Структура изделий и ее влияние на свойства

Структура определяется размерами, формой, распределением, направлением и связью зёрен (частиц), количеством и качеством фазового состава и пористостью обожжённого материала.

Основные фазы в структуре тонкокерамических изделий::

1) стеклофаза;

2) крист. кварца;

3) крист. муллита;

4) поры.

Количественное соотношение этих элементов определяет фазовый состав.

1) Стеклофаза обеспечивает просвечиваемость, уменьшает белизну, термостойкость, прочность, повышает склонность деформации при обжиге. Стеклофаза состоит из: 7080 % SiO₂ ; 8 -16% Al₂O₃; 8 -12% Σ R₂O. Содержание стеклофазы в обожжённом изделии зависит от состава изделия:

• в мягком фарфоре – до 85%

• в твёрдом фарфоре – 60%

• в полуфарфоре – до 40%

• в фаянсе  до 30 %

• в майолике – до 10%.

2) Кристаллическая фаза: представлена кристаллами муллита, зёрнами непрореагировавшего кварца, новообразованиями кристобалита и остатками каолинита.

Муллит – повышает прочность, химичность, термостойкость, улучшает диэлектрические свойства.

Кварц – повышает прочность, понижает термостойкость. Содержание кварца зависит от состава материала: в твёрдом фарфоре – 10 – 16 %; в мягком фарфоре – 13 – 24 %; в фаянсе – 18 – 30 %; в майолике – столько, сколько ввели с сырьём.

Соотношение кристаллических фаз зависит от:

• количества химической активности плавней,

• от состава массы,

• от температуры и продолжительности обжига.

Так, твёрдый фарфор (t_обж. = 1350 – 1400ºC) характеризуется хорошо выраженной муллитизацией; мягкий фарфор (t_обж = 1280 – 1350ºC): муллитизация слабее. В фаянсе (t_обж до 1280ºC) кристаллическая фаза состоит из видоизменённого в результате обжига глинистого вещества и первичного короткостолбчатого муллита.

3) Газовая фаза образуется в результате реакции диссоциации и декарборнизации исходных сырьевых материалов. Количество пор зависит от количества карбонатов, сульфатов, входящих в состав шихты. Повышенное количество пор снижает механическую и электрическую прочность, химическую стойкость и просвечиваемость.

Зависимость свойств тонкокерамических изделий от их структуры

 Механические свойства повышаются при увеличении доли муллита в составе фарфора (при условии, если размеры кристаллов не превышают 10 мкм). Фарфор противостоит сжатию, хуже изгибу и плохо ударному изгибу. Механическая прочность уменьшается с увеличением пористости и дефектности структуры. Для фарфора характерен хрупкий характер разрушения. Хрупкость уменьшается при понижении количества стеклофазы, при введении глинозёма, искусственного муллита, закристаллизованного фритта. Прочность увеличивается с повышением плотности и мелкозернистости кристаллов.

 Теплофизические свойства: Теплоёмкость зависит от фазового состава (твёрдый фарфор: 0,84 – 1,09 кДж/ кг · К; твёрдый фаянс: 0,84 кДж/ кг · К). Термостойкость определяется разницой ТКЛР фаз и их количеством. Однородность структуры увеличивает термостойкость и пористость. Теплопроводность: пористость понижает теплопроводность и зависит от прочности и модуля упругости твёрдых фаз:

• твёрдый фарфор – 0,8 – 1,27(Вт/м · К);

• твёрдый фаянс – 0,8 – 1,4(Вт/м · К).

ТКЛР увеличивается с повышением количества кристаллического кварца и понижением количества расплава. Ниже приведены средние показатели температурного коэффициента расширения для различных видов тонкокерамических материалов:

• твёрдый фарфор: (4 – 5) · 10^-6 град^-1;

  • хозяйственно-бытовой фарфор: (4 – 5) · 10^-6 град^-1;

  • мягкий фарфор: (5,5 – 6,2) · 10^-6 град^-1;

  • низкотемпературный: 4,5 – 6,5 · 10^-6 град^-1;

  • твёрдый фаянс: (7 – 8) · 10^-6 град^-1;

  • известковый фаянс: (5 – 6) · 10^-6 град^-1;

  • глинистый фаянс: (9 – 10) ·10^-6 град^-1;

  • полуфарфор: (4,5 – 5,5) · 10^-6 град^-1

  • тонкокаменное литьё: (4,6 – 7) · 10^-6 град^-1;

  • майолика: (7 –9) · 10^-6 град^-1.

 Химическая стойкость зависит от пористости и структуры материала. Муллит – повышает химическую стойкость; поры – снижают химическую стойкость.

 Водопоглощение и влажностное набухание определяются пористостью материала. Набухание пропорционально поверхности образцов; может увеличиваться в результате термовлажностной обработки.

 Водопроницаемость зависит от количества и размера сквозных пор (при размерах пор 5 мкм – изделие водопроницаемое).

3

Основным сырьем для фарфоро-фаянсовой промышленности являются каолин, огнеупорные глины, кварцевый песок, пегматит, гипс, керамические краски и др. Все эти компоненты керамиче6ских масс добывают или производят в Украине, хотя качество некоторых из них несколько (уступает зарубежным аналогам. По словам производителей, в первую очередь, не удовлетворяет качество отечественного пегматита и керамических красок.

Украинский кварцевый песок производители фарфора считают самым лучшим в Европе, и запасы маложелезистых песков весьма обширны. Стоимость же песка на сегодня не превышает 30 грн. за 1 т.

Украинские производители фарфоровой посуды, которые считают каждую копейку, чаще всего покупают необогащенный пегматит Тахтаевского месторождения (с.Тахтаевка Полтавской обл.). Тонна отечественного пегматита с учетом расходов на транспортировку, уплату таможенных обходится в 400500 грн., российского  550650 грн.

Запасов каолина в Украине хватит не на одну сотню лет. Основынми эксплуатируемыми месторождениями являются Глуховецкое и Просяновское. Тонна каолина стоит 250300 грн. Огнеупорную глину большинство производителей приобретают у ОАО «Веско» (г.Дружковка Донецкой обл.) по 120150 грн. за 1 т.

Гипс украинские изготовители фарфоровой посуды приобретают на предприятиях “Стромгипс” (г.Артемовск, Донецкая обл.) и “Стройдеталь” (г.Соледар, Донецкая обл.) по 300500 грн. за 1 т.