Свойства керамики
Свойства керамики зависят от ее состава и структуры, т.е. предопределяются взаимосвязью: состав - структура - cвойства.
Под структурой понимают фазовый состав и строение керамического черепка.
Фазовый состав. Керамические изделия и материалы состоя из трех видов фаз: кристаллической, стеклообразной и газовой. Как известно, фаза -это гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковые химический состав, физические свойства и границы раздела с другими фазами.
Кристаллическая фаза является основной, главной фазой керамики и предопределяет все ее свойства. Она может быть в структуре черепка в виде кристаллов одного химического соединения - минерала, т.е. мономинеральная. Например, корундовая керамика состоит из кристаллов корунда -Al2O3. Чаще всего керамический черепок содержит несколько кристаллических фаз. Так, фарфор содержит кристаллы муллита 3Al2O2∙SiO, кварца SiO2, кристобалита SiO2 это полиминеральная структура.
Стеклообразная фаза обычно присутствует в структуре керамики в виде прослоек между кристаллическими фазами и выполняет роль связки. В отдельных изделиях она представляет основную массу структуры черепка, в которой распределяются кристаллы. Такой является стеклокристаллическая структура фарфора, в которой главными являются стекловидная фаза и муллит, поэтому говорят «стекломуллитовая фаза».
Стеклообразная фаза может играть положительную роль (фарфор) и отрицательную (огнеупоры), что очень точно оценил М.В. Ломоносов, отметив «имеет от стекла часть крепости фарфор», понимая под «крепостью» прочность.
Такие технические свойства фарфора, как прочность и термостойкость, а также эстетические свойства - белизна, просвечивающая способность в значительной степени зависят от количества стеклообразной фазы.
Газовая фаза представляет собой воздух или другие газы, содержащиеся в порах. Количество газовой фазы очень различается в зависимости от вида керамики: в плотной керамике (фарфоре) ее не более 0,1-0,2%, а в теплоизоляционной пористой керамике - до 70-80% от массы черепка. Таким образом, керамика, керамические материалы представляют собой гетерогенное тело-сочетание твердого вещества (кристаллического и стеклообразного) и газовой фазы. Взаимное распределение и количественное соотношение кристаллической, стекловидной и газовой фаз и определяют строение керамического черепка и свойства изделий.
Важнейшими свойствами керамики являются: микроструктура и текстура; пористость и проницаемость; механическая прочность; термомеханические, теплофизические, термические и электрофизические свойства; химическая и радиационная стойкость; правильность формы и точность размеров изделия.
В зависимости от назначения керамические изделия должны обладать совокупностью конкретных свойств и независимо от вида керамики определенной прочностью, которая зависит от структуры черепка. Структура черепка оценивается как ее фазовым составом, так и микроструктурой, и текстурой.
Микроструктура - это характеристика кристаллических фаз, их вида, количества, формы и размеров кристаллов, а также стекловидной фазы и пор.
Текстура - это взаимное расположение кристаллов, стеклофазы и пор в структуре черепка, характер пор, их объем, размеры.
Прочность, термо-, морозо- и химическая стойкость предопределяются, помимо фазового состава, плотностью и пористостью керамического черепка, которые характеризуются рядом показателей.
В технологии керамики различают истинную и кажущуюся плотности.
Истинная плотность (просто плотность) d, кг/м3 - это масса М единицы объема V в абсолютно плотном состоянии, без учета пор:
.
Кажущаяся плотность - это масса единицы объема материала, включая поры, выражается в кг/м3.
В технологии керамики наряду с плотностью широко используются для характеристики структуры черепка показатели пористости.
Истинная пористость Пи %, - отношение суммарного объема пор в образце к общему объему материала, выраженное в процентах:
Пи= .
Кажущаяся (открытая) пористость Пк, %, - отношение объема пор в образце, заполняемых водой при кипячении, к общему объему материала:
Пк= .
По величине кажущейся пористости определяют спекшееся состояние керамики после обжига.
Закрытая пористость - это разность истинной и кажущейся пористости:
Пз=Пи-Пк
.
Данные табл. иллюстрируют структурную зависимость прочности керамики, которая выражается пределами прочности на сжатие осж, изгиб оиз и растяжение ар
Отметим, что для художественной керамики, изделий бытового назначения, подлежащих художественной обработке, весьма важными являются такие технические свойства как механическая прочность, термо- и химическая стойкость, правильность размеров, а также эстетико-потребительские свойства, предопределяющие красоту керамических изделий.
В связи с ограниченностью объема учебного пособия нет возможности подробно рассмотреть все свойства керамики.
Прочность керамики в зависимости от пористости
Вид керамики |
Кажущаяся (открытая) пористость Пк,% |
Предел прочности, МПа |
||
|
|
при сжатии сж |
при изгибе из |
при растяжении р |
фарфор |
0,1...0,2 |
300...500 |
40...80 |
13...53 |
Фаянс |
12...20 |
100 |
25...30 |
10...15 |
Огнеупоры |
10...16 |
50... 100 |
10...20 |
5...10 |
Керамический кирпич |
12...20 |
7,5...30 |
1,5...3,0 |
1...2 |
Теплоизоляционные материалы |
70...87 |
1,5...2,0 |
|
|
Рассмотрим лишь очень важное для художественной обработки керамики из теплофизических свойств - термическое расширение - изменение размеров тела в процессе нагревания при постоянном давлении. Термическое расширение характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения - или температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР)- , истинные значения которых определяются по формулам
где V-объем; -длина; t- температура.
В связи с более простым определением ТКЛР, чем объемного, на практике используют именно этот коэффициент, а объемный выражают через линейный по формуле
.
ТКЛР зависит от фазового состава и структуры керамики. Знание величин ТКЛР различных материалов, например керамического черепка и глазури, представляющей стекловидное покрытие керамики, имеет большое значение при глазуровании, т.к. их ТКЛР весьма различаются. В связи с этим важнейшим условием получения качественного глазурного покрытия при глазуровании керамики является соответствие (близость значений) ТКЛР глазури и керамического черепка. Отклонение их значений допускается в пределах до 15%. Термическое расширение существенно влияет на такое свойство керамики как термостойкость: чем больше ТКЛР керамики, тем ниже
коэффициент термостойкости изделий.