1. Краткие теоретические сведения

К основным технологическим операциям производства керамических изделий кроме подготовки сырья, расчета шихты и формования заготовок (изученных в лабораторной работе №1) относятся также твердофазный синтез материала, в процессе которого из исходных компонент происходит образование необходимого химического соединения, формование изделий необходимой формы и размера и спекание. На стадии спекания осуществляется образование механически прочного керамического материала. После различного вида обработок (механической, химической, полевой) проводят аттестацию свойств полученного керамического материала. В зависимости от типа полученного керамического материала (конденсаторный, пьезоэлектрический, позисторный, сверхпроводниковый и т.п.) и области его применения определяют потерю массы при синтезе, усадку, плотность, пористость, водопоглощение, диэлектрическую проницаемость, пьезоэлектрические модули, температурный коэффициент сопротивления, температуру сверхпроводящего перехода и другие параметры.

1.1. Определение усадки

В процессе высокотемпературного обжига заготовка изменяет свои размеры. После обжига размеры образца становятся меньше, чем они были до обжига. Это явление называется усадкой. Усадку обязательно надо учитывать при выборе размера пресс-форм для того, чтобы получать образцы заданных размеров.

Усадка заготовок при обжиге определяется следующим образом. На свежеотпрессованные заготовки наносят тонкие риски глубиной не более 0,5 мм, штангенциркулем и микрометром измеряют их длину и расстояния между ними. После обжига этих заготовок снова измеряют длину рисок и расстояние между ними. В случае образцов правильной геометрической формы (цилиндр, куб, параллелепипед) можно измерить их характерные размеры (диаметр, толщину, размер грани). Однако измерение каждого размера проводится в трех местах и за размер берется среднее арифметическое из результатов трех измерений.

Усадку изделий после обжига рассчитывают по формуле

(1)

где у – усадка, %; d₁ – длина риски, расстояние между рисками или размер свежеотпрессованной заготовки, мм; d₂ – длина риски, расстояние между рисками или размер обожженной заготовки, мм.

Часто для характеристики усадки используют коэффициент усадки К_у, который рассчитывается по формуле

(2)

где V₁ и V₀ – объем образца после и до обжига (спекания).

1.2. Определение объемной массы (плотности)

Объемной массой или плотностью называется масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. вместе с порами и пустотами. Плотность (объемную массу) _об определяют по формуле

_об = g₀/V_общ [г/см³], (3)

где g₀ – масса образца в высушенном до постоянного веса состоянии, г; V_общ – общий объем образца, включая объем пор, см³.

Для определения объемной массы образца необходимо установить его массу и объем. Объем образца правильной геометрической формы вычисляют по его размерам. При этом каждый размер определяется по результатам его измерений не менее, чем в трех местах. Массу определяют взвешиванием на аналитических весах.

Объем образца неправильной геометрической формы определяется измерением объема вытесненной этим образцом жидкости или гидростатическим взвешиванием образца. Вес вытесненной воды, выраженный в граммах, численно равен объему испытуемого образца, выраженному в кубических сантиметрах.

Значение плотности (объемной массы) вычисляют как среднее арифметическое из результатов определений плотности на нескольких образцах.

1.3. Определение пористости

Пористость – это наличие в объеме твердого тела пустот с размерами, значительно превышающими атомные размеры. Совокупность пор образует систему, связанную с внешней поверхностью, что открывает доступ в объем пор газовым молекулам и жидкости. Кажущуюся пористость определяют на шлифованных образцах. Она представляет собой отношение суммы объема всех пор (открытых и закрытых) к общему объему изделия, выраженное в процентах. Расчет кажущейся пористости производят по формуле

(4)

где П – кажущаяся пористость, %; g₀ – масса сухого образца, г; g₁ – масса образца, насыщенного водой, в воздухе, г; g₂ – масса образца, погруженного в воду, г.

Пористость спеченных по керамической технологии образцов можно также определить по формуле

(5)

где _m – теоретическая (рентгеновская) плотность и _с – плотность спеченного образца.

Рентгеновская плотность образца _m рассчитывается, исходя из определенной симметрии, типа упаковки атомов и параметров элементарной ячейки.

1.4. Определение водопоглощения

Водопоглощение определяют на целых изделиях или на образцах установленных размеров, выпиленных из целых изделий. Для этого изготовленные образцы высушивают до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 100-110 °С. После сушки образцы очищают от пыли волосяной щеткой и взвешивают на химических весах. Так определяют вес сухих образцов.

Далее испытуемые образцы насыщают водой для определения их водопоглощения одним их двух методов: погружают в воду комнатной температуры на 48 часов или кипятят в воде в течение 4 часов и охлаждают в проточной воде до комнатной температуры.

Для определения водопоглощения при комнатной температуре образцы укладывают в сосуд с водой в один ряд на подкладку так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 2 см и не более чем на 10 см. Расстояние между образцами должно составлять не менее 2 см.

Через 48 часов образцы вынимают из сосуда с водой, обтирают влажной мягкой тканью и взвешивают не позднее чем через 5 мин, чтобы определить их вес в насыщенном водой состоянии.

Водопоглощение при кипячении определяют следующим образом. Сосуд с водой вместе с находящимися в ней изделиями или образцами устанавливают на нагревательный прибор и кипятят в течение 4 часов. При этом уровень воды в сосуде должен быть не менее чем на 2 см выше верха образцов. Образцы устанавливают на решетку, которая обеспечивает свободную циркуляцию воды между испытуемыми образцами и дном сосуда. Затем образцы охлаждаются путем естественного остывания воды в сосуде после выключения печи. Охлажденные образцы вынимают из сосуда, обтирают мягкой влажной тканью и взвешивают не позднее чем через 5 мин.

Водопоглощение W определяют по формуле

(6)

где g₁ – вес насыщенного водой образца, г; g – вес образца, высушенного до постоянного веса, г.

При кипячении образца водопоглощение определяют значительно быстрее, чем при выдерживании образца в воде комнатной температуры.