1. Общие сведения

Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, полученные в процессе технологической обработки минерального сырья и последующего обжига при высоких температурах.

Название "керамика" происходит от греческого слова "keramos" - глина.

Поэтому под технологией керамики всегда подразумевали производство материалов и изделий из глинистого сырья и смесей его с органическими и минеральными добавками.

Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком .

Глины всегда в истории человечества были и являются одним из основных видов строительных материалов.

Вначале - 8000 лет до н.э. - глины применялись в необожженном виде для глинобитного строительства и изготовления саманного и сырцового кирпича. 3500 лет до н.э. отмечается начало применения керамического кирпича, а 1000 лет до н.э. - глазурованного кирпича и черепицы.

С середины первого тысячелетия в Китае начинается производство изделий из фарфора.

В России первый кирпичный завод был построен в Москве в 1475 г., а в 1744 году в Петербурге начал работать первый фарфоровый завод. В конце XVIII - середине XIX в. бурное развитие металлургической, химической и электротехнической промышленности привело к развитию производства огнеупорной, кислотоупорной, электроизоляционной керамики и плиток для полов

С начала текущего столетия получило развитие производство эффективного кирпича и пустотелых камней для возведения стен и перекрытий, а также керамических плиток для внутренней и наружной отделки и санитарно-технических изделий.

В последнее время получило распространение производство специальной керамики с уникальными свойствами для нужд ядерной энергетики, машиностроения, электронной, ракетной и других отраслей промышленности.

Большой практический интерес имеют керметы, состоящие из металлической и керамической частей.

В понятие керамические материалы и изделия входит широкий круг материалов с различными свойствами.

Их классифицируют по ряду признаков :
- по назначению керамические изделия подразделяют на следующие виды: стеновые, отделочные, кровельные, для полов, для перекрытий, дорожные, санитарно-технические, кислотоупорные, теплоизоляционные, огнеупорные и заполнители для бетонов;

По структуре различают керамические изделия с пористым и спекшимся (плотным) черепком. Пористыми считают изделия с водопоглощением по массе более 5%. К ним относятся изделия как грубой (керамические стеновые кирпич и камень, изделия для кровли и перекрытий, дренажные трубы), так и тонкой (облицовочные плитки, фаянсовые) керамики. К плотным относят изделия с водопоглощением по массе менее 5%. К ним принадлежат также изделия и грубой (клинкерный кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты), и тонкой (фаянс, полуфарфор, фарфор) керамики;

По температуре плавления керамические материалы и изделия подразделяются на легкоплавкие (с температурой плавления ниже 1350 °С), тугоплавкие (с температурой плавления 1350 °С-1580 °С), огнеупорные (1580 °С-2000 °С), высшей огнеупорности (более 2000 °С).

Возможность получения любых заданных свойств, широкая номенклатура, большие запасы повсеместно распространенного сырья, сравнительная простота технологии, высокая долговечность и экологическая безвредность керамических материалов обеспечивают им одно их первых мест по значимости и объемам производства среди других строительных материалов.

Так выпуск керамического кирпича составляет около половины объема всех стеновых материалов.

2. Сырье для производства керамических материалов

Основным сырьевым материалом для производства строительных керамических изделий является глинистое сырье, применяемое в чистом виде, а чаще в смеси с добавками - отощающими, породообразующими, плавнями, пластификаторами и др.

Глинистое сырье

Глинистое сырье (глины и каолины) - продукт выветривания изверженных полевошпатных горных пород, содержащий примеси других горных пород.

Глинистые минеральные частицы диаметром 0,005 мм и менее обеспечивают способность при затворении водой образовывать пластичное тесто, сохраняющее при высыхании приданную форму, а после обжига приобретающее водостойкость и прочность камня.

Помимо глинистых частиц в составе сырья имеется определенное содержание пылевидных частиц с размерами зерен 0,005-0,16 мм и песчаных частиц с размерами зерен 0,16-2 мм.

Глинистые частицы имеют пластинчатую форму, между которыми при смачивании образуются тонкие слои воды, вызывая набухание частиц и способность их к скольжению относительно друг друга без потери связности. Поэтому глина, смешанная с водой, дает легко формуемую пластичную массу.

При сушке глиняное тесто теряет воду и уменьшается по объему. Этот процесс называется воздушной усадкой.

Чем больше в глинистом сырье глинистых частиц, тем выше пластичность и воздушная усадка глин. В зависимости от этого глины подразделяются на высокопластичные, среднепластичные, умеренно-пластичные, малопластичные и непластичные

Высокопластичные глины имеют в своем составе до 80-90% глинистых частиц, число пластичности более 25, водопотребность более 28% и воздушную усадку 10-15%. Средне- и умеренно-пластичные глины имеют в своем составе 30-60% глинистых частиц, число пластичности 15-25, водопотребность 20-28% и воздушную усадку 7-10%.

Малопластичные глины имеют в своем составе от 5% до 30% глинистых частиц, водопотребность менее 20%, число пластичности 7-15 и воздушную усадку 5-7%.

Непластичные глины не образуют пластичное удобоформуемое тесто.

Глины с содержанием глинистых частиц более 60% называют "жирными", отличаются высокой усадкой, для снижения которой в глины добавляют "отощающие" добавки.

Глины с содержанием глинистых частиц менее 10-15%*- "тощие" глины, в них при производстве изделий вводят тонкодисперсные добавки, например, бентонитовую глину.

Различное сочетание химического, минералогического и гранулометрического состава компонентов обуславливает различные свойства глинистого сырья и пригодность его для получения керамических изделий тех или иных свойств и назначения.

Гранулометрический состав глин тесно связан с минералогическим составом.

Песчаные и пылевидные фракции представлены главным образом в виде остатков первичных минералов (кварца, полевого шпата, слюды и др.).

Глинистые частицы в большинстве своем состоят из вторичных минералов: каолинита, монтмориллонита, гидрослюдистых и их смесей в различных сочетаниях.

Глины с преобладающим содержанием каолинита имеют светлую окраску, слабо набухают при взаимодействии с водой, характеризуются тугоплавкостью, малопластичны и малочувствительны к сушке.

Глины, содержащие монтмориллонит, весьма пластичны, сильно набухают, при формовке склонны к свилеобразованию, чувствительны к сушке и обжигу с проявлением искривления изделий и растрескивания.

Высокодисперсные глинистые породы с преобладающим содержанием монтмориллонита называют бентонитами.

Образцы с преобладанием в глинистой части гидрослюдистых минералов характеризуются промежуточными показателями пластичности, усадки и чувствительности к сушке.

Химический состав глин выражается содержанием и соотношением различных оксидов.

Присутствие оксидов железа снижает огнеупорность глин, тонкодисперсного известняка придает светлую окраску и понижает огнеупорность глин, а камневидные включения его являются причинами появления "дутикон" и трещин в керамических изделиях

Оксиды щелочных металлом являются сильными плавнями, способствуют повышению усадки, уплотнению черепка и повышению его прочности. Наличие в глинистом сырье растворимых солей сульфатов и хлоридов натрия, кальция, магния и железа вызывает появление белых выцветов на поверхности изделий.

Для изготовления отдельных видов огнеупорных теплоизоляционных изделий применяют глинистое сырье из трепелов и диатомитов, состоящие в основном из аморфного кремнезема, а для производства легких заполнителей используют перлит, пемзу, вермикулит.

В настоящее время природные глины в чистом виде редко являются кондиционным сырьем для производства керамических изделий. В связи с этим их применяют с введением добавок различного назначения.

Добавки к глинам

Отощающие добавки . Их вводят в пластичные глины дни уменьшения усадки при сушке и обжиге и предотвращения деформаций и трещин в изделиях. К ним относятся: дегидратированная глина, шамот, шлаки, золы, кварцевый песок.

Порообразующие добавки . Их вводят для повышения пористости черепка и улучшения теплоизоляционных свойств керамических изделий. К ним относятся: древесные опилки, угольный порошок, торфяная пыль. Эти добавки являются одновременно и отощающими.

Плавни . Их вводят с целью снижения температуры обжига керамических изделий. К ним относятся: полевые пшаты, железная руда, доломит, магнезит, тальк, песчаник, пегматит, стеклобой, перлит.

Пластифицирующие добавки. Их вводят с целью повышения пластичности сырьевых смесей при меньшем расходе воды. К ним относятся высокопластичные глины, бентониты, поверхностно-активные вещества.

Специальные добавки. Для повышения кислотостойкости керамических изделий в сырьевые смеси добавляют песчаные смеси, затворенные жидким стеклом. Для получения некоторых видов цветной керамики в сырьевую смесь добавляют оксиды металлов (железа, кобальта, хрома, титана и др.).

Глазури и ангобы

Некоторые виды керамических изделий для повышения санитарно-гигиенических свойств, водонепроницаемости, улучшения внешнего вида покрывают декоративным слоем - глазурью или ангобом.

Глазурь - стекловидное покрытие толщиной 0,1-0,2 мм, нанесенное на изделие и закрепленное обжигом. Глазури могут быть прозрачными и глухими (непрозрачными) различного цвета.

Для изготовления глазури используют: кварцевый песок, каолин, полевой шпат, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Сырьевые смеси размалывают в порошок и наносят на поверхность изделий в виде порошка или суспензии перед обжигом.

