Керамические материалы.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Южно-Уральский государственный университет»
(национальный исследовательский университет)
Институт естественных и точных наук
Факультет «Химический»
Кафедра «Экология и химическая технология»
Реферат по материаловедению
по теме «Керамические материалы»
Работу проверил
доцент, кандидат технических наук
Н.А.Шабурова
/ ___________
________________________2021 г.
Автор, студент группы ЕТ - 333
_______________А.В. Сагдатова
________________________2021 г.
Работа защищена
с оценкой (прописью, цифрой)
_______________________________
________________________2021 г.
Челябинск 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………...3-4
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ………………………………………………………….4-24
1. Месторождения глин…………………………………………………...............5
2. Влияние химического состава глины на её свойства……………………...5-6
3. Классификация глин…………………………………………………………6-8
4. Свойства глин……………………………………………………………......8-9
5. Общие сведения о керамических материалах…………………………....9-12
5.1.Типы керамики…………………………………………………………...12-14
6. Применение керамическая материалов…………………………………14-16
7. Производство керамики…………………………………………………16-20
8. Другие способы производства керамических изделий…………………20-21
9. Глазури и эмали…………………………………………………………...21-23
10. Ангобы…………………………………………………………………...23-24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………...……..25
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………...26
2
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире в строительстве очень широко применяются
керамические материалы и изделия. Это обусловлено большой прочностью,
значительной долговечностью, декоративностью многих видов керамики, а
также распространенностью в природе сырьевых материалов.
Глина сопутствует человеческой цивилизации от самого зарождения и по
сегодняшний день, и умение изготавливать изделия из неё ценились во все
времена. Когда-то это было жизненно необходимо, а теперь изделия гончаров
и художников-керамистов доставляют людям эстетическое наслаждение.
Керамические изделия – самые распространённые находки археологов, ведь,
в отличие от дерева, глина не горит, не окисляется, подобно металлам.
Многочисленные предметы дошли до нас в первозданном виде: посуда,
светильники, детские игрушки, культовые статуэтки, литейные формы,
рыболовные грузила, катушки для ниток, пряслица для веретён, бусы,
пуговицы и др.
Сильно утрамбованная глина не пропускает воду, поэтому из неё делали не
только стены, но и полы с крышами. Чтобы повысить прочность
глинобитного пола, его время от времени поливали водой.
Греческие пифосы – сосуды для воды и вина, достигавшие высоты до 2
метров – поражали высоким техническим мастерством. Сделаны они были
жгутовым способом, так как сосуды таких размеров, да ещё и с заострённым
дном, на круге выкрутить невозможно.
По археологическим данным, производство керамики ведёт начало с древних
времён.
Около 5 000 г. до н. э. люди уже обжигали посуду для хозяйственных нужд:
приготовления и хранения пищи, ношения и хранения воды. Вначале её
делали из плетёных корзин, обмазанных глиной. Прутья давали прочность, а
глина не пропускала воду. При попытке приготовить в такой посуде пищу на
костре прутья сгорали, но прочность оставалась и даже возрастала.
Издавна керамические изделия мастера стремились украсить: наносили
рисунки острым предметом, штампиками, делали накладки.
С развитием ремесла появился первый механизм для изготовления изделий
из глины – гончарный круг. Сначала он был ручной, затем ножной.
Для обжига глины использовался костёр, затем – печь, позже – горн.
3
По мере развития гончарного дела появляются новые виды керамики: фаянс,
фарфор, майолика и др.
В наше время утрачены многие секреты древних мастеров. Например,
современные керамисты не смогли разгадать тайну глазури, покрывающей
две большие вазы, обнаруженные при раскопках китайскими археологами.
Когда в них налили воду, глазурь тут же потемнела и изменила цвет, стоило
вылить воду – сосуды вновь приобрели первоначальную белизну.
Мало кому известно, что жители севера – чукчи и коряки - употребляют
глину в пищу. Конечно, не всякую глину, а белую, называемую северянами
«земляным жиром». Едят её с оленьим молоком или добавляют в мясной
бульон.
Съедобной глиной не брезгуют и европейцы, приготовляющие из неё
лакомство наподобие конфет.
В Древней Японии красавицы тех времён с помощью глины укладывали себе
волосы, возводя на голове сложнейшие сооружения – тогда были в моде
именно такие причёски. Используя тот же материал (местные сорта красной
глины), они окрашивали свои волосы.
Глина может использоваться также и в медицине в качестве лекарства, и в
косметологии как очищающая маска.
У глины есть ещё множество других полезных свойств, но сейчас она
интересует нас как материал, пригодный для изготовления керамических
изделий.
4
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Месторождения глин.
Глины широко распространены на земной поверхности. Они являются
продуктом разложения горных пород.
Как известно, горные породы разрушаются под воздействием внешних
условий (разница температур, ветер, осадки) и распадаются на составные
части: кварц, слюду и полевой шпат.
Полевой шпат, в свою очередь, под воздействием углекислоты, воздуха и
воды преобразуются в каолин.
Процесс разложения горных пород редко заканчивается полностью, поэтому
каолины обычно содержат мелкие камешки.
Если каолин остаётся на месте образования, то месторождение называется
первичным или остаточным.
Чаще частички каолина уносятся водой (ледником, ветром) и осаждаются на
некотором расстоянии. Таким образом образуются вторичные
месторождения. При их образовании происходит естественное отмучивание
(от слова «мутить») каолина от крупнозернистых примесей, то есть
отделение камешков и других тяжёлых частиц и мусора.
При перемещении частички трутся друг о друга и о естественные преграды и
измельчаются, поэтому частички глины во вторичных месторождениях более
тонко дисперсны (мелкие частички вещества равномерно рассеяны в
содержащей среде), чем в каолинах.
По сравнению со вторичной, первичная глина менее пластична и имеет более
высокую температуру обжига.
2. Влияние химического состава глины на её свойства.
