2.1.2. Основные свойства керамических материалов

К керамическим материалам предъявляются различные требования в соответствии с условиями эксплуатации изготовленных из них изделий. В связи с этимвыделяют: огнеупорную керамику, электротехническую керамику, строительную, художественную и т. д..

Свойства некоторых видов технической керамики, изготавливаемой на основе: чистых окислов, тугоплавких карбидов элементов IV и V групп Периодической системы элементов, нитридов кремния, бора, алюминия силицидов, боридов переходных элементов, галогенидов щелочных и щелочноземельных элементов и других соединений ─ резко отличаются от свойств изделий, изготавливаемых из глин и каолинов. Поэтому, объединяющим признаком керамических изделий и материалов остаётся получение их методом высокотемпературного спекания, а также использование в производстве родственных технологических методов, включающих: обработку исходного сырья, приготовление керамической массы, формование, сушку и обжиг.

Основными контролируемыми свойствами керамики являются: плотность, пористость, прочность, водопоглощение, теплопроводность, теплоемкость, морозостойкость, жаропрочность, паропроницаемост и др.,

Физико-механические свойства изделий связаны со структурой материалов черепка, из которых они изготовлены, и глазури, их покрывающей.

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.

Керамика представляет собой сложную многофазную систему. В ее состав входят кристаллическая, стекловидная и газовая фазы (часто, в виде закрытых пор).

Фазовый состав — это количественное соотношение фаз, составляющих структуру материала изделия.

Кристаллическая фаза как по содержанию так и по свойствам, которые она придает материалу (температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность, диэлектрическая и магнитная проницаемость и др.) является основной фазой керамики. Кристаллическая фаза, например, твердого фарфора, состоит в основном (15...30%) из муллита (ЗАl₂О₃·2SiO₂), зерен непрореагировавшего кварца (8...10%) и вновь образовавшейся разновидности кварца — кристобалита (6...10%). Кристаллы муллита составляют основу (скелет) фарфора и обеспечивают его механическую прочность и малый температурный коэффициент линейного расширения.

Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающего между собой зерна кристаллической фазы. В зависимости от типа керамики доля стекловидной фазы в ней может изменяться в довольно широких пределах (от 30 до 60 %). От количества стекловидной фазы зависят такие технологические свойства керамики как температура спекания, степень пластичности и др.

Например, 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 термостойкость, механическую прочность и электрические параметры, влияет на цвет и способствует повышению просвечиваемости изделий.

Газовая фаза в керамике (в виде закрытых пор) зависит от технологического процесса изготовления изделия. В зависимости от назначения изготавливаемых керамических изделий, наличие газовой фазы может оказывать как положительное , так и отрицательное влияние на свойства продукции. Пористые керамические материалы, обладающие низкой теплопроводностью и более низким удельным весом, широко применяются в строительстве (керамический кирпич, черепица, керамические и металлокерамические фильтры и т.п.). Высокоплотная керамика, с минимальным объемом пор востребована при производстве изделий электронной техники, которые должны обладать высокой механической и электрической прочностью, минимальными диэлектрическими потерями при высоких напряжениях и т.п..

Причинами образования газовой фазы служит 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.

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 Q_m характеризует отношение массы материала ко всему занимаемому им объему, включая поры: Q_m = m/V₁, где m — масса сухого образца, г; V₁, — 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 = [(m₂—m₁)/(m₂—m)]*100, где m₁ — масса сухого образца, г; m — масса гирь, уравновешивающих насыщенной жидкостью образец, г; m₂ — масса образца, насыщенного водой, г.

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) — показатель, характеризующий изменение длины испытуемого образца керамического материала при его на нагревании на 1°С.

Температурный коэффициент линейного расширения — один из важнейших показателей керамических материалов и глазурей. Только при соответствии ТКЛР черепка изделия и глазури 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/(mΔT),  где Q — количество теплоты, сообщенное материалу, кДж; m — масса нагреваемого материала, кг; ΔТ — изменение температуры, °С; ΔТ = t_l —t₀, где t₀ и t₁ — 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.

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 сжатия, МН; S — площадь поперечного сечения образца, м².

Предел прочности при растяжении σ_рст (МПа) 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 его надреза и 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.

Эстетические показатели изделий художественной керамики характеризуются их оптическими (белизна, просвечиваемость, блеск) и органолептическими (совершенство формы и декора, целостность композиции и совершенство производственного исполнения) качествами.

Белизна для фарфоровых и фаянсовых изделий — признак высокого качества. Она определяется как процент отраженного поверхностью изделия светового потока по сравнению с белизной эталона — баритовой пластинки (BaSO₄), белизна которой принята за 100%. Белизну фарфоровых и фаянсовых изделий определяют фотометрами. Белизна изделий зависит от чистоты исходных сырьевых материалов (особенно каолинов), наличия в них красящих оксидов железа Fe₂O₃, титана ТiO₂, зернового и минералогического состава компонентов массы, состава газовой атмосферы и режима обжига.