Керамический материал: свойства, технология производства, применение

Первые керамические изделия появились задолго до того, как люди научились выплавлять металл. Древние горшки и кувшины, которые археологи находят по сей день, являются тому подтверждением. Стоит заметить, что керамический материал имеет уникальные свойства, которые делают его в некоторых сферах просто незаменимым. Давайте рассмотрим с вами особенности керамики, поговорим о её производстве и характеристиках.

Общие сведения

Получают керамические изделия путем спекания глины и смесей с органическими добавками. Иногда используют оксиды неорганических соединений. Первые такие изделия появились еще 5 000 лет назад. За это время технология производства существенно усовершенствовалась, и сегодня нам доступны высокопрочные керамические изделия. Они используются в строительстве для облицовки фасадов, полов, возведения стен и т. д.

Есть керамические изделия с плотным и пористым черепком. Ключевое отличие между ними заключается в том, что плотный черепок является водонепроницаемым. Это фарфоровые изделия, плитки для полов и т. п. Пористый черепок - черепица, керамический камень, дренажные трубы и другое.

История возникновения

Слово "керамика" в переводе с греческого означает "глина". Естественно, для изготовления любого изделия использовалась своего рода смесь. В неё добавлялись необходимые материалы в зависимости от того, что нужно было получить в конечном итоге. Первое время вручную, а несколько позже и на специальном станке изделию из глины придавалась специальная форма. В дальнейшем керамические изделия обжигаются в печах при высокой температуре.

Во многих странах использовались собственные технологии производства. Это касается гончарных масс, росписи и глазурования. Первым государством, которое добилось существенного развития данной отрасли, считается Египет. Именно производство керамики там было налажено в первую очередь. Изделия были из грубой и плохо перемешанной глины, но в дальнейшем технология усовершенствовалась. Сегодня находят кирпичи из желтой глины, которые якобы использовались при строительстве пирамид Мемфиса.

Появление фарфора

Долгое время в Китае использовали такой материал, как нефрит. Он был красивым, но довольно хрупким и сложным в обработке. Спустя долгие годы поисков было найдено решение. Фарфор более прост в изготовлении. Тем не менее и тут были свои нюансы. К примеру, слюду и цваоку, которые находили в "фарфоровых камнях", перетирали в мелкий порошок и хранили более 10 лет. Делалось это для того, чтобы материал стал максимально пластичным. Первыми фарфоровыми изделиями в Китае были высокие и вытянутые сосуды. Они имели полированную поверхность и голубой или темно-зеленый цвет. Последние ценились больше всего.

Сегодня считается, что именно Китай является государством, где фарфор был распространен наиболее широко. Это действительно так, хотя он был популярен и в Европе, но появился там позже, и его производство развивалось дольше.

Основные виды керамики

В настоящее время изделия из глины имеют широкую классификацию. Так, гончарные предметы можно поделить на две основных группы:

• неглазированная керамика (терракота и гончарная);
• глазированная (майолика, фаянс, фарфор, шамот).

Терракота - с итальянского "обожженная земля". Изделия изготавливаются из цветной глины и имеют пористую структуру. Из терракоты делают вазы, посуду, а также игрушки и черепицу.

Гончарная же керамика более сложна в обработке. Для того чтобы сделать её водонепроницаемой, необходимо лощение. Дальше изделие подвергается морению. Для этого его оставляют в горячей печи в дыму до полного остывания. Сегодня многие виды керамики, в частности гончарная, крайне популярны. Используется она в быту для хранения молока, сыпучих материалов или как декор.

Что же касается второго вида - глазированной керамики, то тут наибольшей популярностью пользуются фарфор и фаянс. Первый более дорогостоящий и трудоемкий в производстве, второй - практичный и дешевый. Различаются они между собой тем, что фарфоровые изделия содержат меньше глины и больше специальных добавок. Кроме того, фарфор просвечивается на свету, в отличие от фаянса.

Об огнеупорах

Изделия из смесей глины являются огнеупорными. В зависимости от назначения они могут выдерживать температуру от 1 300 до 2 000 градусов по Цельсию, и даже выше. Используется специальная печь для обжига керамики. Огнеупорные материалы в наибольшем количестве применяются в металлургическом процессе. Там они используются для конструирования доменных печей и агрегатов.

Вполне логично говорить о том, что с повышением температуры прочность огнеупора не теряется, а, наоборот, повышается. Достигается это за счет наличия в составе тугоплавких оксидов, силикатов и боридов. Они используются практически везде, где имеют место высокотемпературные процессы. Очень часто они встречаются формованными, то есть в виде конкретного изделия, допустим, кирпича. Реже необходимо применение неформованных огнеупоров в виде порошка.

