Керамічний матеріал: властивості, технологія виробництва, застосування

Перші керамічні вироби з'явилися задовго до того, як люди навчилися виплавляти метал. Стародавні горщики і глечики, які археологи знаходять донині, є тому підтвердженням. Варто зауважити, що керамічний матеріал має унікальні властивості, які роблять його в деяких сферах просто незамінним. Давайте розглянемо з вами особливості кераміки, поговоримо про її виробництві та характеристики.

Загальні відомості

Отримують керамічні вироби шляхом спікання глини і сумішей з органічними добавками. Іноді використовують оксиди неорганічних сполук. Перші такі вироби з'явилися ще 5000 років тому. За цей час технологія виробництва істотно удосконалилася, і сьогодні нам доступні високоміцні керамічні вироби. Вони використовуються в будівництві для облицювання фасадів, підлог, зведення стін і т. д.


Є керамічні вироби з щільним і пористим черепком. Ключова відмінність між ними полягає в тому, що щільний черепок є водонепроникним. Це порцелянові вироби, плитки для підлоги і т. п. Пористий черепок - черепиця, керамічний камінь, дренажні труби та інше.

Історія виникнення

Слово "кераміка" в перекладі з грецького означає "глина". Природно, для виготовлення будь-якого виробу використовувалася свого роду суміш. У неї додавалися необхідні матеріали залежно від того, що потрібно було отримати в кінцевому результаті. Перший час вручну, а дещо пізніше і на спеціальному верстаті виробу з глини надавалося спеціальна форма. Надалі керамічні вироби обпікаються в печах при високій температурі.


У багатьох країнах використовувалися власні технології виробництва. Це стосується гончарних мас, розпису та глазурования. Першою державою, яка домігся істотного розвитку даної галузі, вважається Єгипет. Саме виробництво кераміки там було налагоджено в першу чергу. Вироби були з грубої і погано перемішаної глини, але надалі технологія удосконалилася. Сьогодні знаходять цеглини з жовтої глини, які нібито використовувалися при будівництві пірамід Мемфіса.

Поява порцеляни

Тривалий час у Китаї використовували такий матеріал, як нефрит. Він був красивим, але досить крихким і складних в обробці. Через довгі роки пошуків було знайдено рішення. Фарфор більш проста у виготовленні. Тим не менше і тут були свої нюанси. Приміром, слюду і цваоку, які знаходили в "порцелянових каменях", перетирали в дрібний порошок і зберігали понад 10 років. Робилося це для того, щоб матеріал став максимально пластичним. Першими фарфоровими виробами в Китаї були високі і витягнуті судини. Вони мали поліровану поверхню і голубої або темно-зелений колір. Останні цінувалися найбільше. Сьогодні вважається, що саме Китай є державою, де фарфор був поширений найбільш широко. Це дійсно так, хоча він був популярний і в Європі, але з'явився там пізніше, і його виробництво розвивалося довше.

Основні види кераміки

В даний час вироби з глини мають широку класифікацію. Так, гончарні предмети можна поділити на дві основних групи:

неглазурована кераміка (теракота і гончарна);

глазурована (майоліка, фаянс, фарфор, шамот).

Теракота - з італійського "випалена земля". Вироби виготовляються з кольорової глини і мають пористу структуру. З теракоти роблять вази, посуд, а також іграшки та черепицю.
Гончарна ж кераміка більш складна в обробці. Для того щоб зробити її водонепроникною, необхідно лощення. Далі виріб піддається морені. Для цього його залишають в гарячій печі в диму до повного охолодження. Сьогодні багато видів кераміки, зокрема гончарна, вкрай популярні. Використовується вона в побуті для зберігання молока, сипучих матеріалів або як декор. Що ж стосується другого виду - глазурованої кераміки, то тут найбільшою популярністю користуються фарфор і фаянс. Перший більш дорогий і трудомісткий у виробництві, другий - практичний і дешевий. Розрізняються вони між собою тим, що порцелянові вироби містять менше глини і більше спеціальних добавок. Крім того, фарфор просвічується на світлі, відміну від фаянсу.

Про вогнетривах

Вироби із сумішей глини є вогнетривкими. Залежно від призначення вони можуть витримувати температуру від 1300 до 2000 градусів за Цельсієм, і навіть вище. Використовується спеціальна піч для випалу кераміки. Вогнетривкі матеріали у найбільшій кількості застосовуються в металургійному процесі. Там вони використовуються для конструювання доменних печей та агрегатів. Цілком логічно говорити про те, що з підвищенням температури міцність вогнетриву не втрачається, а, навпаки, підвищується. Досягається це за рахунок наявності в складі тугоплавких оксидів, силікатів і боридів. Вони використовуються практично скрізь, де мають місце високотемпературні процеси. Дуже часто вони зустрічаються високоякісних формованих, тобто у вигляді конкретного виробу, припустимо, цегли. Рідше необхідне застосування не формованих вогнетривів у вигляді порошку.

