книги / Технология керамических материалов

тых, меньшей механической прочности, повышенному набу- ханию и старению черепка изделия.

На величину набухания влияет периодичность нагре- вания и охлаждения во влажностных условиях эксплуата- ции. Набухание возрастает с повышением температуры во- ды и длительности ее воздействия. Набухание черепка изде- лий, в отличие от других видов расширения объема, является необратимым процессом.

Водопоглощение характеризует степень заполнения от- крытых пор материала при насыщении водой и выражается в процентах.

Коэффициент водопоглощения – отношение объема поглощенной воды к объему пор.

В результате насыщения материала водой повышается его средняя плотность и теплопроводность. Понижается ме- ханическая прочность, иногда увеличивается объем.

Величина водопоглощения является показателем спе- каемости черепка.

Проницаемость. Сквозная пористость в черепке фаян- совых и других пористых изделий (неглазурованных или гла- зурованных с одной стороны) может привести к пропуска- нию через толщу черепка жидкости или газов.

Коэффициент газопроницаемости определяется ко-

личеством газа (1 см3 газа вязкостью 0,1 Па · с), прошедше- го в единицу времени (1 с) через единицу площади (1 см2) и единицу толщины (1 мм) черепка при определенной раз- нице давления (10,0 Па).

Проницаемость характеризуется степенью водопрони- цаемости, определенной по количеству воды, профильтро- вавшейся через керамический пористый черепок в единицу времени. Она зависит от количества и величины открытых пор и косвенно характеризует структуру черепка изделий.

11

Гигроскопичность – способность пористого черепка из- делий поглощать влагу из воздуха при изменении его влажно- сти. Гигроскопичность не влияет на снижение качества кера- мических изделий, даже изделий с пористым черепком. Одна- ко высокая гигроскопичность высушенного полуфабриката (кирпича, плитки и др.) снижает качество изделий после обжи- га. Высушенный полуфабрикат должен немедленно поступать в обжиг. При длительном хранении полуфабриката его необ- ходимо нагревать в начальной стадии обжига более осторож- но. Поэтому часто перед туннельными печами устраивают ко- роткие (на 2–3 вагонетки) камеры подсушки.

Механические свойства. Механические свойства – это свойства пористого материала, длительно не разрушаясь, пе- реносить возникающие в нем напряжения. Главные из этих свойств – это прочность, упругость, твердость и истираемость.

Прочность – это свойство материала сопротивляться разрушению при действии внешних сил, стремящихся сбли- зить между собой (при сжатии) или отдалить одну от другой (при растяжении) элементарные частицы.

Важнейшими факторами, влияющими на прочность ке- рамического материала, являются количество пор, их размер и форма; фазовый состав черепка и механические свойства кристаллической и стекловидной фаз, форма и расположение кристаллов; взаимное расширение (КТР) отдельных фаз (на- пример, объемное сжатие кварца при охлаждении в 10–15 раз больше других компонентов структуры), текстура материала.

Механическая прочность черепка выше при менее со- вершенной кристаллизации минерала муллита, меньших раз- мерах его игл, большей степени переплетенности этих игл. В то же время механическая прочность черепка выше при малой степени изменения зерен кварца.

В интервале пористости от 5 до 30 % прочность кера- мических материалов можно с некоторым приближением рассматривать как функцию пористости.

12

Прочность при изгибе является основным показателем связующей способности, механической прочности и терми- ческой стойкости керамики. Несовершенство структуры ма- териала в большей степени влияет на прочность при изгибе, чем при сжатии.

Предел прочности при ударном (динамическом) изгибе

(ударная вязкость) является важным показателем эксплуата- ционных качеств керамических изделий. Он характеризует ударную вязкость, т.е. способность материала изделий не раз- рушаться и не давать трещин при воздействии на него ударной нагрузки. Предел прочности при ударном изгибе определяют с помощью маятникового копра. По возрастанию показателя ударной вязкости изделия можно расположить в следующей последовательности: грубые керамические изделия, фаянс, тонкокаменные изделия, фарфор.

Модуль упругости выражает сопротивление материала упругой деформации. Модуль упругости изменяется в широ- ком диапазоне при нагреве образцов. Восстановительная сре- да при обжиге изделий способствует повышению модуля уп- ругости, который возрастает с увеличением механической прочности материала.

Твердость характеризует прочность только поверхност- ных слоев материала. Твердость глазури по шкале Мооса – 6– 7, фарфора 6–8, плиток для полов – 6–7. Твердость материала зависит от химического состава, структуры и во многом опре- деляется технологией изготовления изделий. Твердость имеет большое значение для материалов, используемых при обли- цовке зданий, а так же для материалов, применяемых в уст- ройстве полов и строительстве дорог.

Истираемость – свойство материала уменьшать свою массу вследствие потери частиц с поверхности при истира- нии. Истираемость керамических плиток для полов составля- ет до 0,1 г/см2; мозаичных плиток – до 0,8–1,0 г/см2.

