Стекло, плитка, керамика, фарфор, кирпичи, цемент, алмаз и графит — вы, вероятно, можете видеть из этого небольшого списка, что "керамика" - это очень широкий термин, и нам будет трудно дать ему определение. Что общего у всех этих очень разных материалов?
Виды керамики
Люди впервые начали изготавливать керамику тысячи лет назад (керамика, стекло и кирпич являются одними из старейших материалов, изобретенных человеком), и мы все еще разрабатываем совершенно новые керамические материалы сегодня - такие, как каталитические нейтрализаторы для современных автомобилей и высокотемпературных сверхпроводники для компьютеров завтрашнего дня. Существует довольно большая разница между старинной керамикой общего назначения, такой как кирпич и стекло, и современной, инженерной керамикой, которая иногда предназначена для одной конкретной цели.
традиционная керамика
Керамические материалы, полученные из обычного природного сырья, такого как глинистые минералы и кварцевый песок. Благодаря промышленным процессам, которые в той или иной форме практиковались на протяжении веков, из этих материалов изготавливаются такие знакомые продукты, как фарфоровая посуда, глиняный кирпич и плитка, промышленные абразивы и огнеупорные покрытия, а также портландцемент. В этой статье описываются основные характеристики сырья, обычно используемого в традиционной керамике, и в нем рассматриваются общие процессы, которым следуют при изготовлении большинства традиционных керамических изделий. После этого обзора читатель может перейти к более подробным статьям об отдельных видах керамических изделий, ссылки на которые приведены в конце этой статьи.Традиционные керамические предметы почти так же стары, как и человеческая раса. Природные абразивы, несомненно, использовались для заточки примитивных деревянных и каменных орудий, а также были найдены фрагменты глиняных сосудов, датируемых периодом неолита, около 10 000 лет назад. Вскоре после того, как были изготовлены первые глиняные сосуды, люди научились делать их прочнее, тверже и менее проницаемыми для жидкостей путем обжига. За этими достижениями последовали изделия из конструкционной глины, в том числе кирпич и черепица. Кирпичи на основе глины, укрепленные и упрочненные волокнами, такими как солома, были одними из самых ранних композитных материалов. Художественное использование керамики также достигло высокой степени сложности, особенно в Китае, на Ближнем Востоке и в Северной и Южной Америке.С наступлением эпохи металла около 5000 лет назад первые кузнецы использовали огнеупорную природу обычного кварцевого песка для изготовления форм для литья металлов — практика, все еще используемая в современных литейных цехах. Греки и римляне изобрели известковый цемент, и римляне, в частности, использовали этот материал для строительства замечательных гражданских сооружений, некоторые из которых сохранились и по сей день. Промышленная революция 18-го и 19-го веков привела к быстрым улучшениям в обработке керамики, а 20-й век ознаменовался ростом научного понимания этих материалов. Даже в век современной передовой керамики традиционные керамические изделия, изготовленные в больших количествах с помощью эффективных и недорогих методов производства, по-прежнему составляют основную часть продаж керамики по всему миру. Масштаб производственных мощностей может соперничать с производствами металлургической и нефтехимической промышленности.
Сырье
Из-за больших объемов используемого продукта традиционная керамика, как правило, изготавливается из природного сырья. В большинстве случаев эти материалы представляют собой силикаты, то есть соединения на основе кремнезема (SiO2), оксидной формы элемента кремния. На самом деле, использование силикатных минералов настолько распространено, что традиционную керамику часто называют силикатной керамикой, а ее производство часто называют силикатным производством. Многие силикатные материалы на самом деле представляют собой немодифицированные или химически модифицированные алюмосиликаты (глинозем [Al2o3] плюс диоксид кремния), хотя диоксид кремния также используется в чистом виде. В целом сырье, используемое в традиционной керамике, делится на три общепризнанные группы: глина, кремнезем и полевой шпат. Эти группы описаны ниже.Строительные блоки из предметов повседневного обихода.
Глина
Глинистые минералы, такие как каолинит (Al2 [Si 2o5] [OH] 4), являются вторичными геологическими отложениями, образовавшимися в результате выветривания магматических пород под воздействием воды, растворенного диоксида углерода и органических кислот. Считается, что самые крупные отложения образовались, когда полевой шпат (KAlSi 3,8) был выветрен из горных пород, таких как гранит, и отложился на дне озера, где впоследствии превратился в глину.Важность глинистых минералов для разработки и обработки традиционной керамики невозможно переоценить. Помимо того, что эти минералы являются основным источником алюмосиликатов, они обладают слоистой кристаллической структурой, в результате чего образуются пластинчатые частицы чрезвычайно малого микрометрового размера. Когда эти частицы суспендируются в воде или смешиваются с ней, смесь проявляет необычную реакцию или течет под давлением. Такое поведение позволяет использовать такие разнообразные методы обработки, как литье шликером и формование пластом, которые описаны ниже. Поэтому считается, что глинистые минералы формируют, позволяя смешанным ингредиентам придавать желаемую форму.
