Основные виды керамических материалов и изделий. Керамические материалы и изделия Керамические материалы основные разновидности и свойства

Керамическими называют строительные материалы и изделия, получаемые обжигом до камневидного состояния различных глиняных и им подобных масс.

3.1. Сырьевые материалы для производства керамических изделий

3.1.1. Глины. Глинами называют группу распространенных в природе осадочных горных пород, сложенных различными глинистыми минералами - водными алюмосиликатами - со слоистой кристаллической структурой. Важнейшими глинистыми минералами являются каолинит (Al 2 О 3 2 SiO 2 2H 2 O); галлуазит (Al 2 0 3 2SiO 2 4H 2 O) монтмориллонит (Al 2 O 3 4SiO 2 n Н 2 О); бейделлит (Al 2 O 3 3SiO 2 nН 2 О) и продукты разной степени гидратации слюд.

Если в глинах преобладают каолинит и галлуазит, то глины называют каолинитовыми; если преобладают монтмориллонит и бейделлит – монтмориллонитовые; если преобладают продукты разной степени гидратации слюд – гидрослюдистые. Высокодисперсные породы с преобладанием монтмориллонита называют бентонитами

Глинистые минералы определяют основную особенность глин - образовывать с водой пластичное теcто, способное в процессе высыхания сохранять приданную ему форму и после обжига приобретать свойства камня.

Наряду с глинообразующими минералами в глинах встречаются кварцы, полевой шпат, серный колчедан, гидроксиды железа, карбонаты кальция и магния, соединения титана, ванадия, органические примеси и др. примеси, которые влияют как на технологию производства керамических изделий, так и на их свойства.

Керамические свойства глин характеризуются пластичностью, связностью и связующей способностью, воздушной и огневой усадкой, огнеупорностью и цветом черепка после обжига.

Пластичность глин. Пластичностью глин называют способность глиняного теста под действием внешних сил принимать заданную форму без образования трещин и устойчиво сохранять ее.

Примеси, содержащиеся в глинах, понижают пластичность глин и тем в большей степени, чем выше их содержание. Пластичность глин повышается с увеличением количества воды в глиняном тесте, но до некоторого предела, сверх которого глиняное тесто начинает терять удобоформуемость (прилипает к поверхности глиноперерабатывающих машин). Чем пластичнее глины, тем больше они требуют воды для получения удобоформуемого глиняного теста и тем больше их воздушная усадка.

Техническим показателем пластичности является число пластичности:

Пл = W т – W р , 3.1

где W т и W р значения влажности в %, соответствующие пределу текучести и пределу раскатывания глиняного жгута.

Высокопластичные глины имеют водопотребность более 28%, число пластичности более 15, и воздушную усадку 10…15%. Изделия из этих глин сильно уменьшаются в объеме при высыхании и дают трещины. Излишняя пластичность устраняется введением отощающих добавок.

Глины средней пластичности имеют водопотребность 20…28%, число пластичности 7…15 и воздушную усадку 7…10%.

У малопластичных глин водопотребность менее 20%, число пластичности менее 7 и воздушную усадку 5…7%. Изделия из этих глин трудно формовать. Недостаточную пластичность устраняют путем освобождения от песка (отмучивания), вылеживания (естественного выветривания), измельчения в специальных машинах, обработкой паром или добавлением пластичной глины.

Связность – усилие, необходимое для разъединения частиц глины. Связность обусловлена малой величиной и пластинчатой формой частиц глинистого вещества. Чем выше количество глинистых фракций, тем выше связность.

Связующая способность глины выражается в том, что глина может связывать частицы непластичного вещества (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие – сырец .

Усадка глин. Глинистые минералы при смачивании глин водой набухают вследствие того, что поглощаемая ими вода располагается между отдельными слоями их кристаллических решеток; при этом межплоскостные расстояния решеток значительно увеличиваются. При сушке глин происходит обратный процесс, сопровождающийся усадкой.

Под воздушной усадкой (линейной или объемной) понимают уменьшение линейных размеров и объема образца из глиняного теста при высыхании. Воздушная усадка тем больше, чем выше пластичность глины.

При обжиге глин после удаления гигроскопической влаги и выгорания органических примесей происходит разложение глинистых минералов. Так, каолинит при температуре 500 - 600°С теряет химически связанную воду; при этом процесс протекает с полным распадом кристаллической решетки и образованием аморфной смеси глинозема А1 2 О 3 и кремнезема SiO 2 . При дальнейшем нагреве до температур 900 - 950° С возникают новые металлические силикаты, например муллит 3Al 2 О 3 2SiО 2 , и образуется некоторое количество расплава (жидкой фазы) вследствие плавления наиболее легкоплавких минералов, входящих в состав обжигаемых глиняных масс. Чем больше в составе глин окислов-плавней Na 2 O, К 2 O, MgO, CaO, Fe 2 O 3 , тем ниже температура образовали жидкой фазы. В процессе обжига под действием сил поверхностного натяжения жидкой фазы твердые частицы обжигаемого материала сближаются, и объем его уменьшается, т. е. происходит огневая усадка.

Огневой усадкой (линейной или объемной) называется уменьшение линейных размеров и объема высушенных глиняных образцов в процессе обжига.

Переход глиняных масс при обжиге и последующем охлаждении в камнеподобное тело обусловлен сцеплением частиц в результате диффузионных процессов, приводящих к возникновению новых кристаллических силикатов за счет топохимических реакций, и образованием стекловидного расплава, связывающего отдельные огнеупорные зерна в прочный монолитный черепок. Процесс уплотнения глиняных масс при обжиге принято называть спеканием .

Температура обжига, при которой водопоглощение обожженного изделия составляет 5%, принимается за начало спекания глин . Температурный интервал между огнеупорностью и началом спекания называется интервалом спекания глин. Он зависит от состава глин: чистые каолиновые глины имеют интервал спекания более 100° С, присутствие в составе глин кальцита СаСО 3 уменьшает интервал спекания. При производстве плотных керамических изделий можно использовать только глины с большим интервалом спекания.

Огнеупорность глин зависит от их состава. Для чистого каолинита огнеупорность равна 1780° С. По огнеупорности глины подразделяются на огнеупорные - с огнеупорностью более 1580° С, тугоплавкие -с огнеупорностью 1350 - 1580° С и легкоплавкие - с огнеупорностью менее 1350° С.

Для получения керамических строительных материалов используют преимущественно легкоплавкие (кирпичные) глины, содержащие значительное количество кварцевого песка, соединений железа и других плавней.

Цвет глиняного черепка , после обжига зависит от состава глин, в частности от присутствия в них окислов; железа. Соединения железа окрашивают керамический черепок в красный цвет при обжиге в окислительной среде и в темно-коричневый или черный цвет при обжиге в восстановительной среде. Интенсивность окраски повышается с увеличением содержания в глине Fe 2 O 3 .

3.1.2. Отощающие материалы. Отощающие материалы добавляют к пластичным глинам для уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях.

В качестве отощающих материалов используют кварцевый песок и пылевидный кварц (природные материалы), дегидратированную глину (получают нагреванием глины до 600…700 о С – при этом глина теряет пластичность), шамот (получают обжигом огнеупорных или тугоплавких глин при 1000…1400 о С с последующим измельчением до 0,16…2 мм), золы и шлаки (отходы промышленности).

3.1.3. Порообразующие материалы. Порообразующие материалы вводят в сырьевую массу для получения легких керамических изделий с повышенной пористостью и пониженной теплопроводностью.

Для этого используют вещества, которые при обжиге диссоциируют (например, мел, молотый доломит и др.) с выделением газа (например, СО 2), или выгорают (древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль и др.). Эти добавки одновременно являются отощающими.

3.1.4. Плавни. Плавни добавляют в глину в тех случаях, когда необходимо понизить температуру ее спекания.

Для этого используют полевые шпаты, железную руду, доломит, магнезит, тальк и т.п. При получении цветной керамики в сырьевую массу добавляют в качестве плавней оксиды металлов: железа, кобальта, хрома и т.п.

1.5. Глазури и ангобы. Для придания стойкости к внешним воздействиям, водонепроницаемости и декоративного вида поверхность некоторых изделий (облицовочный кирпич, керамическая плитка, керамические трубы и др.) покрывают глазурью или ангобом .

Глазурь – стекловидный слой, нанесенный на поверхность керамического материала, закрепленный на нем с помощью обжига при высокой температуре. Глазури могут быть прозрачными и не прозрачными (глухими), иметь различный цвет.

Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, оксиды свинца или стронция, борную кислоту, буру и др. Состав глазури, как правило, является ноу-хау предприятия. Сырьевую смесь размалывают в порошок (в сыром виде или после сплавления в виде фритты) и наносят в виде суспензии перед обжигом.

Ангоб изготавливают из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность сырцового изделия. В отличие от глазури ангоб не дает при обжиге расплава, т.е. не образует стекловидного слоя, и поэтому поверхность получается матовой. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

3.2. Основы технологии производства керамических изделий

Процесс производства всех керамических изделий включает добычу глины, подготовку глиняных масс к формованию, формование изделий, сушку, обжиг.

Для некоторых керамических изделий процесс их получения (после обжига) заканчивается внешней отделкой.

При производстве керамической плитки, керамических труб, санитарно-технических изделий технология дополнительно включает глазурование перед обжигом или после первичного обжига, а иногда и нанесение рисунка различными методами (чаще всего декорированием).