Ангобом называется нанесенный на изделие тонкий слой беложгущейся или цветной глины, образующей цветное покрытие с матовой поверхностью. По свойствам ангоб должен быть близок к основному черепку.

3. Схема производства керамических изделий

При всем многообразии керамических изделий по свойствам, формам, назначению, виду сырья и технологии изготовления основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций: добыча сырьевых материалов, подготовка массы, формование изделий, их сушка и обжиг.

Добыча глины осуществляется на карьерах обычно открытым способом экскаваторами и транспортируется на предприятие керамических изделий рельсовым, автомобильным или другим видом транспорта.

Разработке карьера предшествуют подготовительные работы: геологическая разведка с установлением характера залегания, полезной толщи и запасов глин; счистка поверхности от растений за год-два до начала разработки, удаление пород, непригодных для производства.

Подготовка глин и формование изделий

Карьерная глина в естественном состоянии обычно непригодна для получения керамических изделий. Поэтому проводится ее обработка с целью подготовки массы.

Подготовку глин целесообразно вести сочетанием естественной и механической обработки.

Естественная обработка подразумевает собой вылеживание предварительно добытой глины в течение 1-2 лет при периодическом увлажнении атмосферными осадками или искусственном замачивании и периодическом замораживании и оттаивании.

Механическая обработка глин производится с целью дальнейшего разрушения их природной структуры, удаления или измельчения крупных включений, удаления вредных примесей, измельчения глин и добавок и перемешивания всех компонентов до получения однородной и удобоформуемой массы с использованием специализированных машин (глинорыхлителей; камневыделительных, дырчатых, дезинтеграторных, грубого и тонкого помола вальцов; бегунов, глинорастирочных машин, корзинчатых дезинтеграторов, роторных и шаровых мельниц, одно- и двухвальных глиномешалок, пропеллерных мешалок и др.).

В зависимости от вида изготовляемой продукции, вида и свойств сырья массу приготовляют пластическим, жестким, полусухим, сухим и шликерным способами. Способ приготовления массы определяет и способ формования и название в целом способа производства

При пластическом способе подготовки массы и формования исходные материалы при естественной влажности или предварительно высушенные смешивают с добавками воды до получения теста с влажностью от 18 до 28%.

Этот способ производства керамических строительных материалов является наиболее простым, наименее металлоемким и потому наиболее распространенным.

Он применяется в случаях использования среднепластичных и умеренно-пластичных, рыхлых и влажных глин с умеренным содержанием посторонних включений, хорошо размокающих и превращающихся в однородную массу.

Технологическая схема производства керамического кирпича:

1 - карьер глины; 2 - экскаватор; 3 - глинозапасник; 4 - вагонетка; 5 - ящичный подаватель; 6 - добавки; 7 - бегуны; 8 - вальцы; 9 -ленточный пресс; 10 - резак; 11 - укладчик; 12 - тележка; 13 - сушильные камеры; 14 - туннельная печь; 15 - самоходная тележка; 16 - склад

Набор и разновидности машин для подготовки массы могут отличаться от приведенных на рис.1 в зависимости от свойств сырья и добавок.

Однако формование при пластическом способе всегда производится на машине одного принципа действия - ленточном шнековом прессе с вакуумированием и подогревом или без них.

Вакуумирование и подогрев массы при прессовании позволяет улучшить ее формовочные свойства, увеличить прочность обоженного изделия до 2-х раз.

В корпусе пресса вращается шнек-вал с винтовыми лопастями. Глиняная масса перемещается с помощью шнека к сужающейся переходной головке, уплотняется и выдавливается через мундштук в виде непрерывного бруса или ленты, или трубы под давлением 1,6-7 МПа.

Ленточный вакуумный пресс:

1 - шнековый вал; 2 - прессовая головка; 3 - мундштук; 4 - глиняный брус; 5 - крыльчатка; 6 - вакуум-камера; 7 - решетка; 8 - глиномялка

Производительность современных ленточных прессов по производству кирпича достигает 10000 штук в час.

Жесткий способ формования является разновидностью современного развития пластического способа.

Влажность формуемой массы при этом способе колеблется от 13% до 18%. Формование осуществляется на мощных вакуумных шнековых или гидравлических прессах. Вакуум-пресс итальянской фирмы "Бонджени", например, создает давление прессования до 20 МПа.

В связи с тем, что "жесткое" формование осуществляется при относительно высоких 10-20 МПа давлениях, могут быть использованы менее пластичные и с естественной низкой влажностью глины.

При этом способе требуются меньшие энергетические затраты на сушку, а получение изделия сырца с повышенной прочностью позволяет избежать некоторые операции в технологии производства, обязательные при пластическом способе.

Формование при пластическом и жестком способах завершается разрезкой непрерывной ленты отформованной массы на отдельные изделия на резательных устройствах.

Эти способы формования наиболее распространены при выпуске: сплошных и пустотелых кирпичей, камней, блоков и панелей; черепицы и т.п.

Полусухой способ производства строительных керамических изделий распространен меньше, чем способ пластического формования. Керамические изделия по этому способу формуют из шихты с влажностью 8-12% при давлениях 15-40 МПа.

Недостаток способа в том, что его металлоемкость почти в 3 раза выше, чем пластического.

Но вместе с тем он имеет и преимущества.

Длительность производственного цикла сокращается почти в 2 раза; изделия имеют более правильную форму и более точные размеры; до 30% сокращается расход топлива; в производстве можно использовать малопластичные тощие глины с большим количеством добавок отходов производства - золы, шлаков и др.

Сырьевая масса представляет собой порошок, который должен иметь около 50% частиц менее 1 мм и 50% размером 1-3 мм.

Прессование изделий производится в прессформах на одно или несколько отдельных изделий на гидравлических или механических прессах. По этому способу делаются все виды изделий, которые изготовляются и пластическим способом.

Сухой способ является разновидностью современного развития полусухого производства керамических изделий. Пресс-порошок при этом способе готовится с влажностью 2-6%.

При этом устраняется полностью необходимость операции сушки. Таким способом изготовляют плотные керамические изделия-плитки для полов, дорожный кирпич, материалы из фаянса и фарфора.

Шликерный способ применяется, когда изделия изготавливаются из многокомпонентной массы, состоящей из неоднородных и трудноспекающихся глин и добавок, и когда требуется подготовить массу для изготовления керамических изделий сложной формы методом литья.

Отливка изделий производится из массы с содержанием воды до 40%. Этим способом изготовляются санитарно-технические изделия, облицовочные плитки.

Сушка изделий

Перед обжигом изделия должны быть высушены до содержания влаги 5-6% во избежание неравномерной усадки, искривлений и растрескивания при обжиге.

Прежде сырец сушили преимущественно в естественных условиях в сушильных сараях в течение 2-3 недель в зависимости от климатических условий.

В настоящее время сушка производится преимущественно искусственная в туннельных непрерывного действия или камерных периодического действия сушилах в течение от нескольких до 72-х часов в зависимости от свойств сырья и влажности сырца

Сушка производится при начальной температуре теплоносителя - отходящих газов от обжиговых печей или подогретого воздуха -120-150 °С.

Обжиг изделий

Обжиг - важнейший и завершающий процесс в производстве керамических изделий. Этот процесс можно разделить на три периода: прогрев сырца, собственно обжиг и регулируемое охлаждение.

При нагреве сырца до 120 °С удаляется физически связанная вода и керамическая масса становится непластичной. Но если добавить воду, пластические свойства массы сохраняются.

В температурном интервале от 450 °С до 600 °С происходит отделение химически связанной воды, разрушение глинистых минералов и глина переходит в аморфное состояние.

При этом и при дальнейшем повышении температуры выгорают органические примеси и добавки, а керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.

При 800 °С начинается повышение прочности изделий, благодаря протеканию реакций в твердой фазе на границах поверхностей частиц компонентов.

В процессе нагрева до 1000 °С возможно образование новых кристаллических силикатов, например силлиманита, а при нагреве до 1200 °С и муллита.

Одновременно с этим легкоплавкие соединения керамической массы и минералы плавни создают некоторое количество расплава, который обволакивает не расплавившиеся частицы, стягивает их, приводя к уплотнению и усадке массы в целом.

Эта усадка называется огневой усадкой.

В зависимости от вида глин она составляет от 2% до 8%. После остывания изделие приобретает камневидное состояние, водостойкость и прочность. Свойство глин уплотняться при обжиге и образовывать камнеподобный черепок называется спекаемостью глин .

В зависимости от назначения обжиг изделий ведется до различной степени спекания. Спекшимся считается черепок с водопоглощением менее 5%. Большинство строительных изделий обжигается до получения черепка с неполным спеканием в определенном температурном интервале от температуры огнеупорности до начала спекания, называемым интервалом спекания.

Интервал спекания для легкоплавких глин составляет 50-100 °С, а огнеупорных до 400 °С. Чем шире интервал спекания, тем меньше опасность деформаций и растрескивания изделий при обжиге.

Интервал температур обжига лежит в пределах: от 900 °С до 1100 °С для кирпича, камня, керамзита; от 1100 °С до 1300 °С для клинкерного кирпича, плиток для полов, гончарных изделий, фаянса; от 1300 °С до 1450 °С для фарфоровых изделий; от 1300 °С до 1800 °С для огнеупорной керамики.

4. Структура и свойства керамических изделий

Керамические материалы представляют собой композиционные материалы, в которых матрица или непрерывная фаза представлена остывшим расплавом, а дисперсная фаза представлена нерасплавленными частицами глинистых, пылевидных и песчаных фракций, а также порами и пустотами, заполненными воздухом.

Материал матрицы в свою очередь представляет собой микрокомпозиционный материал, состоящий из матрицы - непрерывной стекловидной фазы застывшего расплава и дисперсной фазы - кристаллических зерен силлиманита, муллита, кремнезема различных фракций и других веществ, кристаллизующихся при остывании (в основном алюмосиликатов).

Стекловидная, аморфная фаза (переохлажденная жидкость) представлена в микроструктуре легкоплавкими компонентами, которые не успели выкристаллизоваться при заданной скорости остывания расплава.

Истинная плотность керамических материалов 2,5 - 2,7 г/см; плотность 2000 - 2300 кг/м; теплопроводность абсолютно плотного черепка 1,16 В/(м °С). Теплоемкость керамических материалов 0,75 - 0,92 кДж/(кг °С).

Предел прочности при сжатии керамических изделий меняется в пределах от 0,05 до 1000 МПа.

Водопоглощение керамических материалов в зависимости от пористости меняется в пределах от 0 до 70%.

Керамические материалы имеют марки по морозостойкости: 15; 25; 35; 50; 75 и 100.

5. Стеновые изделия

К группе стеновых изделий относятся: кирпич керамический обыкновенный, эффективные керамические материалы (кирпич пустотелый, пористо-пустотелый, легкий, пустотелые камни, блоки и плиты), а также крупноразмерные блоки и панели из кирпича и керамических камней.

Керамические кирпичи и камни

Керамические кирпичи и камни изготовляют из легкоплавких глин с добавками или без них и применяются для кладки наружных и внутренних стен и других элементов зданий и сооружений, а также для изготовления стеновых панелей и блоков.

В зависимости от размеров кирпич и камни подразделяются на виды :
- обыкновенный;
- утолщенный;
- модульный;
- камень обыкновенный;
- укрупненный;
- модульный;
- с горизонтальным расположением пустот.

Типы керамического кирпича и камня

Кирпич: а) обыкновенный; б) утолщенный; в) модульный. Камень: г) обыкновенный; д) укрупненный; е) модульный; ж), з) с горизонтальным расположением пустот

Кирпич может быть полнотелым и пустотелым, а камни только пустотелыми. Утолщенный и модульный кирпич должен быть также только с круглыми или щелевыми пустотами, чтобы масса одного кирпича не превышала 4 кг.

Поверхность граней может быть гладкой и рифленой.

Кирпич и камень должен быть нормально обожжен, так как недожог (алый цвет) обладает недостаточной прочностью, малой водостойкостью и морозостойкостью, а пережженный кирпич (железняк) отличается повышенной плотностью, теплопроводностью и, как правило, имеет искаженную форму.

Допускается изготовление кирпича и камней с закругленными углами с радиусом закругления до 15 мм. Размер цилиндрических сквозных пустот по наименьшему диаметру должен быть не менее 16 мм, ширина щелевых пустот не более 12 мм. Диаметр несквозных пустот не ограничивается.

Толщина наружных стенок кирпича и камней должна быть не менее 12 мм. По внешнему виду кирпич и камень должны удовлетворять определенным требованиям.

Это устанавливается путем осмотра и обмера определенного количества кирпича от каждой партии (0,5%, но не менее 100 шт.) по отклонениям от установленных размеров, непрямолинейности ребер и граней, отбитости углов и ребер, наличию сквозных трещин, проходящих по постели кирпича.

Общее количество изделий с отклонениями, выше допустимых, должно быть не более 5%.

Марка кирпича в зависимости от пределов прочности при сжатии и изгибе

Марка кирпича	Предел прочности, МПа
	Для всех видов кирпичей		при изгибе
	при сжатии		для полнотелого кирпича пластического прессования		для полнотелого кирпича полусухого прессования и пустотелого кирпича		для утолщенного кирпича
	средний для 5 образцов	min	средний для 5 образцов	min	средний для 5 образцов	min	средний для 5 образцов	min
	30,0	25,0
	29,0	20,0
	20,0	17,5
	17,5	15,0
	15,0	12,5
	10,0

Морозостойкость кирпича и камней 15, 25, 35 и 50. Водопоглощение для полнотелого кирпича должно быть для марок до 150 не менее 8%, а для полнотелого кирпича более высоких марок и пустотелых изделий не менее 6%.

По плотности в сухом состоянии кирпич и камни подразделяются на 3 группы :
- обыкновенные - с плотностью более 1600 кг/м;
- условно-эффективные - с плотностью более 1400-1600 кг/м;
- эффективные - с плотностью не более 1400-1450 кг/м.

К эффективным стеновым материалам относятся также пористые сплошные и пустотелые кирпич и камни, изготовляемые из диатомитов и трепелов и имеющие плотность: класс А - 700-1000 кг/м, класс Б - 1001-1300 кг/м, класс В > 1301 кг/м.

Применение эффективных стеновых керамических материалов позволяет уменьшить толщину наружных стен, снизить материалоемкость ограждающих конструкций до 40%, сократить транспортные расходы и нагрузки на основание.

В различных странах выпускаются отличающиеся между собой стеновые материалы как по номенклатуре, так и по типоразмерам и маркам. Так, марка кирпича, выпускаемого за рубежом, составляет 125-600, причем основная масса кирпича производится с маркой 400

В Германии, например, стандарт "Стеновой кирпич" предусматривает производство: обыкновенных полнотелых и пустотелых кирпичей и камней 14-ти типов с размерами 240x115x52-490x300x238 марок от М40 до М280 и плотностью 1200-2200 кг/м(3); легких пустотелых кирпичей и камней 13-ти типоразмеров марок от М20 до М280 и плотностью 600-1000 кг/м(3); высокопрочных кирпичей и камней марок М360, М480 и М600: для внутренних стен и перегородок - пустотелых кирпичей, камней и плит с размерами 330x175x40-945x320x115.

В зарубежной практике известно производство кирпича пазогребневой конструкции для безрастворной кладки, крупноразмерных керамических стеновых элементов, звукоизоляционного кирпича и других стеновых изделий.

Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней

Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней изготовляют для повышения индустриальности строительства.

Их изготовляют обычно в горизонтальном положении в металлической форме с матрицей, имеющей ячейки для фиксации положения каждого кирпича и камня и обеспечивающей расшивку швов с лицевой стороны изделия или с матрицей со специальным рисунком отделочного слоя.

Они изготовляются трех-, двух-, и однослойные длиной на один или два планировочных шага и высотой на 1 и 2 этажа, толщина панелей для внутренних стен и перегородок 80, 140, 180 и 280 мм.

Однослойные панели изготавливаются из керамических камней. Двухслойная панель состоит из одного слоя в 1/2 кирпича и слоя утеплителя толщиной до 100 мм.

Трехслойная панель состоит из двух кирпичных наружных слоев, каждый толщиной 65 мм, и слоя утеплителя толщиной 100 мм между ними. Для обеспечения прочности панели при транспортировании и монтаже их армируют стальными каркасами из проволоки по периметру панели и проемов.

6. Облицовочные изделия

Керамические облицовочные изделия применяются для наружной и внутренней облицовки конструкции зданий и сооружений не только с целью декоративно-художественной отделки, но и повышения их долговечности.

Керамические изделия для внешней облицовки зданий

Керамические изделия для внешней облицовки зданий подразделяют на кирпич и камни лицевые, крупноразмерные плиты, плитки керамические фасадные и ковры из них.

Кирпич и камни лицевые являются не только облицовочными изделиями. Они укладываются вместе с кладкой стены и одновременно служат конструктивным несущим элементом вместе с обычным кирпичом.

Лицевые кирпичи и камни выпускаются тех же размеров и форм, что и обычные, и отличаются от последних более высокой их плотностью и однородностью цвета. Производятся по прочности марок 75, 100, 125 и 150, а по морозостойкости не менее 25

Регулируя состав сырья и режим обжига получают от белого, кремового до светло-красного и коричневого цветов.

При отсутствии высококачественного сырья изготавливаются с лицевой поверхностью офактуренной: ангобированием, двухслойным формованием, глазурованием и торкретированием цветной минеральной крошкой.

Двухслойные изделия изготовляют формованием из двух масс: основной части - местных красножгущихся глин и лицевого слоя толщиной 3-5 мм из светложгущихся окрашенных или неокрашенных глин.

Применяется и рельефное офактуривание, которое производится путем обработки еще влажных сырцовых изделий специальными металлическими ершами, гребенками, рифлеными валиками. Для зданий, возводимых из кирпича, лицевые кирпичи являются наиболее экономичным видом облицовки зданий.

Крупноразмерные облицовочные керамические плиты типа "плинк" универсального назначения выпускаются глазурованные и неглазурованные с гладкой, шероховатой или рифленой, одно-или многоцветной поверхностью.

Плиты имеют водопоглощение менее 1% и морозостойкость 50 циклов и более. Изготовляются квадратной или прямоугольной формы длиной 490, 990, 1190 мм, шириной 490 и 990 мм и толщиной 9-10 мм.

Применяются для облицовки фасадов и цоколей зданий, подземных переходов.

Плитки керамические фасадные и ковры из них выпускаются методом пластического и полусухого прессования.

Применяются для облицовки наружных стен кирпичных зданий, наружных поверхностей железобетонных стеновых панелей, цоколей, подземных переходов и оформления других элементов зданий.

Плитки выпускаются глазурованные и неглазурованные, рядовые и специального назначения с гладкой и рельефной поверхностью 26-ти типов с размерами от 292x192x9 мм до 21x21x4 мм

Стандартом допускается выпуск плиток и других типоразмеров. Водопоглощение рядовых плиток 7-10%, а специальных - не более 5%.

Морозостойкость должна быть для рядовых плиток не менее 35 циклов, а специальных не менее 50 циклов.

Плитки могут поставляться в коврах. Заводы выпускают ковры с наклейкой плиткой их лицевой стороной на крафт-бумагу.

Керамические плитки для внутренней облицовки

Плитки керамические для внутренней облицовки подразделяются на две группы - для облицовки стен и для покрытия полов. Эти изделия не подвергаются в условиях эксплуатации действию отрицательных температур, поэтому требования морозостойкости к ним не предъявляются.

Плитки для облицовки стен применяются двух видов - майоликовые и фаянсовые . Фаянсовые плитки изготовляются из сырьевой смеси каолина, полевого шпата и кварцевого песка, а майоликовые из красножгущихся глин с последующим покрытием глазурью.

Плитки классифицируют : по характеру поверхности - на плоские рельефно-орнаментированные, фактурные; по виду глазурного покрытия - прозрачные и глухие, блестящие и матовые одноцветные и декорированные многоцветными рисунками.

По форме, назначению и характеру кромок плитки производятся следующих видов : квадратные, прямоугольные, фасонные угловые, фасонные карнизные прямые, для отделки внешних и внутренних углов; фасонные плинтусные - прямые, дли отделки внешних и внутренних углов.

Типы керамических плиток для внутренней отделки:

1-5 - квадратные; 6-10 - прямоугольные; 11, 12 - фасонные угловые; 13-16 - фасонные карнизные; 17-20 -фасонные плинтусные

Размеры плиток для внутренней отделки (150200)х(50200)х(58) мм.

Водопоглощение плиток для внутренней отделки до 16%, предел прочности при изгибе - 12 МПа.

Плитки должны выдерживать перепады температур от 125±5 °С до 15-20 °С без появления дефектов.

Плитки керамические для полов-метлахские (н азвание произошло от города Меttlach в Германии, где еще в средние века было налажено их производство) производятся из тугоплавких и огнеупорных глин с добавками и без них

Их применяют для настилки подов в зданиях, к чистоте которых предъявляются высокие требования, где возможны воздействия жиров и других химических реагентов, интенсивное движение, а также в случаях, когда материал для полов служит и декоративным элементом в архитектурном оформлении помещения.

При производстве плитки обжигаются до спекания, вследствие чего имеют водопоглощение не более 4% и высокую износостойкость.

Плитки могут быть квадратными, прямоугольными, четырех-, пяти-, шести- и восьмигранными.

Размеры плиток 16-ти типов (2004)х(17349)х(1013) мм.

По виду лицевой поверхности плитки выпускаются гладкими, с рельефом и тиснением: одноцветные и многоцветные, матовые и глазурованные, с рисунками и без них.

Выпускаются и крупноразмерные универсальные керамические плитки размерами (1200500)х500 мм, которые применяются для облицовки и стен и полов.

Типы керамических плиток для полов:

1 - квадратная; 2 - прямоугольная; 3 - треугольная; 4 - шестигранная; 5 - четырехгранная; 6 - пятигранная; 7 - шестигранная; 8, 9 - фигурные

Для устройства полов применяют и мозаичные плитки квадратной или прямоугольной формы размером 23 и 48 мм при толщине 6-8 мм, собранные в "ковры" на крафт-бумаге размером 398x598 мм.

Мировым лидером в производстве керамической плитки является Италия, которая производит их около 30% мирового производства.

7. Керамические изделия для кровли и перекрытий

Наибольшее применение керамические изделия для кровли и черепицы нашли в западноевропейских странах, в некоторых из них кровля до 100% жилых зданий решается за счет применения черепицы.

Черепица, имея долговечность до 300 лет, по этому показателю значительно превышает любые другие кровельные материалы, а по текстурным качествам и по стоимости не уступает им.

К недостаткам черепицы относятся необходимость большого уклона (не менее 30%) кровли и значительный вес кровли, что требует особой прочности конструкции стропил, и высокая трудоемкость кровельных работ.

Однако высокая долговечность, огнестойкость, устойчивость к атмосферным воздействиям и распространенность сырья делают керамическую черепицу одним из самых эффективных кровельных материалов.

Известна черепица разных типов. По назначению черепицу подразделяют на: рядовую, коньковую, разжелобочную, концевую для замыкания рядов и черепицу специального назначения. Черепица производится из легкоплавких глин.

Разновидности керамической черепицы:

а) пазовая штампованная; б) пазовая ленточная; в) плоская ленточная; г) коньковая; д) голландская; е) желобчатая; ж) татарская

Черепица при монтаже укладывается друг на друга ив связи с этим полезная площадь составляет соответственно у плоской - 50%, у штампованной и ленточной пазовой - 75-85%.

При испытании черепица должна выдерживать не менее 70 кг при расстоянии между опорами у плоской - 180 мм, у ленточной пазовой и штампованной - 300 мм. Вес штампованной и ленточной пазовой, уложенной в кровлю и насыщенной водой, должен быть не более 50 кг/м, а плоской - не более 65 кг/м.

Морозостойкость черепицы должна быть не менее 25 циклов.

Камни и плиты для перекрытий

Перекрытия из пустотелых камней и плит огнестойки, долговечны, обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Для их устройства требуется небольшой расход цемента и стали и не требуется дополнительная засыпка.

Камни керамические для перекрытий по назначению подразделяются для: сборных элементов настилов, часторебристых сборных или монолитных перекрытий, накатов (заполнение между балками). Пустотность керамических камней для перекрытий 50-75%.

Керамические камни для перекрытий:

а) несущие; б) ненесущие

8. Санитарно-технические керамические изделия и трубы

Изделия санитарные керамические - умывальники, унитазы, сливные бачки, биде, писсуары, раковины и другие аналогичные изделия производятся из фарфоровых, полуфарфоровых, фаянсовых и шамотированных масс, которые получают из одинаковых материалов.

Типовые составы масс для производства санитарно-технических изделий (% по массе)

Материалы	Фарфор	Полуфарфор	Фаянс
Каолин	28-30	28-32	32-34
Пластическая бело-жгущаяся глина	20-22	20-22	22-24
Полевой шпат	20-24	10-12
Песок кварцевый	20-22	25-28	26-30
Бой обоженный	6-10	8-12	26-30
Жидкое стекло	0,15-0,30	0,15-0,30	0,15-0,30
Сода	0,07-0,15	0,07-0,15	0,07-0,15

Физико-механические свойства санитарно-технической керамики

Свойства	Фарфор	Полуфарфор	Фаянс
Водопоглощение, %	0,2-0,5		10-12
Плотность, кг/м	2250-2300	2000-2200	1900-1960
Предел прочности при сжатии; МПа	400-500	150-200
Предел прочности при изгибе, МПа	70-80	38-43	15-30

Трубы керамические канализационные применяют для строительства безнапорных сетей канализации, транспортирующих промышленные, бытовые, дождевые, агрессивные и не агрессивные воды.

Трубы изготовляются из пластичных тугоплавких и огнеупорных глин, цилиндрической формы длиной 1000-1500 мм с внутренним диаметром 150-600 мм.

На одном конце имеется раструб для соединения отдельных звеньев трубопровода.

Водопоглощение труб должно быть не более 8%, а кислотостойкость не ниже 93%.

Трубы должны быть водонепроницаемыми и выдерживать внутреннее давление не менее 0,15 МПа.

Трубы керамические дренажные изготовляются из глины с добавками и без них и применяются в мелиоративном строительстве для устройства закрытого дренажа с защитой стыков фильтрующими материалами.

Трубы производятся с цилиндрической, шести- и восьмигранной поверхностью с внутренним диаметром 50-250 мм и длиной 333 мм.

Морозостойкость их не менее 15 циклов, а разрушающая внешняя нагрузка от 3,5 до 5,0 кН в зависимости от диаметра.

Внешняя поверхность труб покрывается глазурью. Вода в трубы поступает через круглые или щелевидные отверстия в стыках, а также через стыки труб.

9. Специальные керамические изделия

К специальным керамическим изделиям относятся кирпич для дымовых труб, клинкерный кирпич и кислотоупорные изделия.

Кирпич для дымовых труб применяется для кладки дымовых труб и обмуровки промышленных труб в случае, если температура нагрева их дымовыми газами не превышает 700 °С.

Кирпич изготовляется марок от 125 до 300.

Размеры кирпича: длина 120 и 250 мм, ширина 120 или 250 мм, толщина 65 или 88 мм.

Кирпич бывает прямоугольный или клинообразный.

Меньшую длину клинообразного кирпича принимают 70, 100, 200 и 225 мм. Водопоглощение кирпича должно быть не менее 6%, а морозостойкость 25, 35 и 50.

Клинкерный кирпич получают обжигом глин до полного спекания, но без остекловывания поверхности, поэтому он отличается от обычного высокими прочностью и морозостойкостью.

Размер кирпича 220x110x65 мм.

