- •Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України
- •Основи матеріалознавства
- •Основи матеріалознавства
- •1 Основи матеріалознавства
- •1.1 Структура матеріалів
- •1.1.1 Атом, молекула, хімічний зв'язок
- •1.1.2 Фазовий стан речовини
- •1.1.3 Газ і рідина
- •1.1.4 Тверде тіло
- •1.2 Основні властивості матеріалів
- •1.2.1 Механічні властивості
- •1.3 Класифікація матеріалів
- •Питання для самоконтролю
- •2 Конструкційні матеріали, що застосовуються у виробництві неорганічних речовин
- •2.1 Метали і сплави
- •2.2 Сталі
- •2.2.1 Загальна класифікація сталей
- •2.2.2 Вуглецеві сталі
- •2.2.3 Леговані сталі
- •2.2.4 Галузі застосування сталей
- •2.3 Чавуни
- •2.3.1 Структура і класифікація чавунів
- •2.4 Кольорові метали та сплави
- •2.4.1 Алюміній та його сплави
- •2.4.2 Мідь та її сплави
- •2.4.3 Титан та його сплави
- •2.4.4 Магній та його сплави
- •2.4.5 Нікель і його сплави
- •2.4.6 Свинець
- •2.4.7 Цирконій. Ніобій
- •Питання для самоконтролю
- •3 Корозія металів і сплавів
- •3.1 Електрохімічна корозія
- •3.2 Хімічна корозія
- •3.3 Суцільна і локальна корозія
- •3.4 Корозійна стійкість металів і сплавів
- •3.5 Способи захисту апаратів від корозії
- •3.5.1 Плівкові захисні покриття
- •3.5.2 Листове покриття
- •3.5.3 Футерування апаратів штучними кислототривкими виробами
- •3.5.4 Методи катодного захисту і інгібування
- •Питання для самоконтролю
- •4 Неметалічні конструкційні матеріали, що застосовуються у виробництві неорганічних речовин
- •4.1 Неорганічні неметалічні матеріали
- •4.2 Кераміка
- •4.2.1 Склад, будова, властивості кераміки
- •4.2.2 Кераміка на основі глини
- •4.2.3 Технічна кераміка
- •4.2.3.1 Кераміка на основі чистих оксидів
- •4.2.3.2 Безкиснева кераміка
- •4.3 Полімерні матеріали
- •4.3.1 Класифікація, структура
- •4.3.2 Властивості полімерних матеріалів
- •4.3.3 Орієнтаційні зміцнення та релаксація напруги у полімерах
- •4.3.4 Старіння полімерів
- •4.4 Пластичні маси
- •4.4.1 Склад, класифікація та властивості пластмас
- •4.4.2 Термопластичні пластмаси
- •4.5 Силікати
- •4.5.1 Склад і будова силікатного скла
- •4.5.2 Фізичні властивості скла
- •4.5.3 Хімічні властивості
- •4.6 Склокристалічні матеріали
- •4.6.1 Ситал
- •4.6.2 Технічне скло і скловолокнисті матеріали
- •Питання для самоконтолю
- •Основна література
- •Рекомендована література
- •Жуков а.П. Основы материаловедения: Учебное пособие. – м.: рхту, 1999. – 155 с.
4.2.2 Кераміка на основі глини
Порцеляна – основний представник тонкої кераміки. Характерні ознаки порцеляни – білий колір з синюватим відтінком, мала поруватість і висока міцність, термічна і хімічна стійкість. Його особливості визначаються хімічним складом і будовою, які залежать від призначення виробів, умов їх експлуатації і висунутих до них вимог.
Розрізняють два види порцеляни – твердий і м'який. Твердий фарфор отримують з маси, яка містить 50 % глини та каоліну, 25 % кварцу і 25 % польового шпату. Це класичний склад, який може бути змінений залежно від виду вихідних матеріалів. Найбільш раціональний склад твердого фарфору – 55 % глинистих речовин і по 22,5 % кварцу і польового шпату. Хімічний склад твердого фарфору, виходячи зі співвідношення різних окислів, що містяться в ньому, може бути представлений в наступному вигляді: 68 % SiO2, 2,6 % Al2O3 і 6 % K2O.