Цвет глины как в сыром, так и в обожжённом виде зависит от содержания в
ней примесей. Чем больше в глине органических веществ, тем темнее её
цвет.
Содержание в глине соединений железа ( Fe ) обуславливает её окраску от
сине-зелёных до коричнево-красных тонов. Цвет черепка после обжига также
колеблется от белого и кремового до коричневого цвета.
По цвету черепка (черепком называется неглазурованное керамическое
изделие) глины делятся на беложгущиеся (к ним относится каолин – сырьё
для изготовления фарфора и фаянса), светложгущиеся (приобретают после
обжига светло-серый, светло-жёлтый и светло-розовый цвета)
и красножгущиеся (после обжига становятся красными, коричневыми,
фиолетово-коричневыми).
Чистый каолин плавится при температуре 1770ºС. Примеси понижают
температуру плавления и изменяют другие технические свойства.
Соединения железа и серы – пирит (дисульфид железа) в глине встречается в
виде бурых или зеленовато-бурых кристаллов с металлическим блеском. При
5
обжиге он образует на изделии выплавки и чёрные точки.
Вследствие большой поглотительной способности глина впитывает и
удерживает растворённые в воде соли, из которых наиболее распространены
гипс (сульфат кальция), хлорид натрия и сульфиты щелочных металлов.
Эти соли при сушке изделия отлагаются на поверхности черепка, образуя
после обжига белый налёт (что портит цвет готовой керамики, особенно
терракоты).
3. Классификация глин.
В схеме классификации глинистое сырьё делится на:
а) каолины
б) сухари – огнеупорные, камнеподобные глины
в) сланцевые – плохо размокающие в воде глины.
Они подразделяются на подгруппы:
1)по содержанию окиси алюминия в прокалённом состоянии: более 40 % высокоосновные от 30 до 40 % - основные от 15 до 30% - полукислые менее
15% - кислые.
2) по огнеупорности:
 огнеупорные – плавящиеся при температуре от 1580ºС и выше
 тугоплавкие – от 1350º до 1580º С
 легкоплавкие – ниже 1350º С
3) по степени связуемости или пластичности:
 жирная
 средней жирности
 тощая.
Если размять в руках кусочек влажной глины и скатать колбаску
толщиной в палец, а затем согнуть из неё колечко, то проверить по
нему жирность материала можно таким образом:
- если на глине не образовались трещинки, то такая глина
6
считается жирной; на ощупь она мягкая и очень пластичная. Из неё
хорошо лепить мелкие изделия, но для крупных она не годится: при
сушке и обжиге изделие покоробится, образуются трещины. Чтобы
улучшить эту глину, нужны отощающие добавки, которые делятся
на естественные (природные вещества, которые являются
постоянными спутниками глин и каолинов и не образуют с ними
стекловидные фазы при обжиге до 1560ºС, а именно: кварц, кварцевый
песок, кремний) и искусственные (промытый песок, измельчённый бой
керамических изделий).
- если на колечке трещин мало, а глина не липнет к рукам и легко
лепится – она годится для любых изделий. В ней содержится 10 – 15 %
песка. Это глина средней жирности.
- если в глине содержится менее 15 % песка, такая глина
называется тощей. Чем больше песка – тем больше трещин на колечке.
Такую глину можно исправить отмучиванием: развести порошок
глины водой 1 к 2, дать отстояться сутки, снять с поверхности мусор,
слить воду, когда она посветлеет. Слой жидкой глины вычерпать в
другую посуду, стараясь не взбаламутить осевшие на дно песок и
мелкие камешки.
Существует классификация глин – оценка их по совокупности
некоторых признаков: цвет, внешний вид после обжига, интервал
спекания, плавления, прочность изделия при ударе, стойкость при
резкой смене температур. Они определяют промышленное назначение
и название глин: кирпичные, трубочные, кафельные, горшечные,
фаянсовые, беложгущиеся и другие.
Химический состав наиболее часто использующихся в керамике
материалов.
наименование
каолин
SiO
CO
Al O
Fe O
CaO
0,3 – 0,55
0,5 – 0,54
Просяновский
0,45 – 0,6
7
обогащённый
нормальный
46,0 –
47,5
Просяновский
щелочной
47,7 –
50,7
0,4 – 0,7
36,7 –
39,3
0,5 – 0,6
0,5 – 0,55
Глуховецкий
обогащённый
46,1 –
47,9
0,3 – 1,0
31,5 –
39,3
0,3 – 0,95
0,13 – 0,5
Дубровский
64,1 –
81,8
0,01 – 0,9
11,2 –
27,9
0,1 – 2,4
Следы 1,2
70,0 –
74,3
0,19 –
0,26
16,0 –
19,2
0,15 – 0,5
0,3 – 0,15
71,7 –
80,2
0,1 – 0,28
12,1 –
18,7
0,16 –
0,96
0,05 – 0,5
Гусевский
фарфоровый
каменный
бесщелочной
нормальный
37,3 –
37,7
4. Свойства глин.
1) Способность глиняного теста принимать под влиянием внешнего
воздействия любую форму без разрывов и трещин, сохранять её после
прекращения воздействия и легко склеивать элементы изделия,
называется пластичностью. Очень пластичная глина обладает способностью
легко впитывать воду, но при её излишке глина теряет пластичность и
становится слишком мягкой и липкой.
2) С пластичностью тесно связана вязкость – связующая способность глины.
Так называется способность глины при смешивании её с песком и водой
образовывать вязкое пластичное тесто, способное при высыхании сохранять
приданную ему форму. Благодаря связующей способности глин существует
возможность составлять разнообразные массы с применением для этого
непластичного материала и тем самым регулировать их рабочие качества.
3) Пластичность и связующая способность зависят от дисперсности. Если
каждая частица будет больших размеров, то связь между ними будет слабее,
8
и наоборот. От этого зависит прочность сырых изделий до обжига. Чтобы
увеличить связующую способность материала, нужно добавить пластичной
глины.