Добыча и транспортировка глины. В большинстве случаев глину добывают открытым способом, для чего используют одно- и многоковшовые экскаваторы, скреперы и другие механизмы. На завод глину доставляют рельсовым транспортом, автотранспортом, подвесными дорогами и конвейерами.

Подготовка керамической массы. Карьерная глина в большинстве случаев не пригодна для получения керамических изделий. Поэтому технология любого керамического производства начинается с приготовления керамической массы.

Цель этой стадии производства – разрушить природную структуру глиняного сырья, удалить вредные примеси, измельчить крупные куски и получить однородную удобоформуемую массу.

При подготовке к формованию глин высокой (избыточной) пластичности в их состав вводят отощающие и порообразующие добавки, а при необходимости и плавни. При наличии в глине каменистых включений крупностью свыше 5 мм ее пропускают через камневыделительные вальцы или эти включения измельчают, обрабатывая глину на бегунах.

Затем в глиномешалке глину перемешивают с водой для получения глиняного теста формовочной влажности.

В зависимости от вида изготавливаемой продукции и свойств сырья керамическую массу получают пластическим, полусухим и шликерным (мокрым) способом и соответственно выбирают способ формования.

Формование изделий.

Пластический способ формования. При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают друг с другом с добавкой воды до получения теста. Влажность получаемой массы колеблется от 15 до 25 % и более. Подготовленная глиняная масса поступает в формующий пресс, чаще всего в ленточный обычный или снабженный вакуум-камерой (рис. 3.1).

Разрежение способствует удалению воздуха из глины и сближению ее частиц, что повышает однородность и формуемость массы, а также прочность сырца. Глиняный брус требуемого сечения, выходящий через мундштук пресса, разрезают резательным аппаратом на изделия (сырцовые изделия). Пластический способ подготовки массы и формования наиболее распространен при выпуске массовых материалов (кирпича сплошного и пустотелого, камней черепицы, облицовочных плиток и т.п.).

Полусухой и сухой способы формования.

При полусухом способе подготовки сырьевые материалы вначале подсушивают, дробят, размалывают в порошок, а затем перемешивают и увлажняют водой или, что лучше, паром, так как при этом облегчается прев ращение глины в однородную массу, улучшаются ее набухаемость и формовочная способность. Керамическая масса представляет собой малопластичный пресс-порошок с небольшой влажностью: 8...12 % при полусухом и 2...8 % (чаще 4...6%) при сухом способе формования. Поэтому изделия из таких масс формуют под большим давлением (15...40 МПа) на специальных автоматических прессах. Изделия после прессования иногда можно сразу обжигать без предварительной сушки, что ведет к ускорению производства, сокращению расхода топлива и удешевлению продукции. В отличие от пластического способа формования можно использовать малопластичные глины, что расширяет сырьевую базу производства. Полусухим способом прессования изготовляют кирпич сплошной и пустотелый, облицовочные плитки, а сухим способом - плотные керамические изделия (плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора).

Шликерный способ . По шликерному способу исходные материалы предварительно измельчают и тщательно смешивают с большим количеством воды (влажность смеси до 40%) до получения однородной текучей массы (шликера). Шликер используют непосредственно для изготовления изделий (способ литья) или для приготовления пресс-порошка, высушивая его в распылительных башенных сушилках. Шликерный способ применяют в технологии фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток.

Шликер с влажностью 35-45% заливают в гипсовые формы (или в формы из специальной пористой пластмассы). Вода из шликера впитывается пористым материалом, а на поверхности формы образуется сырцовое изделие. В зависимости от вида изделия, его формы и назначения шликер может полностью обезвоживаться в форме (наливной метод) – так изготавливают изделия сложной формы, например санитарно-техническую керамику и т.п., или частично обезвоживаться. При этом в процессе формования шликер доливают до требуемого уровня, а после истечения определенного времени полностью выливают из формы. При этом на поверхности формы остается тонкостенное изделие.

Сушка изделий.

Сушка - весьма ответственный этап технологии, так как трещины обычно возникают именно на этом этапе, а при обжиге они лишь окончательно выявляются. Обычно достаточным является высушивание сырца до остаточной влажности - 6...8%.

В процессе сушки продвижение влаги из толщи керамического изделия к наружным слоям происходит значительно медленнее, чем влагоотдача с поверхности, особенно это проявляется в ребрах и углах изделий. При этом возникает различная степень усадки внутренних и внешних слоев, а следовательно, создаются напряжения, которые могут привести к растрескиванию материала. Для предотвращения этого к жирным глинам прибавляют отощители, которые образуют жесткий скелет, препятствующий сближению глинистых частиц, увеличивают пористость изделия, что способствует продвижению воды из его внутренних слоев к наружным. Для уменьшения чувствительности глин к сушке применяют также паропрогрев и вакуумирование глин, используют некоторые органические вещества в малых дозах – лигносульфанаты (ЛСТ), дегтевые и битуминозные вещества и др.

Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях (в сушильных сараях). Естественная сушка, хотя и не требует затрат топлива, но в значительной степени зависит от погоды и длится очень долго (10...20 суток). В настоящее время сушку сырца, как правило, производят искусственно в специальных сушилках периодического (камерных) или непрерывного действия (туннельных). В качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигательных печей или горячий воздух из калориферов. Срок сушки сокращается до 2...3 сут, а иногда до нескольких часов.

Обжиг изделий.

Обжиг - важная и завершающая стадия технологического процесса керамических изделий. Суммарные затраты на обжиг достигают 35...40 % себестоимости товарной продукции. При обжиге сырца образуется искусственный каменный материал, который в отличие от глины не размывается водой и обладает относительно высокой прочностью. Это объясняется физико-химическими процессами, происходящими в глине под влиянием повышенных температур.

При нагреве сырых керамических изделий до 110°С удаляется свободная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы восстанавливаются. С повышением температуры до 500...700 °С выгорают органические примеси и удаляется химически связанная вода, находящаяся в глинистых минералах и других соединениях керамической массы, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства. Затем происходит разложение глинистых минералов вплоть до полного распада кристаллической решетки и образования аморфной смеси Аl 2 О 3 и SiO 2 . При дальнейшем нагреве до 1000°С вследствие реакций в твердой фазе возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита Al 2 O 3 -SiO 2 , и далее при 1200...1300°С переход его в муллит 3Аl 2 Оз-2SiO 2 . Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава (жидкой фазы). Расплав обволакивает нерасплавившиеся частицы, частично заполняет поры между ними и, обладая силой поверхностного натяжения, стягивает их, вызывая сближение и уплотнение. После остывания образуется камнеподобный черепок.

Обжиг изделий из «кирпичных глин» ведут при температуре 900…1000 о С. При получении изделий со спекшимся черепком из тугоплавких и огнеупорных глин обжиг ведут при температуре 1150…1400 о С.

Для обжига керамических материалов используют специальные печи: туннельные, кольцевые, щелевые, роликовые и др.

После обжига изделия охлаждают постепенно, чтобы предотвратить образование трещин.

Обожженные изделия могут различаться по степени обжига и по наличию дефектов.

3.3. Виды керамических материалов и изделий

Все керамические материалы делят на две группы (в зависимости от пористости) – пористые (с водопоглощением более 5%) и плотные (с водопоглощением менее 5%).

По назначению керамические материалы и изделия подразделяются на стеновые материалы, кирпич и камни специального назначения, пустотелые изделия для перекрытий, материалы для облицовки фасадов зданий, изделия для внутренней облицовки, кровельные материалы, трубы (канализационные и дренажные), огнеупорные материалы, санитарно-технические изделия.

К группе стеновых материалов относятся кирпич глиняный обыкновенный, пустотелый, пористо-пустотелый, легкие и пустотелые керамические камни.

По средней плотности в сухом состоянии стеновые материалы делят на классы А (ρ о = 700 - 1000 кг/м 3), Б (1000-1300 кг/м 3), В (1300-1450 кг/м 3) и Г (более 1450 кг/м 3):

Чем ниже средняя плотность стеновых материалов, тем больше их пористость и меньше теплопроводность. Минимальная пористость керамических стеновых материалов ограничивается соответствующими стандартами и контролируется их водопоглощением. Водопоглощение кирпича глиняного, обыкновенного и пустотелого полусухого прессования должно быть не менее 8%,. а пустотелого пластического формования и пустотелых керамических камней - не менее 6-%.

Все стеновые керамические материалы должны быть достаточно морозостойкими (не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии). Кирпич строительный легкий должен выдерживать не менее 10 циклов.

Кирпич строительный. Кирпичом глиняным обыкновенным называют искусственный, камень в форме прямоугольного параллелепипеда. Изготавливается одинарным с размером 250х120х65 мм или модульным с размером 250х120х88мм. Средняя плотность кирпича в сухом состоянии в зависимости от способа изготовления колеблется в пределах от 1600 до 1900 кг/м 3 . Более высокую среднюю плотность, а следовательно, и теплопроводность имеет кирпич полусухого прессования.

По пределу прочности при сжатии; и изгибе подразделяется на семь марок: 75, 100, 125, 150, 250 и 300. Кирпич глиняный обыкновенный применяют для кладки внутренних и наружных стен, столбов, сводов и других частей зданий, в которых полностью, используется его высокая прочность.

Обычный строительный кирпич имеет довольно большую теплопроводность, поэтому приходится возводить наружные стены большей толщины, чем это требуется по расчету на прочность. В подобных случаях более эффективно применение не столь прочного, но менее теплопроводного пустотелого, пористо-пустотелого и легкого кирпича.

Пустотелый кирпич имеет щелевидные пустоты или круглые отверстия, которые образуются в процессе пластического формования кирпича при прохождении глиняного бруса через специальный мундштук с металлическими кернами. Полусухим прессованием пустотелый кирпич изготовляют со сквозными и несквозными пустотами. Пористопустотелый кирпич получают аналогично пустотелому, но в состав глин вводят выгорающие добавки. Легкий пористый кирпич изготовляют как из глин с выгорающими добавками, так и из диатомитов (трепелов) с выгорающими добавками или без них.

Пустотелые керамические камни изготовляют так же, как и кирпич,- способом пластического прессования. Камни имеют следующие размеры: длина 250 или 288, ширина 120, 138, 250 или 288 и толщина 138 мм. Средняя плотность в сухом состоянии колеблется в пределах 1300-1450 кг/м 3 . По пределу прочности при сжатии по сечению брутто (без вычета площади пустот) камни подразделяют на марки 75, 100, 125 и 150.

По назначению различают керамические камни для кладки несущих стен одноэтажных и многоэтажных зданий и для внутренних несущих стен и перегородок.

Кирпич и камни специального назначения

К этой группе керамических материалов относятся кирпич глиняный лекальный, камни для канализационных сооружений и кирпич для дорожных одежд.

Кирпич глиняный лекальный изготовляют способом пластического формования четырех типов с различным радиусом кривизны. Предназначается он для кладки промышленных дымовых труб. По прочности при сжатии и изгибе кирпич подразделяется на марки 100, 125 и 150. Требования к лекальному кирпичу по морозостойкости и водопоглощению такие же, как и к обычному кирпичу.

Камни для канализационных сооружений имеют трапецеидальную форму и предназначаются для устройства подземных коллекторов. Они должны иметь пре дел прочности при "сжатии не менее 200 кгс/см2 (20 МПа).

Кирпич для дорожных одежд , иначе называемый клинкерным, получают обжигом до спекания, поэтому для его изготовления применяют тугоплавкие глины с большим интервалом спекания (около 100°С). Клинкерный кирпич разделяется на марки 400, 600 и 1000 с водопоглощением и морозостойкостью соответственно для М400 – 6% и 30 циклов; М600 – 4% и 50 циклов; М1000 – 2% и 100 циклов. Кроме того, к данному кирпичу предъявляют требования к сопротивлению истираемости и ударным воздействиям.

Клинкерный кирпич применяют для устройства одежды дорог, полов промышленных зданий, а также для кладки фундаментов, цоколей, столбов, стен ответственных сооружений и канализационных коллекторов.

Пустотелые керамические изделия для перекрытий. К этой группе изделий относятся:

Камни для часторебристых перекрытий марок 50, 75, 100, 150 и 200 со средне плотностью в сухом состоянии не более 1000 кг/м 3 ;

Камни для армокерамических балок марок 75, 100, 150 и 200 со средней плотностью не более 1300 кг/м 3 ;

Камни для накатов марок 35, 50 и 75 со средней плотностью не более 1000 кг/м 3 .

Рис. 3.3. Перекрытие из керамических камней

Керамические изделия для облицовки фасадов зданий

Для облицовки фасадов зданий применяют как не глазурованные керамические изделия, так и покрытые глазурью. Керамические изделия для облицовки фасадов зданий подразделяются на облицовочный кирпич и лицевые керамические камни, ковровую керамику, плитки фасадные малогабаритные, плиты керамические фасадные.

Кирпич и камни керамические лицевые не должны иметь выцветов, высолов, крупных включений и других дефектов. Лицевые поверхности кирпича и камня могут быть гладкими, рельефными или офактуренными.

Рис. 3.4. Размеры кирпича по стандартам ЕС.

По пределу прочности при сжатии и изгибе кирпич и камни делят на марки 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300. Водопоглощение их должно быть не менее 6 и не более 14%. В насыщенном водой состоянии они должны выдерживать без каких-либо повреждений не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Облицовочный кирпич может иметь размеры 250х120х65 мм или быть других размеров - (европейского и американского стандартов).

Ковровой керамикой называют набор мелкоразмерных (от 20х20 до 46х46 мм) тонкостенных глазурованных или неглазурованных плиток, наклеенных на бумажную основу. Требования к плиткам по морозостойкости и водопоглощению примерно те же, что и к лицевым керамическим камням.

Плитки фасадные малогабаритные изготовляют как глазурованными, так и без глазури.

Плиты керамические фасадные подразделяют на закладные, устанавливаемые одновременно с кладкой стен, и на прислонные, устанавливаемые на растворе после возведения и осадки стены. Плиты могут быть не глазурованными и покрытыми глазурью. Неглазурованные плиты называют терракотовыми. Изготовляют их из глин, имеющих после обжига белый или светло окрашенный черепок.

Требования по морозостойкости к фасадным плитам такие же, как и к другим керамическим материалам, применяемым для облицовки зданий: водопоглощение их не должно быть более 14%.

Керамические изделия для внутренней облицовки

К этой группе изделий относятся плитки для облицовки стен и плитки для полов.

Плитки для облицовки стен подразделяются на майоликовые, изготовляемые из легкоплавких глин с окрашенным, черепком и с лицевой стороны покрытые глухой (непрозрачной) глазурью, и фаянсовые, изготовляемые из огнеупорных беложгущихся глин с добавками отощающих материалов (кварцевого песка и молотого плиточного боя) с лицевой стороной, покрытой прозрачной белой или цветными глазурями. На глазурь различными методами может быть нанесен рисунок (шелкографией, декорированием и т.п.)

Раньше выпускали плитки квадратные (150х150 мм и 100х100 мм), прямоугольные (150х25, 150х75, 150х100 мм) и фасонные.

Сейчас большинство заводов Украины и России перешло на европейский стандарт – прямоугольные 300х200 мм (иногда 250х200, 400х225 мм). Однако в элитных коллекциях могут применяться и другие размеры плиток. В современных технологиях для получения правильной геометрии изделий используется высокоточное штамповочное оборудование, а также лазерная обрезка готовых изделий.

Толщина плиток не должна быть более 6 мм.

Плитки должны быть термически стойкими, т. е. на глазури не должны появляться отколы и поверхностные волосные трещины при нагревании до 125°С с последующим быстрым охлаждением в воде комнатной температуры. Как майоликовые, так и фаянсовые плитки имеют пористый черепок; водопоглощение их не должно превышать 16%.

Плитки применяют для внутренней облицовки стен санитарно-технических узлов, а также помещений с повышенной влажностью.

Плитки для полов изготовляют полусухим прессованием и обжигают до спекания. По виду лицевой поверхности плитки подразделяют на гладкие, с рельефом и тисненые, а по цвету - на одноцветные и многоцветные. По форме различают плитки квадратные, прямоугольные, треугольные, шестигранные, четырехгранные (половинки шестигранных), пятигранные и восьмигранные. Плитки для полов характеризуются высокой плотностью (водопоглощение не более 4%) и малым истиранием (потери массы при испытании не должны превышать 0,08 г/см 2).

Кровельные материалы (глиняная черепица)

Глиняная черепица-один из старейших кровельных материалов. Несмотря на это, глиняная черепица является одним из лучших кровельных материалов. Основные ее преимущества - долговечность (более 100лет) и огнестойкость. Кроме того, за счет поглощения - испарения воды и высокой теплоемкости черепица регулирует микроклимат помещения, повышая комфортность здания.

Изготавливают черепицу пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную, волнистую ленточную, S-образную ленточную и коньковую желобчатую. Для изготовления черепицы применяют легкоплавкие пластичные глины.

Ленточную черепицу изготовляют по схеме, аналогичной схеме производства кирпича по способу пластического формования. Однако глиняную массу перед формованием более тщательно обрабатывают, обычно на бегунах. Выходные отверстия мундштука пресса имеют форму, соответствующую форме черепицы, выходящей пи пресса в виде ленты; глиняную массу разрезают на резательных станках на отдельные черепицы. Штампованную черепицу прессуют в металлических или гипсовых формах на эксцентриковых прессах, обжигают в кольцевых или туннельных печах при температуре 1000-1100° С.

К глиняной черепице предъявляют следующие требования: разрушающая нагрузка при испытании черепицы на излом в воздушно-сухом состоянии должна быть не менее: 100 кг для S-образной, 80 кг для пазовой штампованной и 70 кг для всех остальных типов черепицы. Масса 1 м 2 покрытия из черепицы в насыщенном водой состоянии должна быть для плоской ленточной не более 65 кг, для остальных типов - не более 50 кг (за исключением коньковой, масса 1 м 2 которой не должна превышать 8 кг). В насыщенном водой состоянии черепица должна выдерживать не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Керамические канализационные и дренажные трубы

Канализационные трубы изготовляют из тугоплавких и огнеупорных глин. Формуют трубы на вертикальных ленточных прессах из пластичной хорошо подготовленной глиняной массы. После сушки труб на их внутреннюю и наружную поверхности наносят легкоплавкие
составы (глазурь), которые в процессе обжига труб образуют стекловидную пленку. Наличие тонкого слоя глазури на поверхности труб предопределяет их высокую стойкость к воздействию кислот и щелочей. Канализационные трубы делают круглого сечения с раструбом на одном конце. Трубы должны выдерживать гидравлическое давление не менее 2 атмосферы (0,2 МПа) и иметь водопоглощение черепка не более 9% для первого сорта и 11 % для второго. Высокая химическая стойкость керамических труб позволяет эффективно применять их для отвода промышленных вод, содержащих щелочи и кислоты, а также при укладке канализационных труб в агрессивных средах.