Кремнезем и полевой шпат
Другими составляющими традиционной керамики являются кремнезем и полевой шпат. Диоксид кремния является основным ингредиентом огнеупоров и побелок. Обычно его добавляют в виде кварцевого песка, песчаника или кремневой гальки. Роль кремнезема заключается в качестве наполнителя, используемого для придания “зеленой” (то есть необожженной) прочности формованному предмету и поддержания этой формы во время обжига. Это также улучшает конечные свойства. Полевые шпаты - это алюмосиликаты, которые содержат натрий (Na), калий (K) или кальций (Ca). Они варьируются по составу от NaAlSi 3o8 и KAlSi 3o8 до CaAl 2 Si 2o8. Полевые шпаты действуют как флюсы для снижения температуры плавления алюмосиликатных фаз.
Обогащение
По сравнению с другими производственными отраслями, для силикатных керамических изделий используется гораздо меньше обогащения минералов (например, промывка, концентрирование, калибровка частиц). Глины, используемые в обычных конструкционных кирпичах и плитках, часто обрабатываются непосредственно в том виде, в каком они были извлечены из земли, хотя для равномерного распределения в воде могут проводиться смешивание, выдержка и отпуск. Такие неочищенные глины пригодны для обработки в необработанном виде, поскольку они уже содержат наполнители и флюсы в сочетании с глинистыми минералами. В случае побелки, для которой сырье должно быть в более чистом состоянии, глины промываются, а загрязнения либо оседают, либо всплывают. Кремнеземы очищаются путем промывки и отделения нежелательных минералов под действием силы тяжести, а также магнитными и электростатическими средствами. Обогащение полевых шпатов осуществляется путем флотационного разделения, процесса, в ходе которого добавляется вспенивающий агент для отделения желаемого материала от примесей.
Смешивание
Расчет количества, взвешивание и первоначальное смешивание сырья перед операциями формования называется дозированием. Смешивание всегда составляло большую часть искусства керамического технолога. Рецептуры традиционно являются тщательно охраняемыми секретами, включающими в себя выбор сырья, которое придает желаемые рабочие характеристики и реакцию на обжиг, а также обеспечивает желаемый характер и свойства. Глины должны выбираться на основе обрабатываемости, плавкости, цвета при обжиге и других требований. Кремнеземы также должны соответствовать критерии химической чистоты и распределения частиц по размерам.
Формирование
Мелкая пластинчатая структура частиц глины с успехом используется при формовании керамических изделий на основе глины. В зависимости от количества добавленной воды глиняные массы могут быть жесткими или пластичными. Пластичность возникает благодаря тому, что пластинчатые частицы глины скользят друг по другу во время текучести. (Керамика без глины может быть сформирована аналогичным образом, если в их смеси добавлять пластификаторы — обычно полимеры. Во многих случаях используются органические связующие, которые помогают удерживать корпус вместе до его обжига.) При еще более высоком содержании воды и добавлении диспергирующих агентов для удержания частиц глины во взвешенном состоянии можно получать легко текучие суспензии. Эти суспензии называются шликерами или суспензиями и используются при шликерном литье глиняных изделий. Ниже описаны механизмы формования глины и литья шликером.
Формование глины
Пластическое формование является основным средством формования керамики на основе глины. После того, как сырье смешано и превращено в твердую глиняную или пластичную смесь, для получения нужных форм используются различные технологии формования, в зависимости от используемой керамики и желаемого типа продукта. Основными из этих методов являются прессование и экструзия. Прессование включает в себя приложение давления для устранения пористости и достижения определенной формы, в зависимости от используемой матрицы. Например, огнеупорные кирпичи часто изготавливаются штамповыми прессами либо одинарного действия (прессование только сверху), либо двойного действия (одновременное прессование сверху и снизу). Изделия из конструкционной глины, такие как кирпич и плитка, могут быть изготовлены таким же образом. При прессовании подаваемый материал, как правило, имеет более низкое содержание воды и называется жестким шламом. Проблема с литьем под давлением заключается в том, что это поэтапный, а не непрерывный процесс, что ограничивает производительность. Поэтому многие силикатные керамические изделия изготавливаются методом экструзии - процесса, обеспечивающего более эффективное непрерывное производство. В коммерческом шнековом экструдере шнек непрерывно пропускает пластичный материал через отверстие или матрицу, в результате чего получаются простые формы, такие как цилиндрические стержни и трубы, прямоугольные сплошные и полые стержни и длинные пластины. Эти формы могут быть разрезаны после экструзии на более короткие куски для кирпича и плитки.