Керамика в строительстве

Преимущества керамических материалов заключаются в том, что их запасы практически не ограничены. Наряду с простотой производства и высокой долговечностью такого изделия, сегодня оно является незаменимым в строительной сфере. Если брать стеновые материалы, то лидирующую позицию тут занимает именно глиняный кирпич.

Это же касается и керамической плитки, которая, несмотря на появление полимеров, не сдает позиции. Она все так же используется для оборудования помещений с повышенной влажностью и температурой. Среди облицовочных материалов первое место занимает керамзит.

За последние несколько лет на 4 % увеличилось производство пустотелого керамического блока и кирпича. Для их изготовления необходимы минимальные изменения на кирпичных заводах и фабриках, при этом затраты окупаются за первый год продаж. За рубежом пустотелая керамика уже давно заняла лидирующую позицию и продается гораздо лучше обычного кирпича.

Специальные керамические материалы

К таким изделиям можно отнести санитарно-технические и канализационные трубы. Первые разделяются на три большие группы:

• из твердого фаянса (пористый черепок);
• санитарный фарфор (спекшийся черепок);
• полуфарфор (полуспекшийся черепок).

Основные требования, выдвигаемые к санитарно-техническим изделиям – это устойчивость к механическим повреждениям, теплостойкость. Рецептура должна соблюдаться в строгом порядке, это же касается и технологии. Используется только профессиональная печь для обжига керамики и высококачественное сырье. К санитарно-техническим изделиям стоит отнести раковины, унитазы, ванны, радиаторы и т. п. Верный способ проверки качества изделия – легкое постукивание по корпусу. Звук должен быть чистым и без дребезжания. Это указывает на обжиг при правильной температуре и отсутствия трещин.

Что касается канализационных труб, то они должны иметь плотный спекшийся черепок. Керамические трубы выпускаются диаметром 150-600 мм. Обычно покрываются глазурью как изнутри, так и снаружи. Для таких изделий характерна высокая устойчивость к агрессивной среде и блуждающему электрическому току. Имеют умеренную стоимость, что делает их более доступными.

Физико-химические свойства керамики

Как уже было отмечено выше, все изделия можно разделить на две обширные группы: плотные и пористые. Плотные имеют коэффициент водопоглощения менее 5 %, пористые - 5 % и более. К последней группе можно отнести следующие изделия: глиняный кирпич (пористый и пустотелый), пустотные стеновые камни, облицовочную плитку, черепицу для кровли. Плотные керамические изделия - дорожный кирпич и напольная плитка. В санитарно-технической отрасли встречается как пористая, так и плотная керамика.

Говоря о физико-химических свойствах, нельзя не отметить ключевой недостаток керамики. Заключается он в повышенной хрупкости по сравнению с другими материалами. Тем не менее высокая доступность и универсальность делают данный материал одним из самых востребованных во многих отраслях промышленности и даже в повседневной жизни человека. Современные технологии позволяют получать гладкую поверхность сразу после обжига. Если требуется достигнуть определенного цвета, то добавляют окислы железа или кобальта.

Особенности микроструктуры

При нагревании керамика постепенно переходит в жидкое состояние. Оно отличается большим количеством простых и сложных соединений. При остывании происходит кристаллизация. Проявляется она в выпадении чистых кристаллов, которые увеличиваются в размерах. Когда масса твердеет, то в структуре образуется микроконгломерат. В нем зерна муллита сцементированы затвердевшей массой. Стоит обратить ваше внимание, что атомы кислорода образуют своего рода матрицу. В ней присутствуют маленькие атомы металлов, которые замещаются в пустотах между ними. Следовательно, в микроструктуре преобладают ионные и несколько меньше ковалентные связи. Химическая стабильность и устойчивость достигаются за счет наличия крепких и прочных химических соединений.

Как было отмечено выше, применение керамических материалов ограничено. Обусловлено это тем, что кристаллы неидеальны. Кристаллические решетки имеют множество дефектов: поры атомного размера, деформации и т. п. Все это существенно ухудшает прочность. Однако есть тут и свои нюансы. К примеру, при соблюдении технологии во время изготовления того или иного вида керамики вполне возможно добиться хороших результатов по прочности. Для этого крайне важно соблюдать температурный режим и длительность обжига изделия.

Характеристика и свойства глины

Глина – осадочная горная порода, которая независимо от состава и структуры при смешивании с водой образует пластичный материал. После обжига – камневидное тело. Обычно смесь плотная, в большей степени состоит из алюмосиликатов. Нередко в глинах находят и такие породы, как кварц, шпат, серный колчедан, а также гидроксиды и карбонаты кальция, магния и соединения титана.