Дренажные керамические трубы изготовляют как не глазурованными без раструбов, так и глазурованными с раструбом различных диаметров. Они должны выдерживать без каких-либо признаков разрушения не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. Дренажные трубы применяют главным образом для осушения заболоченных почв,

Огнеупорные керамические материалы

Огнеупорными называются керамические материалы с огнеупорностью не менее 1580° С. Материалы, получаемые из огнеупорных глин, отощенных той же глиной, но предварительно обожженной до спекания и измельченной (шамотом), называют шамотными изделиями.

Шамотные изделия в форме кирпича называют шамотным кирпичом. Изготовляют его из огнеупорных глин полусухим прессованием или пластическим формованием с последующим обжигом до спекания при температуре 1300-1400° С. Из огнеупорных глин, отощенных шамотом, изготовляют также фасонные огнеупорные изделия, в том числе крупные блоки. Огнеупорность шамотных изделий примерно равна 1670-1770° С.

Шамотные огнеупоры характеризуются высокой термической стойкостью, способностью хорошо противостоять действию кислых топливных шлаков и расплавленного стекла при температурах до 1500° С. Используют их для кладки стен и сводов печей, обмуровки топок, дымоходов и т. п.

Санитарно-технические изделия

Оборудование санитарно-технических узлов жилых и производственных помещений (ванны, раковины и т. д.) можно изготовлять из фаянса, полуфарфора и фарфора.

Фарфором называют плотный керамический материал с черепком белого цвета, получаемый обжигом сырьевой смеси, в состав которой входят огнеупорная глина, каолин, полевой шпат, кварц и фарфоровый бой.

Фаянсом называют керамические материалы с мелкопористым черепком обычно белого цвета, для получения которых применяют те же, что и для фарфора, сырьевые материалы, но другой рецептуры. Так, для получения фаянса состав сырьевой массы может быть следующий (%): каолино-глинистая часть 45-50, кварцевый песок 35-45, полевой шпат 2-5, мел 10 и бой изделий или шамот 10-15. Фарфор отличается от фаянса большей плотностью и прочностью.

Полуфарфор по своим свойствам занимает промежуточное положение между фаянсом и фарфором.

Технология производства санитарно-технических керамических изделий включат все основные стадии. Стадия подготовки сырьевой смеси, как правило, более сложна. Санитарно-технические керамические изделия обычно получают путем литья жидкой массы (шликера) в формы с последующим высушиванием и обжигом изделий. Обжиг может быть одноразовый и двухразовый. Для придания санитарно-техническим изделиям водонепроницаемости и лучшего вида их покрывают глазурью. Глазуровочный состав (глазурь) наносят на отформованные изделия после сушки или первого обжига. При обжиге глазурь оплавляется и покрывает изделие тонкой блестящей пленкой.

Литература

1. Домокеев А.Г. Строительные материалы. – М. Высш. шк., 1989. – 495 с.
2. Горчаков Г.И. Баженов Ю.М. Строительные материалы. – М. Высш. шк., 1986.
3. Шейкин А.Е. Строительные материалы. – М. Высш. шк., 1978. – 432 с.
4. Савйовский В.В., Болотских О.Н. Ремонт и реконструкция гражданских зданий. – Харьков: Ватерпас, 1999 – 290 с

К атегория: Материалы для строительства

Основные виды керамических материалов и изделий

Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовленные из природных глин с минеральными и органическими добавками путем формования, сушки и последующего обжига. Производство керамических материалов - одно из самых древних и распространенных, возникло оно за несколько тысячелетий до н. э.

Положительными свойствами керамических материалов являются высокая прочность, долговечность, высокие теплотехнические свойства, простота изготовления, а также повсеместное распространение сырья для их производства. К отрицательным свойствам относят их хрупкость, сравнительно большую объемную массу и неин- дустриальность из-за малых размеров штучных керамических материалов.

Классификация керамических материалов и изделий. В основу классификации положены назначение, структура обожженного материала и качество исходного сырья. По назначению керамические материалы и изделия разделяют на стеновые (кирпич, камни пустотелые); кровельные (черепица); теплоизоляционные (керамзит, аглопорит); облицовочные (плитки, кирпич, камни); трубы (канализационные, дренажные); санитарно-техпические (умывальники, раковины и др.); для полов (плитки); дорожные (клинкер); огнеупорные и кислотоупорные изделия.

По структуре образующегося после обжига черепка все керамические строительные материалы делятся на пористые и плотные. Пористые материалы характеризуются водопоглощением 5% и более, плотные - менее 5%.

Керамические изделия могут быть глазурованными и неглазурованными. Глазури придают изделиям стойкость к внешним воздействиям, водонепроницаемость и высокие декоративные качества- По качеству сырья керамические материалы и изделия разделяют на грубые, тонкие и огнеупорные.

Сырьевые материалы. Основным сырьем для изготовления керамических материалов и изделий являются глины. В зависимости от кирпича. Пустотелый кирпич пластичного прессования (ГОСТ 6316-74) имеет в этом отношении преимущества перед обыкновенным кирпичом, так как наличие пустот повышает его теплоизоляционные свойства. По объемной массе кирпич разделяют на два класса: А - массой не более 1300 кг/м3 и Б - 1300-1450 кг/м3.

Кирпич из трепелов и диатомитов выпускают способом пластичного и полусухого прессования. В зависимости от объемной массы делится на три класса: А - 700-1000 кг/м3, Б - 1000-1300 кг/м3, В - более 1300 кг/м3.

Рис. 1. Камни керамические пустотелые а - двойной высоты; б - укрупненный целый и половинка

Шлаковый кирпич изготовляют способом полусухого прессования с объемной массой 1400 кг/м3.

Керамические пустотелые камни пластичного формования (рис. 1) выпускают размером 250 X 120 X 138 мм и укрупненные - 250 X 250 X 138 мм (ГОСТ 6316-74). Камни А имеют объемную массу брутто не более 1350 кг/м3, камни Б - до 1450 кг/м3. По пределу прочности при сжатии керамические камни разделяют на четыре марки: 75, 100, 125 и 150. ЕЬдопоглощение должно быть не менее 6%; морозостойкость - не менее 15 циклов.

Кровельная черепица - керамический материал, получаемый из легкоплавких глин путем прессования сырца, его сушки и последующего обжига. В настоящее время керамические заводы выпускают черепицу: пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную и коньковую. Черепица - долговечный и высококачественный материал, но в связи с большой объемной массой и хрупкостью ее сейчас сравнительно редко применяют и в основном только для кровель одноэтажных жилых и сельскохозяйственных зданий.

Теплоизоляционные керамические материалы. К таким материалам относятся: керамзит, аглотарит, диатомит, трепел, перлит вспученный.

Керамзит представляет собой легкий пористый материал в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород, способных вспучиваться при температуре 1050-1300° С. Керамзит обжигают во вращающихся печах диаметром 1,2-2,5 м и длиной 12-40 м. Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, объемной массой и прочностью. По размеру зерен керамзитовый гравий делят на фракцию: 5-10, 10-20 и 20-40 мм, зерна менее 5 мм относят к керамзитовому песку. В зависимости от объемной насыпной массы (кг/м3) керамзитовый гравий делят на марки: 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700, 800.

Аглопоритом называют искусственный пористый кусковой материал. Его получают спеканием (агломерацией) гранул из смеси глинистого сырья с углем.

Одновременно с выгоранием угля происходит частичное вспучивание всей массы. Пористую легкую глыбу аглопорита дробят на щебень. Аглопоритовый щебень имеет объемную массу от 300 до 1000 кг/м3 и прочность от 0,3 до 3 МПа.

Диатомитов ые и трепельные теплоизоляционные метериалы получают из одноименного сырья по обычной технологии в виде кирпичей, блоков, скорлуп и сегментов объемной массой 100-735 кг/м3.

Перлит вспученный получают путем термической обработки водосодержащих вулканических лав. Используют его в виде песка и щебня. Объемная масса перлитового песка 100-200 кг/м3, перлитового щебня 300-500 кг/м3.

Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовленные из природных глин с минеральными и органическими добавками путем формирования, сушки и последующего обжига.

Положительными свойствами керамических материалов являются высокая прочность, долговечность, высокие теплотехнические свойства, простота изготовления. К отрицательным свойствам относят их хрупкость, сравнительно большую объемную массу и не-индиЕндуальность из-за малых размеров штучных керамических материалов.

В основу классификации керамических изделий положены: назначение, структура обожженного материала и качество исходного сырья. По назначению керамические изделия разделяют на основные (кирпичные камки), кровельные (черепица), теплоизоляционные (керамзит, аглопорит), облицовочные (плитки, кирпичные камни), трубы (канализационные, Дренажные), санитар-но-технические (умывальники, раковины), для полов (плитки), дорожные (клинкер), огнеупорные и кислоупорные изделия.

По структуре, образующейся после обжига, все керамические строительные материалы делятся на пористые и плотные. Пористые материалы характеризуются водопогашением 5% и более, плотные - менее 5%.

Керамические изделия могут быть глазурованными и неглазу-рованными. Глазури придают изделиям стойкость к внешним воздействиям, водонепроницаемость и высокие декоративные качества. По качеству сырья керамические материалы и изделия разделяют на грубые, тонкие, огнеупорные.

