Общие сведения, классификация керамических материалов

В керамической технологии используют главным образом каолины и глины, а также чистые оксиды. Под каолинами и глинами понимают природные водные алю­мосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камневидное состояние.

Керамические изделия изготовляют способами пластического формо­вания и полусухого прессования с последующей сушкой и спеканием.

При нагреве глины во время спекания в ней начинают последовательно происходить химические и физико-химические процессы, приводящие к полному и необратимому изменению ее структуры:

1) удаление химически связанной воды (500–600 °С);

2) разложение обезвоженной глины на оксиды (800–900 °С);

3) образование новых водостойких и тугоплавких минералов (1000–1200 °С);

4) образование некоторого количества расплава из легкоплавких компо­нентов глины (900–1200 °С);

5) образование прочного камневидного материала за счет связывания
твердых частиц образовавшимся расплавом.

Состав керамики образован многокомпонентной системой, вклю­чающей:

кристаллическую фазу (более 50%) – химические соединения и (или) твердые растворы. Кристаллическая фаза является основой керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других основных свойств;

• стекловидную (или аморфную) фазу (1–40%) – прослойки стекла, химический состав которого отличается от химического состава крис­таллической фазы. Стекловидная фаза ухудшает механическую прочность и теп­ловые показатели, однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий;

• газовую фазу – газы, находящиеся в порах. По структуре порового пространства различают керамику с откры­тыми, т.е. сообщающимися с внешней средой, и закрытыми порами. Наличие даже закрытых пор ведет к снижению механической и электри­ческой прочности, росту электрических потерь.

Керамика – изотропный материал, так как представляет собой поли­кристаллическое вещество с мелкими беспорядочно расположенными кристаллами. Керамику с анизотропией свойств получают на основе монокристаллов. Сегнето- и пьезокерамику получают при сохранении остаточной поляризации.

Свойства керамики определяются ее составом, структурой и порис­тостью. К основным свойствам керамических материалов относятся:

• плотность 1800–3900 кг/м³ и более;

• водопоглощение – для пористой керамики 6–20% по массе (12–40% по объему), а для плотной – 1–5% по массе (2–10% по объему);

• теплопроводность в зависимости от пористости и химического соста­ва 0,8–1,16 Вт/(м·К). Сравнительно высокая теплопроводность у керамики на основе А1₂О₃ и, особенно на основе ВеО;

• σ_раст=30–300 МПа, σ_сж=3000 МПа и более;

• твердость, близкая к твердости алмаза;

• высокая хрупкость;

• высокое электрическое сопротивление, отличные диэлектрические свойства;

• водо-, химическая, коррозионная и жаростойкость.

Недостатком керамики является высокая усадка при спекании – 20–25% и выше, что создает трудности с обеспечением точных разме­ров изделия. Обработка готовых изделий затруднена, так как спеченная керамика обладает высокой твердостью, режется с трудом и только аб­разивами.

Способами воздействия на свойства керамических изделий являются химико-термическая обработка и использование покрытий, в том числе глазури.

Глазурь – защитно-декоративное стекловидное покрытие на керамике, закрепленное обжигом.

Прочность керамики с таким покрытием повышается на 15–20%, что связано со сжимающими напряжениями в поверхностном слое, которые воз­никают из-за разницы температурных коэффициентов линейного расшире­ния керамики и глазури. Однако глазурь увеличивает электрические поте­ри, поэтому ее не применяют в высокочастотной электрической керамике.

Изделия из керамики соединяют друг с другом теми же материалами, что и ситаллы: стеклокристаллическим цементом с последующей термиче­ской обработкой, клеями и замазками на основе эпоксидной смолы и жидкого стекла, а также металлизацией с последующей пайкой.

Керамику классифицируют по вещественному составу, составу крис­таллической фазы, структуре и назначению.

По вещественному составу разновидностями керамики являются фаянс, полуфарфор, фарфор, терракота, керметы, корундовая и сверх­твердая керамика и так называемая каменная масса.

