Физические свойства керамики кратко

Обновлено: 05.07.2024

Кера́мика (греч. keramike — гончарное искусство, от keramos — глина), обширная по составу группа диэлектрических материалов, объединенных общностью технологического цикла. В настоящее время под словом керамика понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами, при изготовлении изделий из которых требуется высокотемпературный обжиг.

Состав керамики

Керамический материал состоит из нескольких фаз. Основными фазами являются кристаллическая (одна или несколько) и стекловидная. Кристаллическая фаза определяет характерные свойства керамического материала и представляет собой химические соединения или твердые растворы этих соединений. Основные физические свойства керамики — электрические, пьезоэлектрические, магнитные, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность — во многом зависят от особенностей кристаллической фазы. Стекловидная фаза находится в керамическом материале в виде прослоек, связывающих кристаллическую фазу. Количество стекловидной фазы и ее состав определяют в основном технологические свойства керамики — температуру спекания, степень пластичности керамической массы при формовании. От содержания стекловидной фазы зависят также плотность, степень пористости и гигроскопичность материала. Наличие газовой фазы (газы находятся в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений. Поры ухудшают свойства керамики, особенно при повышенной влажности.

Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства. Керамические материалы благодаря таким свойствам, как высокая нагревостойкость, отсутствие у большинства материалов гигроскопичности, хорошие электрические (пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические) и магнитные характеристики при достаточной механической прочности, стабильности характеристик и надежности, стойкость к воздействию излучения высокой энергии и использование достаточно дешевого и доступного сырья обеспечило их широкое применение в различных областях.

В зависимости от назначения керамики получение заданных свойств изделий достигается подбором сырьевых материалов и добавок и особенностями технологии. Основным сырьем в керамической промышленности являются глины и каолины вследствие их широкого распространения и ценных технологических свойств. Важнейшим компонентом исходной массы при производстве тонкой керамики являются полевые шпаты (главным образом микролин) и кварц. Однако повышенные и резко дифференцированные требования, предъявляемые к керамике металлургией, электротехникой и приборостроением, обусловили развитие производства различных видов технической керамики на основе чистых окислов, карбидов и различных соединений.

Производство керамики

Технологическая схема керамического производства в качестве обязательных включает в себя следующие операции:

тонкое измельчение и тщательное смешивание исходных компонентов;
пластификация массы и образование формовочного полуфабриката;
формование заготовок из пластифицированной массы;
спекание изделий (высокотемпературный обжиг).

Формование изделий осуществляют методом прессования, пластической протяжкой (выдавливанием) через мундштук или горячим литьем под давлением. Выбор способа формования определяется техническими, экономическими и технологическими факторами, главными из которых являются форма, размер и точность детали, количество изготовляемых деталей и технологические свойства применяемых масс.

Например, крупногабаритные изделия сложной конфигурации формуют путем литья жидкой керамической массы (водного шликера) в гипсовые формы, которые разбивают при извлечении заготовок. Преимущественно формуются из пластичных масс в гипсовых формах на полуавтоматах и автоматах хозяйственный фарфор и фаянс. Санитарно-строительная керамика сложной конфигурации отливается в гипсовых формах из керамического шликера на механизированных конвейерных линиях. Радио- и пьезокерамика, керметы и др. виды технической керамики в зависимости от их размеров и формы изготовляются главным образом прессованием из порошкообразных масс или отливкой из парафинового шликера в стальных пресс-формах.

Спекание изделий проводят в муфельных или туннельных электрических печах при температуре 1300 о С и выше. При спекании происходит выжигание пластификатора, завершаются химические реакции между компонентами. За счет слияния частиц фиксируется форма изделия, материал приобретает необходимую механическую прочность и заданные физические и электрические свойства. В зависимости от состава материала спекание (обжиг) может производиться не только в окислительной, но и в нейтральной и даже в восстановительной среде. Обжиг керамики является самым важным технологическим процессом, обеспечивающим заданную степень спекания. Точным соблюдением режима обжига обеспечиваются необходимый фазовый состав и все важнейшие свойства керамики. В процессе обжига вследствие испарения влаги, выгорания пластификатора и уплотнения материала происходит усадка изделий, т.е. уменьшение их размеров, но возрастают их механическая прочность и плотность. В соответствии с комплексом предъявляемых требований степень спекания разных видов керамики колеблется в широких пределах. Изделия из электрофарфора, фаянса и других видов тонкой керамики покрываются перед обжигом глазурью, которая при высоких температурах обжига (1000-1400 о C), плавится, образуя стекловидный водо- и газонепроницаемый слой.