Для одержання щільного спеченого черепка твердий фарфор обпалюють при температурі 1350-1400 °С. Одним із показників, що характеризує поведінку порцеляни при випалюванні та експлуатації, є відношення еквівалентів кислот до еквівалентів основ, яка називається коефіцієнтом кислотності (КК) і визначається за формулою: КК=RO2/(RO2+RO+3R2O3).
Для твердої порцеляни цей коефіцієнт дорівнює 1,1-1,3, у міру переходу до м'якої порцеляни він зростає до 1,68-12,75. З підвищенням коефіцієнта кислотності крихкість черепка збільшується.
Тверда порцеляна характеризується підвищеним вмістом каоліну та глини, що надає йому високої білизни, зумовлює утворення кристалічної фази і підвищення термічної стійкості. Каолін сприяє дифузії іонів алюмінію та розчиненого дегідратованого залишку каоліну в розплав польового шпату, що веде до збільшення їх концентрації та утворення муліту. Муліт і затверділий при охолодженні розплав обумовлюють механічні, термічні і хімічні властивості виробів. Основну масу порцелянових виробів в Україні виготовляють з глазурованої твердої порцеляни.
У масі для отримання м'якої порцеляни міститься більше плавнів і менше глини та каоліну. При збільшенні у масі плавнів кількість склоподібної фази в черепку зростає, при цьому підвищується й прозорість. Маса для отримання м'якого фарфору містить 25-30 % каоліну та глини, 20-45 % кварцу і 30-36 % польового шпату. Іноді додають 1,5-2,5 % крейди і оксиду цинку. Молекулярна формула м'якої порцеляни характеризується підвищеним вмістом основ і може бути представлена як (0,3-0,4)·RО×R2O3×(5,5-6,0)·SiO2.
У м'якій порцеляні кристалічна фаза, яка зумовлює високу міцність, незначна. По міцності і термічній стійкості м'який порцеляна поступається твердій. Її випал ведуть при більш низькій температурі 1250-1300 °С [2,9].
4.2.3 Технічна кераміка
Технічна кераміка включає штучно синтезовані керамічні матеріали різного хімічного і фазового складу, вона має специфічний комплекс властивостей. Така кераміка містить мінімальну кількість глини або зовсім її не містить. Основними компонентами технічної кераміки є оксиди та безкисневі сполуки металів.
Більшість видів спеціальної технічної кераміки володіє щільною спеченою структурою полікристалічної будови, для її отримання застосовують специфічні технологічні прийоми.
Кислототривку кераміку отримують при випаленні спеціальних глин з добавками піску і польового шпату. Вона містить 50-75 % SiO2, 20-40 % А12O3, 0,4-2,2 % MgO і СaО, 0,5-3,0 % Na2O і К2O, 0,3-1,6 % Fe2O3. Кераміка володіє високою міцністю, газонепроникністю і стійкістю до дії мінеральних і органічних кислот. Проте руйнується під дією фтористоводневої кислоти і лугів, а при високій температурі – під дією фосфорної кислоти. З кислототривкої кераміки виготовляють цеглу, плитку і труби.
Вироби з кераміки отримують формуванням і випаленням спеціально підібраної глини, в яку додають кремнезем і польовий шпат. З кераміки виготовляють кислототривку цеглу, плитки, труби, арматуру, холодильники, колони, відцентрові насоси, ємності, насадки адсорбційних колон.
Недоліками керамічних виробів є їх крихкість і низька механічна міцність. Коефіцієнт теплопровідності кераміки становить ~1,2 Вт/(м·К). Вона володіє значною поруватістю (3-10 %), тому вироби з кераміки зазвичай покривають зсередини і зовні глазур'ю.