Керамика и еёклассификация
Определение керамики
Термин керамика происходит от греческого слова ceramos, что означает глина, а ceramike - гончарное искусство. В настоящее время понятие «керамика» значительно шире, т.к. к керамике относят не только традиционные изделия из глины, но и изделия, полученные на основе тугоплавких неметаллических соединений не из глиносодержащих масс, а из чистых соединений берилия, циркония, магния, алюминия, титана, оксидов U2O3 (керамическое ядерное горючее) и др. Наиболее точное, на наш взгляд, определение керамики дано в энциклопедии «Неорганические материалы» (Киев: УСЭ, 1977. Т. 1 С. 232): «Керамические материалы, керамика -поликристаллические материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других тугоплавких соединений».
Поясним это определение. Поликристаллические материалы необходимо понимать как многофазные, т.к. структура керамики состоит из трех видов фаз: кристаллической, стеклообразной и газовой.
Важнейшим признаком керамической технологии является спекание -обжиг при высокой температуре, в процессе которого формируется фазовый состав и структура керамики. Последняя часть определения отражает виды керамики - традиционной на основе глиносодержащих масс и современной технической керамики на основе различных оксидов и тугоплавких соединений.
Классификация керамики
В связи с широким разнообразием керамических материалов и изделий керамика классифицируется в зависимоси от структуры черепка, наличия глазури, условий изготовления и области применения.
По структуре черепка с учетом пористости, газо - и водопроницаемости керамика классифицируется на две группы:
|
|
- плотная - со спекшимся, плотным черепком (водопоглощение W<5%), имеющим блестящий раковистый излом, не пропускающим воду и газы; это фарфор, кислотостойкая керамика, некоторые виды технической керамики;
- пористая с непросвечивающим черепком (водопоглощение W>5%), прилипающим к языку и имеющим тусклый землистый излом, пропускающим воду и газы при отсутствии глазури; к этой группе керамики относятся фаянсовые изделия, кирпич, керамические блоки, облицовочная плитка и др.
В зависимости от зернистости черепка керамику делят на тонкую, имеющую тонкозернистую структуру, и грубую - с грубыми зернами структуры черепка.
Тонкая керамика- это фарфор, фаянс, майолика, плавленные огнеупоры, техническая керамика.
Грубая керамика - кирпич, канализационные грубы, некоторые виды огнеупоров.
Перечисленные виды керамики могут быть глазурованные и неглазурованные.
Керамические изделия классифицируют также по производственно-отраслевому признаку и областям применения. Согласно этой классификации различают следующие группы керамики:
- строительная керамика- изделия, предназначенные для кладки зданий и сооружений: стеновая керамика(кирпич, керамические камни, блоки), кровельная - черепица; облицовочная керамика - плитки для наружной и внутренней облицовки стен и полов; санитарно-техническая керамика -раковины, унитазы, канализационные трубы и др;
- огнеупорные материалы, огнеупоры ( tогн> 1580 
)- изделия, применяемые для кладки промышленных печей, топок, аппаратов, работающих при высоких температурах, а также в качестве огнеприпаса при обжиге изделий и деталей различного назначения, в т.ч. фарфоровой и фаянсовой посуды, художественных изделий;
|
|
- химически стойкая керамика - изделия предназначенные для применения в агрессивных средах, стойкие к кислотам, щелочам, расплавам.
- тонкая керамика - хозяйственная и лабораторная фарфоровая и фаянсовая посуда, художественная, декоративная и другие виды изделий.
- техническая и специальная керамика - материалы и изделия со специфическими свойствами, применяемые в энергетике, авиационной ракетно-космической, атомной в электронно-вычислительной технике автомобилестроении, радиоэлектронике, электронике.
По своему практическому предназначению техническую керамику можно разделить на две группы:
• конструкционную - композитные материалы(композиты) для самолето - и ракетостроения, для двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении; огнеупорные оксидные материалы, подложки для микросхем ЭВМ и др;
• функциональную - сверхпроводящая керамика; полупроводниковые, пъезо-, сегнетоматериалы, керамическое ядерное горючее (U2O3) и др.
Свойства керамики
Свойства керамики зависят от ее состава иструктуры, 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 | 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.