По применению керамику подразделяют на строительную керамику, бытовую и санитарно-техническую (посуда, художественные изделия, умывальники) керамику, химически стойкую керамику, электротехническую керамику, радиотехническуюкерамику, теплоизоляционную керамику (керамзит, пенокерамика и др.) и огнеупоры.

По структуре различают грубую керамику (строительная, шамотный кирпич и др.), тонкую с однородной мелкозернистой структурой (фарфор, пьезо- и сегнетокерамика, керметы и др.), пористую с мелкозернистой структурой (фаянс, терракота, майолика и др.), высокопористую (теплоизоляционные керамические материалы).

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Физические свойства керамики — электрические, пьезоэлектрические, магнитные, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность — во многом зависят от особенностей кристаллической фазы. Электрическая прочность - способность керамического материала или изделия выдерживать действие приложенного к нему электрического напряжения. Электрическое сопротивление - физическая величина, измеряемая в омах, характеризующая противодействие керамики электрическому току, определяется как отношение приложенной к материалу электродвижущей силы
к силе тока. Диэлектрическая проницаемость - величина, показывающая, во сколько раз ослабевают силы взаимодействия точечных электрических зарядов, помещенных в данное вещество, по сравнению с силами взаимодействия их в вакууме. Диэлектрические потери - явление выделения тепла в диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле, вследствие превращения электрической энергии в тепловую.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Химическая стойкость - способность материала в течение длительного времени сопротивляться действию химически активных веществ - кислот, щелочей, агрессивных газов, солей.
Физические свойства
Удельный вес — вес единицы объема абсолютно плотного материала.
Объемный вес — вес единицы объема материала в естественном состоянии.
Объемный насыпной вес — вес единицы объема сыпучего материала, высушенного до постоянного веса или естественной влажности, рыхло насыпанного с высоты 10 см в мерный сосуд объемом от 1 до 50 л (в зависимости от предельной крупности зерен материала).
Пористость — степень заполнения объема материала порами.
Пустотность — степень заполнения объема материала или изделия пустотами (воздушными полостями).
Водопоглощение — свойство материала впитывать и удерживать в себе воду, характеризуемое степенью заполнения пор материала водой при его кипячении, выраженное в процентах к весу в сухом состоянии.
Водопроницаемость (Qв) — способность материала пропускать воду под давлением.
Газопроницаемость (Qг, м3/м2·ч) — способность материала пропускать (или не пропускать) газ (воздух).
Предел прочности при сжатии Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих при приложении нагрузки или других факторов.
Предел прочности при изгибе . Находясь в кладке, кирпич работает на изгиб.
Предел прочности при разрыве . Он соответствует условному напряжению, которое может выдержать образец или изделие из керамики без разрушения.
Предел прочности при ударе характеризует ударную вязкость — свойство, которым должны обладать материалы, применяемые для дорожного покрытия и полов.

Возросшие потребности в общественной и личной гигиене и необходимость защиты окружающей среды, требуют строительства современных и надежных канализационных систем.

Свойства керамики для канализационных систем:

Механическая прочность на обжим: 32 - 80 кН/м
Шероховатость: к = 0,02 - 0,05 мм
Объемный вес: 22 кН/м
Разрушающее напряжение при изгибе: 15 - 40 Н/мм
Разрушающее напряжение при растяжении: 100 - 200 Н/м
Твердость по Мосу (по шкале от 1 до 100): 7
Модуль Е: 50000 Н/мм

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Стойкость к истиранию

Керамика обладает высокой стойкостью к абразивному износу по сравнению с другими материалами, произведенным и промышленным способом, будь то органика или металл.

Герметичность

Процесс спекания глины происходит при высоких температурах, что гарантирует образование материала с высокой степенью герметичности. Действительно, при достижении температур до 1100-1150° пористость керамики сводится до минимума и, таким образом, образует надёжный барьер распространению вредных веществ, а также препятствует какому-либо контакту содержимого канализации с окружающей средой.

Механическая прочность

Находящиеся в грунте трубопроводы могут подвергаться значительным механическим воздействиям по причине статического давления почвы и возможных динамических внешних нагрузок. Эти воздействия частично могут быть уменьшены при правильном проектировании и установке. Но более всего важен выбор материала, который не поддавался бы таким воздействиям. Использование керамики гарантирует эффективное функционирование, неизменное во времени, и исключающее какие-либо трещины, изломы или овализацию, и все это благодаря твердости керамики и устойчивости к повышенным нагрузкам.

