книги / Технология керамических материалов

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей курса «Технология керамических материалов» является ознакомление с существующими спо- собами получения керамических материалов и изделий из различных глинистых пород и перспективой развития технологии производства керамических изделий.

Выполнение Федеральной целевой программы «Жи- лище» невозможно без расширения малоэтажного строи- тельства, которое займет доминирующий рыночный сегмент начиная с 2010 г. Строительный комплекс России в этих условиях может справиться с поставленными задачами только при значительном расширении рынка керамического кирпича. Стратегическим направлением развития отрасли является организация массового производства стеновой «теплой керамики» из местного глинистого сырья. В пер- спективе керамическая промышленность России должна обеспечить выпуск крупногабаритных панелей из кирпича, керамических блоков, облицовочных материалов разнооб- разных цветов и фактур, а также пористо-пустотелых стено- вых материалов.

Керамикой (по-древнему керамея, керамос) – назы- вают обожженную глину, - а в настоящее время это и спо- соб изготовления изделий, включающий такие стадии, как формование, сушку и обжиг изделий. Керамика – один из самых древних искусственных материалов. На острове Крит имелась развитая канализационная система, выпол- ненная из керамических дренажных труб различных разме- ров. В X в. в Киевской Руси изготовляли керамический кирпич, который назывался плинфа и имел размеры 270 × 135 × 63 мм, сопоставимые с размерами современно-

5

го кирпича (250 × 120 × 65 мм). В 1475 г. в Москве начал работать первый кирпичный завод, где были установлены напольные печи. Первые фарфоровые изделия в России бы- ли изготовлены в 1748 г. на Императорском фарфоровом заводе. В настоящее время керамические изделия широко применяются в различных отраслях хозяйственной деятель- ности: в строительстве – стеновые материалы, облицовоч- ные изделия, канализационные и дренажные трубы, сани- тарно-технические изделия; в химической промышленно- сти – кислотоупорные изделия; в металлургии – огнеупор- ные материалы.

6

1.ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ИКЛАССИФИКАЦИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Применение различных видов керамики предопределя- ется совокупностью их свойств – механических, теплофизиче- ских, электрофизических, химических и других. В свою оче- редь, свойства зависят от химического и минерального состава исходного сырья, а также от структуры керамики, определяе- мой технологией, то есть характером подготовки порошков и масс, методами формования, уровнем термообработки. Та- ким образом, имеется четкая зависимость в цепочке сырье –

технология – структура – свойства – применение.

Физико-технические свойства определяют область наи- более целесообразного применения изделий, в которой их по- требительские свойства принесут наибольшую пользу. Каче- ственные показатели изделий регламентируются соответст- вующими стандартами.

1.1.Физико-химические, физические

имеханические свойства

Физико-химические свойства характеризуют структуру, химический и фазовый состав черепка, переходного (контакт- ного) слоя и глазури у изделий, имеющих глазурный покров.

Структура и текстура изделий. Структура – это осо-

бенность строения материала. Она определяется размером зерен, формой, распределением, направлением и контактом между зернами (частичками), количеством и качеством фазо- вого состава, пористостью.

Текстура – особенность взаимного расположения эле- ментов структуры материала.

Структура черепка изделий – сложная система, со-

стоящая из стекловидной, кристаллической и газовой фаз.

7

Количественное соотношение этих фаз представляет собой фазовый состав черепка изделий, определяющий его физи- ко-технические свойства. Фазовый состав черепка зависит от состава массы, количества плавней и их химической ак- тивности, температуры и продолжительности обжига.

Кристаллическая фаза изделий с пористым черепком состоит в основном из минерала муллита, зерен кварца и частично из каолинитового остатка. Возникновение кри- сталлов муллита из глинистых минералов начинается на ранней стадии обжига при повышении температуры бо- лее 920 ° С. Эти кристаллы имеют игольчатое строение с размером кристаллов 1–2 мкм.

Содержание зерен кварца в изделиях грубой керамики определяется его количеством, введенным в массу. В кирпиче, майоликовых плитках и других изделиях низкотемпературно- го обжига зерна кварца остаются неизмененными. Кварц по- вышает прочность изделий, если его содержание находится

впределах 22–28 %. Зерна кварца при температуре 575 ° С ис- пытывают модификационные превращения α-кварца в β-кварц, при этом объем зерен кварца изменяется на 0,02 %. При значи- тельном содержании кварца (более 30 %) возникающие на- пряжения могут привести к растрескиванию изделия.

При обжиге керамических изделий образуется щелоче- силикатный расплав в различных количествах, который при застывании образует стекловидную фазу черепка изделия как одну из его структурных составляющих. Стекловидная фаза

вкерамических изделиях характеризуется твердостью, жест- костью и хрупкостью. В изделиях низкотемпературного об- жига стекловидная фаза распределяется между кристаллами

ввиде тончайших пленок, обеспечивая их прочную связь. Газовая фаза – третья структурная составляющая ке-

рамического черепка. Она заполняет закрытые поры, которые всегда имеются в материале. Причиной образования газовой

8

фазы является воздух, заключенный в порах, газообразные продукты дегидратации, диссоциации, декарбонизации, раз- ложения сульфатов, восстановления оксидов железа, окисле- ния органических остатков в сырье, освобождения газов в процессе плавления компонентов массы и других процес- сов. Содержание открытых и закрытых пор зависит от степе- ни уплотнения материала при обжиге. При достижении мате- риалом 85 % относительной плотности пористость остается полностью открытой, закрытые поры появляются в незначи- тельном количестве. Плотность и пористость черепка изде- лий являются не только важнейшими качественными харак- теристиками, но и определяющими классификационными признаками керамических изделий.

Физические свойства. Физические свойства характе- ризуют особенности физического состояния материала и гла- зурного покрова изделий.

Плотность характеризует степень заполнения объема материала веществом, из которого состоит этот материал, то есть отношение массы к занимаемому им объему. Разли- чают три вида плотности: истинную, среднюю (кажущуюся) и относительную. Средняя плотность керамических мате- риалов меньше истинной плотности.

Приведем показатели плотности различных материалов:

Пористость керамических изделий определяется объ- емом пор в единице объема материала и выражается в про- центах. Различают общую (истинную), открытую (кажу- щуюся) и закрытую пористость.

9

Открытая пористость обычно характеризуется величи- ной водопоглощения. Пористость снижается с повышением спекаемости материала при обжиге.

Приведем пористость различных материалов, % :

Истинная пористость полностью спекшейся керамики составляет 3–5 %, кажущаяся – менее 0,1–0,2 %.

Различают пористость и пустотность, наличие круп- ных пустот в материале, иногда специально создаваемых (пористая и пустотелая керамика). Пористость зависит от со- става массы и тонины помола исходного сырья, условий формования и плотности формовок, температуры и продол- жительности выдержки при обжиге. Технологические факто- ры являются преобладающими и действуют на всем протя- жении изготовления изделий.

Пористость материала влияет на такие важнейшие свойства изделий, как прочность, термическая стойкость, влажностное расширение, водонепроницаемость.

Пористость керамических строительных материалов во многом определяет также их долговечность (морозостой- кость) и теплофизические свойства.

Влажностное расширение (набухание). Значительное снижение эксплуатационных качеств керамических изделий с пористым черепком объясняется влажностным набуханием. Влажностное расширение зависит больше от состава черепка, чем от пористости. Каолиновые массы в большей мере, чем массы других составов, склонны к набуханию.

Недожог приводит к быстрому повышенному водопо- глощению, меньшему количеству закрытых пор, чем откры-

10