Фаянс, полуфарфор и фарфор получают на основе жгущихся белых глин, каолинов, кварца и полевого шпата, взятых в различных соотношениях. Они обладают различной пористостью, что определяет механические свой­ства и водопоглощение. Водопоглощение фаянса 10–12%, предел прочности при сжатии обычно до 100 МПа. Полуфарфор по сравнению с фаянсом имеет более спекшийся черепок (водопоглощение 3–5%), и его прочность выше (σ_сж=150–200 МПа). Фарфор отличается еще большей плотностью (водопоглощение 0,2–0,5%) и прочностью (σ_сж до 500 МПа), что позво­ляет изготовлять из него тонкостенные изделия.

Терракота – керамические изделия (облицовочные плиты, архитектурные детали, посуда и т.д.) с пористым черепком, обычно красного, коричневого или кремового цветов.

Керметы (керамико-металлические материалы) – искусственные мате­риалы, получаемые спеканием металлических и керамических порошков, сочетающие свойства металлов и керамических веществ. Изделия из кермета – детали турбин и авиационных двигателей, режущий инструмент и др.

Корундовая керамика (минералокерамика) – это керамика на основе спе­ченного оксида алюминия, содержащего не более 2% примесей.

Сверхтвердая керамика – композиционный материал, получаемый на основе нитрида бора.

По составу кристаллической фазы различают керамику из чистых оксидов (А1₂O₃, ZrO₂, МgO, ВеО, СаО и др.) и бескислородную (SiC, ТiВ₂, ZrВ₂, ВN, Si₃N₄, МоSi₂).

По структуре (характеру строения черепка) керамика делится на плот­ную (ρ=1–2%) и пористую (ρ=15–20%). Пористые керамики поглоща­ют более 5% воды (по массе), а плотные 1–4% по массе или 2–8% по объему. Пористую структуру имеют кирпич, блоки, черепица, дренажные трубы и др.; плотную – плитки для полов, канализационные трубы, санитарно-технические изделия.

К числу новых по структуре керамических материалов следует отнести волокнистые керамические материалы, получаемые спеканием, напри­мер, аморфного кварцевого волокна. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую и волокнистую – как тер­моизоляционный материал и материал для высокотемпературных жид­костных и газовых фильтров.

По назначению керамику делят на конструкционную, инструмен­тальную, техническую и бытовую.

Конструкционная керамика производится как строительная и ма­шиностроительная.

В строительстве конструкционную керамику используют как долго­вечный материал, стойкий против износа, нагрева и агрессивных сред. По назначению строительные керамические материалы и изделия делят следующие виды:

1. Кирпич обыкновен­ный, кирпич и камни пустотелые и пори­стые, крупные блоки и стеновые панели из кирпича и камней.

Основные свойства керамических кирпичей:

. плотность сплошного кирпича – 1600–1900 кг/м³;

• теплопроводность сплошного кирпича – 0,7–0,82 Вт/(м·°С);

• по плотности и теплотехническим свойствам керамические
кирпичи делят на три группы:

эффективные – с высокими теплотехническими свойствами плотностью не более 1400–1450 кг/м³; условно-эффективные – плотностью 1450–1600 кг/м³; обыкновенный кирпич–плотностью свыше 1600 кг/м³;

• водопоглощение кирпича марки выше 150 должно быть не менее 6%, а других марок – не менее 8% (это требует определенной пористости кирпича, иначе он станет слишком теплопроводным и будет плохо сцепляться со строительным раствором);

предел прочности на сжатие определяет марку – 250, 300 и т.д.;

• морозостойкость кирпича должна быть не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания (предусмотрены и более высокие марки по морозостойкости – Р 25, 35 и 50). Кирпич не должен иметь механических повреждений и сквозных трещин. На одном кирпиче допускается не свыше двух отбитостей ребер и углов размером по длине ребра не более 15 мм. На отдельных кирпичах может быть допущена одна сквозная трещина протяженностью не более 30 мм по ширине кирпича.

Керамический кирпич применяют преимущественно для кладки стен зданий, изготовления сборных стеновых панелей, кладки печей и дымовых труб.

2. Пустотелые камни, балки и панели из пустотелых камней.

