Вопрос № 1. Структурное строение художественной керамики

Под структурой керамического материала понимают особенность его строения, которая определяется размером и формой зерен, их распределением и контактом между собой, количественными и качественными параметрами фазового состава, пористостью.

Фазовый состав — это количественное соотношение кристаллической, стекловидной и газовой фаз в структуре материала изделия, которое влияет на его физико-технические свойства.

Кристаллическая фаза, например твердого фарфора, состоит в основном (15...30%) из муллита (ЗАl2О3*2SiO2), зерен непрореагировавшего кварца (8...10%) и вновь образовавшейся разновидности кварца — кристо-балита (6...10%). Кристаллы муллита составляют основу (скелет) фарфора и обеспечивают ему механическую прочность и малый температурный коэффициент линейного расширения. Стекловидная фаза твердого фарфора, составляющая около 60% всей массы в фарфоре, представляет собой кварцполевошпатовое стекло, которое образовалось в результате плавления частичек полевого шпата и кварца, входящих в состав исходной массы. Стекловидная фаза фарфора — это масса, проросшая мелкими продолговатыми кристаллами муллита. Стекловидная фаза понижает белизну и термостойкость изделий, но способствует повышению их просвечиваемости. Газовая фаза — третья структурная составляющая фарфорового черепка, которая заполняет все закрытые поры (2:..4%), имеющиеся в материале. Причинами образования газовой фазы служат воздух, заключенный в порах, газообразные продукты реакций разложения органических и других веществ, входящих в состав материалов, в процессе обжига. Химическая стойкость керамических материалов характеризуется их способностью не разрушаться под воздействием веществ, с которыми они соприкасаются в процессе эксплуатации.

Физико-химические свойства изделий характеризуются структурой материалов черепка изделий, из которых они изготовлены, и глазури, их покрывающей.

Вопрос № 2. Основные свойства художественной керамики

В зависимости от химического и минералогического состава, особенностей технологии производства, а также области применения изделия художественной керамики обладают определенными свойствами.

Плотность — величина, равная массе вещества, отнесенной к занимаемому им объему. Различают истинную, среднюю (кажущуюся) и насыпную плотности.

Истинная плотность материала q характеризуется массой единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без учета пор и пустот, и определяется отношением массы материала m ( r ) в сухом состоянии к объему V (см³) в абсолютно плотном состоянии:

Q = m / V .

Средняя (кажущаяся) плотность Qm характеризует отношение массы материала ко всему занимаемому им объему, включая поры:

Qm = m / V ₁ ,

где m — масса сухого образца, г; V ₁ , — объем образца, включая поры, см ³.

Пористость — степень заполнения объема материала порами. Общая пористость П_общ определяется отношением суммарного объема открытых и закрытых пор образца к его объему и выражается в процентах:

П_о6щ=(1 - q_m / q )*100,

где q — истинная плотность, г/см³; q_m — средняя (кажущаяся) плотность, г/см³.

Открытая пористость П_отк определяется отношением объема открытых пор, т. е. доступных для воды и сообщающихся между собой и внешней средой, к объему образца и выражается в процентах:

П_отк = [( m ₂ — m ₁ )/( m ₂ — m )]*100,

где m ₁ — масса сухого образца, г; m — масса гирь, уравновешивающих насыщенной жидкостью образец, г; m ₂ — масса образца, насыщенного водой, г.

Закрытая пористость П_зак характеризуется отношением объема всех пор в материале, не сообщающихся с внешней средой, к объему образца со всеми порами. Определяют закрытую пористость как разность общей и открытой пористости:

П_зак = П_общ - П_отк.

Водопоглощение W _погл — способность материалов впитывать и удерживать в своих порах воду. Водопоглощение зависит от пористости материала и характеризуется степенью заполнения открытых пор керамического материала при кипячении в воде; выражается в процентах:

W _погл = [( m ₂ — m ₁ )/ m ₁ ]*100,

где       m ₁ — масса сухого образца, г; m ₂ — масса образца, насыщенного водой, г.

Объемное водопоглощение W _погл   определяют по формуле

W _погл   = [( m ₂ — m ₁ )/ V ]*100 ,

где  V — объем  образца  в  естественном   состоянии,  см³.