4) Непосредственно с пластичностью тесно связана усушка глины. По мере
того, как изделие сохнет, из черепка выделяется водяной пар, частички
глинистого вещества уменьшаются и сближаются, и всё изделие
уменьшается в объёме. Это называется усушкой. Чем пластичнее глина, тем
больше она поглощает воды, и тем сильнее будет усушка. Тощие глины
поглощают меньше воды, и усушка у них меньше.
5) При обжиге при температуре выше 400ºС из глины начинает выделяться
химически связанная вода. А при более высоких температурах происходит
сплавление легкоплавких примесей. Этот процесс связан с уменьшением пор
и сближением частиц, а, следовательно, и с уменьшением в объёме. Он
называется огневой усадкой. Совместное уменьшение при сушке и обжиге
называется общей усадкой.
6) При повышенных температурах обжига начинается уплотнение глиняных
масс, то есть спекание. Спекание глины вызывается частичным сплавлением
её составных частей и зависит от химического состава и температуры
обжига. Чем больше в глине содержится глинозёма, тем выше температура её
спекания и плавления; чем больше в ней примесей (полевой шпат, слюды,
известь, соединения железа), тем ниже температура спекания и плавления
глины. С повышением температуры спекание усиливается по мере того, как
увеличивается количество составных частей глины, принимающих участие в
плавлении. Плотность изделий увеличивается, а пористость сокращается.
Разница между температурами начала спекания и плавления называется
интервалом спекания. Чем больше интервал спекания, тем меньше брака при
обжиге.
7) Обожжённую плитку взвешивают, помещают в кастрюлю, ставя на рёбра,
заливают водой до 1/3 плитки. Через час заливают водой полностью и
кипятят два часа. Потом ставят остывать до комнатной температуры,
обтирают тряпкой и взвешивают с точностью до 0,01 грамма. Разница в весе
до и после кипячения, выраженная в процентах, характеризует открытую
пористость черепка.
5. Общие сведения о керамических материалах
Керамическими называют материалы и изделия, изготовляемые
9
формованием и обжигом глин. «Керамос»- на древнегреческом языке
означало гончарную глину, а также изделия из обожженной глины.
Большая прочность, значительная долговечность, декоративность многих
видов керамики, а также распространенность в природе сырьевых
материалов обусловили широкое применение керамических материалов и
изделий в строительстве. В долговечности керамических материалов можно
убедиться на примере Московского Кремля, стены которого сложены почти
500 лет назад.
Среди сырьевых порошкообразных материалов - глина, которая имеет
преимущественное применение при производстве строительной керамики.
Она большей частью содержит примеси, влияющие на ее цвет и термические
свойства. Наименьшее количество примесей содержит глина с высоким
содержанием минерала каолинита и потому называемая каолином, имеющая
практически белый цвет. Кроме каолинитовых глин разных цветов и
оттенков применяют монтмориллонитовые, гидрослюдистые.
Кроме глины к применяемым порошкообразным материалам, являющимися
главными компонентами керамических изделий, относятся также некоторые
другие минеральные вещества природного происхождения - кварциты,
магнезиты, хромистые железняки. Для технической керамики (чаще
именуемой специальной) используют искусственно получаемые специальной
очисткой порошки в виде чистых оксидов, например оксиды алюминия,
магния, кальция, диоксиды циркония, тория и др. Они позволяют получать
изделия с высокими температурами плавления (до 2500-3000В°С и выше),
что имеет важное значение в реактивной технике, радиотехнической
керамике. Материалы высшей огнеупорности изготовляют на основе
карбидов, нитридов, боридов, силицидов, сульфидов и других соединений
металлов как без глинистых сырьевых веществ. Некоторые из них имеют
температуры плавления до 3500 - 4000В°С, особенно из группы карбидов.
Большой практический интерес имеют керметы, состоящие обычно из
металлической и керамической частей с соответствующими свойствами.
Получили признание огнеупоры переменного состава. У этих материалов
одна поверхность представлена чистым тугоплавким металлом, например,
вольфрамом, другая - огнеупорным керамическим материалом, например
оксидом бериллия. Между поверхностями в поперечном сечении состав
постепенно изменяется, что повышает стойкость материала к тепловому
удару.
Для строительной керамики, как отмечено выше, вполне пригодна глина,
которая является распространенным в природе, дешевым и хорошо
изученным сырьем. В сочетании с некоторыми добавочными материалами из
10
нее получают в керамической промышленности разнообразные изделия и в
широком ассортименте. Их классифицируют по ряду признаков. По
конструкционному назначению выделяют изделия стеновые, фасадные, для
пола, отделочные, для перекрытий, кровельные изделия, санитарнотехнические изделия, дорожные материалы и изделия, для подземных
коммуникаций, огнеупорные изделия, теплоизоляционные материалы и
изделия, химически стойкую керамику.
По структурному признаку все изделия разделяют на две группы: пористые и
плотные. Пористые керамические изделия впитывают более 5% по весу воды
(кирпич обыкновенный, черепица, дренажные трубы). В среднем
водопоглощение пористых изделий составляет 8 - 20% по весу или 15 - 35%
по объему. Плотными принимают изделия с водопоглощением меньше 5% по
массе, и они практически водонепроницаемые, например плитки для пола,
канализационные трубы, кислотоупорный кирпич и плитки, дорожный
кирпич, санитарный фарфор. Чаще всего оно составляет 2 - 4% по весу или 4
- 8% по объему. Абсолютно плотных керамических изделий не имеется, так
как испаряющаяся вода затворения, вводимая в глиняное тесто, всегда
оставляет некоторое количество микро- и макропор.