В соответствии с пределом прочности при сжатии его разделяют на 3 марки - 1000, 700 и 400, морозостойкость которых соответственно - 100-50 циклов, а водопоглощение - соответственно не более 2-6%.

Клинкерный кирпич называют и дорожным и применяется он для покрытия дорог и мостовых, обмуровки канализационных коллекторов и облицовки набережных.

Применяется он и в химической промышленности как кислотостойкий материал.

Кислотоупорный кирпич применяется для защиты аппаратов и строительных конструкций, работающих в условиях кислых агрессивных сред, и при футеровке дымовых труб, которые служат для отвода дымовых газов, содержащих агрессивные среды.

Кирпич изготовляется высшей и первой категории качества трех классов А, Б и В и четырех форм: прямой, клиновой (торцовый и ребровый), радиальный (поперечный и продольный) и фасонный (слезник).

Размеры кирпича 230x113x65 и 230x113x55 мм.

Свойства кирпича имеют следующие значения : кислотостойкость - (98,5-96)%; прочность при сжатии (60-35) МПа; термическая стойкость (5-25) теплосмен.

Кислотоупорные плитки применяются для футеровки оборудования и защиты строительных конструкций и сооружений, эксплуатируемых в условиях воздействия агрессивных сред.

Плитки производятся высшего и первого сортов 6-ти марок : кислотоупорные фарфоровые - КФ, термокислотоупорные дунитовые - ТКД, термокислотоупорные для гидролизной промышленности - ТКГ, кислотоупорные для строительных конструкций - КС, кислотоупорные шамотные - КШ и термокислотоупорные шамотные - ТКШ.

По форме плитки бывают :
- квадратные плоские;
- квадратные радиальные;
- прямоугольные;
- клиновы;
- спаренные.

С одной стороны плитки имеют ребристую поверхность, обеспечивающую лучшее сцепление с футерируемой конструкцией.

Размеры плиток меняются в пределах: длина и ширина 50-200 мм, толщина 15-50 мм.

Значения свойств плиток в зависимости от сорта и марок колеблются в пределах: водопоглощение - (0,4-8)%; кислотостойкость - (97-99)%; предел прочности при сжатии - (10-150) МПа, а при изгибе - (10-40) МПа; термическая стойкость 2-10 теплосмен; морозостойкость-15-20 циклов.

Керамика (керамические материалы) - поликристаллические материалы, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов металлов и других тугоплавких соединений. Люди начали использовать керамические материалы с 5-го тысячелетия до н. э.

Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного состава (химического и фазового). Основными компонентами технической керамики являются оксиды, бескислородные соединения металлов, а также глины.

Следует отметить, что любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения ее механической прочности, термостойкости и других основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1…10 % стекловидной фазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели материала. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как из-за этого снижается механическая прочность материала.

Техническая керамика характеризуется многообразием составов и свойств. Поскольку различные виды керамики отличаются сырьем, составом, структурой и свойствами, то объединяющим признаком этих материалов можно считать технологию их получения (составление шихты, формование и обжиг).

Керамические материалы характеризуются общими для них свойствами (высокая температура плавления, большие значения твердости и модуля упругости, химическая инертность). При этом данные материалы отличаются большим диапазоном электрических и тепловых свойств (от сверхпроводников до диэлектриков, от теплоизоляторов до высокотеплоотводящих материалов), обладают специфическими свойствами (эмиссионными, оптическими, ядерными, каталитическими). Из керамики изготавливают украшения, строительные материалы (в том числе облицовочную плитку и кирпич), посуду (фарфоровую и глиняную), футеровку печей, режущий инструмент, детали химического и металлургического оборудования, уплотнители насосов, работающих в условиях абразивного изнашивания, детали двигателей (внутреннего сгорания и газотурбинных) и ракет и др.

Большинство керамических материалов являются кислородсодержащими соединениями. К ним относятся силикатные соединения (на основе глин и других силикатов) и из чистых тугоплавких оксидов металлов (оксидов бериллия, магния, алюминия, циркония, гафния и проч.).

К бескислородным соединениям принадлежат керамические материалы, состоящие из карбидов, нитридов, боридов, силицидов и др.

Различают керамические материалы пористые и плотные (каменная керамика); грубые (с неоднородным строением) и тонкие (с мелкокристаллическим строением).

Керамика на основе оксида алюминия А1 2 О 3 (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах. Корундовая керамика химически стойка и является отличным диэлектриком. Изделия из этого материала применяют во многих областях техники (пластины резцов, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, сопла, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания). Керамику на основе оксида алюминия с плотной структурой используют в качестве вакуумной, а пористую - как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях плавят различные металлы, оксиды, шлаки.

Особенностями оксида циркония (ZrO 2) являются слабокислотная или инертная природа и низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO 2 2 000…2 200 °С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция обладает стойкостью к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Но термическая стойкость таких материалов низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, а оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе (их применяют для изготовления тиглей). Кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает этому материалу высокую термостойкость, но его прочностные свойства невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов и применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, а также в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

Следует отметить, что разработаны и используются керамические материалы на основе оксидов титана, тория, урана и др.

Бескислородная керамика создана на основе соединений, которые не содержат кислорода. К ним относятся соединения элементов с углеродом (МеС) - карбиды, с азотом (МеN) - нитриды, с бором (МеВ) - бориды, с кремнием (МеSi) - силициды и с серой (МеS) - сульфиды. Эти соединения отличаются высокой огнеупорностью (2 500…3 500 °С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью (по отношению к агрессивным средам). При этом материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900…1 000 °С, у нитридов - несколько ниже. Силициды могут выдерживать температуру 1 300…1 700 °С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды кремния, хрома, титана, вольфрама и другие получили широкое применение. Из карбида кремния изготавливают огнеупоры, конструкционные материалы, абразивные материалы, электротехнические материалы и др. Из карбида титана изготавливают детали насосов химической промышленности, лопатки газовых турбин, электроды, твердые сплавы и др. Карбид вольфрама используется, в основном, для производства твердых сплавов для резцов, фрез и другого инструмента.

Нитриды - соединения азота с более электроположительными элементами, главным образом, металлами. Тугоплавкими соединениями с высокой твердостью, хорошими износостойкостью и химической стойкостью являются нитриды алюминия, бора, кремния, титана.

Нитрид алюминия обладает еще и хорошими электроизоляционными свойствами. Его используют в качестве электроизоляционного материала, огнеупора (тигли, футеровка печей), из него изготавливают усы (для армирования композиционных материалов). Механические свойства сверхтвердых модификаций нитрида бора близки к свойствам алмаза. Они используются для изготовления инструментальных материалов и сверхтвердых материалов типа «боразон», «гексанит», «эльбор». Нитрид кремния используется в качестве инструментального материала, конструкционного материала, материала трения, огнеупора. Нитрид титана используется для нанесения покрытий на поверхности изложниц и как декоративное покрытие золотистого цвета. Нитриды молибдена и ниобия при определенных температурах являются сверхпроводниками.

Бориды обладают металлическими свойствами. Они износостойки, тверды, стойки к окислению и электропроводность боридов очень высокая. В технике используются дибориды тугоплавких металлов (TiВ 2 , ZrВ 2 и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2 000 °С в агрессивных средах, а также труб, емкостей, тиглей. Благодаря высокому уровню механических свойств, жаропрочности и жаростойкости бориды широко используются как конструкционные материалы для узлов и деталей газовых турбин, реактивных двигателей, для сопел распыления металлов, чехлов термопар и др.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, стойкостью к действию кислот и щелочей. Эти материалы можно применять при температуре 1 300…1 700 °С, при температуре 1 000 °С они не взаимодействуют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (МоSi 2) наиболее широко используется в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1 700 °С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного МоSi 2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей. В радио- и электротехнике силициды используют как высокотемпературные полупроводниковые материалы.

Сульфиды (в зависимости от соотношения серы и металла в соединении) являются обычными полупроводниками, узкозонными полупроводниками или обладают свойствами металлов. Эти материалы используются в электротехнике и электронике. Сульфидам присуща высокая химическая стойкость по отношению к расплавам металлов и солей при высоких температурах. Сульфиды применяются в качестве огнеупоров для тиглей и других изделий в прецизионной металлургии, а в химической промышленности их используют как катализаторы.

Следует отметить, что разрабатываются новые составы керамических материалов, совершенствуются технологии получения изделий из этих материалов и область их применения постоянно расширяется.

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.

Керамические материалы получают из глиняных масс путем формования и последующего обжига. При этом часто имеет мес­то промежуточная технологическая операция - сушка свежесформованных изделий, называемых «сырцом».

По характеру строения черепка различают керамические ма­териалы пористые (неспекшиеся) и плотные (спекшиеся). По­ристые поглощают более 5% воды (по массе), в среднем их во-допоглощение составляет 8...20% по массе. Пористую структуру имеют кирпич, блоки, камни, черепица, дренажные трубы и др.; плотную-плитки для полов, канализационные трубы, санитар-но-технические изделия.

По назначению керамические материалы и изделия делят на следующие виды: стеновые - кирпич обыкновенный, кирпич и камни пустотелые и пористые, крупные блоки и панели из кирпи­ча и камней; для перекрытия - пустотелые камни, балки и па­нели из пустотелых камней; для наружной облицовки - кирпич и камни керамические лицевые, ковровая керамика, плитки кера­мические фасадные; для внутренней облицовки и оборудования зданий - плиты и плитки для стен и полов, санитарно-техниче-ские изделия; кровельные -черепица; трубы - дренажные и канализационные.