Основным сырьем для изготовления керамических материалов и изделий является глина. В зависимости от содержания глинистых частиц природные глины разделяются на тяжелые, содержащие более 60% глинистых частиц, собственно глины - 30- 60%, суглинки-10-30% и супеси -5-10%.

По пластичности глины бывают высокопластичные (жирные), средней пластичности и малопластичные (тощие); по огнеупорности- огнеупорные с температурой размягчения свыше 1500° С, тугоплавкие- 1350-1580° С и легкоплавкие с температурой размягчения ниже 1350° С. Из огнеупорных глин изготовляют огнеупорные, фарфоровые и фаянсовые изделия, из тугоплавких - плитки для полов, канализационные трубы и другие виды строительной керамики, из легкоплавких - кирпич и черепицу.

В целях уменьшения усадки глин, исключения трещин и коробления изделия в состав глиняной сырьевой смеси вводят обогащающие добавки (песок, шлак, золу), а для снижения объемной массы изделий - порообразующие добавки (опилки, торф), которые выгорают в процессе обжига.

Для строительства промышленность выпускает большое количество керамических материалов, и в зависимости от назначения их можно разделить на стеновые, кровельные, теплоизоляционные, облицовочные, керамические трубы, санитарно-технические изделия, кислотоупорные и огнеупорные.

Стеновые материалы. К ним относятся кирпичи глиняный, обыкновенный пластичного и полусухого прессования, строительный легкий, пустотелый, пористо-пустотелый; камни пустотелые пластичного прессования.

Кирпич строительный - изделие, размеры и масса которого позволяют укладывать его в конструкции одной рукой. Размеры кирпича: одинарного - 250×120 мм, модульного (утолщенного) - 250X120X88 мм. Для уменьшения массы выпускают кирпичи со сквозными и несквозными технологическими пустотами.

Шлаковый кирпич изготовляют способом полусухого прессования.

Керамические пустотелые камни пластичного формирования выпускают размером 250X120X138 мм и укрупненные 250Х250X138 мм. По пределу прочности при сжатии керамические камни разделяют на четыре марки: 75, 100, 125, 150.

Кровельные материалы.

Кровельная черепица - керамический материал, полученный из легкоплавких глин путем прессования сырца, его сушки и последующего обжига.

Керамзит представляет собой легкий пористый материал в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород. В зависимости от насыпной объемной массы керамзитовый гравий делят на марки: 150, 200, 250, 300, 350, 400 ,450, 500, 550, 600, 700, 800.

Аглопоритом называют искусственный пористый кусковой материал. Его получают спеканием гранул из смеси глинистого сырья с углем. Одновременно с выгоранием угля происходит частичное вспучивание всей массы. Пористую легкую глыбу аглопорита дробят на щебень.

Теплоизоляционные материалы. Диатомитовые и трепельные теплоизоляционные материалы получают из одн-оименного сырья по обычной технологии в виде кирпичей, блоков скорлуп и сегментов объемной массы 100-735 кг/м3.

Пермит вспученный получают путем термической обработки водосодержащих и вулканических лав. Используют его в виде песка и щебня.

Блоки из кирпича и керамических камней представляют собой индустриальные изделия заданных размеров, в которых отдельные кирпичи или керамические камни сцементированы в монолит цементно-топочным раствором. Для изготовления крупных блоков используют кирпич глиняный, керамические пустотелые камни, кирпичи из трепелов и диатомитов.

Облицовочные материалы. Лицевой кирпич и камни применяют для облицовки фасадов зданий. Из них выполняют наружную часть кладки на глубину 12 см. Размеры кирпича 250Х120Х Х65 мм, камня 250×120×140 и 180X120X140 мм. Лицевой кирпич и камни выпускают полнотелыми и пустотелыми прямоугольной формы.

По прочности их разделяют на четыре марки: 75, 100, 125, 150.

Керамические плитки бывают фасадные, ковровые, облицовочные, для облицовки внутренних поверхностей стен, для полов.

Фасадные керамические плитки изготовляют способом полусухого прессования с глазурованной и неглазурованной поверхностью. Размеры плиток, мм: 250X140, 140X120, 120×65, 68X68. Толщина 7-10 мм.

Ковровые облицовочные плитки изготавливают способом полусухого прессования с глазурованной и неглазурованной поверхностью различных цветов. Плитки набирают в «коврик», наклейся их лицевой поверхностью на бумагу. Размеры плиток 48X48 и 22×22 мм при толщине 4 мм.

Керамические плитки для облицовки внутренних поверхностей стен выпускают двух видов: глазурованные (фаянсовые) и коврово-мозаичные.

Глазурованные плитки изготавливают способом полусухого прессования из огнеупорных глин с добавлением кварцевого песка и плавней. После сушки плитки покрывают глазурью и обжигают. Плитки бывают различного цвета и формы - квадратные и прямоугольные. Размеры плиток 150×150, 150×100, 150×75 мм при толщине 4-6 мм.

Коврово-мозаичные плитки изготавливают способом литья размером 50×150, 25×100 мм. Они могут иметь лицевую поверхность различного цвета и фактуры.

Керамичексие плитки для полов изготавливают прессованием и дальнейшим обжигом до спекания. По форме выпускают квадратные, прямоугольные, шестиугольные и другие плитки. Длина граней от 50 до 100 мм, толщина от 10 до 13 мм. По виду лицевой поверхности плитки бывают гладкие, шороховатые, шеневые.

- Основные виды керамических материалов и изделий

Керамика как поликристаллическое твердое тело состоит в общем случае из трех основных фаз:

• кристаллическая, состоящая из зерен,
• стекловидная (аморфная) – в виде прослоек, располагающихся между зернами,
• газовая – в виде пор между зернами, окруженными прослойками аморфной фазы.

Фарфор
Фаянс
Тонкокаменные изделия
Майолика
Терракота
Гончарная керамика
Шамотная керамика

Основное различие керамических материалов заключается в различном составе и соотношении между собой трех фаз, определяющих свойства керамических изделий. Структура, т.е. строение керамического тела, зависит от состава сырья и технологии данного материала. По дисперсности (размерам) элементов структуры керамические материалы бывают тонкокерамическими и грубокерамическими. Если керамика состоит из мелкодисперсных зерен, ее излом однороден и частицы малоразличимы, то такой материал относится к тонкокерамическим (прежде всего фарфор, фаянс, майолика и др.). Если же в структуре керамики наблюдаются крупные зерна, сама структура неоднородна, то перед нами грубокерамическое изделие (шамотные изделия, гончарная керамика, терракота). Гончарные изделия и терракоту, изготовленные из качественных глин без примеси крупных частиц, можно причислить также к тонкокерамическим изделиям, что говорит об условности такого деления.

Основные виды керамических материалов: фарфор, фаянс, тонкокаменные изделия, майолика, терракота, гончарная керамика, шамотная керамика.

Фарфор – вид керамики белого цвета с плотным раковистым изломом, высшее достижение керамической технологии. Для изготовления фарфора используют огнеупорные беложгущиеся глины и каолины, кварц и полевые шпаты (соотношение пластичных и отощающих материалов 1:1). Различают мягкий и твердый фарфор. Отличительными признаками фарфора являются: белизна, просвечиваемость, механическая прочность, твердость, термическая и химическая стойкость. Область применения: от изготовления посуды и изделий технического назначения до создания уникальных произведений искусства.

Фаянс (от названия итальянского города Фаэнца) – вид керамики белого цвета с мелкопористым изломом. Для изготовления фаянса используют огнеупорные беложгущиеся глины, кварц и различные добавки. В отличие от фарфора имеет непрозрачный пористый черепок, температура утильного обжига превышает температуру политого. Различают мягкий и твердый фаянс. Область применения: изготовление посуды, изделий технического назначения, декоративных изделий, строительной керамики.

Тонкокаменные изделия – вид керамики, характеризующийся белым или цветным спекшимся черепком, с однородным раковистым изломом. Для изготовления тонкокаменных изделий используют огнеупорные и тугоплавкие глины, химический состав которых колеблется в довольно широких пределах.Отличают тонкокаменные изделия низкотемпературного и высокотемпературного спекания. В зависимости от применяемого сырья, степени спекания и цвета черепка, особенностей технологии тонкокаменные изделия носят различные названия: полуфарфор, низкотемпературный фарфор, «каменный товар» и др. Тонкокаменные изделия отличаются низким водопоглощением (0,5…5,0%). Область их применения: изготовление посуды, декоративной и интерьерной керамики.

Майолика (от названия острова Мальорка) – вид керамики с пористым, естественно окрашенным черепком от светло-кремового до красного (кирпичного) цвета, покрытые прозрачной или глухой (непрозрачной) глазурью. Для изготовления майолики используют легкоплавкие глины в чистом виде или с вводом отощающих и флюсующих добавок. Часто майоликовые изделия покрывают слоем белой глины, ангобом, скрывающим натуральный цвет черепка. Низкая температура глазурного обжига майолики (960–1050? С) позволяет использовать для декорирования широкую палитру цветных глазурей и эмалей. Область применения: изготовление посуды, облицовочной плитки, декоративной керамики.

Терракота (terra (итал.) – земля, cotta – обожженная) – вид керамики, неглазурованные керамические изделия с пористым черепком. Для изготовления терракоты используют качественные малоусадочные глины, имеющие равномерную окраску и относительно высокую температуру плавления. Иногда терракоту покрывают ангобом. Область применения: изготовление скульптуры, изразцов, плитки и т.п.

