Классификация и состав керамических материалов

Керамические материалы – изделия, изготовляемые из смеси порошкообразных веществ – глинистых веществ и минеральных добавок различными способами и подвергаемые в технологический период обязательной термической обработке при высоких температурах (обжиг) для упрочнения и получения камневидного состояния.

Различия в составах масс и свойствах определили разнообразные области их применения.

По назначении керамические изделия делят на:

• бытовые (посуда и художественно-декоративные изделия);
• архитектурно-строительные (кирпич, черепица, облицовочные материалы);
• технические (огнеупоры, кислотоупоры, радиофарфор и др.).

Керамику классифицируют по характеру строения, степени спекания (плотности) черепка, типам, видам и разновидностям, наличию глазури.

По характеру строения керамику подразделяют на:

1. Грубую.
2. Тонкую.

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

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

По степени спекания (плотности) черепка различают керамические изделия:

• плотные, спекшиеся с водопоглощением менее 5% – фарфор, тонкокаменные изделия, полуфарфор, плитки для пола, канализационные трубы, кислотоупорные кирпич и плитки, дорожный кирпич, санитарный фарфор;
• пористые с водопоглощением более 5% – фаянс, майолика, гончарные изделия, кирпич обыкновенный, черепица, дренажные трубы.

По температуре плавления керамические изделия и исходные глины делят на:

• легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350оС);
• тугоплавкие (с температурой плавления 1350-1580оС);
• огнеупорные (с температурой плавления выше 1580оС).

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

• фарфор;
• тонкокаменные изделия;
• полуфарфор;
• фаянс;
• майолика;
• гончарная керамика.

Тип керамики определяется характером используемых материалов, их обработкой, особенно тонкостью помола, составом масс и глазурей, температурой и длительностью обжига.

В состав масс всех типов керамики входят:

1. Пластичные глинистые вещества (глина и каолин).
2. Отощающие материалы (кварц, кварцевый песок, кремень, шамот, золы ТЭС).
3. Выгорающие добавки (древесные опилки, торф, антрацит, каменный и бурый уголь, топливные шлаки и др.) создают пористость после их выгорания при обжиге изделий.
4. Плавни или флюсы (полевой шпат, пегматит, мел, доломит, перлит, костяная зола, руды с содержанием оксидов железа и др.) в процессе обжига взаимодействуют с глинистым веществом с образованием более легкоплавких соединений, чем чистое глинистое вещество.

При нагревании глинистой массы (или сырца), подготовленной определённым образом к термической обработке, до температур 110-250оС происходит испарение из различных глинообразующих минералов и пор изделия свободной и адсорбированной воды. В диапазоне температур 250-900оС происходит дегидратация – эндотермический процесс, сопровождающийся небольшой усадкой обжигаемого сырья.

При дальнейшем нагревании дегидратированные соединения распадаются на первичные оксиды (глинозем, кремнезем и др.), в интервале температур 900-1250оС возникают в состоянии твёрдых фаз новые алюмосиликаты – неустойчивый силлиманит Al₂O₃·SiO₂, кристаллический муллит 3Al₂O₃·2SiO₂. С повышением температуры содержание муллита возрастает, что сопровождается экзотермическим эффектом и усадкой с уплотнением расплава. Чем больше образуется новых соединений природного муллита, тем выше стойкость изделия к высоким температурам.

Типичная технология производства строительной керамики предусматривает обжиг изделий в печах до температуры спекания, при которой расплав заполняет поры и капилляры сырца, смачивая поверхность твёрдых частиц керамической смеси.

Достоинства керамических материалов – сравнительно высокая прочность, малая деформативность, высокая химическая стойкость, долговечность; керамика обладает комплексом высоких качественных показателей.

Недостатки – хрупкость (более свойственна строительной керамике); прочность керамики уступает прочности идеальных кристаллов.

Для получения технической (специальной) керамики используют порошки в виде чистых оксидов – оксиды алюминия, магния, кальция, диоксиды циркония, тория и др. Они позволяют получать изделия с высокими температурами плавления (до 2500-3000оС и выше), которые можно применять в реактивной технике, радиотехнической керамике.

При обжиге отформованных изделий в результате сложных физико-химических превращений и взаимодействий компонентов масс и глазурей формируется их структура. Структура черепка неоднородная состоит из кристаллической, стекловидной и газовой фаз.

Кристаллическая фаза образуется при разложении и преобразовании глинистых веществ и других компонентов массы. Она включает кристаллы муллита – 3Аl₂Оз • 2SiO₂ остатки измененного глинистого вещества, оплавленные зерна кварца. Кристаллическая фаза и особенно муллит придают черепку прочность, термическую и химическую устойчивость.

Стекловидная фаза возникает за счет расплавления плавней и частично других компонентов. Она соединяет частицы массы, заполняет поры, повышая плотность черепка; в количестве до 45-50% увеличивает прочность изделий, при большом содержании – вызывает хрупкость изделий, снижает их термостойкость. Стекловидная фаза способствует уменьшению: водопоглощения, обусловливает просвечиваемость черепка.

Газовая фаза (открытые и замкнутые поры) оказывает неблагоприятное влияние на физико-химические свойства изделий: снижает прочность, термическую и химическую устойчивость, вызывает водопоглощение и водопроницаемость черепка.

Различие между отдельными типами керамики обусловлено спецификой их внутренней структуры, т.е. составом и соотношением отдельных фаз, составом и структурой глазури.