Сырьевые материалы

Сырьем для изготовления керамических материалов служат различные глинистые горные породы. Для улучшения технологи­ческих свойств глин, а также придания изделиям определенных и более высоких физико-механических свойств к глинам добав­ляют кварцевый песок, шамот (дробленая обожженная при тем­пературе 1ООО...14ОО°С огнеупорная или тугоплавкая глина), шлак, древесные опилки, угольную пыль.

Глиняные материалы образовались в результате выветрива­ния изверженных полевошпатовых горных пород. Процесс вывет­ривания горной породы заключается в механическом разрушении и химическом разложении. Механическое разрушение про­исходит в результате воздействия переменной температуры и воды. Химическое разложение происходит, например, при воздей­ствии на полевой шпат воды и углекислоты, в результате чего образуется минерал каолинит.

Глиной называют землистые минеральные массы или обло­мочные горные породы, способные с водой образовывать пластич­ное тесто, по высыхании сохраняющее приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня. Наиболее чистые глины состоят преимущественно из каолинита и называются каолинами. В состав глин входят различные оксиды (AI2O3, SiO 2 , Fe 2 O3, CaO, Na 2 O, MgO и K2O), свободная и химически связанная вода и органические примеси.

Большое влияние на свойства глины оказывают примеси. Так, при повышенном содержании SiO 2 , не связанного с А1 2 Оз, в гли­нистых минералах уменьшается связующая способность глин, повышается пористость обожженных изделий и снижается их прочность. Соединения железа, являясь сильными плавнями, понижают огнеупорность глины. Углекислый кальций уменьшает огнеупорность и интервал спекания, увеличивает усадку при обжиге и пористость, что уменьшает прочность и морозостой­кость. Оксиды Na2О и К2О понижают температуру спекания глины.

Глины характеризуются пластичностью, связностью и связую­щей способностью, отношением к сушке и к действию высоких температур.

Пластичностью глины называют ее свойство образовывать при затворении водой тесто, которое под действием внешних усилий способно принимать заданную форму без образования разрывов и трещин и сохранять эту форму при последующей сушке и обжиге.

Пластичность глины характеризуют числом пластичности

П = W т - W р,

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

По пластичности глины разделяют на высокопластичные (П>25), среднепластичные (П=15...25), умереннопластичные (П = 7... 15), малопластичные (П <7) и непластичные. Для производства керамических изделий обычно применяют умерен­нопластичные глины с числом пластичности П = 7... 15. Мало­пластичные глины плохо формуются, а высокопластичные рас­трескиваются при сушке и требуют отощения.

В производстве обжиговых материалов наряду с глинами используются диатомиты, трепелы, сланцы и др. Так, в произ­водстве легкого кирпича и изделий применяют диатомиты и трепелы, а для получения пористых заполнителей - вспучи­вающиеся глины, перлит, вермикулит.

На многих керамических заводах отсутствует сырье, пригодное в естественном виде для изготовления соответствующих изделий. Такое сырье требует введения добавок. Так, добавляя к пластичным глинам отощающие добавки до 6... 10% (песок, шлак, шамот и др.), можно уменьшить усадку глины при сушке и обжиге. Большое влияние на связующую способность глин и их усадку оказывают фракции меньше 0,001 мм.

Чем больше содержание глинистых частиц, тем выше плас­тичность. Пластичность можно повысить добавлением высоко­пластичных глин, а также введением поверхностно-активных веществ - сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ) и др. Понизить пластичность можно добавлением непластичных материалов, на­зываемых отощителями, - кварцевого песка, шамота, шлака, древесных опилок, крошки угля.

Глины, содержащие повышенное количество глинистых фрак­ций, обладают более высокой связностью, и, наоборот, глины с небольшим содержанием глинистых частиц имеют малую связ­ность. С увеличением содержания песчаных и пылевидных фракций понижается связующая способность глины. Это свой­ство глины имеет большое значение при формовании изделий. Связующая способность глины характеризуется возможностью связывать частицы непластичных материалов (песка, шамота и др.) и образовывать при высыхании достаточно прочное изделие заданной формы.

Усадкой называют уменьшение линейных размеров и объема при сушке образца (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Воздушная усадка происходит при испарении воды из сырца в процессе его сушки. Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2...3 до 10...12% в зависимости от содержания тонких фракций. Огневая усадка происходит из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка в зависимости от состава глин бывает 2...8%. Полная усадка равна алгебраической сумме воз­душной и огневой усадок, она колеблется в пределах 5...18%. Это свойство глин учитывают при изготовлении изделий необ­ходимых размеров.

Характерным свойством глин является их способность пре­вращаться при обжиге в камневидную массу. В начальный пе­риод повышения температуры начинает испаряться механически примешанная вода, затем выгорают органические примеси, а при нагревании до 550...800°С происходит дегидратация глини­стых минералов и глина утрачивает свою пластичность.

При дальнейшем повышении температуры осуществляется обжиг - начинает расплавляться некоторая легкоплавкая со­ставная часть глины, которая, растекаясь, обволакивает нера-сплавившиеся частицы глины, при охлаждении затвердевает и цементирует их. Так происходит процесс превращения глины в камневидное состояние. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения расплавленной массы вызывают сближение ее частиц, происходит сокращение объема - огневая усадка.

Совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге называют спеканием глины. При дальнейшем повышении температуры масса размягчается - наступает плав­ление глины.

На цвет обожженных глин оказывает влияние главным об­разом содержание оксидов железа, которые окрашивают кера­мические изделия в красный цвет при наличии избытка в печи кислорода или в темно-коричневый и даже черный при недостат­ке кислорода. Оксиды титана вызывают синеватую окраску черепка. Для получения белого кирпича обжиг ведут в восста­новительной среде (при наличии свободных СО и Ш в газах) и при определенных температурах, чтобы оксид железа перевести в закись.

Процессы происходицие при обжиге и сушке глин

схема производства керамических изделий

Несмотря на обширный ассортимент керамических изделий, разнообразие их форм, физико-механических свойств и видов сырьевого материала, основные этапы производства керамиче­ских изделий являются общими и состоят из следующих опе­раций: добычи сырьевых материалов, подготовки сырьевой массы, формования изделий (сырца), сушки сырца, обжига изделий, обработки изделий (обрезки, глазурования и пр.) и упаковки.

Добычу сырья осуществляют иа карьерах открытым спосо­бом - экскаваторами. Транспортировку сырья от карьера к за­воду производят автосамосвалами, вагонетками или транспорте­рами при небольшой удаленности карьера от цеха формовки. Заводы по производству керамических материалов, как пра­вило, строят вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода.

Подготовка сырьевых материалов состоит из разрушения природной структуры глины, удаления или измельчения крупных включений, смешения глины с добавками и увлажнения до получения удобоформуемой глиняной массы.

Формование керамической массы в зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции осуществляют полусухим, пластическим и шликерным (мокрым) способами. При полусухом способе производства глину вначале дробят и подсушивают, затем измельчают и с влажностью 8... 12% подают на формование. При пластическом способе формования глину дробят, затем направляют в глиносмеситель (рис. 3.2), где она перемешивается с отощающими добавками до получения одно­родной пластичной массы влажностью 20...25%. Формование керамических изделий при пластическом способе осуществляют преимущественно на ленточных прессах. При полусухом способе глиняную массу формуют на гидравлических или механиче­ских прессах под давлением до 15 МПа и более. По шликерному способу исходные материалы измельчают и смешивают с большим количеством воды (до 60%) до получения однород­ной массы - шликера. В зависимости от способа формования шликер используют как непосредственно для изделий, получае­мых способом литья, так и после его сушки в распылительных сушилках.

Обязательной промежуточной операцией технологического процесса производства керамических изделий по пластическому способу является сушка. Если же сырец, имеющ й высокую влажность, сразу после формования подвергнуть обжигу, то он растрескивается. При сушке сырца искусственным способом в качестве теплоносителя используют дымовые газы обжигатель­ных печей, а также специальных топок. При изготовлении изделий тонкой керамики применяют горячий воздух, образуе­мый в калориферах. Искусственную сушку производят в ка­мерных сушилах периодического действия или туннельных суши­лах (рис. 3.4) непрерывного действия.

Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, свя­занных с тепло- и массообменом между материалом и окружаю­щей средой. В результате происходит перемещение влаги из внутренней части изделий на поверхность и испарение ее. Од­новременно с удалением влаги частицы материала сближаются и происходит усадка. Уменьшение объема глиняных изделий при сушке происходит до определенного предела, несмотря на то, что вода к этому моменту полностью еще не испарилась. Для получения высококачественных керамических изделий процессы сушки и обжига должны осуществляться в строгих режи­мах. При нагревании изделия в интервале температур О...15О°С из него удаляется гигроскопическая влага. При температуре 70°С дав­ление водяных паров внутри из­делия может достигнуть значи­тельной величины, поэтому для предупреждения трещин темпера­туру следует поднимать медленно (5О...8О°С/ч), чтобы скорость по­рообразования внутри материала не опережала фильтрации паров через ее толщу.