Пустотелые элементы перекрытийвключают:

• камни для армокерамических балок плотностью не более 1300 кг/м³;

• камни для часторебристых перекрытий плотностью не более 1000 кг/м³;

• камни для накатов плотностью до 1000 кг/м³.

3. Кирпич и камни ке­рамические лицевые, ковровая керамика, плитки керамические фасадные.

Фасадные керамические изделия применяют для облицовки фасадных поверхностей стеновых панелей, блоков, цоколей зданий, лоджий, для отделки архитектурных элементов фасада зданий – поясов, карнизов – и создания декоративных панно. Для отделки сборных конструкций на заводах используют коврово-мозаичные плитки размерами 48x48 и 22x22 мм толщиной 2–4 мм, плитки типа «кабанчик» размером 120x65x7 мм, типа брекчии – ковры, набранные из плиточного боя. Для облицовки готовых кирпичных и бетонных стен приме­няют глазурованные и неглазурованные крупноразмерные (250x140x10 мм) и цокольные (150x75x7 мм) плиты. Эти плиты должны иметь спекшийся черепок и водопоглощение не бо­лее 5%.

Лицевые кирпичи и керамические камни применяют для кладки и одновременной облицовки наружных и внутренних стен зданий, возводимых из штучных изделий (кирпича, кам­ня). Подобрав состав керамической массы и, регулируя режим отжига, можно получить кирпич белого, кремового, коричне­вого цветов. Выпускают лицевые кирпичи и керамические камни с гладкой, а также рельефной или офактуренной лицевой по­верхностью. На лицевой грани не допускаются трещины и от­колы.

Керамические облицовки относятся к числу наиболее эконо­мичных наружных облицовок.

4. Плиты и плиткидля стен и полов.

Керамические плитки для внутренней облицовки внутренней облицовки стен изготавливаются с пористой структурой, лицевая поверхность их покрывается глазурью, которая придает плиткам водонепро­ницаемость и стойкость против воздействия слабых растворов кислот и щелочей.

Для внутренней облицовки стен выпускают разнообразные по форме плитки:

квадратные (150x150 мм),

прямоугольные с прямыми кромками (150x100 и 150x75 мм).

Плитки изготав­ливаются плоскими, рельефными, орнаментированными, с цветными рисунками.

Керамические плитки для полов изготавливают из тугоплав­ких и огнеупорных каолиновых глин с различными добавками и, если требуется, окрашивающих примесей. Полы из керами­ческих плиток практически водонепроницаемы, характеризу­ются малой истираемостью, не дают пыли, легко моются, стойки к действию кислот и щелочей. Недостатком плиток яв­ляется большая теплопроводность (полы холодные), не позво­ляющая применять их в жилых помещениях. Плитки изготавливают квадратные, прямоугольные, шести­гранные, восьмигранные, треугольные; длина граней 50–150 мм и толщина 10–13 мм.

Керамические санитарно-технические изделия изготовляют из фаянса, полуфарфора и фарфора.

Из фаянса преимущественно методом литья производят уни­тазы, умывальники, смывные бачки, ванны и др. Полуфарфор и фарфор применяются для производства более тонкостенных изделий.

Поверхность санитарно-технических изделий обязательно по­крывается глазурью, что придает им водонепроницаемость. Изделия санитарно-технической керамики белые, иногда светло-желтые, должны иметь правильную форму, ровную, гладкую и чистую поверхность без искривлений, равномерно покрытую глазурью; они должны быть хорошо обожжены.

5. Керамическая черепица. Керамическая черепица должна выдерживать не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания в на­сыщенном водой состоянии.

6. Дренажные и канали­зационные трубы.

Дренажные трубы производят из кирпичных высокопластич­ных глин.

Для этих труб водопоглощение черепка допускается не более 15%, морозостойкость – не ниже 15 циклов. Промышлен­ность выпускает гладкие неглазурованные трубы без раструбов или глазурованные с раструбом и перфорацией на стенках. При­меняют трубы при мелиоративных работах, а также при осуше­нии.