Водонепроницаемость

Герметичность керамики гарантирует водонепроницаемость трубопроводов. Водонепроницаемость гарантирована также на стыках и соединениях труб, что приводит к неизменяемости во времени расходов по эксплуатации. Соединение труб осуществляется с помощью эластичных полиуретановых уплотнителей. Эластичная муфта устанавливается промышленным способом, что гарантирует ее точные размеры, прилегание, равномерное уплотнение и, таким образом, гарантирует отличную герметизацию.

Скорость самоочищения

Низкий коэффициент шероховатости обеспечивает высокую скорость потока, который устраняет заторы, а также не позволяет задерживаться осадку на стенках трубы.

ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Керамика практически не поддается воздействию кислых растворов, даже высокой концентрации (единственное исключений - фтористоводородная кислота); щелочных растворов и моющих средств, которые сейчас используются в широком ассортименте; гражданских, промышленных и сельскохозяйственных канализационных вод; газов; минералов; нефти и нефтепродуктов низких концентраций, которые используются в отопительных системах (промышленных и домашних). Все эти характеристики, взятые в комплексе, при условии правильной установки и при отсутствии чрезвычайных происшествий, гарантируют практически бессрочную эксплуатацию керамических трубопроводов.

Химическая сопротивляемость агрессивным стокам составляет в пределах pH 0-14.

Заглянув в любую из комнат своего дома, мы почти наверняка увидим изделие из керамики. В кухне это прежде всего посуда, в ванной — плитка на полу и стенах, в гостиной — статуэтки на полках, в спальне — цветочные горшки, и так далее.

Этот материал наделен свойствами, которые дают возможность использовать его практически во всех сферах деятельности человека. Отметим, что керамику часто используют там, где необходима устойчивость к внешним агрессивным воздействиям: перепады температур, истирание, воздействие влаги и ветра.

Говоря о свойствах керамики, нельзя не упомянуть о том, что они в первую очередь зависят от типа. Тип керамики определяется составом масс, куда входят глина или каолин, отощающие вещества вроде кварцевого песка, а также различные плавни, их обработкой, длительностью и температурами обжига, особенностями глазурей. В зависимости от назначения, на выходе получаются изделия разной степени пористости и твердости, с различными показателями водопоглощения. Неизменность структуры и свойств керамики обеспечивается прочными химическими связями.

Керамические изделия характеризуются относительно высокой прочностью. Важно это потому, что от прочности зависит, в первую очередь, долговечность изделия. Прочность, в свою очередь зависит от пористости керамики. Поэтому самыми прочными считаются твердый фарфор и полуфарфор, а менее прочными — фаянс, майолика, мягкий фарфор. Также на прочность и твердость изделия влияют такие факторы, как добавленные в сырье примеси, технология изготовления, а также наличие микротрещин.

Влагонепроницаемость

Это то самое свойство, благодаря которому керамическая плитка является излюбленным материалом для отделки ванных комнат, санузлов, бассейнов, холлов, прихожих. То есть тех мест, где постоянно влажно. Вода не впитывается , а остается на поверхности, с которой ее легко собрать. Керамическая плитка легко моется и чистится, при этом она долго служит, не теряя привлекательного внешнего вида. Самым низким водопоглощением обладает глазурованная керамика. Именно из нее изготавливают посуду, которая долгие годы радует глаз хозяев.

Термостойкость

Это свойство обозначает, что керамика в состоянии выдерживать значительные перепады температур. Например, глазурованная керамика выдерживает перепад до 20 градусов не разрушаясь и не трескаясь. Термостойкость обусловливает использование керамики для изготовления посуды. Если бы не это свойство, чайник трескался бы всякий раз, как в него наливали кипяток для заварки. Наиболее термостоек фарфор и каменная керамика, из которой изготавливают чайники и чашки.

При этом керамика отличается плохой теплопроводностью, то есть неспособна удерживать в себе тепло. И если для напольной плитки это скорее недостаток, то для посуды — несомненный плюс: чашка с горячим кофе никогда не обожжет вам губы.

Экологичность

Одновременно с этим керамика не поддается действию активных химических веществ и не впитывает их. Именно поэтому изделия из керамики можно мыть при помощи чистящих средств, не боясь испортить поверхность.

Ну и, наконец, нельзя не отметить эстетические свойства керамики. Изделия из нее весьма многообразны по форме, цвету, фактурам поверхности и способам декорирования. Керамика открывает широкий простор для фантазии дизайнеров и просто творческих людей.

Читайте также: