов и контроль ее качества являются основными составляющими в балансе стоимости керамических изделий.

По некоторым данным, стоимость исходных материалов и консолидации составляет всего лишь 11 % (для металлов 43 %), в то время как на обработку приходится 38 % (для металлов 43 %), а на контроль 51 % (для металлов 14%).

К основным методам обработки керамических материалов относят термическую обработку и размерную обработку поверхности.

Термическую обработку керамических материалов производят с целью кристаллизации межзеренной стеклофазы. При этом на 20... 30 % повышаются твердость и вязкость разрушения материала.

Большинство керамических материалов с трудом поддаются механической обработке. Поэтому основным условием керамической технологии является получение при консолидации практически готовых изделий. Для доводки поверхностей керамических изделий применяют абразивную обработку алмазными кругами, электрохимическую, ультразвуковую и лазерную обработки. Эффективно применение защитных покрытий, позволяющих устранить мельчайшие поверхностные дефекты - неровности, риски и т.д.

Для контроля качества изготовления керамических деталей чаше всего используют рентгеновскую и ультразвуковую дефектоскопию.

Учитывая, что большинство керамических материалов имеет низкие вязкость и пластичность и соответственно низкую трещи- ностойкость, для аттестации изделий применяют методы механики разрушения с определением коэффициента интенсивности напряжений К к. Одновременно строят диаграмму, показывающую кинетику роста дефекта.

Количественно вязкость разрушения кристаллической керамики и стекла составляет примерно 1...2 МПа/м |/2 , в то время как для металлов значения /Г| С значительно выше (более 40 МПа/м |/2). Прочность химических межатомных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обусловливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к хрупкому разрушению.

Возможны два подхода к повышению вязкости разрушения керамических материалов. Один из них, традиционный, связанный с совершенствованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спекания. Второй подход состоит в торможении роста трещин под нагрузкой. Существуют несколько способов решения этой проблемы. Один из них основан на том, что в некоторых керамических материалах, например в диоксиде циркония Zr0 2 , под давлением происходит перестройка кристаллической структуры. Исходная тетрагональная структура Zr0 2 переходит в моноклинную, имеющую на 3...5% больший объем.

Расширяясь, зерна Zr0 2 сжимают трещину, и она теряет способность к распространению (рис. 2.1, а). При этом сопротивление хрупкому разрушению возрастает до 15 МПа/м |/2 .

Второй способ (рис. 2.1, б) состоит в создании композиционного материала введением в керамику волокон из более прочного

Рис. 2.1. Упрочнение конструкционной керамики включениями Zr0 2 (а), волокнами (б) и микротрещинами (в):

/ - тетрагональный Zr0 2 ; 2 - монолитный Zr0 2

керамического материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 20 МПа/м |/2 , существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.

Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами (рис. 2.1, в). При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины и она дальше не распространяется.

Определенный интерес представляет физико-химический способ повышения надежности керамических материалов. Он реализован для одного из наиболее перспективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si 3 N 4 . Способ основан на образовании определенного стехиометрического состава твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших название сиалонов. Примером высокопрочной керамики, образующейся в этой системе, являются сиалоны состава Si^^Ai^Ng^O^, где х - число замещенных атомов кремния, азота в нитриде кремния, составляющее от 0 до 4,2. Важным свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высоких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.

Свойства и применение керамических материалов. В современном машиностроении применение керамических материалов постоянно увеличивается. Они многообразны по химическому составу и физико-механическим характеристикам. Керамические материалы могут работать при высоких температурах - 1600... 2500°С (жаропрочные стали 800... I 200°С, молибден - 1 500 °С, вольфрам - 1 800 °С), они имеют плотность, в 2-3 раза меньшую, чем у жаропрочных материалов, твердость, близкую к твердости алмаза, отличные диэлектрические характеристики, высокую химическую стойкость. Запасы исходных материалов для производства керамики на земле неисчерпаемы. Из керамических материалов изготавливают детали газотурбинных и дизельных двигателей, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, легкую броню и элементы теплозащиты космических кораблей, тонкостенные поплавки и контейнеры для глубоководной техники, режущие пластины и оснастку для горячего деформирования металлов, плунжеры и уплотнительные кольца в насосах для перекачки агрессивных сред, элементы особоточных гироскопов и платы ЭВМ, подшипники, постоянные магниты и т.д.

Применение керамических материалов в автомобильных двигателях позволит поднять рабочую температуру в цилиндрах с I 200 до 1 600 °С, при этом сократить потери теплоты, снизить расход топлива, улучшить эксплуатационные характеристики. При изготовлении изделий из керамических материалов нельзя просто заменять металлические детали на керамические. Особо должны учитываться условия их работы и действующие нагрузки, поскольку все детали выполняются целиком и это может снизить прочность всей конструкции. Кроме того, она не имеет пластической деформации и обладает низкой ударной вязкостью.

Сформулированы основные требования, которые следует учитывать при проектировании керамических деталей.

В нагруженных зонах керамическая деталь не должна иметь концентраторов напряжений. Практически не используют в керамических конструкциях болтовые соединения, в них стараются не сверлить отверстия, делать уступы, проточки, чтобы избежать микротрещин. В местах контакта керамики с металлом устанавливают демпфирующие прокладки.

Металлические и керамические детали одного изделия должны иметь одинаковые ТКЛР, в противном случае предусматривают установку компенсационных прокладок, причем учитывают и переходные процессы, когда происходит нагрев или охлаждение.

Керамика имеет теплоемкость, в 2 раза большую, чем металл, что вызывает тепловые деформации и напряжения. Крайне желательно, чтобы температура керамической детали по всему объему была бы одинаковой. Наиболее благоприятно воспринимаются напряжения сжатия. При отсутствии нагрузки в керамических деталях не должны сохраняться остаточные напряжения его полимеризации.

В настоящее время используют керамические материалы на основе нитрида кремния - реакционно связанный, спеченный и горячепрессованный нитриды кремния с легирующими добавками. Реакционно связанный нитрид кремния имеет относительно низкую по сравнению с другими материалами прочность, но изготовленные из него детали сложного профиля дают стабильно малую усадку. Горячепрессованный нитрид кремния обладает максимальной прочностью. Свойства керамических материалов существенно зависят от рабочих параметров и технологии их изготовления. Разработаны составы керамик, которые по своим эксплуатационным характеристикам могут заменять жаропрочные стали, но разработки в области составов и технологии их получения продолжаются. Принципиальными недостатками керамических материалов являются их 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 маюй теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.

При температурах выше 1 ООО “С керамические материалы прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а их 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. Режущие керамические материалы характеризуют высокая твердость, в том числе при нагреве, износостойкость, химическая инертность к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамические материалы существенно превосходят традиционные режущие материалы - быстрорежущие стали и твердые сплавы (табл. 2.2).

Высокие свойства режущих керамических материалов позволили существенно повысить скорость механической обработки стали и чугуна (табл. 2.3).

Для изготовления режущего инструмента широко применяются керамические материалы на основе оксида алюминия с добав-

Табл и ца 2.2

Сравнительные значения свойств инструментальных материалов

ками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений - нитрида бора с кубической решеткой (р-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 другие, имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1 400 °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.

Режущие керамические пластины используют 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 - Т 2 /Т ь где T t и Т 2 - температура соответственно на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства. Чем выше температура Т и тем больше КПД.

Максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционные керамические материалы допускают применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому являются перспективными материалами для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществами керамических материалов являются низкая плотность и теплопроводность, повышен-

Табл и ца 2.3

Сравнительные значения скорости резания при точении керамическим инструментом и инструментом из твердого сплава

ные термо- и износостойкость. Кроме того, при использовании керамических материалов снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относят проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми.

Наиболее эффективно применение керамических материалов для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1 300... 1 500 К, иметь предел прочности при изгибе о„ зг не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПам |/2 . Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяют керамические материалы на основе диоксида циркония Zr0 2 и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводят в Японии и США. Японская фирма lsuzu Motors Ltd. освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, Nissan Motors Ltd. - крыльчатки турбокомпрессора, фирма Mazda Motors Ltd. - форкамеры и пальцев толкателя.

Компания Cammin Engine (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из Zr0 2 , нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30%.

Фирма lsuzu Motors Ltd. сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Автомобиль с таким двигателем развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30...50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Конструкционным керамическим материалом 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 температуре до 1 670 К (в перспективе до 1 920 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.

Керамические материалы специального назначения. К керамическим материалам специального назначения относят сверхпроводящую керамику, керамику 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 керамические материалы на основе оксидов В 2 0 3 и карбидов бора В 4 С в смеси с оксидами свинца РЬО или соединениями типа 2РЬО PbS0 4 . После спекания такие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характеризуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным частицам - нейтронам и у-квантам.

Ударопрочные броневые керамические материалы. Впервые эти материалы были использованы в авиации армии США во время войны во Вьетнаме. С тех пор непрерывно растет применение армиями разных стран брони из керамических материалов в комбинации с другими материалами для защиты сухопутных боевых машин, кораблей, самолетов и вертолетов. По разным оценкам рост применения броневой керамической защиты составляет около 5...7% в год. Одновременно наблюдается рост производства композиционной брони для индивидуальной защиты сил охраны правопорядка, обусловленный ростом преступности и актов терроризма.

По своей природе керамические материалы хрупкие. 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 керамические материалы существенно прочнее металла.

Важными свойствами керамических материалов, обусловившими их применение в качестве брони, являются высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при плотности, меньшей плотности материалов в 2 - 3 раза. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамические материалы для бронепрожигающих снарядов.

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

где Е - модуль упругости, ГПа; Н к - твердость по Кнупу, ГПа; о„- предел прочности при растяжении, МПа; Т т - температура плавления, К; р - плотность, г/см 3 .

В табл. 2.4 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 сдерживает высокая стоимость 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. Керамические материалы из диборида титана, имеющие наибольшие твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.

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

Поданным фирмы Morgan М. 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

Таблица 2.4

Свойства ударопрочных керамических материалов

стальная броня должна иметь толщину 20 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 керамического слоя легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет. Конструкция керамической бронепанели показана на рис. 2.2. Бронепанель состоит из отдельных последовательно соединенных керамических пластин размером 50x50 или ЮОх 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12 мм используют пластины из А1 2 0 3 толщиной 12 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм, находящихся на вооружении НАТО, - пластины из А1 2 0 3 толщиной 6 мм и 12 слоев кевлара.

Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией США керамической брони из А1 2 0 3 , SiC и В 4 С показало ее высокую эффективность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов на основе AIN, TiB и полиамидных смол, армированных керамическими волокнами.

Керамические материалы 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 тепловой защите. Материалы для тепловой защиты должны

Рис. 2.2.

а у б - составные элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разного калибра; в - фрагмент бронепанели, собранной из элементов а и б; I - бронебойная пуля калибром 12,7 мм; 2- пуля калибром 7,62 мм; 3 - защитное

покрытие частично снято 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.

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 % Si0 2 и 6 % В 2 0 3 , в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при температуре 1 470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и сверхзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1 670 К. Варианты системы керамической тепловой защиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рис. 2.3.

Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.

Радиопрозрачные керамические материалы. Для развития современной радио-, электронной и вычислительной техники необходимы материалы на основе оксида алюминия, нитридов бора, кремния, имеющие рабочую температуру до 3 000°С, обладающие стабильными значениями диэлектрической проницаемости и малыми диэлектрическими потерями с тангенсом угла диэлектрических потерь tg 8 = 0,0001 ...0,0002.