Канализационные трубы изготовляют из пластичных огнеупор­ных или тугоплавких глин. Они должны выдерживать гидро­статическое давление не менее 0,2 МПа. Водопоглощение черепка труб: не более 9% для I сорта и 11% для II сорта. По­верхность труб снаружи и внутри покрывают кислотостойкой глазурью. Длина канализационных труб 800–1200 мм, внутрен­ний диаметр 150–600 мм. Эти трубы на одном конце имеют раструб. Канализационные трубы применяют для отвода сточ­ных и щелочных вод.

7. Теплоизоляционные, огнеупорные, кислото­упорные и другие из­делия.

Для высокотемпературной теплоизоляции различных промыш­ленных печей и тепловых агрегатов используют волокнистые керамические материалы – алюмосиликатные волокна, обла­дающие высокой прочностью, термической стойкостью и ма­лой теплопроводностью.

Волокнистые керамические материалы способны по сравне­нию с кремнеземными (близкими по свойствам) материалами длительно выдерживать температуры 1650–1700 °С, не боятся примесей и обладают в 2–2,5 раза более высокой прочностью. Основными недостатками, сдерживающими применение во­локнистых материалов, являются низкие прочность и коррози­онная стойкость и заметное пылевыделение, что требует использования специальных объемных и поверхностных покрытий (высокотемпературные коррозионно-стойкие терморегулирующие покрытия).

Керамические огнеупорные изделия получают отливкой из расплава или обжигом минеральной смеси. Большинство ке­рамических огнеупорных изделий (огнеупоров) – это керамика на основе SiO₂, А1₂0₃, МgO, ZrO, а так же на основе SiO, Si₃N₄ и других бескислородных соединений. Воз­можные температуры эксплуатации оксидов, карбидов, боридов и нитридов 1600–2500 °С, жаропрочных сталей и сплавов – 800–120 °С, молибдена – 1500 °С, вольфрама – 1800 °С. Наи­большее распространение в строительстве и промышленности строительных материалов получили кремнеземистые и алюмосиликатные огнеупорные изделия.

Керамические огнеупорные изделия классифицируют по огне­упорности, пористости, химикоминеральному составу и способу изготовления.

По огнеупорности керамические огнеупорные изделия могут быть огнеупорными (1580–1770 °С), высокоогнеупорными (1700–2000 °С) и высшей огнеупорности (более 2000 °С). В зависимости от пористости керамические огнеупорные изде­лия подразделяются на особо плотные огнеупоры–пористость менее 3%, высокоплотные огнеупоры–пористость 3–10%, плот­ные огнеупоры–пористость 0–20%, обычные огнеупоры–по­ристость 20–30%, легковесные огнеупоры (теплоизоляционные) – пористость 45–85%.

Керамические огнеупорные изделия применяют для строи­тельства промышленных печей, топок и аппаратов, работаю­щих при высокой температуре.

К химически стойкой керамике относится глиношамотная ке­рамика с грубозернистой структурой, а также фарфор. Керамические кислотоупорные изделия должны обладать кислотостойкостью, которая характеризует их нерастворимость в кислотах (за исключением плавиковой кислоты) и щелочах. Такие изделия изготавливают из глин, не содержащих приме­сей, понижающих химическую стойкость (карбонаты, гипс, серный колчедан и т.п.).

К керамическим кислотоупорным изделиям относят:

• кислотоупорный кирпич марок 150–250 кислотостойкостью не менее 92–96%, водопоглощением не более 8–12%, термостойкостью не менее двух теплосмен;

• плитки кислотоупорные и термокислотоупорные марки 300 кислотостойкостью 96–98%, водопоглощением не более 6–9%, термостойкостью не менее 2–8 теплосмен;

• трубы и фасонные части к ним марок 300–400 кислотостой­костью не ниже 97–98%, водопоглощением не более 3–5%. Кислотоупорный кирпич и плитки служат для футеровки башен и резервуаров на химических предприятиях, а также печей для обжига серного колчедана, для устройства полов в цехах с агрессивными средами и т.п. Керамические кислотоупорные трубы применяют для перекачки неорганических и органических кислот и газов при разрежении или давлении до 0,3 МПа.