Каолины – наиболее чистые глины, которые известны на сегодняшний день. Практически полностью состоят из каолинита. После обжига приобретают белый цвет. Необходимая для обработки пластичность достигается за счет наличия в структуре мелких зерен глинистого вещества (0,005 мм). Естественно, чем больше в составе такого вещества, тем пластичность выше, и наоборот.

К основным керамическим свойствам глин стоит отнести:

• пластичность – деформирование без нарушения целостности;
• связность;
• воздушная и огневая усадка;
• огнеупорность.

Сегодня используются различные отощающие и обогащающие добавки, которые позволяют изменять свойства материала в ту или иную сторону. Это приводит к тому, что керамические изделия становятся еще более востребованными и доступными.

Технологическая схема производства

Характеристика керамических материалов говорит о возможности использования глин в различных отраслях промышленности. Это привело к тому, что появился большой спрос, а следовательно, выросло предложение. Заводы по производству в большинстве случаев работают по одной и той же схеме:

• добыча сырья;
• подготовка;
• формирование и сушка;
• обжиг и выпуск продукта.

Для минимизации затрат обычно фабрики возводят в непосредственной близости от месторождения глины. Добыча осуществляется открытым способом, то есть экскаватором. На следующем этапе выполняется подготовка массы. Сырье обогащается, дробится и перемешивается до однородной массы. Формирование будущего керамического изделия осуществляется мокрым и сухим способами. В первом случае массу увлажняют до 25 %, а во втором – не более 12 %.

Раньше часто использовалась естественная сушка. Однако результат зависел по большей части от погоды. Следовательно, в дождь или холод завод стоит. Поэтому используют специальные сушилки (газовые). Наиболее ответственным этапом является обжиг. Крайне важно соблюдать технологию, которая довольно сложна. Многое зависит и от охлаждения керамики. Не допускается резкий перепад температур, который может привести к искривлению плоскости. Только после этого можно продавать керамические материалы. Технология производства, как вы видите, непростая, состоит из нескольких этапов. Каждый из них должен соблюдаться. Если этого не происходит, то на полках магазина мы можем встретить брак.

Немного о недостатках керамики

Как уже было сказано, состав керамических материалов неидеален. В частности, это сказывается на прочности изделия из глины. Любое механическое повреждение может проявиться как скол, трещина и т. п. Это и является ключевым недостатком. Но есть и другие факторы, которые сдерживают повсеместное распространение рассматриваемого нами материала. Один из них – высокая стоимость. К примеру, черепица керамическая для кровли загородного дома - прекрасное с эстетической точки зрения решения, но обойдется такое удовольствие очень дорого.

При этом её внешний вид будет сохраняться не более 5 лет при надлежащем уходе. В дальнейшем происходит выцветание, появление мха на поверхности и т. п. Наряду с этим хрупкость и ломкость приводят к тому, что любое механическое повреждение может повлечь за собой протекание кровли, а это уже мало кому понравится. Конечно, современный керамический материал смотрится весьма эффектно, что достигается за счет широкой фактуры цветов и высокого качества изготовления. Но стоит он по-прежнему дорого, что зачастую и заставляет задуматься о целесообразности такого выбора.

Подведем итоги

Мы рассмотрели основные свойства керамических материалов. Исходя из всего выше сказанного, можно заключить, что такие изделия обладают некоторой уникальностью. Заключается она в том, что при отсутствии механических повреждений они прослужат очень и очень долго. Кроме того, керамический материал для литья жидкого металла на заводах также является незаменимым, ведь выдерживает высокие температуры.

Что же касается повседневной жизни, то тут керамика очень кстати. Специальная посуда для приготовления еды в духовке, хоть и изменила свой внешний вид за многие годы, но делается все так же из этого материала. Фарфор, несмотря на свою большую стоимость, обладает изящным видом и просто радует глаз. Это касается и фаянса, который при должном исполнении сложно отличить от фарфора.

В любом случае необходимо использовать керамический материал. В первую очередь это обусловлено большими запасами природной глины. Её действительно много, и каждый год разрабатываются все новые и новые карьеры по добыче этого природного ресурса. Второй немаловажный фактор – экологическая чистота. Раньше у людей вообще не было возможности использовать какие-либо вредные добавки для улучшения прочностных характеристик изделия. Сегодня ситуация изменилась, пусть и не слишком критично. Керамическая плитка, в отличие от синтетических материалов, не вредит здоровью. Это касается и посуды из керамики, которая, по сравнению с пластиком, особенно если последний нагрет, не наносит вреда вообще.