К таким материалам относят чистый оксид алюминия, горячепрессованный нитрид бора, керамические материалы ТСМ 303 и АРП-3, спеченный нитрид бора, ситалл Д-2, кварцевые керамические материалы, чистый нитрид кремния и др.

Радиопрозрачные материалы должны обладать комплексом свойств: стабильностью диэлектрических характеристик во всем диапазоне рабочих температур, термостойкостью, эрозионной

Рис. 2.3.

/ - керамический материал на основе SiC или SijN 4 ; 2 - теплоизоляция; 3 - спеченный керамический материал

стойкостью, высоким качеством поверхности, стойкостью к ионизирующим излучениям и др. Они выполняют роль конструкционного материала, из которого изготавливают несущие радиопроз- рачные элементы конструкций. Поскольку пористость оксидных керамик можно варьировать в пределах 0...90 %, это позволяет из одного и того же оксида получать материалы, принципиально отличающиеся по свойствам.

Материалы, получаемые методом структурирования, например из диоксида циркония, вообще не разрушаются при воздействии теплового потока любой интенсивности.

Примером структурирования является также получение си- таллов, в которых подбирают оптимальное соотношение кристаллической и аморфной фаз. Изменяя химический состав и структуру, можно получить целые классы ситаллов с заданными свойствами.

Другим направлением при производстве радиопрозрачных материалов является использование легирующих добавок. В частности, введение в оксид алюминия нескольких процентов оксидов магния и бора в 2 - 3 раза повышает его термостойкость и ударную вязкость при нулевом влагопоглощении. Введение в кварцевый керамический материал 2...5 % оксида хрома в 2-3 раза повышает интегральную степень черноты и в 2 раза замедляет затухание радиосигнала при высоких температурах.

Третьим направлением развития радиопрозрачных материалов является разработка нитридных материалов и композиций на их основе, в частности нитридов бора, кремния и алюминия.

Нитрид бора обладает лучшими диэлектрическими характеристиками из всех известных в настоящее время материалов, работающих при температуре до 2 000 °С, хотя имеет сравнительно низкие прочность и твердость. На его основе изготавливают, например, сибонит, содержащий нитрид бора и диоксид кремния. Изменяя их соотношение и дисперсность, можно получить ряд новых материалов, сочетающих достоинства нитрида бора и кварцевой керамики.

Последнее направление развития радиопрозрачных материалов - создание композиционных материалов, в частности керамических материалов, пропитанных органическими и неорганическим веществами, смолами и солями. Они сочетают в себе хорошие диэлектрические свойства при высоких температурах благодаря использованию керамической основы и высокие прочность и ударную вязкость благодаря связующему.

В зависимости от назначения и эксплуатационных характеристик изделия для него разрабатывают соответствующие радиопроз- рачные керамические материалы. Диэлектрическая проницаемость кварцевых керамических материалов монотонно возрастает с ростом температуры до 1 500 °С, а в диапазоне 1 500... 1 700 °С она резко

увеличивается на 18%, что связано с плавлением материала, сопровождающимся повышением его плотности до теоретического значения (2 210 кг/м 3 при 20 °С). После расплавления материал остается радиопрозрачным и его диэлектрическая проницаемость возрастает до 4,3 при температуре 2 500 °С. Поскольку по условиям работы изменение не должно превышать 10%, то кварцевые керамические материалы пригодны для рабочих температур до 1 350 °С, а оксид алюминия - до 815 °С. При увеличении пористости по объему от 5 до 20 % диэлектрическая проницаемость уменьшается прямо пропорционально уменьшению плотности керамики. Тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 кварцевых керамических материалов составляет при комнатной температуре 0,0002 - 0,0004 на частоте Ю 10 Гц. При увеличении температуры до 1 000 °С tg 6 возрастает до 0,005.

Нитрид бора является пока единственным материалом, tg5 которого при температуре до 1 500 °С остается ниже 0,001. Причем изменение tg8 спеченного нитрида бора в диапазоне 20... 1 350 ”С не превышает 3%, для кварцевых керамических материалов эта величина равна 10%.

Освоена технология синтеза высокоактивного порошка нитрида бора, способного к спеканию при температурах выше 1 600 °С с образованием достаточно прочных заготовок. Такие материалы имеют примеси до 1 % и обладают изотропной структурой. Они являются хорошими изоляторами - удельное объемное сопротивление при комнатной температуре не менее 1 10 14 Ом см. Под действием импульса ядерного излучения tg 8 в нитриде бора возрастает до 0,01, а в кварцевой керамике не изменяется. Благодаря отличной термостойкости спеченный нитрид бора используется как конструкционный материал, хотя и имеет достаточно низкую прочность.

Материалы на основе нитрида бора, особенно горячепрессованные, имеют высокую теплопроводность, в то время как кварцевые керамические материалы ближе к теплоизоляторам. Ее теплопроводность в зависимости от пористости колеблется при температуре 600...700 К в пределах 0,2... 1,0 Вт/(м К). Высокая теплопроводность может быть и достоинством материала (чем выше теплопроводность, тем меньше тепловые напряжения), и недостатком, если радиопрозрачный материал выполняет и теплозащитные функции. У материалов на основе нитрида бора и алюмо- оксидных керамических материалов теплопроводность снижается по мере роста температуры.

Для кварцевых керамических материалов и ситалла Д-2 решающее значение имеет стеклообразная, аморфная фаза.

Оптимальное конструирование изделий, работающих на земле, в воде, в воздухе и космосе, позволяет более широко использовать радиопрозрачные материалы.

