Свойства керамики. Зависимость свойств от структуры и фазового состава
От того какими свойствами обладает керамический материал. Зависит область его применения. На свойства оказывают большое влияние структура и фазовый состав.
По структуре керамические материалы состоят из 3-х видов фаз: крист-ой, стеклообразной и газовой . Основной фазой является кристаллическая, она может быть определенного хим состава или представлена в виде твердого р-ра. Чаше всего черепок имеет полиминеральную структуру, т е в его состав входят несколько кристаллических соединений. Стеклофаза обычно выполняет роль связки и присутствует в виде прослоек м\у крист-ми фазами. Взаимное распределение этих фаз их природа и количественное соотношение, т е микроструктура, определяет строение кер-го материала. Текстура определяется объемом пор, их формой, размером, количеством и т. д.
Керр-е мат-лы обладают меаническими, термомеханическими, теплофизическими, термическими, хим-ми, электрофизическими и др. св-вами.
Механические св-ва. Для кер-их мат-лов при нормальных температурах характерно хрупкое разрушение. Теоретическая прочность рассчитывается по величине межатомных связей (1…10)*104 МПа, реальная прочность ниже. Это снижение обусловлено наличием большого количества дефектов кристаллических решеток реальных фаз, а также тем, что на роверхности кер-их мат-лов образ-ся микротрещины. Которые являются концентраторами напряжений и при наложении нагрузки растут и ведут к полному разрушению материала. Прочностные св-ва оцениваются пределом прочности при сжатии, изгибе, растяжении и кручении. Прочность при изгибе = 1/3…1/5 прочности при сжатии, а при растяжении 1/6…1/8.
Термомеханические св-ва.К ним относятся: 1) кратковременная прочность при температурах службы керамики, 2) температура определенной степени деформации под постоянной нагрузкой, 3)ползучесть, 4) длительная прочность в области температур службы.
1) При повышенных температурах прочность снижается, за счет увеличения колебании атомов и молекул. При температурах службы 1100-1200 возникает пластическая деформация и теряется хрупкость.
2) Температура определенной степени деформации под постоянной нагрузкой. Ее определяют при нагрузке 0,2 МПа. Образец нагревают со скоростью 4-5 0С/мин и определ-ся температура начала размягчения.
3) Ползучесть является видом необратимой деформации при длительном воздействии высоких температур и зависит от величины нагрузок, температуры. Микроструктуры.
4) Определяют для оценки способности керамики выдерживать нагрузки в период ее пластической деф-ци.
Теплофизические св-ва. Теплоемкость-способность материала аккумулировать тепловую энергию. Она опр-ся количеством тепла, необходимого для нагревания на 1 0С единицы массы(удельная) или единицы объема (объемная теплоемкость). Теплопроводность-перенос тепла, обусловленный наличием в материале градиента температуры. Константа теплопроводности (лямбда) которая определяется количеством тепла, передаваемого за единицу времени ч/з единицу площади стенки толщиной в единицу пи разности температур м/у поверхностями 10С (Вт/м*К). Температуропроводность.
Термическое расширение-изменение размеров тела в процессе нагревания при постоянном давлении. Характеризуется объемным коэффициентом-β или линейным-α..
β = 3 α Зависит от структуры и фазового состава. имеет большое значение при подборе состава глазури для черепка и при создании композитных материалов.
Термические св-ва. Огнеупорность-способность материала противостоять воздействию высоких температур не расплавляясь. По огнеупорности материалы делятся на следующие группы: легкоплавкие ≤ 1350. тугоплавкие 1350-1580, огнеупорные 1580-2000, высокоогнеупорные ≥2000. определяют огнеупорность на пироскопах. По мере нагревания материал размягчается, вершина конуса под действием собственной массы склоняется. Темп-ру соответствующую моменту падения конуса принимают за огнеупорность. Термическая стойкость-способность материалов выдерживать без разрушения значительные смены температур. Основными источниками напряжений явл-ся: различные температуры в различных частях нагреваемого или охлаждаемого материала; наличие нескольких фаз в изделии, имеющих различные тклр; ограниченные возможности расширения.
Хим стойкость- способность материала противостоять действию жидкого, ТВ-го и газообр-го корродиента. Скорость разрушения зависит от плотности изделия.
Электрофизические св-ва.Проводимость поликристаллической керамики имеет сложный характер и складывается из проводимостей соответствующих составляющих ее фаз. Наличие в керамике стекловидной фазы уменьшает удельное объемное сопротивление, а газовая фаза увеличивает его. Электрическая прочность-способность противостоять пробивному действию приложенного электрического поля.
16.Основное керамическое сырье. Способы приготовления и формования керамических масс.