Гигроскопичность — способность материала поглощать водяные пары из атмосферы. Гигроскопичность зависит от вида материала и характера его пористости. Она определяется как отношение массы влаги, поглощенной образцом из воздуха, к массе сухого образца.

Термическая стойкость — способность керамических материалов противостоять разрушению при внезапном резком нагревании или охлаждении, когда в материале в результате термических напряжений возникают микротрещины, понижающие прочность изделий или приводящие к их разрушению. Термическая стойкость керамических материалов зависит от их физико-химических и механических свойств, формы и размера изделий, условий их нагревания и охлаждения.

Тепловое расширение.е. Керамические изделия при температурных изменениях в процессе эксплуатации подвергнется тепловому расширению (линейное и объемное), которое определяется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). ТКЛР характеризует относительное изменение линейных размеров образцов керамического материала при их нагревании на 1°С. Вычисляют ТКЛР по формуле  

α =(l_t-l_o )/[l_o (t_k - t _н )]= Δl /[l_o (t_k - t _н )],

где α — температурной коэффициент линейного расширения, 1/град;

l_t и l_o —длины испытываемого образца при соответственно конечной и начальной температурах t_k и t _н .

Температурный коэффициент линейного расширения — один из важнейших показателей керамических материалов и глазурей. Только при соответствии ТКЛР черепка изделия и глазури (табл. 1) можно получить качественные изделия, в противном случае появляются трещины на глазури (если ТКЛР черепка больше ТКЛР глазури) или происходит ее отслаивание (если ТКЛР черепка меньше ТКЛР глазури).

Теплоемкость — способность материала поглощать тепловую энергию при нагревании. Теплоемкость характеризуется количеством теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1°С. Теплоемкость с (кДж/(кг*°С) единицы массы называется удельной и вычисляется по формуле: c = Q /(m ΔT ), где Q — количество теплоты, сообщенное материалу, кДж; m — масса нагреваемого материала, кг; Δ Т — изменение температуры, °С; Δ Т = t_l —t ₀ , где t ₀ и t ₁ — начальная и конечная температуры материала.

Теплопроводность — способность материала пропускать теплоту через свою толщу от одной своей поверхности к другой. Она зависит от физико-химических свойств материала, его пористости, прочности и др. С повышением теплопроводности увеличивается термостойкость материала.

Таблица 1. Температурные  коэффициенты линейного  расширения масс и глазурей

Изделия	α*10-1/град (в интервале температур 20…700° С)
	Черепка	Глазури
Фарфоровые:
из твердого фарфора	4 ...5	3,5 ...4,8
из мягкого фарфора	5,5...6,23	5,0...5,5
Фаянсовые :
глинистые	8,8...9,8	7 0...8,1
известковые	5...6	5,0...5,8
Полуфарфоровые	4...5	3,7...4,7
Тонкокаменные:
декоративные	5,7...7,1	5,6...6,6
жаростойкие	4,6...5,4	4,5...4,9
Майоликовые	7,0...9,1	6,7...8,0

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению в результате действия внешних нагрузок. При сжатии внешние силы стремятся сблизить между собой элементарные частицы материала, при растяжении — отдалить их одну от другой.Прочность характеризуется пределом прочности, т. е. наибольшим напряжением, при котором происходит разрушение материала. В зависимости от характера приложения нагрузки различают предел прочности при сжатии и растяжении.

Предел прочности, при сжатии σ_сж (Па) определяют по формуле

σ_сж = Fpзp /S ,

где Fpзp —разрушающая нагрузка, Н; S — площадь поперечного сечения образца, см².

Предел прочности при растяжении σ_рст (Па) вычисляют по формуле

σ_рст = 50 Fpзp /S .

Ударная вязкость материала характеризуется пределом прочности при ударном изгибе. Ударная вязкость — один из важнейших эксплуатационных показателей керамических изделий, так как он определяет способность материалов не давать трещин и не разрушаться под воздействием ударных изгибающих нагрузок. Оценивается работой до разрушения надрезанного образца при ударном изгибе, отнесенной к площади его сечения в месте pro надреза; выражается в Дж/м².

Твердость - способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого более твердого материала. Твердость характеризует прочность поверхностных слоев материала.

Истираемость — способность материала сопротивляться воздействию истирающих усилий. Истираемость характеризуется уменьшением массы изделия в результате износа его поверхности в процессе эксплуатации.