Виды керамики и области ее применения

2

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «Управление качеством»

К У Р С О В А Я     Р А Б О Т А

По предмету: Материаловедение

На тему: Виды керамики и области ее применения

Выполнил: Сахнов Иван Владимирович

Студент 2 курса

4 семестр

Новый Уренгой, 2010г.

Содержание

Введение

1. Состав, строение, свойства керамики

1.1 Физические свойства

1.2 Механические свойства

1.3 Термические свойства

1.4 Электрофизические свойства

1.5 Специальные свойства

2. Виды керамики и области её применения

2.1 Керамика на основе глины

2.2 Техническая керамика

3. Нанопорошковые керамические материалы как новый вид применения керамики

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Керамика - неорганический материал, получаемый из минеральных масс (глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соединений) в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200-2500 оС) формируется структура материала (спекание), изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

Керамические материалы обычно непрозрачны, но в последнее время создана керамика специальной структуры, обладающая высокой прозрачностью. Самая ранняя керамика использовалась как посуда из глины или из смесей её с другими материалами. В настоящее время керамика применяется как индустриальный материал (машиностроение, приборостроение, авиационной промышленности и др.), как строительный материал, художественный, как материал широко используемый в медицине, науке. В 20-ом столетии созданы новые керамические материалы широко применяемые в полупроводниковой индустрии, в электронном оборудовании, в фотографии (линз керамических, фотосенсоров), в медицине (стоматологии, ортопедии), лазерной технике и др. областях. В последнее время интенсивно развивается новое направление в области керамики — нанопоршковые керамические технологии, обладающие непредсказуемыми, новыми физикомеханическими свойствами.

Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, первым созданным человеком материалом.

Россия в области керамики достойно занимает ведущее место в мире, несмотря на то, что в международной литературе вопрос о возникновении фарфорового и керамического производства часто умаляется. На примере появления чёрной керамики археологически даказано, что уже в 3-ем тысячелетии до н.э. чёрная лощённая керамика использовалась в ритуальных и обрядовых целях. Значительный ущерб развитию керамики в России нанесло только одно монголо-татарское нашествие, которое много уничтожило достижений русских гончаров IX—XII веков. Например, исчезли двуручные корчаги-амфоры, вертикальные светильники, более простым стал орнамент, искусство перегородчатой эмали, глазурь (самая простая — жёлтая, уцелела только в Новгороде).

Лишь в XV веке прдолжалось развитие керамики на Руси. В России и в настоящее время, особенно в сельской местности, каждый керамический сосуд незаменим. Пиша в керамических горшках самая ароматная и долго хранящаяся.

Изготовление керамической посуды на гончарном круге представлял и представляет особый интерес. Так называемые квасники (сосуды для кислых щей, браги, пива, дрожжевых или фруктовых квасов) появились в Москве в ХIX веке.

На примере появления первой керамики, чёрной лощённой керамики учёные предполагают, что не случайно чёрная, самая первая на земле керамика появилась не только в Этрурии, но и в Древней Руси и Грузии. Об этом заявил дешифровщик Г.С.Гриневич.

1. Состав, строение, свойства керамики

По строению черепка керамика делится на две группы: с пористой структурой (пористость более 5 %)- кирпич, черепица, архитектурно-отделочная керамика и др., и с плотной камневидной структурой (пористость менее 5 %)- плитки для полов, канализационные трубы и др. Изделия из грубой керамики могут быть неглазурованными и глазурованными (покрыты тонким слоем легкоплавкого стекла).

Керамика является многофазовой системой, в которой могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значение механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде стекла, связывающего кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1-10 % стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза заполняет поры керамики, по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор снижает механическую прочность керамики.

1.1 Физические свойства

Удельный вес керамических материалов, имеющих пористое строение (кирпич и ему подобные, а также строительный фаянс), находится в пределах от 2,5 до 2,65 г/см , а материалов, имеющих плотное строение (плитки для пола),- от 2,7 до 2,8 г/см для плотного клинкера, фарфора.

Кирпич глиняный обыкновенный имеет сравнительно большой объемный вес (до 1,9 г/см ), поэтому для его снижения делают кирпич повышенной пористости, пустотелым. Кирпич строительный легкий имеет объемный вес около 0,7 г/см .

Пористость колеблется в широких пределах - практически от 0,0 % для фарфора, до 60-80 % для легкого кирпича и керамзита. Пористость кирпича глиняного обыкновенного 20-40 %. Для керамических материалов и изделий водопоглощение может колебаться о 0,0 % для твердого фарфора до 60-70 % для легковесного кирпича. Водопроницаемость как показатель свойств имеет большое значение для кровельных (черепица), санитарно-строительных, посуды и других керамических материалов, может быть снижена обжигом до спекания, глазурованием и другими средствами. Газопроницаемость - способность материала пропускать (или не пропускать) газ. Это свойство в большей мере относится к пористой керамике, предназначенной для очистки газов и воздуха от пыли и других механических примесей. Она должна иметь пористость в пределах 30-50 % с равномерно распределенными порами диаметром 70-200 мк, высокую проницаемость. Например, пористые трубы внутренним диаметром 40-60 мм и длиной 300-1000 мм, пористостью 45-50 %, размером пор 80-100 мк имеют газопроницаемость 300-400 м /м ч при атмосферном давлении и температуре 20 оС.