Основное керамическое сырье делиться на пластичные(глинистые), непластичные, отощители и плавни. Глины делятся на собственно глины и каолины. Главнейшим свойством глин, является вязкость и связующая способность. Для уменьшения пластичности глин и снижения воздушной усадки при сушке в состав массы вводят отощители (кварц, кварцевые пески, кремень) это природные отощители,они не дают усадки при сушке и обжиге, но значительно усложняют процесс обжига из-за полиморфизма кремнезема. К искусственным относятся шамот, бой изделий, отработанный огнеупор, шлаки. Плавни примен-ся для снижения температуры обжига и для повышения степени спекания. Плавни делятся на первого рода, т е. собственно плавни-которые обладают пониженной температурой плавления и плавни второго рода- образуют легкоплавкие эвтектики.
Способы приготовления керамических масс.
Схема производства керамических масс.
Подготовка исходных компонентов-измельчение, смешивание-приготовление керамической массы---формование полуфабрикатов--сушка--обжиг--механическая обработка--глазурование, декор.
материалов должна обеспечить заданный химико-минералогический состав, необходимую влажность и чистоту. Приготовленная масса должна быть однородной по составу и влажности. Существуют 4способа приготовления масс: пластический, шлмикерный,сухой и комбинированный. В зависимости от выбранного способа керамическую массу приготавливают либо в виде пресс-порошка с влажностью 4-11%,пластичного теста 16-20% или жидкого ликера 35-40%.
Сухой способ.
Пластичные материалы каменистые отощающие материалы и плавни
Дробление-сушка-помол┐ дробление-помол-просеивание┐
просеивание┐
дозирование дозирование
↓ Сухое смешивание - увлажнение - формование ↓
Измельчение глины проводят в глинорезках, валковых дробилках и тд. А каменистых материалов в конусых, молотковых, щековых и др дробилках. Сушка осуществляется в сушильных барабанах прямотоком, во избежание сильного перегрева глин и птери пластичных свойств. Помол материалов проводят в шаровых и др мельницах Для приготовления порошков с заданным гранулометрическим составом все компоненты после тонкого помола рассеиваются на фракции на ситах. После весовых дозаторов все подготовленные материалы поступают в смесители для сухого смешивания, а затем увлажняются водой или паром для получения пресс-порошка с заданной влажностью.
17. История возникновения и развития вяжущих материалов. Класси фикация вяжущих материалов.
Вяжущими веществами называются порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой или другой жидкостью образуют пластичную массу, превращающуюся со временем в камневидное тело.
Появились они ещё в доисторические времена. Первым естественным вяжущим которое человек использовал ещё в эпоху неолита была глина. Примерно за 3-4 тыс. лет до н.э. появились искуственные вяжущие, получаемые путём обжига. Так в Египте в качестве такого вяжущего использовали гипс, который широко применяли в кладочном и штукатурном растворах. Вслед за гипсом появилась известь для получения которой потребовалась уже более высокая температура, около 1000°С. Дальше римляне начали вводить в известь толчёный кирпич и вулканический пепел. Со 2-го века до н.э. в Риме начали широко применять бетон на основе извести. Первые искусственные гидравлические вяжущие были изобретены лишб в 18 веке. Портланд цемент был изобретён в России при восстановлении московского кремля после войны 1812 г. Егором Чилиевым, а в Англии в 1814г. Джоном Асптидом. Сырьё для этого цемента он добывал вблизи местечка Портландт, поэтому новое вяжущее и получило такое название.
Основным критерием для отнесения вяжущих вещесив к той или иной группе был принят тип процессов, протекающих при их твердении. К гидратационным отнесены все традиционные вяжущие неорганические матариалы, твердеющие при смешивании с водой. Для той группы вяжущих материалов свойственны реакции гидратации и гидролиза.
Гидратация: Гидролиз:
A+aq→A·aq A+B+aq→A·B·aq A+aq→A`·aq+A``·q
К коагуляционным относятся вяжущие, представляющие собой типичные коллоидные системы, твердеющие за счёт коагуляционного структурообразования.
К поликонденсационным относятся вяжущие, твердеющие за счёт реакции полимеризации и поликонденсации:
Полимеризация: nA → [A]n nA → [A]n + m[A]
Безобжиговые получают тонким измельчением природного двугидрата сульфата кальция. Тонкость помола должна быть такова, чтобы не менее 90% частиц проходило через сито 0.06. Физико-химической основой твердения этого вяжущего является способность высокодисперсных частиц CaSO4·2H2O давать пересыщенные растворы, обеспечивающие его перекристаллизацию, в результате чего образуется кристаллическая основа, дающая определённую прочность.
Для ускорения процесса перекристаллизации вводят добавки Na 2SO 4, (NH) 2SO4, AL2(SO4)3. Изделия из этого вяжущего изготавливают тромбованием для создания достаточного количества контакта между частицами, что интенсифицирует твердение.
Безобжиговый гипс- медленнотвердеющее и медленносхватывающееся вяжущее. Основное его назначение это добавка к портландтцементным клинкерам для регулирования сроков схватывания.
