Виды керамики и области ее применения

Фарфор - основной представитель тонкой керамики. Характерные признаки фарфора - белый цвет с синеватым оттенком, малая пористость и высокая прочность, термическая и химическая стойкость и декоративные достоинства. Его особенности определяются химически составом и строением черепка, которые зависят от назначения изделий, условий их эксплуатации и предъявляемых к ним требований.

Состав фарфора. Различают два вида фарфора - твердый и мягкий. Твердый фарфор получают из массы, содержащей 50% глины и каолина, 25% кварца и 25 % полевого шпата. Это классический состав, который может быть изменен в зависимости от вида исходных материалов. Наиболее рациональный состав твердого фарфора - 55 % глинистых веществ и по 22,5% кварца и полевого шпата. Химический состав твердого фарфора, исходя из соотношения различных окислов, содержащихся в нем, может быть представлен в следующем виде: SiO2 - 68 %, Al2O3-2,6 % и K2O- около 6%. В молекулярном виде он может быть выражен как (0,18-0,2) K2O Al2O3 (3,5-4) SiO2. Особенностью твердого фарфора является малое содержание оснований и повышенное количество глинозема.

Для получения плотного спекшегося черепка твердый фарфор обжигают при повышенной температуре 1350-1400 оС. Одним из показателей, характеризующих поведение фарфора при обжиге и эксплуатации, является величина отношения эквивалентов кислот к эквивалентам оснований, которая называется формулой кислотности (К.К.) и определяется по формуле:

К.К .=RO2/(RO2+RO+3R2 O3).

Для твердого этот коэффициент равен 1,1-1,3, по мере перехода к мягкому фарфору он возрастает до 1,68-12,75. С повышением коэффициента кислотности увеличивается хрупкость черепка.

Твердый фарфор характеризуется повышенным содержанием в массе каолина и глины, что придает ему высокую белизну, обуславливает образование кристаллической фазы и повышение термической стойкости. Каолин способствует диффузии ионов алюминия и растворимого дегитратированного остатка каолина в расплав полевого шпата, что ведет к увеличению их концентрации и образованию муллита. Муллит и отвердевший при охлаждении расплав обуславливают механические, термические и химические свойства изделий. Твердый фарфор глазируют тугоплавкими глазурями. Основную массу фарфоровых изделий в нашей стране изготавливают из этого фарфора.

В массе для получения мягкого фарфора содержится больше плавней и меньше глины и каолина. При увеличении в массе плавней количество стекловидной фазы в черепке возрастает, при этом повышается и просвечиваемость. Масса для получения мягкого фарфора содержит 25-30% каолина и глины, 20-45 % кварца и 30-36 % полевого шпата. Иногда добавляют 1,5-2,5 % мела и 1,-24,0 % окиси цинка. Молекулярная формула мягкого фарфора характеризуется повышенным содержанием оснований и может быть представлена как (0,3-0,4) RO х R2O3 х (5,5-6)SiO2.

В мягком фарфоре кристаллическая фаза, которая обусловливает высокую прочность, незначительна. По прочности и термической стойкости мягкий фарфор уступает твердому фарфору. Обжиг его ведут при более низкой температуре -1250-1300 °С.

Основными разновидностями мягкого фарфора являются фриттовый, костяной, бисквитный.

Фриттовый фарфор получают из массы, не содержащей кварц, полевой шпат и пластичные материалы. Его состав: 75-85 % фритты, 17 % мела и около 8 % отмученного мергеля. Фритта - это тонкоизмельченный сплав песка, гипса, соды, поваренной соли, калийной селитры и аммиачных квасцов. Этот фарфор занимает промежуточное положение между твердым фарфором и стеклом. Для придания пластичности при формовании в смесь добавляют специальные клеящие вещества. Фриттовый фарфор не получил широкого распространения ввиду сложности производства, малой термической стойкости и высокой стоимости. Трудности производства обусловлены быстрым размягчением черепка, что приводит к деформации изделий. Для глазурования применяют легкоплавкую глазурь. Краски, наносимые на такие изделия, сплавляются с глазурью и имеют высокий блеск и красивые тона.