13

1.2. Теплофизические и электрофизические свойства

Важнейшими теплофизическими свойствами, характе- ризующими керамические изделия, являются теплоемкость, термостойкость, теплопроводность, тепловое расширение че- репка и глазурного покрова, огнеупорность.

Теплофизические свойства. Теплоемкость – способ-

ность материала поглощать тепловую энергию при нагрева- нии или отдавать тепло при охлаждении. Теплоемкость структурно различных, но одинаковых по составу изделий одинакова, так как она определяется свойствами самого ве- щества и не зависит от пористости, плотности, размера кри- сталлов. С повышением влажности материала и температуры теплоемкость его увеличивается. Удельная теплоемкость от- дельных керамических материалов в интервале температу- ры 20 – 400 ° С лежит в пределах 0,18 – 0,30 Дж/(кг ° С).

Термическая стойкость (термостойкость) – способ-

ность материала, не разрушаясь, без снижения прочности выдерживать резкие многократные значительные колебания температуры (тепловые удары). Она является важнейшим показателем качества изделий.

Разрушение материала при тепловом ударе обуславли- вается, прежде всего, возникновением термических напряже- ний в результате различных коэффициентов термического расширения стекловидной и кристаллической фазы черепка.

Термостойкость материалов выражается количеством теплосмен (нагревание и резкое охлаждение), которые вы- держивает материал без разрушения или до появления тре- щин на его поверхности. Отметим, что на термостойкость изделий значительно влияет пористость. Повышение сопро- тивления термическому удару с увеличением пористости объясняется тем, что напряжения, возникающие на поверх- ности твердого тела от «теплового удара», снижаются (га-

14

сятся) на границах зерен и поверхностях раздела фаз, одной из которых являются поры.

Теплопроводность керамики зависит от состава кри- сталлической и стекловидной фазы, а также от пористости. Форма и размер пор в материале незначительно влияют на ко- эффициент теплопроводности, однако ориентация пор при оп- ределенной пористости существенно изменяет коэффициент теплопроводности. Пористость материала снижает его тепло- проводность почти в линейной зависимости.

Теплопроводность значительно влияет на термическую стойкость изделий.

Температуропроводность. Коэффициент температуро-

проводности характеризует скорость распространения тем- пературы в материале и зависит от теплопроводности, удель- ной теплоемкости и плотности.

Коэффициент температуропроводности численно равен повышению температуры, которое произойдет в единице объ- ема (массы) материала при поступлении в него теплоты, численно равной его теплопроводности:

Термическое расширение. Коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) характеризует изменение еди- ницы длины материала при изменении температуры на 1 ° С.

Керамические изделия в процессе эксплуатации при температурных изменениях претерпевают тепловое обрати- мое расширение. При расчете керамических масс и глазурей соответствие КТР глазури и черепка является одним из ос- новных требований (расхождение не более ± 4 %). Терми- ческое расширение определяет трещиностойкость изделий

15

в обжиге (особенно на стадии охлаждения), прочность гла- зурного покрова и прочность его сцепления с основной мас- сой черепка.

Электрофизические свойства. Электрофизические свойства характеризуют удельное объемное и поверхностное электрическое сопротивление, диэлектрическую проницае- мость, электрическую прочность, диэлектрические потери материала.

Электрофизические свойства изделий строительной ке- рамики не регламентируются.

1.3. Огнеупорность, морозостойкость и коррозионная (химическая) стойкость

Огнеупорность – свойство материала противостоять, не расплавляясь, длительному воздействию высоких темпе- ратур. По огнеупорности изделия делятся на три группы: ог- неупорные, выдерживающие воздействие температур 1580 °С и выше; тугоплавкие, выдерживающие воздействие темпера- тур от 1350 до 1580 °С, и легкоплавкие, выдерживающие воз- действие температур ниже 1350 °С. Огнеупорность (в °С) отдельных материалов приведена ниже:

Требование огнеупорности предъявляется к огнеупор- ным материалам и к отдельным видам тонкокерамических изделий специального назначения. К изделиям архитектур- но-строительного назначения требование огнеупорности не предъявляется.

Морозостойкость – способность насыщенного водой материала выдерживать многократные замораживания и от- таивания без существенного снижения прочности и потери массы. Морозостойкость керамических изделий – важный

16

PNRPU

показатель, определяющий длительность их службы при экс- плуатации в естественных условиях. Морозостойкость – по- казатель качества, зависящий более чем от 5 факторов (для кирпича): химического, минералогического, гранулометриче- ского состава исходного сырья, а композиционного соотно- шения сырьевых материалов, условий производства, струк- туры и текстуры изделий и других.

Пористость и размер пор оказывают большое влияние на морозостойкость изделий. Изделия будут морозостойки- ми, если содержание пор размером более 0,5 мм составляет не менее 60 %.

Ориентировочно морозостойкими считаются такие ма- териалы, у которых коэффициент морозостойкости менее 0,80, т.е. у которых объем пор заполняется не более чем на 80 %.