Кераміка в будівництві

Переваги керамічних матеріалів полягають у тому, що їх запаси практично не обмежені. Поряд з простотою виробництва та високою довговічністю такого виробу, сьогодні воно є незамінним у будівельній сфері. Якщо брати стінові матеріали, то лідируючу позицію тут займає саме глиняна цегла.
Це ж стосується і керамічної плитки, яка, незважаючи на поява полімерів, не здає позиції. Вона використовується для обладнання приміщень з підвищеною вологістю і температурою. Серед облицювальних матеріалів перше місце посідає керамзит. За останні кілька років на 4 % збільшилося виробництво порожнистого керамічного блоку та цегли. Для їх виготовлення потрібні мінімальні зміни на цегельних заводах і фабриках, при цьому витрати окупаються за перший рік продажів. За кордоном пустотіла кераміка вже давно зайняла лідируючу позицію і продається набагато краще звичайного цегли.

Спеціальні керамічні матеріали

До таких виробів можна віднести санітарно-технічні і каналізаційні труби. Перші поділяються на три великі групи:

з твердого фаянсу (пористий черепок);

санітарний фарфор (спечений черепок);

полуфарфор (полуспекшийся черепок).

Основні вимоги, що висуваються до санітарно-технічних виробів – це стійкість до механічних пошкоджень, теплостійкість. Рецептура повинна дотримуватися в строгому порядку, це ж стосується і технології. Використовується тільки професійна піч для випалу кераміки та високоякісна сировина. До санітарно-технічних виробів варто віднести раковини, унітази, ванни, радіатори і т. п. Вірний спосіб перевірки якості виробу – легке постукування по корпусу. Звук повинен бути чистим і без деренчання. Це вказує на випал при правильній температурі і відсутності тріщин. Що стосується каналізаційних труб, то вони повинні мати щільний спечений черепок. Керамічні труби випускаються діаметром 150-600 мм Зазвичай покриваються глазур'ю як зсередини, так і зовні. Для таких виробів характерна висока стійкість до агресивного середовища і блуждающему електричному струму. Мають помірну вартість, що робить їх більш доступними.

Фізико-хімічні властивості кераміки

Як вже було зазначено вище, всі вироби можна розділити на дві великі групи: щільні та поруваті. Щільні мають коефіцієнт водопоглинання менше 5 %, пористі - 5 % і більше. До останньої групи можна віднести наступні вироби: глиняна цегла (пористий і пустотіла), пустотні стінові камені, облицювальну плитку, черепицю для покрівлі. Щільні керамічні вироби - дорожній цегла і плитка для підлоги. В санітарно-технічній галузі зустрічається як пориста, так і щільна кераміка. Говорячи про фізико-хімічних властивостях, не можна не відзначити ключовий недолік кераміки. Полягає він у підвищеної крихкості порівняно з іншими матеріалами. Тим не менш висока доступність і універсальність роблять цей матеріал одним з найбільш затребуваних в багатьох галузях промисловості і навіть у повсякденному житті людини. Сучасні технології дозволяють отримувати гладку поверхню відразу після випалу. Якщо потрібно досягти певного кольору, то додають оксиди заліза або кобальту.

Особливості мікроструктури

При нагріванні кераміка поступово переходить у рідкий стан. Воно відрізняється великою кількістю простих і складних сполук. При охолодженні відбувається кристалізація. Проявляється вона у випаданні чистих кристалів, які збільшуються в розмірах. Коли маса твердне, то в структурі утворюється микроконгломерат. В ньому зерна муліту зцементувати затверділої масою. Варто звернути вашу увагу, що атоми кисню утворюють свого роду матрицю. У ній присутні маленькі атоми металів, які заміщуються в порожнинах між ними. Отже, в мікроструктурі переважають іонні і дещо менше ковалентні зв'язки. Хімічна стабільність і стійкість досягаються за рахунок наявності міцних і міцних хімічних сполук. Як було зазначено вище, застосування керамічних матеріалів обмежена. Обумовлено це тим, що кристали неідеальні. Кристалічні решітки мають безліч дефектів: пори атомного розміру, деформації і т. п. Все це істотно погіршує міцність. Однак є тут і свої нюанси. Наприклад, при дотриманні технології під час виготовлення того або іншого виду кераміки цілком можливо добитися добрих результатів по міцності. Для цього вкрай важливо дотримуватися температурний режим і тривалість випалу вироби.