Шликерное литье
Другой подход к формованию керамики на основе глины используется при шликерном литье белой посуды, как показано на рисунке 1. Как упоминалось выше, при достаточном содержании воды и добавлении подходящих диспергирующих агентов смеси глины и воды могут быть превращены в суспензии, называемые суспензиями или шликерами. Эти высокостабильные суспензии частиц глины в воде возникают в результате тщательного манипулирования поверхностными зарядами на пластинчатых частицах глины. Без диспергатора противоположно заряженные края и поверхности частиц будут притягиваться, что приведет кфлокуляция, процесс, при котором группы частиц коагулируют в хлопья с характерной структурой карточного домика. Диспергирующие агенты нейтрализуют некоторые поверхностные заряды, так что частицы могут отталкиваться друг от друга и оставаться во взвешенном состоянии неопределенно долго. Когда суспензию заливают в форму из пористого гипса, капиллярные силы всасывают воду из шликера в форму и вызывают устойчивое осаждение частиц глины в виде плотной упаковки лицом к лицу на внутренней поверхности формы. После получения осадка достаточной толщины оставшийся шликер можно слить или слить, а форму открыть, чтобы получить отдельно стоящий кусок глины, который можно высушить и обжечь. Удивительно сложные формы могут быть достигнуты с помощью шликерного литья.
ОБЖИГ
Работа печи
После тщательной сушки для удаления испаряющейся воды керамика на основе глины подвергается постепенному нагреванию для удаления структурной воды, разложения и выжигания любых органических связующих, используемых при формовании, и достижения уплотнения изделия. Партии специальных продуктов, производимых в меньших объемах, циклически перемещаются вверх и вниз в так называемых печах периодического действия. С другой стороны, большая часть традиционной керамики массового производства обжигается в туннельных печах. Они состоят из непрерывной работы конвейерной ленты или железнодорожного вагона спроходя через печь и постепенно нагреваясь от комнатной температуры, через горячую зону и обратно до комнатной температуры. Пирометрические конусы, которые деформируются и прогибаются при определенных температурах, часто перемещаются вместе с посудой для контроля самой высокой температуры, наблюдаемой при прохождении через печь.
Остекление
Конечной целью обжига является достижение некоторой степени сцепления частиц (для прочности) и уплотнения или уменьшения пористости (например, для непроницаемости для жидкостей). В керамике на основе силикатов склеивание и уплотнение достигаются путем частичного остекловывания. Остекление - это образование стекла, в данном случае путем плавления кристаллических силикатных соединений в аморфную некристаллическую атомную структуру, связанную со стеклом. По мере того как сформованная посуда нагревается в печи, глиняный компонент превращается в постепенно увеличивающееся количество стекла. Процесс частичного остекления можно проанализировать с помощью фазовой диаграммы, подобной той, что показана на рисунке 2. На этой диаграмме показаны три кристаллические фазы: конечные элементы кристобалит (одна кристаллографическая форма кремнезема [SiO2]) и оксид алюминия (Al2O3) и промежуточное соединение, муллит (3Al2O3 · 2SiO2). Температуры плавления оксида алюминия и кристобалита, как показано на левом и правом краях диаграммы, довольно высоки. Однако промежуточные композиции начинают плавиться при более низких температурах. Как показано двумя горизонтальными линиями на диаграмме, плавление начинается при температуре 1828 ° C (3322 ° F) для композиций с высоким содержанием оксида алюминия и всего при 1587 ° C (2889° F) для композиций с высоким содержанием кремнезема. (Эти температуры могут быть снижены еще больше добавлением флюсов, таких как щелочные или щелочноземельные оксидные полевые шпаты.) Между двумя горизонтальными линиями и областью диаграммы, отмеченной жидкостью, все композиции являются жидкими только частично (например, муллит и жидкость, глинозем и жидкость). Это частичное остекление позволяет удерживать твердые частицы, что помогает поддерживать жесткость керамического изделия во время обжига, чтобы свести к минимуму провисание или коробление.Роль стеклообразной жидкой фазы в уплотнении обожженных глиняных изделий заключается в облегчении жидкофазного или реакционно-жидкого спекания. В этих процессах жидкость сначала приводит к более плотной перегруппировке частиц под действием вязкого потока. Во-вторых, в результате осаждения твердых фаз из раствора мелкие частицы и поверхности более крупных частиц растворяются и повторно осаждаются в растущих “шейках”, которые соединяют крупные частицы. Перегруппировка и осаждение раствора приводят к образованию связующего и постепенному уплотнению с уменьшением пористости. В зависимости от ингредиентов и времени выдержки изделия при максимальной температуре может быть получен различный состав стекла и остаточная пористость.
Отделка
Если обожженная керамическая посуда пористая и требуется непроницаемость для жидкости, или если требуется чисто декоративная отделка, изделие можно покрыть глазурью. При остеклении стеклообразующий состав измельчают в порошок и суспендируют в соответствующем растворителе. Обожженную керамическую массу погружают в суспензию для глазури или окрашивают ею, а затем повторно обжигают при температуре, которая ниже или выше начальной температуры обжига, и достаточно высока для остекловывания рецептуры глазури. Глазурь может быть окрашена добавлением в глазурь определенных переходных металлов или редкоземельных элементов или суспензией мелкодисперсных керамических частиц в глазури.