Материалы, получаемые путем спекания природных силикатов

Керамические материалы получают путем спекания массы на ос­нове природных глин, в которую добавляют песок (отощающее вещество), полевой шпат (плавень, снижающий температуру спе­кания), измельченный шамот (обожженная глина) и ряд других веществ. Отформованные из такой массы изделия после воздуш­ной сушки подвергают плавному нагреву в печи до температуры 1200—1300 °С, в результате чего происходит процесс превращения каолинита (А1₂О₃ · 2SiО₂ · 2Н₂O) в муллит (3А1₂0₃ · 2 SiО₂) — кера­мику. Полученные таким образом изделия носят общее название «камнекерамические изделия».

В зависимости от состава исходного сырья, температуры и дли­тельности обжига, от внешних признаков, обнаруживаемых при осмотре поверхности или излома спекшегося черепка, а также от величины водопоглощения при стандартных испытаниях керами­ческие изделия разделяют на два класса:

класс 1 — плотная кислотоупорная керамика, характеризующа­яся малым водопоглощением (до 5 %), однородным, мелкозернис­тым, раковистым, матовым или глянцевым черепком;

класс 2 — пористая керамика, отличающаяся пористостью че­репка и высоким водопоглощением (свыше 5 %).

Для химических аппаратов и другого оборудования, контакти­рующего с жидкими агрессивными средами, используется только керамика класса 1, кислотоупорная. Это значит, что она пригодна к эксплуатации в кислых средах (исключая плавиковую кислоту), нейтральных растворах и в очень слабых основных растворах. Ед­кие щелочи разрушают кислотостойкую керамику.

Кислотоупорная керамика имеет примерно следующий состав: 20-40 % А1₂О₃; 50-75% SiО₂; 0,1-0,8% СаО; 0,3-1,4% МgО; 0,5-3 % Nа₂О, К₂O; 0,3-1,6 % Fе₂О₃.

Свойства керамики класса 1 могут быть значительно улучше­ны, если в состав керамической массы ввести пирофилит (есте­ственный природный алюмосиликат А1₂О₃ · 4SiО₂ · Н₂O). Для по­вышения пластичности пирофилитовой керамики в массу добав­ляют 3—25 % пластичной огнеупорной глины. Изделия из пирофилитовой керамики по сравнению с обычной керамикой обладают более высокой прочностью на сжатие, малым истирани­ем, повышенной термической устойчивостью. Помимо более вы­сокой кислотостойкости пирофилитовая керамика устойчива к действию неконцентрированных растворов щелочей. '

Чтобы улучшить состояние поверхности керамических изделий и уменьшить проницаемость черепка, их покрывают тонким сло­ем блестящей стекловидной массы, называемой глазурью. Глазурь приготавливают из простых красных или бурых глин, примешивая к ним порошки стеклянного боя, мела, полевого шпата, железной руды и других материалов.

По назначению керамика может быть разделена на строительную, бытовую и художественно-декоративную, техническую. Строительная (например, кирпич) и быто­вая (например, посуда) чаще всего имеет в структуре га­зонаполненные поры и изготовляется из глины. Техничес­кая керамика имеет почти однофазную кристаллическую структуру и изготовляется из чистых оксидов, карбидов, боридов или нитридов. Основные оксиды, используемые для производства керамики — А1₂О₃, ZrО₂, МgО, СаО, ВеО. Техническая керамика используется в качестве огнеупорного, конструкционного и инструментального материала. Она обладает высокой прочностью при сжа­тии и низкой при растяжении. Главный недостаток кера­мики — высокая хрупкость. Рассмотрим наиболее важ­ные виды технической керамики.

Корундовая керамика на основе А1₂О₃ получила наи­большее распространение. Характеризуется температу­рой плавления 2050 °С, плотностью 3,97 г/см³, высокой прочностью, теплостойкостью, химической стойкостью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами. Сырьем для получения чистого оксида алюминия являются бокситы, содержащие от 50 до 100 % А1₂О₃. Эта керамика широко применяется для изготовления инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературных печей, керамических подшипни­ков, тиглей для плавки металлов, сопел, в приборострое­нии и электротехнике.

Керамика из оксида циркония ZrО₂, характеризуется низ­кой теплопроводностью, высокой прочностью, высокой температурой плавления — 2677 °С, плотностью 5,56 г/см³.

Поэтому она используется для работы при высоких температурах — до 2200 °С. Из нее изготовляют тигли д_л плавки металлов, тепловую изоляцию печей и реакторов теплозащитные покрытия на металлах, детали двигателей внутреннего сгорания. Недостатками этой керамики яв­ляется низкая стойкость к резкой смене температур и высокая стоимость.

Керамика из оксида магния МgО имеет высокую темпе­ратуру плавления — 2800 °С, плотность 3,58 г/см³, облада­ет стойкостью к действию основных шлаков различных металлов. Поэтому применяется для изготовления тиглей и футеровки печей. Недостаток оксида магния — летучесть при высоких температурах, низкая термическая стойкость.

Керамика из оксида бериллия ВеО характеризуется высокой теплопроводностью и термостойкостью, темпе­ратурой плавления 2580 °С, плотностью 3,03г/см³, низкой прочностью, хорошо рассеивает ионизирующее излуче­ние и замедляет тепловые нейтроны. Поэтому использу­ется в конструкции ядерных реакторов и для изготовле­ния тиглей для плавки металлов. Недостатками этой ке­рамики является высокая стоимость и токсичность.

Керамика из оксида урана UО₂ имеет высокую темпе­ратуру плавления — 2760 °С, очень высокую плотность 10,96 г/см³, обладает радиоактивностью. Она применяет­ся для тепловыделяющих элементов в ядерных энергети­ческих установках.

Карбид кремния SiС (карборунд) обладает высокой твердостью, прочностью, химической стойкостью, жаро­стойкостью до 1800 °С, температурой плавления 2600 °С, плотностью 3,2 г/см³. Применяется в качестве абразивно­го материала, защитного покрытия графита, деталей дви­гателей внутреннего сгорания, нагревательных стержней.

Нитрид кремния Si₃N₄ характеризуется высокой проч­ностью, жаропрочностью, износостойкостью, жаростойкостью до 1800 °С, плотностью 3,2 г/см³. Применяется для деталей двигателей внутреннего сгорания.

Бориды тугоплавких металлов (TiВ₂ , ZrВ₂) характери­зуются высокой твердостью, износостойкостью, обладают металлическими свойствами, очень высокой температурой плавления. Их используют в качестве износостойких и защитных покрытий. ZrВ₂ используют для изготовления термопар, работающих в среде расплавленных металлов.