Коррозионная (химическая) стойкость – способность материала не разрушаться под влиянием веществ, с которыми он соприкасается в процессе эксплуатации. Коррозия керами- ческих материалов разделяется по виду коррозионной среды, характеру разрушения и процессам, происходящим в них.

Коррозионному воздействию среды более подвержена стекловидная фаза керамического материала. Факторы, вы- зывающие коррозию керамических материалов, разделяются на внутренние (состояние поверхности, структура и состав) и внешние (температура среды, перепад температур в систе- ме, состав агрессивной среды и др.).

Различают два основных вида химической стойкости керамики: кислото - и щелочестойкость.

Оксиды, входящие в состав изделий, можно располо- жить в зависимости от их растворимости в агрессивных сре- дах в такой последовательности:

СаО > МgО > Аl2О3 > R2О > Fе2О3 > SiО2.

Кислотостойкость тонкокаменных (химически стой- ких) изделий составляет 95–99,5 %.

17

1.4. Эстетические и потребительские свойства

Эстетические свойства. Керамические изделия харак- теризуются белизной, блеском глазури, просвечиваемостью черепка (фарфор), формой, чистотой красок и качеством деко- ра (санитарно-технические изделия, облицовочные плитки).

Белизна. Спектральный состав светового потока, от- раженного поверхностью изделия, определяет зрительное ощущение цвета материала. Из керамических изделий требо- вания белизны предъявляются только к фарфоровым и фаян- совым изделиям. Если поверхность тела отражает всю лучи- стую энергию, оно является абсолютно белым.

Количественно белизна фарфоровых и фаянсовых изде- лий определяется по содержанию белого цвета в черепке, ус- танавливаемого как процент отраженного поверхностью изде- лия светового потока по сравнению с белизной эталона – ба- ритовой пластинки ВаSО4, белизна которой принята за 100 %.

Блеск глазури является важным фактором в оценке эстетических свойств изделий.

Светорассеивание поверхности при направленном ос- вещении обнаруживают по блеску, проявляющемуся в том, что яркость поверхности в направлении зеркального отраже- ния больше, чем в других направлениях.

Количественно блеск определяется как доля строго на- правленного (зеркально отраженного) света в общем отра- женном световом потоке. За эталон блеска принят блеск увиолевого стекла. Блеск эталона принят за 100 %. Блеск фа- янсовых облицовочных плиток составляет от 43 до 61 %, фарфоровых изделий – до 79 %.

Потребительские свойства. Потребительские свой-

ства керамических изделий определяются в основном физи- ко-техническими и эстетическими свойствами, кроме того, с точки зрения потребительских свойств конструкция изде-

18

лия должна соответствовать его размеру и назначению, не- маловажным является и удобство пользования (рис. 1). Формирование потребительских свойств начинается на ста- дии подбора соответствующих сырьевых материалов и тех- нологии производства.

Каждый показатель обусловлен комплексом свойств: эксплуатационные свойства существенно влияют на все по- казатели потребительских свойств изделий и, в свою оче- редь, определяются физико-техническими свойствами изде- лий, а также конструкций, точностью размеров и форм.

Условия эксплуатации керамических изделий должны исключать воздействие ударных нагрузок, резкие перепады температур.

Рис.1.Факторы, определяющие потребительские свойства керамических изделий

Точность размеров и форма. Особенности производства керамических изделий обуславливают трудность получения изделий точных размеров и заданной формы. Использование сырьевых материалов непостоянного состава и свойств, масс нестабильного состава, в том числе по гранулометрии и пере- менной влажности, формование пластическим способом, воз-

19

можные изменения установленных режимов сушки и обжига вызывают большие отклонения от утвержденных образцов.

Точность размеров и формы изделий могут быть по- вышены при изготовлении изделий полусухим способом, способом гидростатического прессования, а так же при стро- гом соблюдении технологических параметров производства.

Биологическая стойкость – способность материала со-

противляться загрязнению и разрушающему воздействию растительных и животных организмов. Керамические изде- лия в 5–10 раз лучше очищаются (стерилизуются) при мытье водой, мылом и моющими средствами по сравнению с дру- гими видами изделий (пластмассами, металлом и др.). Рост микробов значительно меньше на поверхности глазурован- ных керамических изделий (в 2 раза по сравнению с пласт- массой, металлом и т.д.).

1.5 Классификация керамических материалов

Тело керамического изделия называют черепком или черепом (керамическим черепком).

Классификация керамических материалов проводится по структуре черепка и по их назначению. Рассмотрим эти классификации.

Классификации по структуре черепка. Керамические изделия подразделяют по структуре керамического черепка на пористые (неспекшиеся) и плотные (спекшиеся).

Определение структуры черепка проводится по вели- чине его водопоглощения по массе, по звуку, по излому че- репка, по виду поверхности излома.

Пористые (неспекшиеся) материалы имеют в изломе землистый вид, шероховатую поверхность, непрозрачны, при ударе издают глухой звук. Такие материалы и изделия пропускают воду, имеют водопоглощение от 5 до 20 мас. %

20