Характеристика і властивості глини

Глина – осадова гірська порода, що незалежно від складу і структури при змішуванні з водою утворює пластичний матеріал. Після випалу – камневидное тіло. Зазвичай суміш щільна, в більшій мірі складається з алюмосилікатів. Нерідко в глинах знаходять і такі породи, як кварц, шпат, сірчаний колчедан, а також гідроксиди і карбонати кальцію, магнію і з'єднання титану. Каоліни – найбільш чисті глини, які відомі на сьогоднішній день. Практично повністю складаються з каолініту. Після випалу набувають білий колір. Необхідна для обробки пластичність досягається за рахунок наявності в структурі дрібних зерен глинистого речовини (0005 мм). Природно, чим більше в складі такої речовини, тим пластичність вище, і навпаки. До основних керамічним властивостями глин варто віднести:

пластичність – деформування без порушення цілісності;

зв'язність;

повітряна і вогнева усадка;

вогнетривкість.

Сьогодні використовуються різні охляли і збагачують добавки, які дозволяють змінювати властивості матеріалу в ту або іншу сторону. Це призводить до того, що керамічні вироби стають ще більш затребуваними і доступними.

Технологічна схема виробництва

Характеристика керамічних матеріалів говорить про можливості використання глин в різних галузях промисловості. Це призвело до того, що з'явився великий попит, а отже, зросла пропозиція. Заводи по виробництву в більшості випадків працюють за однією і тією ж схемою:

видобуток сировини;

підготовка;

формування і сушіння;

випал і випуск продукту.

Для мінімізації витрат зазвичай фабрики зводять в безпосередній близькості від родовища глини. Видобуток провадиться відкритим способом, тобто екскаватором. На наступному етапі виконується підготовка маси. Сировина збагачується, подрібнюється і перемішується до однорідної маси. Формування майбутнього керамічного виробу здійснюється мокрим і сухим способами. У першому випадку масу зволожують до 25 %, а в другому – не більше 12 %. Раніше часто використовувалася природна сушка. Однак результат залежав здебільшого від погоди. Отже, в дощ чи холод завод стоїть. Тому використовують спеціальні сушарки (газові). Найбільш відповідальним етапом є випал. Вкрай важливо дотримуватися технологію, яка досить складна. Багато залежить і від охолодження металу. Не допускається різкий перепад температур, що може привести до викривлення площині. Тільки після цього можна продавати керамічні матеріали. Технологія виробництва, як ви бачите, непроста, складається з декількох етапів. Кожен з них повинен дотримуватися. Якщо цього не відбувається, то на полицях магазину ми можемо зустріти шлюб.

Трохи про недоліки кераміки

Як вже було сказано, склад керамічних матеріалів неідеальний. Зокрема, це позначається на міцності вироби з глини. Будь-яке механічне пошкодження може проявитися як скол, тріщина і т. п. Це і є ключовим недоліком. Але є й інші фактори, які стримують повсюдне поширення розглянутого нами матеріалу. Один з них – висока вартість. Приміром, черепиця керамічна для покрівлі заміського будинку - прекрасне з естетичної точки зору рішення, але обійдеться таке задоволення дуже дорого. При цьому її зовнішній вигляд буде зберігатися не більше 5 років при належному догляді. Надалі відбувається вицвітання, поява моху на поверхні і т. п. Поряд з цим крихкість і ламкість призводять до того, що будь-яке механічне пошкодження може спричинити за собою протікання покрівлі, а це вже мало кому сподобається. Звичайно, сучасний керамічний матеріал виглядає досить ефектно, що досягається за рахунок широкої фактури квітів та високої якості виготовлення. Але коштує він як і раніше дорого, що часто і змушує задуматися про доцільність такого вибору.

Підведемо підсумки

Ми розглянули основні властивості керамічних матеріалів. Виходячи з усього вище сказаного, можна зробити висновок, що такі вироби володіють певною унікальністю. Полягає вона в тому, що при відсутності механічних ушкоджень вони прослужать дуже довго. Крім того, керамічний матеріал для лиття рідкого металу на заводах також є незамінним, адже витримує високі температури. Що ж стосується повсякденного життя, то тут кераміка дуже до речі. Спеціальна посуд для приготування їжі в духовці, хоч і змінила свій зовнішній вигляд за багато років, але робиться все так само з цього матеріалу. Фарфор, незважаючи на свою велику вартість, володіє витонченим виглядом і просто радує око. Це стосується і фаянсу, який при належному виконанні складно відрізнити від порцеляни. У будь-якому випадку необхідно використовувати керамічний матеріал. В першу чергу це обумовлено великими запасами природного глини. Її дійсно багато, і кожен рік розробляються все нові і нові кар'єри по видобутку цього природного ресурсу. Другий важливий фактор – екологічна чистота. Раніше у людей взагалі не було можливості використовувати які-небудь шкідливі добавки для поліпшення характеристик виробу. Сьогодні ситуація змінилася, хай і не надто критично. Керамічна плитка, на відміну від синтетичних матеріалів, не шкодить здоров'ю. Це стосується і посуду з кераміки, яка, в порівнянні з пластиком, особливо якщо останній нагрітий, не завдає шкоди взагалі.