В состав костяного фарфора наряду с другими веществами входит от 20 до 60 % костяной муки, содержащей фосфорнокислый калий. Каолина в нем содержится от 20 до 45 %, иногда его частично заменяют пластичной беложгущейся глиной. По свойствам этот фарфор занимает промежуточное место между твердым и фриттовым фарфором. Обжиг проводят до полного спекания черепка. Особенностью костяного фарфора является высокая просвечиваемость. Для глазурования используют боросвинцовую фриттованную глазурь.

Бисквитный фарфор не покрывается глазурью, он имеет мягкий матовый блеск. Благодаря пористому строению черепка и отсутствию глазурного слоя падающие лучи света как бы проникают в толщину фарфора и придают ему сходство с белым мрамором. Массы для его получения составляют из глинистых материалов (33-36 %), кварца (45 %) и ферриты (24%) или без нее.

Из мягкого фарфора вырабатывают посуду, а также художественно-декоративные изделия.

Для получения фарфоровых изделий с высокой прочностью, малым термическим расширением и хорошей термостойкостью в состав массы вводят корунд, тальк, циркон, окись бериллия и др.

Строение фарфора. Фарфоровый черепок представляет собой гетерогенную систему. Его строение зависит от состава и вида исходных материалов, их соотношения, условий и режимов технологической обработки. Изменяя состав и технологические параметры, можно управлять процессами структурообразования фарфора и получать изделия с заданными свойствами.

Основными элементами структуры фарфорового черепка являются стекловидная фаза, кристаллическая фаза и поры. От количественного соотношения этих структурных элементов зависят свойства готовых изделий. Свойства изделий взаимосвязаны: повышение одного из показателей свойств часто приводит к снижению или повышению других, например повышение просвечиваемости черепка сопровождается понижением механической прочности.

Стекловидная фаза представляет собой расплав полевого шпата с частично растворившимися в нем зернами кварца и глинозема. Иногда встречается полевошпатовое стекло с кристаллами муллита. Стекловидная фаза способствует повышению просвечиваемости черепка. Чем больше в массе полевого шпата и кварца при соответствующем уменьшении глинистых материалов, тем выше просвечиваемость черепка. С повышением стекловидной фазы уменьшают прочность и термическая стойкость. На долю стекловидной фазы в твердом фарфоре приходится от 40 до 60 %, в мягком -до 85 %. Количество стекловидной фазы зависит как от состава исходных материалов, так и от степени помола их и от режима обжига. Влияние стекловидной фазы на свойства фарфора зависит от степени насыщения ее кремнеземом, глиноземом и кристаллами муллита. Прочность, химическая и термическая стойкость фарфора с увеличением насыщения полевошпатового стекла глиноземом муллитом повышаются, а при насыщении кремнеземом снижаются.

Кристаллическая фаза представлена, прежде всего, кристаллами муллита, а также частицами кварца и остатка, нерастворившимися в стекловидной массе. На долю кристаллической фазы в фарфоре приходится около 30 %.

Муллит, имеющий игольчатое волокнистое строение, обладает высокими механической прочностью и химической стойкостью (не растворяется в 20 %-ном растворе плавиковой кислоты), малым термическим расширением и в связи с этим высокой термической стойкостью. С увеличением кристаллов муллита в черепке улучшаются механические и термические свойства фарфоровых изделий. Процесс муллитизации фарфорового черепка зависит от температуры обжига и времени выдержки изделий в этих условиях.

Образовавшийся муллит пронизывает полевошпатовое стекло, сообщая черепку положительные свойства. Процесс муллитизации в области высоких температур протекает при наличии жидкой фазы.

Зерна кварца, не растворившиеся в полевошпатовом стекле, вместе с кристаллическим муллитом образуют как бы каркас, обусловливающий свойства готовых изделий. Этот каркас прочно цементируется аморфным стеклом.

Поры в фарфоровом черепке занимают объем до 5 %; водопоглощение черепка составляет примерно 0,1-0,2 %. Они частично снижают просвечиваемость и механическую прочность.