По назначению в строительстве различают следующие группы керамических
материалов и изделий:
 стеновые материалы (кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый и
легкий, камни керамические пустотелые);
 кровельные материалы и материалы для перекрытий (черепица,
керамические пустотелые изделия);
 облицовочные материалы для наружной и внутренней облицовки
(кирпич и камни лицевые, плиты керамические фасадные,
малогабаритные плитки);
 материалы для полов (плитки);
 материалы специального назначения (дорожные, санитарностроительные, химически стойкие, материалы для подземных
коммуникаций, в частности трубы, теплоизоляционные, огнеупорные и
др.);
 заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит).
Наибольшего развития достигли стеновые материалы, причем наряду с
общим увеличением объема производства особое внимание обращено на
увеличение выпуска эффективных изделий (пустотелый кирпич и камни,
керамические блоки и панели и т.д.). Предусмотрено также расширить
производство фасадной керамики, особенно для индустриальной отделки
зданий, глазурованных плиток для внутренней облицовки, плиток для полов,
11
канализационных и дренажных труб, санитарно-строительных изделий,
искусственных пористых заполнителей для бетонов.
По температуре плавления керамические изделия и исходные глины
разделяются на легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350В°С),
тугоплавкие (с температурой плавления 1350-1580В°С) и огнеупорные
(свыше 1580В°С). Выше отмечались также примеры изделий и сырья высшей
огнеупорности (с температурой плавления в интервале 2000-4000Х),
используемых для технических (специальных) целей.
Отличительная особенность всех керамических изделий и материалов
состоит в их сравнительно высокой прочности, но малой деформативности.
Хрупкость чаще всего относится к отрицательным свойствам строительной
керамики. Она обладает высокой химической стойкостью и долговечностью,
а форма и размеры изделий из керамики обычно соответствуют
установленным стандартам или техническим условиям.
На российском рынке в настоящее время представлены жидкие керамические
теплоизоляционные материалы, которые находят своего потребителя,
благодаря широкой области применения и простоте использования при
небольших затратах труда. Так как предлагаемые материалы в основном
производятся за рубежом, они имеют высокую стоимость, что ограничивает
возможность их массового использования в строительстве, энергетике и
ЖКХ и т.д. Тогда как отечественные аналоги зачастую оставляют желать
лучшего, и своим «качеством» вызывают негатив и предвзятость у конечного
пользователя к жидким керамическим теплоизоляционным материалам.
5.1. Типы керамики
Типы керамики, которые зависят от химического состава, различают на
оксидную, карбидную, нитридную, силицидную и другую керамику.
Оксидная керамика характеризуется высоким удельным электрическим
сопротивлением (1011-10 Ом,см), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа,
стойкостью в окислительных средах в широком интервале температур;
некоторые виды - высокотемпературной сверхпроводимостью. Среди
оксидной керамики наибольшее распространение получили:
1. Алюмосиликатная керамика. Подразделяется на кварцевую и динасовую
керамики. Из неё изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и
мартеновских печей, ракет, космических аппаратов и ядерных
реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные
имплантаты, детали радиоаппаратуры и многое другое.
2. Керамика на основе SiO2. к ней относят керамику состава SiO2-Al2O3MgO (кордиеритовая), ZrSiO4 (цирконовая), SiO2-Al2O3-Li2O
(сподуменовая), SiO2-Al2O3 BaO (цельзиановая керамика). Применяют в
12
производстве радиотехнических деталей, теплообменников, огнеупоров,
изоляторов азто- и авиасвечей и др.
3. Керамика на основе ТiO 2, титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, а также
керамика на основе ниобатов и танталатов Рb, Ва, К. Такая керамика
применяется в электронике и радиотехнике.
4. Керамика на основе MgO. Применяют для изготовления огнеупоров.
5. Шпинельная керамика на основе ферритов Ni, Co, Мn, Са, Mg, Zn.
Применяют такую керамику для изготовления магнитопроводов,
сердечников катушек и деталей в устройствах памяти и т.п.
6. Керамика на основе BeO, ZrO 2, HFO 2, Y 2 O 3. Используют ее при
изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких
металлов.
К нитридной керамике относят материалы на основе BN, A1N, Si3N4, (U, Pu)
N, а также керамику, получаемую спеканием соединений, содержащих Si, Al,
О, N, или соединений, содержащих Y, Zr, О и N. Нитридная керамика
характеризуется стабильностью диэлектрических свойств, высокой
механической прочностью, термостойкостью, химической стойкостью в
различных средах. Керамические нитридные материалы применяют для
изготовления инструментов в металлообрабатывающей промышленности,
тиглей для плавки некоторых полупроводниковых материалов, СВЧ
изоляторов и другая керамика из Si3N4 - конструкционный материал,
заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe.
Среди силицидной керамики наиболее распространена керамика из
дисилицида Мо. Она характеризуется малым электрическим сопротивлением
(170-200 мкОм,см), стойкостью в окислительных средах (до 1650°С),
расплавах металлов и солей. Применяют для изготовления
электронагревателей, работающих в окислительных средах.
Из чистых фторидов, сульфидов, фосфидов, арсенидов
некоторых металлов изготовляют оптическую керамику, применяемую в ИК
технике.
При изготовлении керамики из глины и непластичного материала, последний
измельчают в шаровых мельницах, а глины с добавлением воды размалывают
в строгачах или распускают в смесителях; полученные суспензии дозируют и
сливают в смесительные бассейны. В зависимости от способа формования
суспензию обезвоживают в фильтр-прессах или распылительных
устройствах. Из порошков с влажностью до 12% по массе изделия формуют
одним из видов прессования; при формовании масс с влажностью 15-25%
последовательно используют раскатку, выдавливание, допрессовку,
формование на гончарном круге и обточку. Из суспензий с влажностью 2545% (литейных шликеров) изделия формуют литьем в гипсовые, пористые
пластмассовые и металлические формы. При изготовлении технической
керамики литейный шликер приготовляют из непластичных порошков,
добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластичные вещества
13
(напр., парафин, воск), олеиновую кислоту и некоторые ПАВ; изделия
формуют всеми упомянутыми способами, в том числе вибропрессованием.