1.2 Механические свойства

Предел прочности при сжатии для керамики колеблется в большом интервале: от 35 кг/см для кирпича строительного легкого до 5500 кг/см для технического фарфора. Кирпич глиняный обыкновенный пластического прессования марки 200 имеет прочность 200 кг/см2 и выше.

Предел изгиба керамики невысокий. Например, для кирпича глиняного обыкновенного марки 200 и=26-34 кг/см , для фарфоровых изделий – до 1200 кг/см2.

1.3 Термические свойства

Огнеупорность - способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур. Характеризуемые этим показателем материалы подразделяются на легкоплавкие (менее 1350 оС), тугоплавкие (1350-1580 оС) и огнеупорные (более 1580 оС), которые в свою очередь подразделяются на собственно угнеупорные (от 1770 до 2000 оС) и высшей огнеупорности (выше 2000 оС).

Из керамических материалов и изделий к огнеупорным можно отнести шамотные (огнеупорность 1610-1750 оС) огнеупоры.

Термостойкость - свойство материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры. Она повышается по мере уменьшения относительного температурного коэффициента линейного расширения материала и приобретения им однородной структуры. Термостойкость усиливается глазурованием. Надлежащей термической стойкостью должны обладать посуда, плитка для внутренней облицовки стен, встроенные детали, канализационные трубы и др.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать требуемое по условиям долговечности число циклов попеременного замораживания и оттаивания. Материал считается морозостойким, если он после испытания по заданному режиму не утратил свой прочности или снизил ее не более чем на 25 % и потерял в весе не более 5 %.

Для повышения морозостойкости весьма важное значение имеют однородность глиняной массы, отсутствие в ней легкорастворимых солей, отсутствие свилеватости (волнообразной слоистости) при формировании, правильно выбранные режимы сушки и обжига, обеспечивающие получение изделий без трещин.

Термическое расширение - свойство материала увеличивать свои размеры при нагревании.

В табл.1 приведены значения относительного температурного коэффициента линейного расширения для некоторых материалов.

Таблица 1. Значение коэффициента температурного расширения 

В интервале температур от 20 до 1000 оС средний относительный температурный коэффициент линейного расширения фарфора 30 10-7, фаянса 47-58 10-7 1/град.

1.4 Электрофизические свойства

Электрическая прочность - это способность керамического материала или изделия выдержать действия приложенного к нему электрического напряжения. За пределом этой способности происходит пробой. Наибольшее напряжение, при котором осуществляется пробой, называется пробивным (пробойным) напряжением и количественно определяет электрическую прочность материала или изделия (например, керамического изолятора).

Электрическая прочность (Епр) измеряется в киловольтах на миллиметр (кВ/мм), на сантиметр (кВ/см).

Пористые диэлектрики имеют значительно меньшую Епр, чем диэлектрики со сплошной структурой. Такой керамический материал, как фарфор и изделия из него, имеют очень высокую электрическую прочность и соответственно малую электропроводность - основное свойство этой группы материалов.

Рабочее напряжение керамического изолятора должно быть меньше его пробивного напряжения. Поэтому у каждого керамического изолятора должен быть определенный запас электрической прочности, определяемый коэффициентом запаса электрической прочности изоляции, равный отношению пробивного напряжения к рабочему.

Фарфоровые и фарфороподобные изолирующие изделия характеризуются средним пробивным напряжением (при 50Гц) в пределах 20-250 кВ/см.

Удельное электрическое сопротивление при 100 оС фарфоровых и фарфороподобных изолирующих 1011-1015 Ом/см2.

1.5 Специальные свойства

Химическая стойкость - способность материала в течение длительного времени сопротивляться действию химически активных веществ - кислот, щелочей, агрессивных газов, солей. Химически стойкие материалы должны обладать достаточными механической прочностью, газонепроницаемостью и термостойкостью.

Кислотостойкость большинства химически стойких керамических изделий составляет 90-98 %, термостойкость - 1-10 теплосмен. Щелочестойкость действующими стандартами на кислотостойкие изделия не предусматривается.

Химически стойкая керамика, работающая при отрицательных температурах, должна быть достаточно морозостойкой и выдерживать 25-кратное замораживание и оттаивание.

2. Виды керамики и области её применения

2.1 Керамика на основе глины

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