На свойства фарфорового черепка влияет и строение контактного слоя, который по составу и структуре аналогичен стеклообразному веществу. Контактный слой образуется вследствие различия химического состава глазури и черепка, проникновения расплава глазури в поры черепка и растворения кристаллических фаз черепка в расплаве глазури. Все это обусловливает образование новых кристаллических веществ и газовых пузырьков. На интенсивность этих процессов, от которых зависит величина контактного слоя, влияют продолжительность и температура обжига. Контактный слой заполняет поверхностные трещины черепка, снижая напряжения между глазурью и черепком, что способствует повышению прочности. Глазурь в состоянии сжатия больше влияет на повышение термической стойкости, чем глазурь, находящаяся в состоянии растяжения. Это объясняется тем, что из-за плохой теплопроводности фарфора его глазурный слой, быстро охлаждаясь, подвергается напряжениям, которым он лучше противостоит в состоянии сжатия. Глазурь, находящаяся в состоянии сжатия, способствует повышению механической прочности черепка.

Физические свойства фарфора. К ним относятся плотность, белизна, просвечиваемость, механическая прочность черепка и глазури, блеск и твердость глазури, термическая стойкость, электрическая прочность и др. Они зависят от, структурных элементов черепка и, прежде всего от соотношения стекловидной и кристаллической фаз, а также от количества и характера пор и наличия дефектов в виде трещин. На некоторые свойства фарфора влияет также толщина черепка и глазури.

Плотность фарфора 2,4-2,5 г/см , объемная масса на 1/10 меньше плотности. Фарфор имеет плотный спекшийся черепок с пористостью по водопоглощению не более 0,2 %.

Белизна является важным показателем качества фарфора. Она зависит от наличия в сырьевых материалах примесей железа, титана, хрома и других окрашивающих соединений, а также от режима и среды в печи при обжиге.

Исходные материалы очищают от окрашивающих примесей. Если окись железа будет находиться в массе в виде мельчайших частиц, то на изделиях могут появиться темные рассредоточенные точки - мушки, которые снижают белизну и ухудшают внешний вид изделий. Крупные включения окиси железа при обжиге выплавляются, оставляя темное пятно или сквозное отверстие.

Снижение белизны фарфора может произойти и за счет неполного выгорания углерода при обжиге в окислительной среде и неполного восстановления окислов трехвалентного железа в двухвалентное. Окислы трехвалентного железа придают черепку желтоватый оттенок, а двухвалентного - синеватый. Белизна фарфора повышается с увеличением в массе каолина. Существенно влияет на белизну и наличие глазурного слоя и его толщина: с увеличением толщины глазурного слоя она снижается.

Просвечиваемость фарфора зависит от содержания стекловидной фазы, на что влияет количество в массе плавней, степень их дисперсности, а также температура обжига. С увеличением в черепке полевошпатового стекла при одновременном снижении содержания глинистых материалов просвечиваемость возрастает. Она улучшается и при повышении температуры обжига. Кристаллы муллита, остаточного кварца, и особенно пузырьки газа и поры, снижают просвечиваемость. Это объясняется тем, что путь светового луча в результате гетерогенной структуры черепка удлиняется из-за многократного преломления. При этом лишь незначительная часть светового потока проходит через стенки изделия, а остальная отражается, поглощается и рассеивается. Поэтому для характеристики масс иногда определяют коэффициент прохождения света при определенной толщине, принятой за единицу. Просвечиваемость фарфорового черепка толщиной 2 мм находится в пределах от 0,009 до 0,15%. Просвечиваемость некоторых масс с увеличением толщины черепка с 1 до 2 мм снижается в несколько раз. Она может быть повышена за счет выравнивания показателей преломления его структурных элементов (муллита, кварца и стекла). Мягкий фарфор имеет более высокую просвечиваемость, чем твердый, так как у него показатель преломления стекловидной фазы близок к показателю преломления кристаллической фазы.

Для фарфора различают прочность черепка и прочность глазури. Прочность черепка зависит от количественного соотношения кристаллической и стекловидной фаз, его толщины и пористости. С увеличением кристаллической фазы прочность черепка повышается (табл. 2).

При увеличении толщины изделия на 0,5 мм механическая прочность возрастает на 12-17 %. Изделия из массы с повышенным содержанием глинистых материалов (50-54 %) имеют более высокую механическую прочность.

Таблица 2. Механические свойства фарфора и его кристаллических составляющих