Отформованные изделия подвергают сушке (в случае применения
водорастворимой связки) или выжиганию органической связки.
Обжиг керамики. Сформованные изделия или предварительно
спрессованные порошкообразные смеси исходных веществ подвергают
обжигу - сложному процессу спекания, в результате которого создается
материал определенного фазового состава и с заданными свойствами. Обжиг
до получения прочного монолита (камневидного тела) проводят в
специальных камерных, кольцевых или туннельных печах непрерывного
действия. Температуры обжига колеблются от 900°С для строительной
керамики до 2000°С для огнеупорной керамики. Для получения плотной
керамики с мелкими кристаллами используют также горячее прессование в
твердых или эластичных формах (газостатич. прессование) и реакционное
спекание. Обычно изделия после обжига готовы к использованию; некоторые
виды керамики дополнительно подвергают механической обработке,
металлизации, декорированию. Изделия из фарфора, фаянса и других видов
тонкой керамики перед обжигом, как правило, покрывают глазурью,
образующей при 1000-1400°С стекловидный водо- и газонепроницаемый
слой. Тонкостенные изделия перед глазурованием во избежание размокания в
глазурной суспензии подвергают предварительному обжигу.
При изготовлении теплоизоляционной керамики с высокой пористостью
используют выгорающие добавки, на месте которых образуются поры, или
керамические волокна из алюмосиликатов, из которых по технологии
асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату,
ленты и т.п.
6. Применение керамических материалов
Керамические материалы обуславливается широким применением в
различных областях деятельности человека.
Керамика – это фундамент медицинской техники. Детали из керамических
материалов являются ключевыми компонентами усилителя рентгеновских
снимков и источников рентгеновского излучения. Усилителя рентгеновских
снимков - сердце компьютерных томографов. Он позволяет врачам с
уверенностью ставить правильный диагноз при минимальном облучении
пациентов.
Свойства, которыми обладает керамические элементы при изгибающей
нагрузке, делают их незаменимыми компонентами измерительных систем в
авиационной и космической технике. Внезапные изменения давления
являются основной испытательной нагрузкой для любого летательного
14
аппарата. Сенсорные мембраны, изготовленные из керамических материалов,
распознают критические значения, передают сигналы тревоги и являются
надежной защитой безопасности экипажа и пассажиров. Высокая
разрешающая способность зарегистрированного сигнала достигается за счет
прогиба сверхтонкой сенсорной мембраны.
Керамика используется в вакуумных камерах для ускорителей заряженных
частиц, и гарантируют четкую и качественную работу благодаря
стабильности геометрической формы в сочетании с высокими
электроизоляционными свойствами. Фокусирующие устройства в
электронных микроскопах изготовлены с точностью до нескольких микрон.
Только при такой точности, возможно проводить исследования различных
препаратов в области науки и техники под микроскопом, при высоком
разрешении и с высокой четкостью.
В установках для изготовления фотоэлементов и полупроводников
используются специальные процессы, происходящие исключительно в
условиях глубокого вакуума. Такие материалы, как стекло и фарфор со
своими свойствами, в этих экстремальных условиях оказываются за рамками
своих возможностей. Электрические проходные изоляторы и изоляционные
трубки из керамики помогают в осуществлении самых различных процессов.
Во время технологических обработок типографской пленки и бумаги
встречается техническая керамика. В первую очередь, это - направляющие
планки из керамических материалов, с помощью которых достигается очень
высокая скорость перемещения пленки и бумаги благодаря отшлифованной
поверхности, а также малым допускам по геометрическим размерам и по
позиционированию. При помощи деталей из керамики возможна также
переработка абразивных и даже чувствительных к механическим
повреждениям видов пленки. Большая скорость перемещения в сочетании с
высоким качеством делают незаменимым применение технической керамики
в цифровой печати.
При производстве стекла керамике. Его термостойкость составляет до
1950°C. Благодаря использованию керамики достигается высокая точность
измерения температуры при стекловарении и при производстве
стеклокерамики. Керамика - химически инертный материал, таким образом,
технологическая безопасность при переработке всех химических материалов
полностью обеспечена.
При исчезновении напряжения с сети или в автономных системах топливные
элементы из керамики обеспечивают электропитание. Изоляция отдельных
поверхностей топливного элемента друг от друга и обеспечение зазора
между ними осуществляется с помощью рамок из керамики.
15
При изготовлении электрических ламп термостойкость играет решающую
роль. Благодаря высокой коррозионностойкости, колодки и формирующие
ролики из керамических материалов гарантируют неизменно высокую
точность.
Сварочные штифты из керамики обеспечивают высокую точность взаимного
расположения свариваемых деталей автомобильных кузовов. Применение
вытяжных штампов из керамики делает излишней дорогостоящую доработку
деталей после процессов деформации металла.
Изделия из керамики, установленные в оборудовании для химической
промышленности, значительно снижают потери из-за протечки жидких
материалов. В то время как керамический защитный экран в магнитной
муфте отвечает за обеспечение высокой герметичности химического насоса,
антифрикционные свойства керамических поршней насосов высокого
давления гарантируют долгую работоспособность элементов,
обеспечивающих герметичность.
Инструменты из керамики при обработке твердых поверхностей обладают
неоспоримыми преимуществами. О долговечности этих высококачественных
инструментов особенно хорошо знают производители высокоточных
механических приборов и устройств, например, в часовой, оптической и
стекольной промышленности. Поликристаллический спеченный рубин
(агломерат-рубин) имеет твердость, близкую к твердости алмаза, и может
использоваться для различных видов обработки поверхности деталей.
Керамика отличается исключительным многообразием свойств по сравнению
с другими типами материалов. Среди видов керамики всегда можно найти
такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры, тогда как обратное
возможно далеко не во всех случаях. Использование керамики открывает
возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в
пределах одной и той же химической композиции.