Промышленные способы получения низкообжиговых и высокообжиговых гипсовых вяжущих основаны на процессе дегидратации CaSO4·2H2O. При нагревании CaSO4 теряет воду постепенно, сначала до полуводной формы, а затем безводной по схеме:
170-180 ºC 320-360ºC
β- CaSO4·0,5 H2O → β- CaSO4 → β- CaSO4
↑ ↑ >450ºC
CaSO4·2H2O γ- CaSO4
│ ↑ 750-1000ºC
200-210ºC >220ºC >450ºC
α- CaSO4·0,5 H2O → α- CaSO4 → α- CaSO4 →
Низкообжиговые вяжущие можно получать как и высокообжиговые двумя способами, либо в замкнутых агрегатах, например автоклавах, либо в агрегатах, сообщающихся с атмосферой, таких как гипсоварочные котлы и вращающиеся печи.Когда процесс идт в аппаратах ,сообщающихся с атмосферой, то температура дегидратации примерно 107ºС и процесс идт с образованием β- CaSO4·0,5 H2O. Вода выделяется в виде пара. По этому способу получаются более высококачественные вяжущие, особенно при обжиге во вращающихся печах.
Если процесс идёт в замкнутых агрегатах при повышенном давлении, таких как автоклавы, то вода выделяется в капельно-жидком состоянии, а процесс идёт с образованием α- CaSO4·0,5 H2O. Конечный продукт состоит из крупных кристаллов, отличающихся меньшей водопотребностью. В общем случае производство гипсового вяжущего включает дробление, тепловую обработку и помол.
Тепловая обработка занимает от 1ч до 2,5. Готовый CaSO4·0,5 H2O является быстросхватывающимся и быстротвердеющим вяжущим. По ГОСТу он делится на марки от Г-2 до Г-25. Цифра означает предел прочности на сжатие в МПа через 2 часа твердения. ГОСТом также нормируются сроки схватывания гипса. По этому признаку гипс делят на 3 сорта:
А-быстросхватывающийся. Начало схватывания ранее 2мин, а конец не позже 12мин.
Б-нормальносхватывающийся. Начало 6мин конец 30мин.
В-медленносхватывающийся. Начало не ранее 20мин.
Низкообжиговые вяжущие применяют для производства гипсовых перегородок, для заделки швов и трещин, в медицине, в архитектуре для лепных украшений, в фарфоровом производстве для изготовления форм.
ВысокообжиговыеОни являются конечной стадией процесса. Состоят из CaSO4 и некоторого количества CaO, температура обжига 750-1000 ºС. Это медленносхватывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие.
Применяется для изготовления штукатурных и кладочных растворов, как отделочный материал и для изготовления безшовных полов под линолеум.
Этот гипс ещё называется ангидридовым цементом или эстрихгипсом. Твердение этого гипса происходит под действием соли-активатора, в качестве которой обычно применяется Na2SO4 через образование комплекса:
CaSO4+соль+ nH2O → CaSO4∙соль∙ nH2O
CaSO4∙соль∙ nH2O → CaSO4·2H2O + соль∙(n-2)H2O
CaO + H2O → Ca(OH)2
Вопр.18 Гипсовые вяжущие материалы: безобжиговые, низкообжиговые, высокообжиговые.
Сырье для всех этих вяжущих служит гипсовый камень, который в зависимости от содержания CaSO4•2H2O делятся: 1.Не менее 95% 2.Неменее 90% 3.Неменее 80% 4.Неменее 70%
Безобжиговые гипсовые вяжущие получают тонким измельчением природного двугидрата сульфата кальция. Тонкость помола должна быть такова, что бы не менее 90% частиц проходило через сито №006. Физико-химической основой твердения такого вяжущего является способность высокодисперсных частиц CaSO4•2H2O давать пересыщенные растворы, обеспечивающие их перекристаллизацию в результате чего образуются сросшийся кристаллический карказ с определенной механической прочностью. Для ускарения процесса перекристаллизации в вяжущие вводят добавки
Na2SO4. (NH4)2SO4, Al2(SO4)3. Изделия из такого вяжущего изготавливают тромбованием для создания достаточного контакта меду частицами, что определяет схватывание и твердение. Это медленносхатывающиеся и медленнотвердеющие вяжущие. Основное его применение это добавка в цемент для регулирования сроков схватывания. Добавляют его приблизительно 5%.
Низкообжиговые гипсовые вяжущие. Способы их получения основаны на особенносях процессов дегидротации этого гипсового камня в различных условиях. При нагревании это гипсовый камень теряет воду образуя с начало полугидратные (CaSO4•0.5H2O), а затем и абсолютно безводные формы (CaSO4).
Высокообжиговые вяжущие состоят из некоторого количества
CaSO4 и CaO. Это медленносхватывающие и медленнотвердеющие вяжущие. Их не применяют для изготовлению штукатурных и кладочных растворах, как декорные отделочные материалы высокой белизны и для изготовления бесшовных полов под линолиум. Твердение высокообжигово гипса происходит по реакции:
CaSO4 + активатор (NaSO4)+ nH2O
CaSO4• NaSO4• nH2O
Затем этот комплекс распадается:CaSO4• NaSO4• nH2O
CaSO4• nH2O + Na2 SO4• (n-1)H2O
Параллельно с этими реакциями идет р-я:CaO+ H2O=Ca(OH)2