Общие сведения о керамических строительных материалах и изделиях

Классификация керамических строительных материалов и изделий. Свойства, применение

Сырье для производства керамических материалов и изделий. Классификация, технологические свойства

Производство керамических строительных материалов и изделий. Общие технологические процессы

Керамические материалы – искусственные каменные материалы, полученные из природных глин или глиняных смесей с минеральными добавками путем формования, сушки и последующего обжига. Слово «керамика» (греч. ceramos) означает обожженная глина. Из нее изготовляли обожженный кирпич, кровельную черепицу, водопроводные трубы, архитектурные детали. Керамические материалы являются самыми древними из всех искусственных каменных материалов. Черепки грубых горшечных изделий находят на месте поселений каменного века. Следы древней керамики (посуда, вазы и т.п.) сохранились в Древнем Египте, Греции. На Руси старинные русские соборы X-XV вв. (Владимирский, Новгородский, церковь в Коломенском и храм Василия Блаженного (Покровский собор, 1561 г.). В Москве, при строительстве которого широко использовали цветной и обыкновенный кирпичи, черепицу и другие керамические изделия).

Большое развитие керамика получила в Средней Азии, Древней Индии, Китае и Японии. У греков и римлян из глины изготовляли обожженный кирпич, кровельную черепицу, архитектурные детали и другие изделия, глинобитные жилища (IV-III тыс. до н.э.).

Высокими художественными достоинствами отмечено и русское изразцовое искусство XV-XVIII вв. Терракотовые и глазурованные образцы изготовляли в Москве, Ярославле. Терракота (от итал. terra– земля, cotta–обожженная) – неглазурованная однотонная керамика с характерным цветным пористым черепком.

Кирпич появился более 5000 лет назад и как конструкционный материал впервые стали применять в Древнем Египте и Вавилонии. И в настоящее время, в период бурного развития строительной промышленности, глиняный кирпич не потерял своего значения. Повсеместное распространение исходного сырья – глины, простота изготовления и длительный срок службы позволяют считать его одним из основных местных строительных материалов.

Классификация керамических строительных материалов и изделий. Свойства, применение

Керамические строительные материалы и изделия по их назначению в отделке зданий и отдельных элементах подразделяются на:

фасадные изделия – лицевой кирпич, разного рода плитки;

изделия для внутренней отделки – глазурованные и неглазурованные плитки, фасонные изделия, ковровая и мозаичная керамика;

плитку для пола;

изделия из фаянса и фарфора декоративного назначения.

Отделочная керамика (облицовочные плитки для стен и полов, керамическая ковровая мозаика, архитектурные детали, терракота, майолика) обладает ценными универсальными потребительными свойствами:

водостойкость

стойкость к агрессивным воздействиям;

высокая экологичность;

простота технологических приёмов изготовления;

разнообразие сырьевых материалов;

прочность;

долговечность;

гигиеничность;

декоративность.

Керамические изделия обладают различными свойствами, которые определяются составом исходного сырья, способами его переработки, а также условиями обжига.

Применение – во всех элементах зданий и сооружений, в сборном керамическом домостроении, в строительстве стеновых керамических изделий, для изготовления фасадной керамики, пористых заполнителей для бетонов, санитарно-технической керамики, плитки для полов, керамических канализационных труб и др.

Таким образом, керамические материалы отвечают современным тенденциям строительной техники, являются конкурентоспособными с другими строительными материалами такого же назначения. Материал, из которого состоят керамические изделия, в технологи керамики называют керамическим черепком.

В зависимости от пористости структуры керамические строительные изделия делят на две группы:

пористые (водопоглощением по массе 5 и более 5% - керамический кирпич и камни, черепицу кровельную, облицовочные плитки и керамические трубы);

плотные (водопоглощением по массе – менее 5% - плитки для полов и дорожный кирпич);

Санитарно-техническая керамика может быть пористой (фаянс) и плотной(санитарный фарфор).

Сырье для производства керамических материалов и изделий. Классификация, технологические свойства

Глина – сырьё для производствакерамических материалов

Качество сырьевых материалов определяется минералогическим составом, физическими свойствами, зависящими от месторождения и условиями залегания. Основными сырьевыми материалами для производства керамических изделий являются глины и каолины ; в качестве вспомогательных сырьевых материалов для улучшения технологических свойств используют пески кварцевые и шлаковые, шамот, выгорающие добавки органического происхождения (древесные опилки, угольная крошка и т.п.).

Глина – один из наиболее распространенных видов осадочных горных пород полиминерального состава. Кислород, кремний и алюминий по своей общей массе составляют около 90% в составе земной коры, потому подавляющую часть минералов составляют алюмосиликаты, силикаты и кварц основа встречающихся в природе керамических сырьевых минералов. Размеры глинистых частиц колеблются практически от коллоидной дисперсности до 5 мкм. Основным минералом каолиновых глин является минерал каолинит.

Глины – землистые осадочные горные породы, состоящие из глинистых минералов со значительными примесями: каолинита, галлуазита, монтмориллита, бейделлита, частиц кварца, полевых шпатов, гидрослюд, гидратов окиси железа, алюминия, карбонатов магния, кальция и др.

Пластичность глинистого сырья, определяемая числом пластичности (по раскатыванию глиняного жгута диаметром 3 мм), зависит от содержания глинистых минералов и влажности массы. В зависимости от содержания глинистых минералов глины делятся: на:

жирные (более 60%);

обычные (30... 60%);

тяжелые суглинки (20... 30%);

средние и легкие суглинки (менее 20%).

По пластичности глинистые материалы подразделяются по числу пластичности на:

высокопластичные (менее 25);

среднепластичные (15... 25);

умеренно-пластичные (7... 15);

малопластичные (3... 7).

Вода, адсорбированная поверхностью глинистых частиц в процессе приготовления сырьевой смеси, играет роль гидродинамической смазки, что обеспечивает во многом ее пластические характеристики. Вместе с тем удаление воды, как из самих глинистых частиц, так и с их поверхности в процессе сушки и обжига вызывает явление воздушной и огневой усадки.

Усадочные деформации являются причиной возникновения в изделии внутренних напряжений, что в конечном итоге влияет на их качественные показатели.