7. Производство керамики
Основные этапы и технология производства керамики:
 Добыча сырья;
 Подготовка массы;
 Формирование сырца (изделий);
 Сушка;
16
 Обжиг;
 Прочая обработка;
 Упаковка продукции.
Добыча сырья. Если говорить о добыче сырья, то в основном все заводы по
производству находятся рядом с месторождением глины, а очень часто эти
карьеры и есть частью завода. Добыча же происходит открытым способом с
помощью эскалаторов.
Первым этапом обработки сырья является очистка (большие включения
удаляются вообще или же измельчаются), а также разрушается естественная
структура глины. После этого глина смешивается с добавками и увлажняется
до состояния такой массы, которая легко поддается лепке.
Способы обработки глиняной массы. Технология производства
керамических изделий включает в себя разные способы придания формы
массе. Выбор того или иного метода зависит от первичных свойств
поставляемого материала, а также от вида изготавливаемой продукции.
Рассмотрим каждый из них отдельно:
1. Полусухой способ – после дробления и просушки глину подают на
формирование с влажностью не более 8–12%. Формирование массы
происходит на механических или гидравлических прессах.
2. Пластический способ – сначала дробление, а потом в глиносмесителе,
смешивание с отощающими добавками до получения однородной массы с
влажностью 20–25%. При использовании этого метода изделия
формируются в основном на ленточных прессах.
3. Шликерный способ – глины смешивается с огромным количеством воды
(около 60%), конечно, предварительно измельчив. Все смешивается до тех
пор, пока не образуется однородная масса – так называемый шликер. Он
используется для изделий, которые изготовляются способом литья или же
непосредственно после просушки в специальных распылительных печах.
Особенности производственного процесса. В наше время процесс
технология производства керамических изделий максимально
автоматизирована. Именно, в связи с этим технология получения
специального пресс-порошка занимает очень важную позицию в общем
процессе. Суть этого процесса заключается в объединении процессов
дробления, сепарации и обезвоживания. Сама по себе сушильная камера –
это металлический цилиндр, снизу он заканчивается конусом. Основное его
предназначение – это сбор уже готового продукта. Именно объединение
выше названых процессов в распылительных сушилках дало возможность
поднять производительность в 3,5 раза и при этом сократить затраты на
производство.
В процессе сушки большую роль играют свойства массы, форма и размер
17
изделий. Процесс сушки является самым ответственным при изготовлении
керамики. Малейшие неточности порождают брак: трещины, деформацию,
отскакивание приставных частей изделия.
Физические основы процесса сушки состоят в том, что влага, находящаяся
на поверхности изделия испаряется, а из внутренних слоёв на поверхность
просачивается новая влага. Так продолжается до тех пор, пока в массе не
останется то количество влаги, которое зависит от влажности воздуха.
Скорость процесса сушки зависит от :
1. температуры воздуха
2. степени насыщения воздуха парами воды
3. от скорости циркуляции окружающего воздуха.
По мере испарения влаги части массы уплотняются, сближаются и дают
усадку изделия. При интенсивной сушке количество влаги на поверхности и
внутренней части черепка будет резко различаться, следовательно,
появляется разность напряжения внутреннего и внешнего слоёв, что
вызывает трещины. Чтобы ускорить передачу влаги из внутренних слоёв к
поверхности изделия, необходимо нагреть черепок до более высокой
температуры во влажной среде, когда испарение ещё не идёт. С повышением
температуры увеличивается подвижность воды по капиллярам черепка.
Как только изделие будет достаточно нагрето, влажность начинает
постепенно уменьшаться. Регулировку температуры и влажности производят
в искусственных сушках. Высушенное изделие не должно содержать более 4
% влажности.
Обжиг керамических изделий.
Главной задачей обжига является закрепление формы изделия и придание
ему всех свойств, определяющих его назначение.
Обжиг является важнейшей стадией в производстве керамики. Ценность и
качество изделия зависят от мастерства художника и от правильного выбора
режима обжига. В зависимости от назначения и характера керамического
материала обжиг можно провести в один или несколько приёмов.
Первый – утильный – обжиг служит для закрепления материала перед
глазурованием. Он обеспечивает выделение гидратной воды.
Второй обжиг – политой – служит для закрепления глазури, а у фарфора,
кроме того, для приобретения присущих ему свойств.
Если при изготовлении керамики использовалась роспись, то обжиг может
производиться три или более раз, в зависимости от того, какие применялись
методы росписи.
В случае, если изделие не будет заглазуровано, достаточно однократного
обжига.
Если роспись производится по «сырой», т.е. необожженной глазури, изделие
18
обжигается дважды.
Если же роспись делают после политого обжига краской на основе глазури,
обжиг производится в третий раз – когда рисунок полностью нанесён. Но
возможен и многократный обжиг, когда изделие помещают в печь после
нанесения каждого цветного слоя. Этот способ сложнее и дороже, но изделие
получается более красивым, поскольку рисунок выходит многоплановым,
имеет «глубину».
На многих заводах некоторые изделия подвергаются однократному политому
обжигу, это делается, если масса и размеры изделия позволяют за один раз
покрывать глазурью высушенные изделия, и они не трескаются.
Режим обжига подбирается практическим путём и малейшее отклонение
приводит к появлению брака.
Процесс обжига изделий (майолики и фаянса).
1.
2.
3.
4.
Прокурка до 200ºС.
Подъём температуры от 200º до 900ºС.
Подъём температуры от 900º до 1250ºС.
Выдержка при конечной температуре обжига (1250ºС)
Процесс охлаждения.
1. Интенсивное: от 1250º до 700ºС (200ºС в час)
2. Умеренное: от 700º до 625ºС (до 30ºС в час)
3. Медленное: от 625ºС (25ºС в час)
Брак от неправильного подъёма температуры и быстрого охлаждения.
Быстрый или неправильный подъём температуры в горне может стать
причиной зигзагообразных трещин по краям изделий. Поверхность излома
черепка и в том и в другом случае неровная.