Гончарная керамика – керамические изделия с естественным цветом обожженной глины, относительно высокой пористостью, мелкозернистые, обычно неглазурованные. Для изготовления этого вида керамики используют местные легкоплавкие гончарные глины без применения каких-либо других компонентов за исключением небольших добавок кварцевого песка. Иногда изделия покрывают слоем ангоба или глазури. Область применения: изготовление посуды, украшений, сувениров.

Шамотная керамика – вид грубокерамических изделий, имеющий пористый, грубозернистый, чаще светлый черепок. Шамот представляет собой обожженную перемолотую глину. Для связывания зерен шамота в шамотных изделиях используют глины, замешивая их до образования пластичной массы. Из шамотированных масс изготавливают скульптуру малых форм, напольные вазы, кирпичи и некоторые другие разновидности архитектурной керамики.

Все вышеперечисленные керамические материалы , как бы ни различались они по составу сырья и, следовательно, по конечному химическому составу и свойствам изделий, объединяет технология, определяющая последовательность операций.

Принципиальная технологическая схема получения керамики

1. Заготовка сырья (глина, шамот, песок и т.п.)
2. Подготовка формовочной массы
3. Формование
4. Сушка
5. Обжиг

Керамическими называют каменные изделия, получаемые из минерального сырья путем его формования и обжига при высоких температурах, в результате которого сырье необратимо переходит в прочное, водостойкое состояние.

Термин «керамика» происходит от греческого слова «керамейя», которым в Древней Греции называли искусство изготовления изделий из глины. Керамика, пожалуй, является первым искусственным строительным материалом, полученным человечеством. Возраст керамического кирпича как строительного материала превышает 5000 лет.

В современном строительстве керамические изделия применяют почти во всех конструктивных элементах зданий и сооружений.

По назначению керамические материалы и изделия делят на следующие виды:

• стеновые изделия (кирпич, пустотелые камни и блоки);
• кровельные изделия (черепица);
• элементы перекрытий;
• изделия для облицовки фасадов (лицевой кирпич, малогабаритные и другие плитки, наборные панно, архитектурно-художественные детали);
• изделия для внутренней облицовки стен (глазурованные плитки и фасонные детали к ним - карнизы, уголки, пояски);
• заполнители для легких бетонов (керамзит, аглопорит);
• теплоизоляционные изделия (перлитокерамика, ячеистая керамика, диатомитовые и др.);
• санитарно-технические изделия (умывальные столы, ванны, унитазы);
• плитка для пола;
• дорожный кирпич;
• кислотоупорные изделия (кирпич, плитки, трубы и фасонные части к ним);
• огнеупоры;
• изделия для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы).

По структуре керамические материалы подразделяются на пористые , имеющие водопоглощение по массе более 5 %, в среднем 8…20 % (стеновые, кровельные и облицовочные материалы и др.), и плотные , имеющие водопоглощение по массе менее 5 % (плитки для пола, дорожный кирпич, некоторые виды труб и др.).

2. Сырьевые материалы

Сырьевые компоненты для производства керамических материалов подразделяются на пластичные и непластичные . В качестве пластичных компонентов используются глины, в качестве непластичных - добавки, которые вводятся для регулирования различных свойств как формовочной массы, так и готовых изделий.

ГЛИНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глина - это осадочная горная порода тонкоземлистого строения, способная при смешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камневидное состояние.

Важным свойством глин является их гранулометрический (зерновой) состав. В зависимости от размера частиц в глину входят различные фракции. Глинистые вещества - это частицы чешуйчатой формы, которые имеют размер менее 0,005 мм. Частицы пыли имеют размер от 0,005 до 0,16 мм, песка - от 0,16 до 2 мм, более крупные частицы называются каменистыми включениями. Соотношение между входящими в состав глин фракциями влияет на основные свойства глин (будут рассмотрены ниже) как сырья для производства керамических материалов.

Другая важная характеристика глин - химический состав, куда входят различные глинистые минералы, основным из которых является каолинит Al2O3 2SiO2 2H2O. Помимо этого в глины могут входить родственные ему минералы: галлуазит Al2O3 2SiO2 4H2O, монтмориллонит Al2O3 4SiO2 n H2O и др. В качестве примесей в глине могут находиться: кристаллический кремнезем SiO2, карбонаты кальция CaCО3, соединения железа Fe(OH)2, Fe2O3, оксиды щелочных металлов (Na2O, K2O) и др.

СВОЙСТВА ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ

Глина, замешанная с определенным количеством воды, образует глиняное тесто, обладающее рядом физических, физико-химических и химических свойств, в совокупности называемых керамическими .

Пластичность - свойство глиняного теста деформироваться под нагрузкой без образования трещин и разрывов и сохранять приданную форму после снятия нагрузки.

При смачивании сухой глины молекулы воды втягиваются между чешуйчатыми частицами глинистого вещества, расклинивают их, образуют на поверхности частиц гидратную оболочку и вызывают набухание глин. Гидратные оболочки выполняют роль смазки, облегчающей скольжение частиц глины.

Пластичность зависит от содержания в глине глинистого вещества и от размеров частиц. Чем выше содержание глинистого вещества и мельче частицы, тем более пластична глина. По степени пластичности глины делятся: на высокопластичные, водопотребность которых более 28 %; среднепластичные, имеющие водопотребность 20…28 %, и малопластичные с водопотребностью менее 20 %.

Связанность - усилие, необходимое для разъединения частиц глины. Высокой связанностью обладают глины, содержащие повышенное количество глинистых фракций.

Связующая способность - способность глин в увлажненном состоянии легко перемешиваться с непластичными материалами и при высыхании связывать их в достаточно прочное изделие - сырец.

Воздушная усадка - уменьшение линейных размеров и объема глины при высыхании. В процессе сушки вода испаряется, толщина водных оболочек вокруг глинистых частиц сокращается и отдельные частицы глины сближаются между собой. Воздушная усадка связана с пластичностью глин: чем выше пластичность, тем больше воздушная усадка. Высокопластичные глины имеют воздушную усадку 10…15 %; среднепластичные - 7…10 % и малопластичные - 5…7 %.

Огневая усадка - уменьшение линейных размеров и объема глины при обжиге. В процессе обжига наиболее легкоплавкие соединения глины переходят в расплав, который обволакивает нерасплавившиеся частицы, заполняет промежутки между ними и за счет действия сил поверхностного натяжения жидкой фазы вызывает сближение частиц. Огневая усадка составляет 2…6 %.

Полная усадка - сумма воздушной и огневой усадок.

НЕПЛАСТИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Как уже отмечалось выше, эти материалы вводятся в качестве добавок для регулирования свойств как глинистого сырья, так и готовых изделий.

Отощающие добавки - вводятся для снижения пластичности глин и, как следствие, для уменьшения воздушной усадки. В качестве отощающих добавок используют шамот, дегидратированную глину, золу ТЭС, измельченные гранулированные шлаки, природный песок.

Шамот - предварительно обожженная и измельченная до требуемых размеров (менее 2 мм) глина. Дегидратированная глина - это глина, обожженная при температуре 500…600 °С. При этой температуре из глинистых минералов удаляется химически связанная вода и глина необратимо теряет свойства пластичности.

Пластифицирующие добавки - вводятся для улучшения пластичности глин. Для этих целей используют высокопластичные глины, поверхностноактивные вещества, электролиты.

Выгорающие добавки - вводятся в формовочную массу с целью получения высокопористых изделий: древесные опилки, молотый уголь, торф, лузга и др. Эти добавки одновременно являются и отощающими.

Плавни - вводятся с целью снижения температуры спекания и, как следствие, экономии топливно-энергетических ресурсов. Под спеканием подразумевается появление частичного расплава сырьевой смеси в процессе обжига. В качестве плавней используются полевые шпаты, доломит, магнезит и др.

Для придания повышенной стойкости к внешним воздействиям, водонепроницаемости и определенного декоративного вида поверхность некоторых керамических изделий покрывают глазурью или ангобом.

Стекловидный слой глазури, нанесенный на поверхность керамического материала, закрепляют обжигом. Глазури могут быть прозрачными и непрозрачными различного цвета. Главными сырьевыми компонентами глазури являются кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов, различные оксиды и др.

Ангоб изготовляют из белой или цветной глины и наносят тонким слоем на поверхность еще не обожженного изделия. В отличие от глазури ангоб при обжиге не плавится, поэтому поверхность получается матовой. По своим свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

3. Общая схема производства керамических изделий

Керамические материалы и изделия, которые выпускает промышленность, имеют разнообразные размеры, форму, физико-механические свойства и различное назначение, но основные этапы технологического процесса их производства примерно одинаковы и складываются из добычи сырьевых материалов, их транспортировки на завод, подготовки сырьевой массы, формования изделия (сырца), сушки и обжига.

ДОБЫЧА И ДОСТАВКА ГЛИНЫ

Глину для производства керамических материалов и изделий добывают в карьерах, обычно расположенных в непосредственной близости от завода. Для добычи используют одно- или многоковшовые экскаваторы, возможно также применение средств гидромеханизации. На завод глину доставляют по рельсовым путям в вагонетках с опрокидывающимся кузовом, автосамосвалами, ленточными транспортерами, вагонетками канатной дороги и другими видами транспорта.

ПОДГОТОВКА СЫРЬЕВОЙ МАССЫ

Добытая в карьере и доставленная на завод глина в естественном состоянии обычно непригодна для формования изделий. Необходимо разрушить природную структуру глины, удалить из нее вредные примеси, измельчить или убрать крупные включения, смешать глину с добавками, а также увлажнить ее, чтобы получить удобоформуемую массу. Для этой цели используют различные механизмы: вальцы, дезинтеграторы, бегуны, глинорезки, глиномялки, мешалки и др. Эти механизмы будут рассмотрены ниже.

Глину обрабатывают полусухим, пластическим и мокрым способами. Выбор того или иного способа зависит от свойств сырьевых материалов, состава керамических масс и способа формования изделий, а также от их размеров и назначения.

При полусухом (сухом) способе сырьевые материалы высушивают, дробят, размалывают и тщательно перемешивают. Сушат глину обычно в сушильных барабанах, дробят и размалывают в бегунах сухого помола, дезинтеграторах или шаровых мельницах, а смешивают в лопастных мешалках. Влажность пресспорошка составляет 8…12 % (4…6 %). Увлажняют пресспорошок водой или паром.

Полусухой способ применяют в производстве строительного кирпича полусухого прессования, плиток для полов, облицовочных плиток и др.

При пластическом способе сырьевые материалы смешивают при естественной влажности или с добавлением воды до получения глиняного теста влажностью 18…25 %. Для измельчения и переработки сырьевых материалов применяют вальцы и бегуны различных типов, а для перемешивания - глиномешалки.

Пластический способ подготовки сырьевой смеси широко применяют в производстве керамического кирпича пластического формования, керамических камней, черепицы, труб и других видов строительной керамики.

При мокром (шликерном) способе сырьевые материалы предварительно измельчают в порошок, а затем тщательно смешивают в присутствии большого количества (более 40 %) воды, получая однородную текучую массу (шликер). Этот способ применяют при производстве фарфоровых и фаянсовых изделий, облицовочных плиток и др.

ФОРМИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ

Формуют керамические изделия различными способами: пластическим, полусухим, сухим и мокрым. Выбор способа формования зависит от вида изделий, а также от состава и физико-механических свойств сырья.

Пластический способ формования является наиболее распространенным в производстве обыкновенного и пустотелого кирпича, керамических камней и блоков разного назначения, черепицы, облицовочных плит и других изделий. При этом способе формования подготовленную глиняную массу влажностью 18…25 % направляют в приемный бункер ленточного пресса. При помощи шнека масса

дополнительно перемешивается, уплотняется и выдавливается в виде бруса через выходное отверстие пресса, снабженного сменным мундштуком. Меняя мундштук, можно получать брус различной формы и размеров. Так, например, при формовании кирпича он имеет прямоугольное сечение. Непрерывно выходящий из пресса брус разрезается на отдельные части в соответствии с размерами изготовляемых изделий автоматическим резательным устройством. Современные ленточные прессы снабжены вакуумными камерами, в которых из глиняной массы частично удаляется воздух. Вакуумирование массы повышает ее пластичность и уменьшает формовочную влажность, сокращает длительность сушки сырца и одновременно повышает его прочность.

Полусухой способ формования получил широкое распространение на современных заводах при производстве облицовочных плиток, плиток для полов и других тонкостенных керамических изделий. Этим способом можно изготовлять кирпич и другие изделия из малопластичных глин, что расширяет сырьевую базу производства изделий строительной керамики. Кроме того, существенное преимущество полусухого способа формования по сравнению с пластическим - применение глиняной массы с меньшей влажностью (8…12 %), что значительно сокращает или даже исключает сушку сырца.

При полусухом способе каждое изделие формуют отдельно на высокопроизводительных прессах различной конструкции, обеспечивающих двустороннее прессование в формах глиняного порошка под давлением более 15 МПа.

Сырец полусухого прессования имеет четкую форму, точные размеры, прочные углы и ребра. Прочность его вполне достаточна для последующей погрузки и транспортирования на сушку и обжиг.

Сухой способ формования применяют главным образом для изготовления плотных керамических изделий, например, плиток для полов, дорожного кирпича. Сырьевой массой для прессования изделий служит глиняный порошок влажностью от 4 до 6 %. Отформованный сырец не требует сушки, что экономит топливно-энергетические ресурсы.

Мокрый способ формования применяют для изготовления санитарно-технического фаянса, мозаичной плитки и др. При этом способе глиняную массу влажностью более 40 % заливают в специальные пористые формы.

СУШКА ИЗДЕЛИЙ

Отформованные изделия (сырец) необходимо сушить, чтобы снизить их влажность до 8…10 %. За счет сушки повышается прочность сырца, а также предотвращается растрескивание и деформация его в процессе обжига. Сушка может быть естественной (в сушильных сараях) и искусственной (в специальных сушилках).

Естественная сушка не требует затрат топлива, но продолжается очень долго (10…15 сут) и зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. Кроме того, для естественной сушки требуются помещения с большой площадью. В настоящее время на крупных заводах, как правило, производят искусственную сушку сырца в сушилках периодического или непрерывного действия.

Сушилки периодического действия представляют собой отдельные камеры, в которых на стеллажных полках размещают сырец. Подают сырец в камеры на тележках. В камерных сушилках все операции по загрузке, сушке и выгрузке сырца повторяются через определенные промежутки времени.

Сушилки непрерывного действия представляют собой туннели, в которых сырец, уложенный на вагонетках, постепенно проходит различные зоны по температуре и влажности и высушивается.

Сушат сырец в камерных и туннельных сушилках по режиму, выбранному для данного вида изделия, с учетом использованного сырья. В качестве теплоносителя в сушилках применяют дымовые газы обжигательных печей, а также газы, получаемые в специальных топках. Тонкую керамику сушат горячим воздухом из калориферов. Длительность искусственной сушки сырца составляет от одних до трех суток.

ОБЖИГ ИЗДЕЛИЙ

Обжиг является завершающим этапом технологического процесса производства керамических изделий. Процесс обжига можно условно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и охлаждение обожженных изделий.

В процессе высокотемпературного обжига глина претерпевает сложные физико-химические изменения.

При плавном подъеме температуры до 100…120 °С из глины удаляются остатки свободной влаги и керамическая масса становится непластичной, но если добавить воду, пластические свойства массы восстанавливаются. С повышением температуры до 500…700 °С выгорают органические примеси и из глинистых минералов удаляется химически связанная вода, при этом керамическая масса безвозвратно теряет свойство пластичности. При температуре 700…900 °С происходит разложение безводных глинистых минералов и образуется аморфная смесь глинозема Al2O3 и кремнезема SiO2. При дальнейшем повышении температуры до 1000…1300 °С идут реакции в твердой фазе и образуются искусственные минералы, например силлиманит (Al2O3SiO2) и муллит (3Al2O32SiO2). Одновременно с этим наиболее легкоплавкие соединения керамической массы переходят в расплав, создавая некоторое количество жидкой фазы. Расплав обволакивает нерасплавившиеся частицы, заполняет пустоты между ними и, обладая силой поверхностного натяжения, стягивает частицы. После остывания образуется твердый камнеподобный черепок.

Максимальная температура обжига керамических изделий зависит от состава глин. Обжиг изделий из легкоплавких глин производят при температуре 900…1000 °С, из тугоплавких и огнеупорных - при температуре 1200…1400 °С.

Керамические изделия обжигаются в печах периодического или непрерывного действия с использованием твердого (уголь), жидкого (мазут) или газообразного топлива.

Печи периодического действия представляют из себя камеры, в которые загружаются на стеллажах отформованные и высушенные изделия, после чего начинается плавный подъем температуры, которая доводится до требуемого максимума, затем происходит выдержка изделий при максимальной температуре и плавное ее снижение.

Печи непрерывного действия имеют различную конструкцию. Кольцевые печи имеют обжигательный канал эллипсовидной формы, перекрытый полуциркулярным сводом. Обжигаемые изделия загружаются в канал и остаются неподвижными, а температурные зоны перемещаются относительно обжигаемого материала. Туннельные печи имеют прямолинейный канал, по которому медленно перемещаются вагонетки с уложенными на них изделиями, которые последовательно проходят зоны подогрева, обжига и охлаждения.

В щелевых печах керамические изделия, уложенные в один ряд по высоте, медленно движутся в обжиговом канале по роликовому или иному конвейеру. В таких печах обеспечивается равномерность обжига, сокращается его продолжительность и уменьшается расход топлива.

СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Стеновые керамические изделия предназначены для кладки и облицовки несущих и самонесущих стен и других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков. Их изготовляют в виде правильного параллелепипеда. В зависимости от размеров их подразделяют на виды, указанные в табл. 1. Кирпич изготавливают полнотелым и пустотелым, камень - только пустотелым. Пустоты в изделиях могут быть сквозными или несквозными, располагаться они могут перпендикулярно (вертикальные) или параллельно постели (горизонтальные). По способу формования изделия стеновой керамики подразделяют на изделия, получаемые пластическим формованием и полусухим прессованием. В соответствии с нормативными документами стеновые изделия подразделяют на рядовые и лицевые. Рядовые предназначены для обеспечения эксплуатационных характеристик кладки, лицевые изделия кроме обеспечения эксплуатационных характеристик кладки выполняют функции декоративного материала.