Обжиг является завершающей стадией технологического процес­са. В печь сырец поступает с влаж­ностью 8...12%, и в начальный период происходит его досушива­ние. В интервале температур 550... 800°С идет дегидратация глинис­тых минералов и удаление хими­чески связанной конституционной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка минера­ла и глина теряет пластичность, в это время происходит усадка изделий.

При температуре 200...800°С выделяется летучая часть органи­ческих примесей глины и выгораю-ших добавок, введенных в состав шихты при формовании изде­лий, и, кроме того, окисляются органические примеси в пределах температуры их воспламенения. Этот период характерен весьма высокой скоростью подъема температур - 300...350° С/ч, а для эффективных изделий - 400...450°С/ч, что способствует быстро­му выгоранию топлива, запрессованного в сырец. Затем изделия выдерживают при этой температуре в окислительной атмосфере до полного выгорания остатков углерода.

Дальнейший подъем температуры от 800°С до максималь­ной связан с разрушением кристаллической решетки глини­стых минералов и значительным структурным изменением че­репка, поэтому скорость подъема температуры замедляют до 1ОО...15О°С/ч, а для пустотелых изделий - до 200...220°С/ч. По достижении максимальной температуры обжига изделие выдерживают для выравнивания температуры по всей толще его, после чего температуру снижают на 1ОО...15О°С, в результа­те изделие претерпевает усадку и пластические деформации.

Затем интенсивность охлаждения при температуре ниже 800°С увеличивается до 250...300°С/ч и более. Ограничением спада температуры могут служить лишь условия внешнего теплообмена. При таких условиях обжиг кирпича можно осу­ществить за 6...8 ч. Однако в обычных туннельных печах ско­ростные режимы обжига не могут быть реализованы из-за боль­шой неравномерности температурного поля по сечению обжига­тельного канала. Изделия из легкоплавких глин обжигают при температуре 900...1100°С. В результате обжига изделие приобре­тает камневидное состояние, высокие водостойкость, прочность, морозостойкость и другие ценные строительные качества.

Виды керамических материалов. Керамические материалы относятся к основным материалам, оказывающим определяющее влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной продукции. Это влияние сохранится и в ближайшем будущем. Войдя в технику и технологию в конце 1960-х гг., керамические материалы произвели настоящую революцию в материаловедении, за короткое время став, по общему мнению, третьими промышленными материалами после металлов и полимеров.

Керамические материалы были первым конкурентоспособным по сравнению с металлами классом материалов для использования при высоких температурах.

Основными разработчиками и производителями керамических материалов являются США и Япония. В табл. 2.1 приведена классификация основных видов керамических материалов.

Исследование, проведенное Национальным бюро стандартов США, показало, что использование керамических материалов позволило к 2000 г. осуществить экономию ресурсов страны в размере более 3 млрд долл. Ожидаемая экономия была достигнута, прежде всего, за счет использования транспортных двигателей с деталями из керамических материалов, керамических материалов для обработки резанием и оптокерамики для передачи информации. Помимо прямой экономии применение керамических материалов позволит снизить расход дорогих и дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях.

Изготовление керамических материалов. Керамическая технология предусматривает следующие основные этапы: получение исходных порошков, консолидацию порошков, т.е. изготовление компактных материалов, их обработку и контроль изделий.

При производстве высококачественных керамических материалов с высокой однородностью структуры используют порошки исходных материалов с размером частиц до 1 мкм. Процесс получения столь высокой степени дисперсности требует больших затрат энергии и является одним из основных этапов керамической технологии.

Характеристика основных видов керамических материалов

Функциональный тип керамических материалов	Используемые свойства	Применение	Используемые соединения
Электрокерамика	Электропроводимость, электроизоляционные, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства	Интегральные схемы, конденсаторы, вибраторы, зажигатели, нагреватели, термисторы, транзисторы, фильтры, солнечные батареи, твердые электролиты	BeO, MgO, V2O3, ZnO, А1 2 0 3 , Zr0 2 , SiC, В 4 С, TiC, CdS, титанаты, Si 3 N 4
Магнстокерамика	Магнитные свойства	Головки магнитной записи, магнитные носители, магниты	Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты
Оптокерамика	Прозрачность, поляризация, флуоресценция	Лампы высокого давления, ИК-прозрачные окна, лазерные материалы, световоды, элементы оптической памяти, экраны дисплеев, модуляторы	А1 2 0 3 , MgO, Y 2 0 2 , Si0 2 , Zr0 2 , T0 2 , Y 2 0 3 , Th0 2 , ZnS, CdS
Хемокерамика	Абсорбционная и адсорбционная способность, каталитическая активность, коррозионная стойкость	Сорбенты, катализаторы и их носители, электроды, датчики влажности газов, элементы химических реакторов	ZnO, Fe 2 0 3 , SnO, Si0 2 , MgO, BaS, CeS, TiB 2 , ZrB 2 , A1 2 0 3 , SiC, титаниды
Биокерамика	Биологическая совместимость, стойкость к биокоррозии	Протезы зубов, суставов	Системы оксидов

Термокерамика	Жаропрочность, жаростойкость, огнеупорность, теплопроводность, коэффициент термического расширения (КТР), теплоемкость	Огнеупоры, тепловые трубы, футеровка высокотемпературных реакторов, электроды для металлургии, теплообменники, теплозащита	SiC, TiC, В4С, TiB 2 , ZrB 2 , Si 3 N 4 , BeS, CeS, BeO, MgO, Zr0 2 , A1 2 0 3 , TiO, композиционные материалы
Механокерамика	Твердость, прочность, модуль упругости, вязкость разрушения, износостойкость, триботехнические свойства, КТР, термостойкость	Детали для тепловых двигателей; уплотнительные, антифрикционные и фрикционные детали; режущий инструмент; пресс-инструмент, направляющие и другие износостойкие детали	Si 3 N 4 , Zr0 2 , SiC, TiB 2 , ZnB 2 , TiC, TiN, WC, B 4 C, A1 2 0 3 , BN, композиционные материалы
Ядерная керамика	Радиационная стойкость, жаропрочность, жаростойкость, сечение захвата нейтронов, огнеупорность, радиоактивность	Ядерное горючее, футеровка реакторов, экранирующие материалы, поглотители излучения, поглотители нейтронов	U0 2 , U0 2 , Pu0 2 , UC, US, ThS, SiC, B 4 C, A1 2 0 3 , BeO
Сверхпроводящая керамика	Эле ктроп ровод и мость	Линии электропередачи, магнитогазодинамические генераторы, накопители энергии, интегральные схемы, железнодорожный транспорт на магнитной подвеске, электромобили	Оксидные системы: La-Ba-Си-О; La-Sr-Си-О; Y-Ba-Cu-0

Измельчение производят механическим путем с помощью мелющих тел, а таюке распылением измельчаемого материала в жидком состоянии, осаждением на холодных поверхностях из парогазовой фазы, виброкавитационным воздействием на частицы, находящиеся в жидкости, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и другими методами.

Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее перспективны вибрационные мельницы, или аттриторы.

Консолидация керамических материалов состоит из процессов формования и спекания. Различают три основные группы методов формования:

• прессование под действием сжимающего давления, при котором происходит уплотнение порошка за счет уменьшения пористости;
• пластичное формование выдавливанием прутков и труб через мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификаторами, увеличивающими их текучесть;
• шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий любой сложной формы, в котором для формования используют жидкие суспензии порошков.

При переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки изделий и удаления пластификаторов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной - экструзии и шликерному литью.

При спекании отдельные частицы порошков превращаются в монолит и формируются окончательные свойства керамики. Процесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой.

При изготовлении керамических материалов применяют печи для спекания при атмосферном давлении, установки горячего изо- статического прессования (газостаты), прессы горячего прессования с усилием прессования до 1 500 кН. Температура спекания в зависимости от состава может составлять 2000...2 200 °С.

Часто применяют совмещенные методы консолидации, сочетающие формование со спеканием, а в некоторых случаях - синтез образующегося соединения с одновременным формованием и спеканием.

Обработка керамических материалов и контроль ее качества являются основными составляющими в балансе стоимости керамических изделий.

По некоторым данным, стоимость исходных материалов и консолидации составляет всего лишь 11 % (для металлов 43 %), в то время как на обработку приходится 38 % (для металлов 43 %), а на контроль 51 % (для металлов 14%).

К основным методам обработки керамических материалов относят термическую обработку и размерную обработку поверхности.

Термическую обработку керамических материалов производят с целью кристаллизации межзеренной стеклофазы. При этом на 20... 30 % повышаются твердость и вязкость разрушения материала.

Большинство керамических материалов с трудом поддаются механической обработке. Поэтому основным условием керамической технологии является получение при консолидации практически готовых изделий. Для доводки поверхностей керамических изделий применяют абразивную обработку алмазными кругами, электрохимическую, ультразвуковую и лазерную обработки. Эффективно применение защитных покрытий, позволяющих устранить мельчайшие поверхностные дефекты - неровности, риски и т.д.

Для контроля качества изготовления керамических деталей чаше всего используют рентгеновскую и ультразвуковую дефектоскопию.

Учитывая, что большинство керамических материалов имеет низкие вязкость и пластичность и соответственно низкую трещи- ностойкость, для аттестации изделий применяют методы механики разрушения с определением коэффициента интенсивности напряжений К к. Одновременно строят диаграмму, показывающую кинетику роста дефекта.