Для уменьшения усадки при сушке и обжиге, а также для предотвращения образования трещин в пластичные глины вводят искусственные или природные отощающие добавки . К их числу относятся дегидратированная глина, шамот, котельные шлаки, золы, кварцевые пески и т.д.

Введение в состав сырьевой смеси плавней обеспечивает более низкую температуру ее спекания. К плавням относят полевые шпаты, пегматит, доломит, тальк, магнезит, карбонаты бария и стронция, нефелиновые сиениты (для фаянсовых масс). Искусственный керамический материал, отформованный из глинистого сырья, получается в результате сложных физических, химических и физико-химических изменений, происходящих при обжиге, т.е. при воздействии высоких температур.

Каолины – это чистые глины, состоящие преимущественно из глинистого минерала каолинита (Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O). Каолины огнеупорны, малопластичны, имеют белую окраску. Их применяют для производства фарфора, фаянса и тонких облицовочных изделий, так как после обжига получается белый черепок.

Обычные глины отличаются от каолинов большим разнообразием минералогического, химического и гранулометрического состава. Изменения химического состава заметно отражаются на свойствах глин. С увеличением А1 2 O 3 повышается пластичность глин и огнеупорность, а с повышением содержания SiO 2 пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глины, наличие щелочей ухудшает формуемость изделий.

При изготовлении керамических материалов основными технологическим свойствами глин являются:

пластичность;

воздушная и огневая усадка;

огнеупорность

цвет керамического черепка

спекаемость.

Пластичность глин – способность глиняного теста под действием внешних сил принимать заданную форму и сохранять ее после прекращения действия этих сил. По степени пластичности глины делят на:

высоко пластичные, или «жирные»,

средней пластичности

малопластичные, или «тощие».

Жирные глины хорошо формуются, но, высыхая, дают трещины и значительную усадку. Тощие глины формуются плохо. Для повышения пластичности глин применяют операцию вылеживания их во влажном состоянии на воздухе, вымораживание, гноение в темных подвалах, при этом происходит разрыхление материала и увеличивается ее дисперсность. Пластичность можно также повысить добавлением высокопластичных глин. Самый распространенный способ повышения пластичности - их механическая обработка. Для понижения пластичности глин вводят добавки различных непластичных материалов (отощающие добавки).

Усадка – уменьшение линейных размеров и объема глиняного сырца при его сушке (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Усадку выражают в процентах от первоначального размера изделия.

Воздушная усадка происходит при испарении воды из сырца в процессе его сушки на воздухе и составляет, 2...10%.

Огневая усадка получается из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка составляет 2...8%.

Полная усадка определяется как арифметическая сумма величин воздушной и огневой усадок. Значение полной усадки колеблется в пределах 4...18%. Полную усадку учитывают при формовании изделий.

Огнеупорность – свойство глины выдерживать действие високих температур без деформации. По температуре плавления глины разделяются на:

легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350°С),

тугоплавкие (с температурой плавления 1350...1580°С)

огнеупорные (свыше 1580°С).

Огнеупорные глины применяют для производства огнеупорных изделий, а также фарфора и фаянса. Тугоплавкие глины применяют в производстве плиток для полов, канализационных труб. Легкоплавкие глины используют для производства керамического кирпича, пустотелых камней, черепицы.

Цвет черепка после обжига зависит от состава и количества примесей в глине. Каолины дают черепок белого цвета. На цвет обожженных глин оказывает влияние содержание оксидов железа, которые придают окраску от светло-желтой до темно-красной и бурой. Оксиды титана вызывают синеватую окраску черепка. Используя минеральные красители, можно получать керамические изделия различных цветов и оттенков.

Спекаемостъю глин называют ее способность уплотняться при обжиге и образовывать камневидный материал. При спекании увеличивается прочность и уменьшается водопоглощение изделий.

Производство керамических строительных материалов и изделий. Общие технологические процессы

Эксплуатационные характеристики керамических изделий во многом определяются как составом сырьевых материалов, так и технологическими приемами их изготовления. В производстве обширной номенклатуры современной строительной керамики используются родственные технологические процессы, позволяющие кратко обобщить основы производства керамических материалов.

Можно выделить следующие общие технологические процессы:

1. добыча глины;

2. подготовка сырьевой массы;

3. формование изделия (сырца);

Эти пять стадий производства являются общими для всех видов керамических изделий. Для отдельных видов изделий могут применять различные способы формования (кирпич пластического и полусухого формования), разные способы сушки (воздушная или в сушильных камерах), а также дополнительные производственные процессы – покрытие изделий глазурью или ангобом.

Добыча глины: Добыче сырья предшествует геологическая разведка, определение химического и минерального состава, физических свойств сырья, полезной толщи месторождения, его однородности и характера залегания, объема работ и т.д. Глина обычно залегает – на небольшой глубине. Разрабатывается сырье в карьерах открытым способом – одноковшовыми, многоковшовыми или роторными экскаваторами. Заводы по производству керамических изделий обычно строят вблизи месторождений глин, т.е. карьер является составной частью завода. Добычу глины стремяться осуществлять в теплое время года, создавая запас материала на складе для работы зимой. Транспортируют глину из карьера на заводы рельсовым транспортом в опрокидных вагонетках, ленточными транспортерами и автосамосвалами.

Подготовка сырьевой массы . Добытая в карьере и доставленная на завод глина непригодна для формования изделий, и нужно разрушить природную структуру глины, очистить ее от вредных примесей, измельчить крупные фракции, смешать с добавками, увлажнить ее, чтобы получилась удобоформуемая масса. В крытых складах или на открытых площадках глинистые материалы выдерживаются до двух лет. За это время разлагаются органические остатки и под действием атмосферных факторов(увлажнения и высушивания, замораживания и оттаивания) и предварительной обработки (рыхления, камнеудаления и т.д.) удается достичь сравнительной однородности массы, как по гранулометрическому, так и по минеральному составу. Дальнейшая подготовка массы осуществляется в зависимости от вида изделий и предполагаемой технологии их изготовления.