8. Дорожный (клин­керный) кирпич. Дорожный кирпич вырабатывают из тугоплавких глин, обжигая их до спекания. Дорожный кирпич имеет марки 400, 600 и 1000. Его водопогло-щение должно быть 2–6%, морозостойкость–50– 100 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Дорожный кирпич можно применять для мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки ка­нализационных коллекторов.

9. Керамзит. Заполнители для легких бетонов

Искусственный пористый заполнитель типа гравия для легких бетонов. Размер зерен 5–40 мм. Получают обжигом легко­плавких вспучивающихся глин.

Из машиностроительной керамики изготовляют поршни и головки блоков цилиндров (Si₃N₄), свечи зажигания (А1₂О₃), лопасти газовых турбин (Мо81₂), вакуумстойкий смазочный материал (МоS₂) и др.

Как инструментальный материал используется корундовая и сверх­твердая керамика.

Корунд известен в технике природными и синтетическими разновид­ностями. Природные разновидности корунда – рубин, сапфир, топаз, аква­марин, синтетические – корундовая керамика, среди изделий которой – микролит и электрокорунд. Наиболее распространенное корундовое изделие–микролит (марка ЦМ-332) – получают спеканием при 1710–1750 °С смеси тонкомолотого технического глинозема и оксида магния. Микролит по свойствам превос­ходит другие инструментальные материалы: плотность – до 3960 кг/м³; σ_сж=5000 МПа, твердость – 92–93 НRА. Он обладает значительно боль­шей красностойкостью (до 1200 °С), твердостью и режущей способностью, чем быстрорежущие стали и твердые сплавы.

Резцы с пластинками из микролита используют для обработки сталей, чугунов, цветных металлов, неметаллов (графита, дерева, пластмасс и др.). Из микролита изготавливают также фильеры, сопла песко- и дробеструй­ных аппаратов, волоки и другие детали, работающие на истирание при наиболее высоких температурах. Недостатки микролита – высокая хруп­кость и затрудненность крепления пластинок к державкам.

Электрокорунд (корракс) – корундовая керамика из спеченного оксида алюминия с добавками Сr³⁺, Fе³⁺, получаемая плавкой в электрических пе­чах глиноземсодержащего сырья, имеющего не более 2% примесей.

Электрокорунд по твердости уступает лишь алмазу и имеет температуры плавления 1750–2050 °С. Электрокорунд широко используют в светотехнике (вместо нитей накаливания), в приборостроении (часовые камни и др.), в лазерах как излучающий элемент, в теплотехнике как огнеупорный матери­ал и для изготовления литейных форм и стержней.

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 синтетическими поликристаллическими материалами.

Нитрид бора (боразан), имеющий алмазоподобное строение, является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000°С (алмаз начинает окис­ляться при 800°С).

К группе сверхтвердых керамических материалов относятся композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (белбор), композит 10 (гексанит-Р), а также поликри­сталлический нитрид бора.

Сверхтвердые керамические материалы используются для изготовления режущих пластин к инструментам для чистовой обработки труднообрабаты­ваемых материалов и закаленной стали (более 55 НRС).

К технической керамике относятся электро- и радиотехническая кера­мика, керметы, абразивные керамические материалы, пенокерамика и др.

По электрическим свойствам керамику подразделяют на собственно электротехническую, применяемую при частотах до 20 тыс. Гц, и радиотех­ническую, используемую преимущественно при высоких (более 20 тыс. Гц) частотах. Электротехническая керамика по области применения делится на изоляторную (установочную), конденсаторную (сегнетоэлектрики) и пьезо-керамику.

Изоляторная керамика должна иметь низкие потери, хорошие электро­изоляционные свойства и прочность. Ведущую роль играет электрофарфор, в котором основные виды кристаллов представляют муллит 3А1₂O₃·SiO₂и SiO₂. Изоляторная керамика применяется для изготовления изоляторов, ко­лодок, плат, каркасов катушек и др.