Таблица 1

Номенклатура и номинальные размеры стеновых изделий

Вид изделий	Обозначение вида	Номинальные размеры, мм			Обозначение размера
		Длина	Ширина	Толщина
Кирпич нормального формата (одинарный)	КО	250	120	65	1 НФ
Еврокирпич	КЕ	250	85	65	0,7 НФ
Кирпич утолщенный	КУ	250	120	88	1,4 НФ
Кирпич модульный одинарный	КМ	288	138	65	1,3 НФ
Кирпич утолщенный с горизонтальными пустотами	КУГ	250	120	88	1,4 НФ
Камень	К	250	120	140	2,1 НФ
		288	288	88	3,7 НФ
		288	138	140	2,9 НФ
		288	138	88	1,8 НФ
Камень	К	250	250	140	4,5 НФ
		250	180	140	3,2 НФ
Камень крупноформатный	КК	510	250	219	14,3 НФ
		398	250	219	11,2 НФ
		380	250	219	10,7 НФ
		380	255	188	9,3 НФ
		380	250	140	6,8 НФ
		380	180	140	4,9 НФ
		250	250	188	6,0 НФ
Камень с горизонтальными пустотами	КГ	250	200	70	1,8 НФ

По прочности кирпич подразделяют на марки М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300; крупноформатные камни - М35, М50, М75, М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300; кирпич и камень с горизонтальными пустотами - М25, М35, М50, М75, М100.

По морозостойкости кирпич выпускается четырех марок: F15, F25, F35, F50.

По средней плотности изделия подразделяют на классы 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 2,0, которые должны соответствовать значениям, приведенным в табл. 2.

Таблица 2

Классы стеновых изделий по средней плотности

В зависимости от теплопроводности и класса по средней плотности стеновые изделия подразделяют на группы, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Группы изделий по теплотехническим характеристикам

К кровельным керамическим материалам относят черепицу. Она должна обладать высокой долговечностью, водонепроницаемостью, устойчивостью к действию различных атмосферных факторов и эстетичностью, иметь однородную структуру на изломе и предел прочности на излом в сухом состоянии не менее 7 МПа, массу 1 м 2 кровли не более 45 кг, а также обладать морозостойкостью не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания, водопоглощением не более 10 % по массе.

Фасадные керамические плитки применяют для облицовки фасадов и цоколей зданий, наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, подземных переходов.

Основными показателями, характеризующими качество фасадных плиток, являются морозостойкость, водопоглощение, точность геометрических размеров и внешний вид. Морозостойкость рядовых плиток толщиной более 9 мм должна быть не менее 35 циклов, толщиной менее 7 мм - не менее 40 циклов при водопоглощении до 12 %. Для плиток специального назначения морозостойкость должна превышать 50 циклов, а водопоглощение допускается не более 5 %.

Плитки для полов могут быть неглазурованными и глазурованными, одно- и многоцветными, с гладкой, шероховатой (тисненой) или рифленой лицевой поверхностью. По форме плитки бывают квадратные, прямоугольные, треугольные, четырех-, пяти-, шести и восьмигранные, фигурные. Водопоглощение их должно быть не более 3,8…5 %, истираемость не более 0,07…0,06 г/см 2 .

Плитки для внутренней облицовки предназначены для облицовки внутренних поверхностей стен и перегородок. Они отличаются по форме, фактуре и виду материала, образующего фактурный слой (50 типов). Керамические плитки должны иметь водопоглощение не более 16 %, предел прочности при изгибе не менее 15 МПа, а глазурное покрытие должно обладать термостойкостью не менее 150 °С и твердостью не менее 5 по шкале Мооса.

Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.

При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.

Режущий керамический инструмент . Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы – быстрорежущие стали и твердые сплавы (таблица 14.2).

Высокие свойства режущей керамики позволили существенно повысить скорости механической обработки стали и чугуна (таблица 14.3).

Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений – нитрида бора с кубической решеткой (-BN), обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида кремния Si 3 N 4 . Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения, выпускаемые под названиями эльбор, боразон , композит 09 и др., имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1300 – 1400°С. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.

Состав и свойства основных марок режущей керамики приведены в таблице 14.4.

Режущие керамические пластины используются для оснащения различных фрез, токарных резцов, расточных головок, специального инструмента.

Керамические двигатели . Из второго закона термодинамики следует, что для повышения КПД любого термодинамического процесса необходимо повышать температуру на входе в энергетическое преобразовательное устройство: КПД = 1 – T 2 /Т 1 , где Т 1 и Т 2 – температуры на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства соответственно. Чем выше температура T 1 тем больше КПД. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми. Наиболее эффективно применение керамики для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1300 – 1500 К, иметь прочность при изгибе не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПа м 1/2 . Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяет керамика на основе диоксида циркония ZrO 2 и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводятся в Японии и США. Японская фирма «Isuzu Motors Ltd» освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, «Nissan Motors Ltd» – крыльчатки турбокомпрессора, фирма «Mazda Motors Ltd» – форкамеры и пальца толкателя.

Компания «Cammin Engine» (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrO 2 , нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30 %.

Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Двигатель развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30 – 50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1470 – 1670 К (в перспективе до 1770 – 1920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.

Повышение тактико-технических характеристик авиационных двигателей невозможно без применения керамических материалов.

Керамика специального назначения . К керамике специального назначения относятся сверхпроводящая керамика, керамика для изготовления контейнеров с радиоактивными отходами, броневой защиты военной техники и тепловой защиты головных частей ракет и космических кораблей.

Контейнеры для хранения радиоактивных отходов . Одним из сдерживающих факторов развития ядерной энергетики является сложность захоронения радиоактивных отходов. Для изготовления контейнеров применяют керамику на основе оксида В 2 О 3 и карбида бора В4С в смеси с оксидом свинца РbО или соединениями типа 2РbО PbSO 4 . После спекания такие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характеризуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным частицам – нейтронам и -квантам.

Ударопрочная броневая керамика . По своей природе керамические материалы являются хрупкими. Однако при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного удара, когда эта скорость превышает скорость движения дислокаций в металле, пластические свойства металлов не будут играть никакой роли и металл будет таким же хрупким, как и керамика. В этом конкретном случае керамика существенно прочнее металла.

Важными свойствами керамических материалов, обусловивших их применение в качестве брони, является высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при в 2 – 3 раза меньшей плотности. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамику для защиты от бронепрожигающих снарядов.

В качестве критерия пригодности материала для броневой защиты М может быть использовано следующее соотношение:

где Е – модуль упругости, ГПа; Н к – твердость по Кнупу, ГПа; – предел прочности, МПа; Т пл – температура плавления, К; – плотность, г/см 3 .

В таблице 14.5 приведены основные свойства широко применяемых броневых керамических материалов в сравнении со свойствами броневой стали.

Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида бора. Их массовое применение сдерживается высокой стоимостью метода прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимости существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта. Керамику из диборида титана, имеющую наибольшую твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.

Для массового производства керамики наиболее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминия. Керамику на его основе используют для защиты живой силы, сухопутной и морской военной техники.

По данным фирмы «Morgan M. Ltd» (США), пластина из карбида бора толщиной 6,5 мм или из оксида алюминия толщиной 8 мм останавливает пулю калибром 7,62 мм, летящую со скоростью более 800 м/с при выстреле в упор. Для достижения того же эффекта стальная броня должна иметь толщину 10 мм, при этом масса ее будет в 4 раза больше, чем у керамической.

Наиболее эффективно применение композиционной брони, состоящей из нескольких разнородных слоев. Наружный керамический слой воспринимает основную ударную и тепловую нагрузку, дробится на мелкие частицы и рассеивает кинетическую энергию снаряда. Остаточная кинетическая энергия снаряда поглощается упругой деформацией подложки, в качестве которой может использоваться сталь, дюралюминий или кевларовая ткань в несколько слоев. Эффективно покрытие керамики легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет.

Конструкция керамической брони показана на рисунке 14.2.

Рисунок 14.2 – Конструкция керамической бронепанели: а, б – составляющие элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разного калибра; в – фрагмент бронепанели, собранный из элементов а и б; 1 – бронебойная пуля калибра 12,7 мм; 2 – пуля калибра 7,62 мм; 3 – защитное покрытие частично снято

Бронепанель состоит из отдельных последовательно соединенных керамических пластин размером 50 * 50 или 100 * 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12,6 мм используют пластины из Аl 2 О 3 толщиной 15 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм – пластины из Аl 2 О 3 толщиной 6 мм и 12 слоев кевлара.

Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией США керамической брони из Аl 2 О 3 , SiC и В 4 С показало ее высокую эффективность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов на основе AlN, TiB 2 и полиамидных смол, армированных керамическими волокнами.

Керамика в ракетно-космическом машиностроении . При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, кораблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надежной теплозащите.

Материалы для тепловой защиты должны обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности.

Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических кораблей многоразового использования. Свойства плит ряда составов приведены в таблице 14.6. Средний диаметр волокон 3 – 11 мкм.

Для повышения прочности, отражательной способности и абляционных характеристик внешней поверхности теплозащитных материалов их покрывают слоем эмали толщиной около 300 мкм. Эмаль, содержащую SiC или 94 % SiO 2 и 6 % В 2 О 3 , в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при 1470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и гиперзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1670 К. Варианты системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рисунке 14.3.

Рисунок 14.3 – Система керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов для температур от 1250 до 1700 о С: 1 – керамика на основе SiC или Si 3 N 4 ; 2 – теплоизоляция; 3 – спеченная керамика

Высокопористый волокнистый слой теплоизоляции на основе FRCI, АЕТВ или HTR защищен облицовкой из слоя карбида кремния. Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.