На этом этапе с помощью камневыделительных машин, вальцов, мельниц различного вида, дозаторов добавок и воды, глиномешалок или диспергаторов удается получить массу, пригодную для формования изделий. Формовочную массу готовят пластическим, полусухим или мокрым способами в зависимости от свойств сырьевых материалов и требований к качеству получаемого изделия.

Формование изделий – одно из важных операций при изготовлении керамических изделий. Способы изготовления определяются формовочными свойствами сырьевой смеси и, прежде всего, пластичностью, которая многом зависит от количества воды в формовочной смеси. В зависимости от влажности формовочной массы способы подразделяются на сухой, полусухой, пластический и литьевой(шликерный).

При сухом способе пресспорошок имеет влажность 2…6%, при которой используют механические или гидравлические прессы, развивающие давление свыше 40 МПа. Данным способом изготавливают плотные керамические изделия: плитку для полов, некоторые виды кирпича, изделия из фаянса и фарфора.

Полусухой способ предусматривает использование рабочих смесей с влажностью 8... 12%. Поэтому способу изготавливается кирпич, фасонне изделия, плитка.

Наиболее экономичным и распространенным является способ пластического формования при влажности массы 18... 24%. Основной механизм, используемый в этом случае,– ленточный пресс. Шнеквал пресса с переменным шагом лопастей перемалывает массу, одновременно уплотняя её к выходному отверстию. Вакуумирование на последней стадии прессования позволяет дополнительно уплотнить массу. Выходное отверстие пресса– мундштук обеспечивает получение непрерывного глиняного бруса необходимых геометрических размеров. Форма мундштука и его размеры определяют вид выпускаемых изделий: кирпич, камни, плитки, черепица, трубы, фасонные изделия. Установленные перед мундштуком пустотообразователи позволяют формовать дырчатые изделия, с щелевыми пустотами и т.д.

Литьевым способом изготавливают керамические изделия сложной геометрической формы: сантехнические изделия (раковины, унитазы, писсуары и т.д.), некоторые декоративные изделия, плитку для внутренней отделки помещений. Компоненты рабочей смеси тщательно размешивают, дозируют, перемешивают с водой. Влажность массы в этом случае от 40 до 60%. Подготовленная таким образом однородная масса выливаетс в гипсовые формы. Развитая микропористая структура гипсового камня обуславливает удаление части воды в пристеночных слоях. В результате в зависимости от времени достигается необходимая толщина уплотненного слоя. Избыток смеси после этого удаляется. После сушки отдельные эле-менты монтируются.

Сушка и обжиг изделий. В зависимости от способа изготовления влажность сырьевых смесей колеблется в очень больших пределах от 2 до 60%. Удаление воды из отформованных изделий сопровождается усадочными деформациями и, соответственно, возникновением внутренних напряжений. Последние при жестких режимах сушки могут являться причиной искривления, появления трещин, снижающих качественные показатели изделий. Сушку изделий производят до остаточной влажности 4... 6% в туннельных или камерных сушилках. Температура теплоносителя 120...150°С.

Обжиг керамических изделий – один из наиболее ответственных технологических этапов, во многом определяющих свойства получаемых материалов.

В производстве строительной керамики в основном используют туннельные печи непрерывного действия высушенные изделия на обжиговых вагонетках, передвигаясь по туннелям, постепенно нагреваются до температуры спекания в зоне сгорания топлива, а затем медленно охлаждаются встречным потоком воздуха.

При температуре порядка 100...120 °С удаляется физически связанная свободная вода. При температуре 450 ...600 °С глинистые вещества необратимо теряют пластические свойства. Дальнейшее повышение температуры приводит к разрушению кристаллической решетки алюмосиликатов и распаду их на отдельные окислы: при повышении температуры до 1000 °С образуется соединение силлиманит, при температуре 1200-1300 С – новый минерал муллит. Эти минералы обеспечивают высокую прочность и стойкость керамического черепка к различным факторам внешней среды.

После обжига полученные изделии медленно охлаждаются, так как при резком охлаждении могут образоваться трещины. Перед отгрузкой потребителю керамические изделия сортируют с целью проверки качественных показателей на их соответствие требованиям государственных стандартов.

) и их смесей с минеральными добавками, изготовляемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением.

В узком смысле слово керамика обозначает глину , прошедшую обжиг . Однако современное использование этого термина расширяет его значение до включения всех неорганических неметаллических материалов. Керамические материалы могут иметь прозрачную или частично прозрачную структуру, могут происходить из стекла (см. ситаллы). Самая ранняя керамика использовалась как посуда из глины или из смесей её с другими материалами. В настоящее время керамика применяется как индустриальный материал (машиностроение, приборостроение, авиационной промышленности и др.), как строительный материал, художественный, как материал широко используемый в медицине, науке. В 20-ом столетии новые керамические материалы были созданы для использования в полупроводниковой индустрии и др. областях

Слово «керамический» происходит также от индоевропейского Керри , означая высокую температуру. Откуда «Керамический» может использоваться как прилагательное, описывающее материал, продукт или процесс; или как только существительное во множественном числе «керамика».

История

Исторически керамические изделия были твёрдыми, пористыми и хрупкими. Изучение керамики приводит к разработке все новых и новых методов для решения данных проблем, уделяя особое внимание сильным сторонам материалов, а также и необычному их использованию.

Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, первым созданным человеком материалом. Время появления керамики относят к эпохе мезолит и неолита. Различными видами керамики являются терракота , майолика , фаянс , каменная масса, фарфор , ситаллы .

Исходя из происхождения слова керамика понимаются такие изделия, для которых глина (при случае каолин), смешанная с полевым шпатом, кварцем или известью, служит главным сырьем. Эти исходные вещества перемешиваются и перерабатываются в массу, которая либо от руки, либо на поворотном круге формуется и затем обжигается.

