Вопрос № 2. Основные свойства художественной керамики

В зависимости от химического и минералогического состава, особенностей технологии производства, а также области применения изделия художественной керамики обладают определенными свойствами.

Плотность — величина, равная массе вещества, отнесенной к занимаемому им объему. Различают истинную, среднюю (кажущуюся) и насыпную плотности.

Истинная плотность материала q характеризуется массой единицы объема абсолютно плотного материала, т. е. без учета пор и пустот, и определяется отношением массы материала m (r) в сухом состоянии к объему V (см³) в абсолютно плотном состоянии:

Q = m / V.

Средняя (кажущаяся) плотность Qm характеризует отношение массы материала ко всему занимаемому им объему, включая поры:

Qm = m / V ₁,

где m — масса сухого образца, г; V ₁, — объем образца, включая поры, см ³.

Пористость — степень заполнения объема материала порами. Общая пористость П_общ определяется отношением суммарного объема открытых и закрытых пор образца к его объему и выражается в процентах:

П_о6щ=(1 - q_m / q)*100,

где q — истинная плотность, г/см³; q_m — средняя (кажущаяся) плотность, г/см³.

Открытая пористость П_отк определяется отношением объема открытых пор, т. е. доступных для воды и сообщающихся между собой и внешней средой, к объему образца и выражается в процентах:

П_отк = [(m ₂ — m ₁)/(m ₂ — m)]*100,

где m ₁ — масса сухого образца, г; m — масса гирь, уравновешивающих насыщенной жидкостью образец, г; m ₂ — масса образца, насыщенного водой, г.

Закрытая пористость П_зак характеризуется отношением объема всех пор в материале, не сообщающихся с внешней средой, к объему образца со всеми порами. Определяют закрытую пористость как разность общей и открытой пористости:

П_зак = П_общ - П_{отк .}

Водопоглощение W _погл — способность материалов впитывать и удерживать в своих порах воду. Водопоглощение зависит от пористости материала и характеризуется степенью заполнения открытых пор керамического материала при кипячении в воде; выражается в процентах:

W _погл = [(m ₂ — m ₁)/ m ₁ ]*100,

где m ₁ — масса сухого образца, г; m ₂ — масса образца, насыщенного водой, г.

Объемное водопоглощение W _погл определяют по формуле

W _погл = [(m ₂ — m ₁)/ V ]*100,

где V — объем образца в естественном состоянии, см³.

Гигроскопичность — способность материала поглощать водяные пары из атмосферы. Гигроскопичность зависит от вида материала и характера его пористости. Она определяется как отношение массы влаги, поглощенной образцом из воздуха, к массе сухого образца.

Термическая стойкость — способность керамических материалов противостоять разрушению при внезапном резком нагревании или охлаждении, когда в материале в результате термических напряжений возникают микротрещины, понижающие прочность изделий или приводящие к их разрушению. Термическая стойкость керамических материалов зависит от их физико-химических и механических свойств, формы и размера изделий, условий их нагревания и охлаждения.

Тепловое расширение.е. Керамические изделия при температурных изменениях в процессе эксплуатации подвергнется тепловому расширению (линейное и объемное), которое определяется температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). ТКЛР характеризует относительное изменение линейных размеров образцов керамического материала при их нагревании на 1°С. Вычисляют ТКЛР по формуле

α =(l _t- l _o)/[ l _o (t_k - t _н)]= Δ l /[ l _o (t_k - t _н)],

где α — температурной коэффициент линейного расширения, 1/град;

l _t и l _o —длины испытываемого образца при соответственно конечной и начальной температурах t_k и t _н.

Температурный коэффициент линейного расширения — один из важнейших показателей керамических материалов и глазурей. Только при соответствии ТКЛР черепка изделия и глазури (табл. 1) можно получить качественные изделия, в противном случае появляются трещины на глазури (если ТКЛР черепка больше ТКЛР глазури) или происходит ее отслаивание (если ТКЛР черепка меньше ТКЛР глазури).

Теплоемкость — способность материала поглощать тепловую энергию при нагревании. Теплоемкость характеризуется количеством теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на 1°С. Теплоемкость с (кДж/(кг*°С) единицы массы называется удельной и вычисляется по формуле: c = Q /(m ΔT), где Q — количество теплоты, сообщенное материалу, кДж; m — масса нагреваемого материала, кг; Δ Т — изменение температуры, °С; Δ Т = t_l —t ₀, где t ₀ и t ₁ — начальная и конечная температуры материала.

Теплопроводность — способность материала пропускать теплоту через свою толщу от одной своей поверхности к другой. Она зависит от физико-химических свойств материала, его пористости, прочности и др. С повышением теплопроводности увеличивается термостойкость материала.

Таблица 1. Температурные коэффициенты линейного расширения масс и глазурей

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению в результате действия внешних нагрузок. При сжатии внешние силы стремятся сблизить между собой элементарные частицы материала, при растяжении — отдалить их одну от другой.Прочность характеризуется пределом прочности, т. е. наибольшим напряжением, при котором происходит разрушение материала. В зависимости от характера приложения нагрузки различают предел прочности при сжатии и растяжении.

Предел прочности, при сжатии σ_сж (Па) определяют по формуле

σ_сж = Fpзp /S,

где Fpзp —разрушающая нагрузка, Н; S — площадь поперечного сечения образца, см².

Предел прочности при растяжении σ_рст (Па) вычисляют по формуле

σ_рст = 50 Fpзp /S.

Ударная вязкость материала характеризуется пределом прочности при ударном изгибе. Ударная вязкость — один из важнейших эксплуатационных показателей керамических изделий, так как он определяет способность материалов не давать трещин и не разрушаться под воздействием ударных изгибающих нагрузок. Оценивается работой до разрушения надрезанного образца при ударном изгибе, отнесенной к площади его сечения в месте pro надреза; выражается в Дж/м².

Твердость - способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого более твердого материала. Твердость характеризует прочность поверхностных слоев материала.

Истираемость — способность материала сопротивляться воздействию истирающих усилий. Истираемость характеризуется уменьшением массы изделия в результате износа его поверхности в процессе эксплуатации.