Трещины, образующиеся от быстрого охлаждения изделий, характеризуются
прямой линией без щелей и сравнительно гладким изломом.
Определять и контролировать температуру в печи можно следующими
способами:
- с помощью пироскопов (конусов Зегера). Стандартные образцы состоят из
смеси глин с плавнями и изготовлены так, что каждый из них обладает
определённой температурой плавления. Конусы ставятся в подставку,
немного под наклоном, туда, где за ними можно наблюдать.
- с помощью термоэлектрических пирометров. Их работа основана на
появлении электрического тока при нагревании термопары. Пирометр
19
состоит из проволок двух разных металлов, подсоединённых к прибору,
определяющему силу тока.
- с помощью оптических пирометров. Эти приборы служат для измерения
интенсивности энергии длины волны, излучаемой нагревательным
элементом. Прибор представляет собой телескоп, в фокусе которого
находится небольшая электрическая лампочка. Нить лампы накаляется от
батареи.
Непрерывно действующие печи более совершенны, чем печи периодического
действия. Основными их преимуществами являются:
1.
2.
3.
4.
5.
непрерывный процесс обжига и охлаждения
высокая производительность
высокая экономия топлива и рабочей силы
относительная лёгкость регулировки и режима обжига
лучшие условия труда
Применение печей непрерывного действия оправдывает себя лишь при
массовом выпуске изделий более или менее однородного ассортимента.
8. Другие способы производства керамических изделий.
Один из самых древних способов изготовления изделий из глины –
это лепка. Для того чтобы изделие получилось качественным, прежде всего
нужно правильно подготовить глину: хорошо её очистить, выдержать (дать
отлежаться), придать её нужную жирность и влажность, перемять, довести
до нужной степени пластичности. Методом ручной лепки обычно
изготовляются штучные, высокохудожественные изделия или мелкие
предметы: украшения, сувениры. Другой способ, пришедший к нам из
древних времён – обмазывание. Когда-то наши предки покрывали изнутри
глиной каркасы, сплетённые из прутьев, чтобы после обжигания на костре
получить прочные, не пропускающие воду ёмкости. На них снаружи
оставались следы от прутьев, по этим следам учёные и определили, как
изготовлялись подобные предметы.
Однако, обмазать форму глиной можно не только снаружи, но и изнутри.
Такой метод сродни отливке изделий из шликера, но для него используют
глину той же степени влажности, что и для лепки. Форма же должна быть
сделана из материала, хорошо впитывающего влагу: из дерева, гипса и т.п.
Этот способ формовки применяется, когда нужно получить небольшое
количество изделий соответствующей формы. Глина в этом случае высыхает
быстрее, но сам по себе процесс более трудоёмок, чем шликерное литьё.
20
Существует и другой способ формовки керамики, связанный с
обмазыванием глиной. На территории нынешней Японии были найдены
сосуды с узором, нанесённым изнутри. Непонятно было, для чего наносить
орнамент там, где его никто не увидит. Оказалось, однако, что этот рисунок
был не орнаментом, а лишь оттиском жгута, который применялся при
изготовлении сосуда.
Этот способ иногда используют и современные керамисты: на штырь
нужной толщины наматывается верёвка по форме будущего изделия так,
чтобы начало её оказалось вверху, снаружи. Затем всё сооружение
обмазывается мягкой глиной. После её высыхания верёвка аккуратно
вытаскивается за оставленный конец. Таким образом можно получить
изделие любой формы, главное, чтобы размер внешнего диаметра штыря
нигде не превышал размера внутреннего диаметра горловины сосуда.
Способ, часто применяемый для изготовления панно, украшений или
накладок для различных керамических изделий – нарезка из пласта.
Пласт нужно раскатывать на ровной поверхности скалкой или при помощи
специального приспособления, похожего на ворот для отжимания белья. Из
готового пласта нарезают основы под панно или более сложные фигуры с
помощью специального резака или формы. После некоторого подсыхания к
пласту при помощи шликера крепятся мелкие детали.
Во избежание перекоса при сушке или обжиге, толщина пласта обязательно
должна быть равной на всём протяжении. Слишком толстый или тонкий
пласт также непригоден для работы – он перекосится или растрескается.
Если глина будет слишком сухой – она потрескается при раскатывании,
слишком влажная глина будет прилипать к поверхности.
Наиболее часто в гончарном деле применяется способ выкручивания
изделия на гончарном круге. При этом особенно важно точно отцентровать
основу изделия на круге и выдержать правильную толщину стенок.
Самый дешёвый и поэтому самый употребляемый в промышленном
производстве способ – штамповка. Этот процесс давно автоматизирован и
штампованные керамические изделия выпускаются поточным методом с
использованием конвейера.
9. Глазури и эмали.
Глазури представляют собой тонкий слой стекла, наносимый на
поверхность керамического изделия.
Требования, предъявляемые к глазурям.
1.
2.
3.
4.
5.
Определённая температура плавления ( не выше 1000ºС).
Прочность соединения с черепком, отсутствие отскакивания.
Яркость и сочность цвета.
Химическая устойчивость глазури, применяемой в бытовой керамике.
Термическая устойчивость.
21
Небольшое помутнение, потёки для декоративных изделий могут быть
полезными с художественной стороны.
Материалы, применяемые для производства глазурей и эмалей.
Для производства легкоплавких глазурей и эмалей ( температура плавления
до 1000ºС ) в майолике применяются следующие материалы:
1) Si O - основной стеклообразующий элемент. Используется в виде кварца
или кварцевого песка. Кварцевый песок должен содержать SiO не менее 97 %
и не более 0,2 % FeO . Температура плавления кварца - 1710ºС.
Для понижения температуры плавления применяются различные плавни.
2) Ортоклаз – полевой шпат вводится в состав легкоплавких эмалей для
повышения вязкости и улучшения кроющей способности эмалевых и
глазурных суспензий.
3) Каолин и глины увеличивают вязкость эмалей, сплавов, задерживают
оседание частиц глазурей и эмалей. Каолин повышает температуру
плавления.
4) Окись свинца. Она сообщает эмалям и глазурям блеск. При политом
обжиге окись свинца препятствует улетучиванию легкоплавких соединений
глазури
5) Окись цинка (ZnО). Придаёт твёрдость легкоплавким глазурям и
эмалям, повышает прочность на сжатие и растяжение. При введении её в
глазурь в большом количестве уменьшается прозрачность. Окись цинка
придаёт ей матовость и меняет тон некоторых красителей.
6) Щёлочи используются для понижения плавкости эмалей и глазурей. В
майолике применяются сода, натриевая селитра, поваренная соль и т.д.
7) Мел (СаСО2), известь (Са(ОН)2) вводятся для получения устойчивой и
твёрдой глазури. Кальций способствует усилению окраски, но понижает тон
красно-коричневых железистых глазурей и эмалей, сообщая им зеленоватожёлтый оттенок.
8) Углекислый барий (ВаСО2) используется чаще в щелочных бессвинцовых
глазурях, он придаёт им устойчивость и твёрдость.
9) Соединения бора. Борная кислота придаёт глазурям и эмалям блеск и
легкоплавкость, может понижать температуру плавления. Существуют
материалы, сообщающие прозрачным сплавам непрозрачный заглушённый
цвет. Их называют глушителями. В качестве глушителей применяют окись
олова, двуокись титана, триокись сурьмы, окись циркония, двуокись цезия.
Красители для глазурей и эмалей производят главным образом, из
соединений окислов цветных металлов (хрома Hr, меди Cu, марганца Mn ,
серебра Ag и т.д.). В зависимости от состава бесцветной глазури или белой
эмали при добавке окисла того же количества окрашенный цвет может иметь
различные оттенки.
Нанесение эмалей и глазурей на изделия.
Глазурь должна равномерно, плотно покрывать изделие, не оставляя
«плешей», недоливов или просветов. Качество зависит от умения мастера и
22
качества глазури, её плотности и малой осаждаемости взвешенных частиц в
момент глазурования. Для получения равномерного слоя покрытия, глазурь
должна быть во взвешенном состоянии, не оседать на дно и не
цементироваться в плотную массу. Для предупреждения оседания в глазури
вводится каолин, глина, электролит и глазурь периодически перемешивается
сжатым воздухом или деревянным веслом.
Существуют различные способы покрытия изделий глазурью:
1.
2.
3.
4.
поливной способ
с помощью кисти
аэрографом
погружением
Классификация глазурей.
Для глазурования керамических изделий применяются глазури различных
типов. Они отличаются:
1) По составу.
2) По способам приготовления.
3) По температуре плавления.
4) По внешнему виду.
5) По способу применения.
Глазури бывают например:
1. Полевошпатовые (тугоплавкие, прозрачные, бедные оксидами).
2. Земляные (легкоплавкие).
3. Свинцовые, борные и борносвинцовые (легкоплавкие, более или менее
богатые окислами свинца и бора).
4. Смешанные (легкоплавкие, содержащие мало свинца).
5. Соляные (продукт взаимодействия поваренной соли с керамическим
черепком в присутствии водных паров.
6. Тугоплавкие (температура обжига выше 1230ºС).
7. Легкоплавкие (температура плавления ниже 1230ºС).
10. Ангобы.
Ангобы – это готовые смеси белой глины и пигмента, применяющиеся для
окрашивания керамических изделий.
Для окраски ангобов к порошку беложгущейся глины добавляют соли
различных металлов. Оксид хрома или хромпика даёт зелёный (травяной)
23
цвет, оксид кобальта или хлористый кобальт – синий, оксид железа –
красный или коричневый, оксид меди или медный купорос – бирюзовый.
Для окраски ангобов можно использовать гуашь, красящим веществом
которой являются оксиды металлов: кобальт синий, кобальт зелёный, окись
хрома. Для жёлтого цвета используют оксид железа в виде окалины; оксид
марганца даёт пурпурный цвет.
Для получения зелёного цвета к 100 г. белой глины нужно добавить 6 г.
оксида хрома или 8 г. хромпика; для синего цвета – 4 г. оксида кобальта или
12 г. хлористого кобальта; для коричневого – от 12 до 18 г. оксида железа, в
зависимости от желаемого оттенка; для бирюзового – 8 г. оксида меди или 16
г. медного купороса.
Температура обжига – от 500º до 900ºС. Она обратно пропорциональна
времени обжига.
Для изделий, которые не будут подвергаться вторичному обжигу, в качестве
красителей можно использовать темперные или акриловые краски, гуашь,
смешанную с клеем ПВА или какие-либо другие красители.
24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Грандиозные перспективы открыты перед сверхпроводящей керамикой и
совсем недавно созданной керамикой с гигантским магнитным
сопротивлением, перед новым поколением конструкционной керамики,
получившей название синэргетической из-за нелинейного эффекта
взаимодействия матрицы и наполнителя, давшего возможность производить
керамические композиты с рекордно высокой ударной вязкостью. Но не
хлебом единым жив человек, и роль керамики сейчас, как и на заре
человеческой цивилизации, не исчерпывается только прагматическими
целями.
25
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. А. Поверин. Гончарное дело. Чернолощёная керамика. М., Культура и
традиции. 2002.
2. Е. Данкевич, О. Жакова. Знакомьтесь, глина. С.-П. Кристалл. 1998.
3. Г. Федотов. Послушная глина. М. АСТ-пресс. 1997.
4. М. Ширшина. Химия для гуманитариев. Волгоград. Учитель. 2004.
5. Х. Чаварра. Ручная лепка. М. АСТрель. 2003.
6. Г. Бурлаков. Основы технологии керамики и искусственных пористых
заполнителей. М. Высшая школа. 1972.
7. Г. Иманов, В. Носов, Г. Смирнов. Производство художественной
керамики. М. Высшая школа. 1985.
26