Отдельные виды керамики формировались постепенно по мере совершенствования производственных процессов, различаясь в зависимости от образовательных свойств черепка и калильного жара. Большинство из них удерживается и по сей день. Древнейший вид - это обыкновенный горшечный товар с землистым, окрашенным и пористым черепком. Это типичная бытовая керамика или изделия, которые разными способами облагораживались - штампованием и гравировкой (например, Bucchero nero), тонким облицовочным слоем (греческая керамика и римские Terra - sigillata), цветной глазурью («Гафнеркерамика» Ренессанса). Первоначально керамика формовалась от руки. Изобретение гончарного круга в третьем тысячелетии до нашей эры, было большим прогрессом, что позволило изготовлять посуду с более тонкими стенками.

К концу XVI века керамика переходит в Европу майолика . Обладая пористым черепком из содержащей железо и известь, но при этом белой фаянсовой массы или изразцовой глины, она покрыта двумя глазурями: непрозрачной, с содержанием олова, и прозрачной блестящей свинцовой глазурью. Майолика родом из заальпийских стран называется фаянсом. Декор писали на майолике по сырой глазури, прежде чем обжечь изделие при температуре порядка 1000 °C. Краски для росписи брались того же химического состава, что и глазурь , однако их существенной частью были окислы металлов, которые выдерживали большую температуру (так называемые огнеупорные краски - синяя, зеленая, желтая и фиолетовая). Начиная с XVIII века, стали применять так называемым муфельные краски, которые наносились на уже обожженную глазурь. С их помощью особенно на фарфоре, достигают высоких результатов.

В XVI веке в Германии распространяется производство каменной посуды. Белый (например, в Зигбурге) или окрашенный (например, в Ререне) весьма плотный черепок состоит из глины, смешанной с полевым шпатом и другими веществами. Обжигаясь при температуре 1200-1280 °С, каменная посуда очень тверда и практически непориста. В Голландии, по образцу Китайской керамики, ее стали производить красной, и ту же особенность обнаруживает каменная посуда Бётгера.

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

В строительстве широко применяется цемент - один из видов керамики, сырьем для которого служат глина и известняк, смешанный с водой.

История появления керамики на Руси

Керамика в России

‎Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, первым созданным человеком материалом. Россия в области керамики достойно занимает ведущее место в мире, несмотря на то, что в международной литературе вопрос о возникновении фарфорового и керамического производства часто умаляется. На примере появления чёрной керамики археологически доказано, что уже в 3-ем тысячелетии до н. э. чёрная лощённая керамика использовалась в ритуальных и обрядовых целях. Значительный ущерб развитию керамики в России нанесло только одно монголо-татарское нашествие, которое много уничтожило достижений русских гончаров IX-XII веков. Например, исчезли двуручные корчаги-амфоры, вертикальные светильники, более простым стал орнамент, искусство перегородчатой эмали, глазурь (самая простая - жёлтая, уцелела только в Новгороде).

Лишь в XV веке прдолжалось развитие керамики на Руси. В России и в настоящее время, особенно в сельской местности, каждый керамический сосуд незаменим. Пища в керамических горшках самая ароматная и долго хранящаяся.

Изготовление керамической посуды на гончарном круге представляло и представляет особый интерес. Так называемые квасники (сосуды для кислых щей, браги, пива, дрожжевых или фруктовых квасов) появились в Москве в ХIX веке.

Прозрачная керамика

Исторически 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 .

См. также

• Обварная керамика

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Керамические материалы" в других словарях:

Неметаллические материалы из тугоплавких неорганических соединений, получаемые спеканием, плазмо химическим и другими методами. К. м. обладают высокой температуроустойчивостью, жаропрочностью, твёрдостью, электроизоляционными и другими ценными… … Энциклопедия техники

керамические материалы Энциклопедия «Авиация»

керамические материалы - керамические материалы — неметаллические материалы из тугоплавких неорганических соединений, получаемые спеканием, плазмо химическим и другими методами. К. м. обладают высокой температуроустойчивостью, жаропрочностью, твёрдостью,… … Энциклопедия «Авиация»

Основная статья: Оптические материалы Волновод на базе прозрачной керамики Прозрачные керамические материалы материалы, прозрачные для электромагнитных … Википедия

Абразивные керамические материалы - (абразивы) – вещества повы­шенной твердости, применяемые в массивном или измельченном со­стоянии для механической обработки (шлифования, резания, истирания, заточки, полирования и т.д.) других материалов. Естественные аб­разивные материалы –… …

Сверхтвердые керамические материалы - – композиционные керамичес­кие материалы, получаемые введением различных легирующих добавок и наполнителей в исходный нитрид бора. Структура таких материалов образо­вана прочно связанными мельчайшими кристаллитами и, следовательно, они являются… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Керамические плитки и плиты - – тонкостенные изделия, изготовленные из керамической массы и/или других неорганических материалов. Примечание 1. Керамические плитки и плиты применяют главным образом для настилки полов и облицовки стен. Как правило, их формуют при… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Материалы строительные керамические - – получают в процессе технологической переработки минерального сырья (в основном глинистого), способного при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает небольшой прочностью, а после обжига приобретает… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Керамические изделия для облицовки - – выпускают глазурованными и неглазурованными. К ним относится лицевой кирпич и ковровые облицовочные плитки. Кирпич и камни лицевые керамические имеют марки по прочности 75,100,125,150; водопоглощение 6…14 %. [Словарь строительных материалов и… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Керамика (керамические материалы) - поликристаллические материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов металлов и других тугоплавких соединений. Люди начали использовать керамические материалы с 5-го тысячелетия до н. э.

Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного состава (химического и фазового). Основными компонентами технической керамики являются оксиды, бескислородные соединения металлов, а также глины.

