Виды керамики и области ее применения

На механическую прочность черепка влияет степень дисперсности зерен кварца: чем тоньше помол, тем выше прочность за счет уменьшения пористости.

Фарфор, как и стекло, в 12-13 раз лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению.

На прочность фарфоровых изделий заметное влияние оказывает и толщина глазурного слоя. Чем тоньше слой глазури, тем выше прочность изделий, особенно если глазурь находится в состоянии сжатия. Если глазурь находится в состоянии растяжения, то прочность изделий резко снижается. Так, если прочность на изгиб неглазурованного фарфора составляет примерно 70 МПа, то при наличии глазурного слоя, находящегося в состоянии напряжений, - в два раза меньше. Для того чтобы глазурный слой находился в состоянии сжатия, коэффициент термического расширения глазури должен быть меньше коэффициента термического расширения черепка.

Блеск глазури зависит от ее состава, температуры обжига, а также наличия в ней различных газовых включений и коэффициента преломления. Повышенным блеском характеризуются свинцовые, стронциевые и титановые глазури, а также глазури, содержащие редкоземельные элементы. Наличие в стекловидной фазе глазури воздушных и газовых включений сильно снижает ее блеск. При соответствии температуры политого обжига температуре плавления глазури достигается хороший блеск. Если температура обжига ниже, то глазурь имеет матовость в результате неполного расплавления.

Твердость глазури зависит от ее химического состава. Большей твердостью характеризуются полевошпатовые глазури, более мягкие -свинцовые и баритовые. Твердость глазурного слоя по минералогической шкале между 5 и 6 минералами, по склероскопу- 100-115.

Термическая стойкость фарфора зависит от химического состава черепка и глазури, соответствия их коэффициентов термического расширения, сложности формы изделия, толщины черепка и глазури, прочности и модуля упругости черепка, а также от теплопроводности и плотности. Она может быть ориентировочно определена расчетным путем по формуле коэффициента термостойкости.

Термическая стойкость изделий сложной конфигурации снижается с увеличением толщины глазурного слоя. Она уменьшается по мере повышения в черепке стекловидной фазы и возрастает с увеличением количества муллита. Однако при насыщении полевошпатового стекла глиноземом и кварцем термостойкость повышается, так как их коэффициенты термического расширения снижаются в стекловидной фазе.

Заметно влияют на снижение термической стойкости инородные включения, микротрещины и другие дефекты черепка и глазурного слоя.

Трещины глазури чаще всего образуются в тех случаях, когда коэффициент термического расширения глазури выше, чем черепка. Если термическое расширение черепка выше, чем глазури, то происходит отскок глазури, что ухудшает внешний вид изделий. С появлением трещин сильно снижается блеск глазури.

Различают химическую устойчивость глазури к воздействию влаги, соды, уксусной и лимонной кислот. Устойчивость глазури к различным средствам зависит от ее химического состава: чем меньше в ней щелочей, тем выше ее химическая устойчивость.

В производстве электротехнического и химического оборудования широко применяют фарфор - керамический материал с незначительной долей закрытых пор, получаемый на основе смеси SiO2 (77,8-75,2%), Al2O3 (19,321,1 %), K2O (2,7-4,4 %). Он обладает высокими электроизоляционными свойствами, механической прочностью и стойкостью во всех кислотах, кроме плавиковой (ГОСТ 20419-83).

Получают из массы, состоящей из 50% пластичных материалов (17-30 % каолина и 25 % глины) и 50 % кварцевого песка и полевого шпата. В массе, из которой вырабатывают термостойкую кухонную посуду, уменьшают содержание пегматита и увеличивают количество кварцевого песка. Глазуруют прозрачными или цветными глухими глазурями. Подвергают двукратному обжигу: утельному - при температуре 900-1000 °С и политому —1150—1200 °С. Эта керамика имеет естественную окраску коричневого, кремового и желтоватого цвета в зависимости от наличия в глине примесей. Благодаря повышенному содержанию пластичных материалов и температуре обжига она обладает высокой прочностью, термической и химической стойкостью, но не просвечивает даже при толщине до 1 мм.

Полуфарфор имеет белый черепок с водопоглощением от 3 до 5 %. По свойствам он занимает промежуточное положение между фарфором и фаянсом.

Фаянс отличается от фарфора большей пористостью (9- 12 %) и меньшей механической прочностью (от 60 до 100 МПа при сжатии и от 0,1 до 0,3 МПа при изгибе). При легком ударе издает глухой звук и не просвечивает даже в тонких слоях; объемная масса фаянсовых изделий находится в пределах от 1,9 до 2 г/см3. Фаянс подвергают двукратному обжигу; утельный проводят при более высокой температуре (1250-1280 °С), чем политой (1140-1180 ОС). Глазуруют фаянс легкоплавкими глазурями.

По составу, структуре и свойствам фаянс делят на твердый, мягкий и глинистый. Твердый фаянс - полевошпатовый, получают его из массы с повышенным содержанием глинистых веществ - от 35 % до 55 %, кварца - от 30 до 40%, мела и доломита - от 15 до 20 % и боя - от 5 до 7 %. В глинистом фаянсе больше пластичных веществ (75-85 %) и меньше кварцевого песка.

Наиболее распространенным является твердый фаянс, характеризующийся наибольшей механической прочностью. Посудохозяйственные изделия относятся к твердому фаянсу. Формирование фаянсового черепка завершается при утельном обжиге. При этом изделие приобретает высокую прочность и сохраняет пористость, необходимую для глазурования. Обжиг при максимальной температуре проводят в слабоокислительной или нейтральной среде. Цель политого обжига -равномерное расплавление глазури по всей поверхности и закрепление ее. Политой обжиг ведут в окислительной среде, чтобы изделия не приобрели серый цвет за счет конденсации смолистых веществ. Благодаря незначительному содержанию в массе плавней и невысокой температуре обжига стекловидная фаза развита слабо. Зерна дегидратированного глинистого вещества и кварца цементируются небольшим количеством расплава, образующегося при взаимодействии легкоплавких веществ с глиной и кварцем. При этом образуются поры, обусловливающие глухой звук при ударе и повышенное водопоглощение черепка.

К майолике относится керамика с пористым черепком белого, коричневого, кремового, желтого и других цветов, покрытым цветной глухой или прозрачной глазурью. При постукивании по изделию они издают глухой звук.

Политой обжиг майолики в отличие от фаянса проводят при более низкой температуре - 1040 - 1100 °С, поэтому для глазурования применяют свинцовые и другие легкоплавкие глазури. Декорируют их акгобированием -частичное (барботин) или полное покрытие слоем бело-жгущейся или цветной глины, росписью, цветными глазурями или поливами однокрасочными либо многокрасочными. Часто для украшения их применяют кракле, кристаллические и потечные глазури.

Гончарная керамика является разновидностью майолики. Она имеет пористый черепок, естественно окрашенный - от желтого до коричневого цвета. Водопоглощение черепка составляет 15-I8 %. Для изготовления керамики применяют легкоплавкие глины с добавлением от 10 до 20% кварцевого песка как отощителя. Изделия подвергают двукратному обжигу: утельному - при температуре 1050- 1150 °С, политому - 900-1000 °С. Для глазурования, кроме обычных глазурей, используют кракле, потечные и др. Иногда применяют соляное глазурование. Для этого поваренную соль при обжиге изделий забрасывают в печь. Под действием температуры она разлагается, при этом окись натрия, осаждаясь на поверхности изделия, образует силикат натрия, который прочно закрепляется на поверхности.

2.2 Техническая керамика

Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава, она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество глины или совсем ее не содержит. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: Al3O3 (корунд), ZrO2, MgO, СаО, ВеО, ThO, UO2. Структура керамики однофазная кристаллическая. Кроме кристаллической фазы, может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристаллическом строении на границе между кристаллами возникают значительные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается. При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Керамика на основе Al2O3 (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойкая, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую - как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавление различных металлов, оксидов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до 3960 кг/м3, осж до 500 МПа, твердость 92- 93 НRА и красностойкость до 1200 °С.

Особенностью оксида циркония (ZrO2) являются слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO2 2000-2200 °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 последней от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометаллургической аппаратуры и т.д.

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

Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радиоактивна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструкциях электропечей для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UO2).

Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом (МеС) - карбиды, с бором (МеВ) - бориды, с азотом (МегN) - нитриды, с кремнием (МеSi) -силициды и с серой (МеS) - сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500-3500 оС), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отношению к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивления окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900- 1000 °С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300-1700 оС (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния - карборунд (SiQ. Он обладает высокой жаростойкостью (1500-1600 °С), высокой твердостью, устойчивостью к кислотами неустойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая (v = (12...57)х10-1 Ом. м). Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrB2 и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000 °С в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются высоко термостойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах -полупроводники. С повышением температуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность нитридов меньше, чем твердость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.

Нитрид бора a-BN - «белый графит» - имеет гексагональную, графитоподобную структуру. Эго мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, используется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Спеченный нитрид бора хороший диэлектрик при 1800°С в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является - в -BN - алмазоподобный нитрид бора с кубической структурой, называется эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360 °С в присутствии катализатора. Плотность эльбора 3450 кг/м3, температура плавления 3000 °С. Он является заменителем алмаза, стоек к окислителю до 2000 оС (алмаз начинает окисляться при температуре 800 °С).