Конденсаторная керамика должна иметь большую диэлектрическую проницаемость, малые потери и температурный коэффициент. Основу кон­денсаторной низкочастотной сегнетокерамики составляют твердые раство­ры титанатов бария (ВаТiO₃ с добавками Zr–СМ1), кальция (СаТiO₃) и стронция (SrТiO₃–Т-7500), а также станнат стронция (SrSnO₃ – ВК-1) для варикондов. Высокочастотная конденсаторная керамика изготовляется на основе рутила ТiO₂ (тиконд Т-80), титанатов кальция (СаТiO₃ – тиконд Т-150), циркония (ZrТiO₃ – термоконд Т-20) и станнатов (станнатная кера­мика) кальция СаSnO₃ и магния, МgSnO₃ и др. Использование конденсатор­ной керамики увеличивает надежность работы и теплостойкость конденса­торов и уменьшает их размеры.

Пьезокерамика – керамические материалы с пьезоэлектрическими свойствами. Структура пьезокерамики – твердые растворы на основе тита­нита бария (ТБС и ТБКС), ниобата бария (НБС) и ниобата и титаната свинца (НТС). Для НТС продольный пьезомодуль d33 до 7·10^-10 К/Н, ε=400–1700, максимальная температура эксплуатации 250 °С.

Пьезокерамику применяют для устройств генерации и приема ультра­звука; датчиков давления, ускорения, вибрации, в системах зажигания дви­гателей, в трансформаторах и др.

В качестве радиотехнической высокочастотной керамики использу­ется радиофарфор (муллит 3А1₂0₃·SiO₂), корундомуллитовая керамика КМ-1 (муллит и корунд А1₂0₃), ультрафарфор (3А1₂0₃·SiO₂ и А1₂0₃), алюминоксид А1₂0₃, стеатит МgO·SiO₂, цельзиан ВаО ·А1₂0₃·SiO₂, поликор и микропит.

Миниатюризация электронной, вычислительной и СВЧ аппаратуры по­требовала создания материалов с тангенсом угла диэлектрических потерь 0,0001–0,0002, в частности нитридов бора и кремния и композиций на их основе. Причем имеется много возможностей варьирования их свойств путем изменения химического состава и структуры, а также технологии по­лучения изделий.

Абразивные керамические материалы (абразивы) –вещества повы­шенной твердости, применяемые вмассивном или измельченном со­стоянии для механической обработки (шлифования, резания, истирания, заточки, полирования и т.д.) других материалов. Естественные аб­разивные материалы – кремень, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз и др.; искусственные абразивные материалы – электрокорунд, карбид кремния, боразон, элъбор, синтетический алмаз и др. По убыванию абра­зивной способности эти материалы располагаются так: синтетический алмаз, кубический нитрид бора, карбид бора, карбид кремния, карбид титана и электрокорунд. В настоящее время разрабатываются новые аб­разивные материалы на основе боридов и карбидов переходных метал­лов, а также типа белбора.

Основные характеристики абразивных материалов: твердость, прочность и износ, размер и форма абразивного зерна, абразивная способность, зер­нистость. С увеличением прочности этих материалов улучшается сопротив­ляемость усилиям резания, так как сопротивление сжатию у них в несколько раз больше, чем сопротивление растяжению. Прочность абразивных мате­риалов на растяжение и сжатие снижается с повышением температуры шлифования.

Измельченный и классифицированный абразивный материал называют шлифовальным. Зернистость шлифовальных материалов определяется разме­ром абразивных зерен, т.е. группой материалов по ГОСТ 3647–80: шлиф-зерно, шлифпорошки, микрошлифпорошки и тонкие микрошлифпорошки. Обозначение зернистости дополняют индексами В, П, Н и Д, которые ха­рактеризуют процентное содержание (массовую долю) основной фракции (36–60%).

Абразивные керамические материалы используются как в несвязанном виде (порошки, пасты, суспензии), так и в связанном (бруски, шлифоваль­ные шкурки, круги, головки и др.).

5.2. Вопросы по теме «Керамические материалы»:

1. Что такое керамика?

2. Как принято классифицировать керамику?

3. Что входит в состав керамических материалов?

4. Из каких операций состоит технология изготовления керамических материалов?

5. Каковы достоинства керамики?

6. С чем связаны недостатки керамики?

7. Где применяются керамические материалы?