Следует отметить, что любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения ее механической прочности, термостойкости и других основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1…10 % стекловидной фазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели материала. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как из-за этого снижается механическая прочность материала.

Техническая керамика характеризуется многообразием составов и свойств. Поскольку различные виды керамики отличаются сырьем, составом, структурой и свойствами, то объединяющим признаком этих материалов можно считать технологию их получения (составление шихты, формование и обжиг).

Керамические материалы характеризуются общими для них свойствами (высокая температура плавления, большие значения твердости и модуля упругости, химическая инертность). При этом данные материалы отличаются большим диапазоном электрических и тепловых свойств (от сверхпроводников до диэлектриков, от теплоизоляторов до высокотеплоотводящих материалов), обладают специфическими свойствами (эмиссионными, оптическими, ядерными, каталитическими). Из керамики изготавливают украшения, строительные материалы (в том числе облицовочную плитку и кирпич), посуду (фарфоровую и глиняную), футеровку печей, режущий инструмент, детали химического и металлургического оборудования, уплотнители насосов, работающих в условиях абразивного изнашивания, детали двигателей (внутреннего сгорания и газотурбинных) и ракет и др.

Большинство керамических материалов являются кислородсодержащими соединениями. К ним относятся силикатные соединения (на основе глин и других силикатов) и из чистых тугоплавких оксидов металлов (оксидов бериллия, магния, алюминия, циркония, гафния и проч.).

К бескислородным соединениям принадлежат керамические материалы, состоящие из карбидов, нитридов, боридов, силицидов и др.

Различают керамические материалы пористые и плотные (каменная керамика); грубые (с неоднородным строением) и тонкие (с мелкокристаллическим строением).

Керамика на основе оксида алюминия А1 2 О 3 (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах. Корундовая керамика химически стойка и является отличным диэлектриком. Изделия из этого материала применяют во многих областях техники (пластины резцов, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, сопла, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания). Керамику на основе оксида алюминия с плотной структурой используют в качестве вакуумной, а пористую - как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях плавят различные металлы, оксиды, шлаки.

Особенностями оксида циркония (ZrO 2) являются слабокислотная или инертная природа и низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO 2 2 000…2 200 °С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция обладает стойкостью к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Но термическая стойкость таких материалов низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, а оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе (их применяют для изготовления тиглей). Кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает этому материалу высокую термостойкость, но его прочностные свойства невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов и применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, а также в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

Следует отметить, что разработаны и используются керамические материалы на основе оксидов титана, тория, урана и др.

Бескислородная керамика создана на основе соединений, которые не содержат кислорода. К ним относятся соединения элементов с углеродом (МеС) - карбиды, с азотом (МеN) - нитриды, с бором (МеВ) - бориды, с кремнием (МеSi) - силициды и с серой (МеS) - сульфиды. Эти соединения отличаются высокой огнеупорностью (2 500…3 500 °С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью (по отношению к агрессивным средам). При этом материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900…1 000 °С, у нитридов - несколько ниже. Силициды могут выдерживать температуру 1 300…1 700 °С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды кремния, хрома, титана, вольфрама и другие получили широкое применение. Из карбида кремния изготавливают огнеупоры, конструкционные материалы, абразивные материалы, электротехнические материалы и др. Из карбида титана изготавливают детали насосов химической промышленности, лопатки газовых турбин, электроды, твердые сплавы и др. Карбид вольфрама используется, в основном, для производства твердых сплавов для резцов, фрез и другого инструмента.

Нитриды - соединения азота с более электроположительными элементами, главным образом, металлами. Тугоплавкими соединениями с высокой твердостью, хорошими износостойкостью и химической стойкостью являются нитриды алюминия, бора, кремния, титана.

Нитрид алюминия обладает еще и хорошими электроизоляционными свойствами. Его используют в качестве электроизоляционного материала, огнеупора (тигли, футеровка печей), из него изготавливают усы (для армирования композиционных материалов). Механические свойства сверхтвердых модификаций нитрида бора близки к свойствам алмаза. Они используются для изготовления инструментальных материалов и сверхтвердых материалов типа «боразон», «гексанит», «эльбор». Нитрид кремния используется в качестве инструментального материала, конструкционного материала, материала трения, огнеупора. Нитрид титана используется для нанесения покрытий на поверхности изложниц и как декоративное покрытие золотистого цвета. Нитриды молибдена и ниобия при определенных температурах являются сверхпроводниками.

Бориды обладают металлическими свойствами. Они износостойки, тверды, стойки к окислению и электропроводность боридов очень высокая. В технике используются дибориды тугоплавких металлов (TiВ 2 , ZrВ 2 и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2 000 °С в агрессивных средах, а также труб, емкостей, тиглей. Благодаря высокому уровню механических свойств, жаропрочности и жаростойкости бориды широко используются как конструкционные материалы для узлов и деталей газовых турбин, реактивных двигателей, для сопел распыления металлов, чехлов термопар и др.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, стойкостью к действию кислот и щелочей. Эти материалы можно применять при температуре 1 300…1 700 °С, при температуре 1 000 °С они не взаимодействуют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (МоSi 2) наиболее широко используется в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1 700 °С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного МоSi 2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей. В радио- и электротехнике силициды используют как высокотемпературные полупроводниковые материалы.

Сульфиды (в зависимости от соотношения серы и металла в соединении) являются обычными полупроводниками, узкозонными полупроводниками или обладают свойствами металлов. Эти материалы используются в электротехнике и электронике. Сульфидам присуща высокая химическая стойкость по отношению к расплавам металлов и солей при высоких температурах. Сульфиды применяются в качестве огнеупоров для тиглей и других изделий в прецизионной металлургии, а в химической промышленности их используют как катализаторы.

Следует отметить, что разрабатываются новые составы керамических материалов, совершенствуются технологии получения изделий из этих материалов и область их применения постоянно расширяется.