Количественно вязкость разрушения кристаллической керамики и стекла составляет примерно 1...2 МПа/м |/2 , в то время как для металлов значения /Г| С значительно выше (более 40 МПа/м |/2). Прочность химических межатомных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обусловливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к хрупкому разрушению.

Возможны два подхода к повышению вязкости разрушения керамических материалов. Один из них, традиционный, связанный с совершенствованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спекания. Второй подход состоит в торможении роста трещин под нагрузкой. Существуют несколько способов решения этой проблемы. Один из них основан на том, что в некоторых керамических материалах, например в диоксиде циркония Zr0 2 , под давлением происходит перестройка кристаллической структуры. Исходная тетрагональная структура Zr0 2 переходит в моноклинную, имеющую на 3...5% больший объем.

Расширяясь, зерна Zr0 2 сжимают трещину, и она теряет способность к распространению (рис. 2.1, а). При этом сопротивление хрупкому разрушению возрастает до 15 МПа/м |/2 .

Второй способ (рис. 2.1, б) состоит в создании композиционного материала введением в керамику волокон из более прочного

Рис. 2.1. Упрочнение конструкционной керамики включениями Zr0 2 (а), волокнами (б) и микротрещинами (в):

/ - тетрагональный Zr0 2 ; 2 - монолитный Zr0 2

керамического материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 20 МПа/м |/2 , существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.

Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами (рис. 2.1, в). При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины и она дальше не распространяется.

Определенный интерес представляет физико-химический способ повышения надежности керамических материалов. Он реализован для одного из наиболее перспективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si 3 N 4 . Способ основан на образовании определенного стехиометрического состава твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших название сиалонов. Примером высокопрочной керамики, образующейся в этой системе, являются сиалоны состава Si^^Ai^Ng^O^, где х - число замещенных атомов кремния, азота в нитриде кремния, составляющее от 0 до 4,2. Важным свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высоких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.

Свойства и применение керамических материалов. В современном машиностроении применение керамических материалов постоянно увеличивается. Они многообразны по химическому составу и физико-механическим характеристикам. Керамические материалы могут работать при высоких температурах - 1600... 2500°С (жаропрочные стали 800... I 200°С, молибден - 1 500 °С, вольфрам - 1 800 °С), они имеют плотность, в 2-3 раза меньшую, чем у жаропрочных материалов, твердость, близкую к твердости алмаза, отличные диэлектрические характеристики, высокую химическую стойкость. Запасы исходных материалов для производства керамики на земле неисчерпаемы. Из керамических материалов изготавливают детали газотурбинных и дизельных двигателей, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, легкую броню и элементы теплозащиты космических кораблей, тонкостенные поплавки и контейнеры для глубоководной техники, режущие пластины и оснастку для горячего деформирования металлов, плунжеры и уплотнительные кольца в насосах для перекачки агрессивных сред, элементы особоточных гироскопов и платы ЭВМ, подшипники, постоянные магниты и т.д.

Применение керамических материалов в автомобильных двигателях позволит поднять рабочую температуру в цилиндрах с I 200 до 1 600 °С, при этом сократить потери теплоты, снизить расход топлива, улучшить эксплуатационные характеристики. При изготовлении изделий из керамических материалов нельзя просто заменять металлические детали на керамические. Особо должны учитываться условия их работы и действующие нагрузки, поскольку все детали выполняются целиком и это может снизить прочность всей конструкции. Кроме того, она не имеет пластической деформации и обладает низкой ударной вязкостью.

Сформулированы основные требования, которые следует учитывать при проектировании керамических деталей.

В нагруженных зонах керамическая деталь не должна иметь концентраторов напряжений. Практически не используют в керамических конструкциях болтовые соединения, в них стараются не сверлить отверстия, делать уступы, проточки, чтобы избежать микротрещин. В местах контакта керамики с металлом устанавливают демпфирующие прокладки.

Металлические и керамические детали одного изделия должны иметь одинаковые ТКЛР, в противном случае предусматривают установку компенсационных прокладок, причем учитывают и переходные процессы, когда происходит нагрев или охлаждение.

Керамика имеет теплоемкость, в 2 раза большую, чем металл, что вызывает тепловые деформации и напряжения. Крайне желательно, чтобы температура керамической детали по всему объему была бы одинаковой. Наиболее благоприятно воспринимаются напряжения сжатия. При отсутствии нагрузки в керамических деталях не должны сохраняться остаточные напряжения его полимеризации.

В настоящее время используют керамические материалы на основе нитрида кремния - реакционно связанный, спеченный и горячепрессованный нитриды кремния с легирующими добавками. Реакционно связанный нитрид кремния имеет относительно низкую по сравнению с другими материалами прочность, но изготовленные из него детали сложного профиля дают стабильно малую усадку. Горячепрессованный нитрид кремния обладает максимальной прочностью. Свойства керамических материалов существенно зависят от рабочих параметров и технологии их изготовления. Разработаны составы керамик, которые по своим эксплуатационным характеристикам могут заменять жаропрочные стали, но разработки в области составов и технологии их получения продолжаются. Принципиальными недостатками керамических материалов являются их 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 маюй теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.

При температурах выше 1 ООО “С керамические материалы прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а их 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. Режущие керамические материалы характеризуют высокая твердость, в том числе при нагреве, износостойкость, химическая инертность к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамические материалы существенно превосходят традиционные режущие материалы - быстрорежущие стали и твердые сплавы (табл. 2.2).

Высокие свойства режущих керамических материалов позволили существенно повысить скорость механической обработки стали и чугуна (табл. 2.3).

Для изготовления режущего инструмента широко применяются керамические материалы на основе оксида алюминия с добав-

Табл и ца 2.2

Сравнительные значения свойств инструментальных материалов

ками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений - нитрида бора с кубической решеткой (р-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 другие, имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1 400 °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.

Режущие керамические пластины используют 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 - Т 2 /Т ь где T t и Т 2 - температура соответственно на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства. Чем выше температура Т и тем больше КПД.

Максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционные керамические материалы допускают применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому являются перспективными материалами для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществами керамических материалов являются низкая плотность и теплопроводность, повышен-

Табл и ца 2.3

Сравнительные значения скорости резания при точении керамическим инструментом и инструментом из твердого сплава

ные термо- и износостойкость. Кроме того, при использовании керамических материалов снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относят проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми.

Наиболее эффективно применение керамических материалов для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1 300... 1 500 К, иметь предел прочности при изгибе о„ зг не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПам |/2 . Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяют керамические материалы на основе диоксида циркония Zr0 2 и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводят в Японии и США. Японская фирма lsuzu Motors Ltd. освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, Nissan Motors Ltd. - крыльчатки турбокомпрессора, фирма Mazda Motors Ltd. - форкамеры и пальцев толкателя.

Компания Cammin Engine (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из Zr0 2 , нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30%.

Фирма lsuzu Motors Ltd. сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Автомобиль с таким двигателем развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30...50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Конструкционным керамическим материалом 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 температуре до 1 670 К (в перспективе до 1 920 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.

Керамические материалы специального назначения. К керамическим материалам специального назначения относят сверхпроводящую керамику, керамику 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 керамические материалы на основе оксидов В 2 0 3 и карбидов бора В 4 С в смеси с оксидами свинца РЬО или соединениями типа 2РЬО PbS0 4 . После спекания такие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характеризуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным частицам - нейтронам и у-квантам.

Ударопрочные броневые керамические материалы. Впервые эти материалы были использованы в авиации армии США во время войны во Вьетнаме. С тех пор непрерывно растет применение армиями разных стран брони из керамических материалов в комбинации с другими материалами для защиты сухопутных боевых машин, кораблей, самолетов и вертолетов. По разным оценкам рост применения броневой керамической защиты составляет около 5...7% в год. Одновременно наблюдается рост производства композиционной брони для индивидуальной защиты сил охраны правопорядка, обусловленный ростом преступности и актов терроризма.

По своей природе керамические материалы хрупкие. 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 керамические материалы существенно прочнее металла.

Важными свойствами керамических материалов, обусловившими их применение в качестве брони, являются высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при плотности, меньшей плотности материалов в 2 - 3 раза. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамические материалы для бронепрожигающих снарядов.

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

где Е - модуль упругости, ГПа; Н к - твердость по Кнупу, ГПа; о„- предел прочности при растяжении, МПа; Т т - температура плавления, К; р - плотность, г/см 3 .

В табл. 2.4 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 сдерживает высокая стоимость 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. Керамические материалы из диборида титана, имеющие наибольшие твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.

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

Поданным фирмы Morgan М. 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

Таблица 2.4

Свойства ударопрочных керамических материалов

Материал	Плотность	Т вердость по Кнупу # к, ГПа	Предел прочности при растяжении о в, МПа	Модуль упругости Е, ГПа	Температура плавления Т пл, К	Критерий бронестой- кости Л/, (ГПа м) 3 - К/кг
Горячепрессованный карбид бора В 4 С
Горячепрессованный диборид титана TiB 2
Карбид кремния SiC
Спеченный оксид алюминия А1 2 0 3
Броневая

стальная броня должна иметь толщину 20 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 керамического слоя легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет. Конструкция керамической бронепанели показана на рис. 2.2. Бронепанель состоит из отдельных последовательно соединенных керамических пластин размером 50x50 или ЮОх 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12 мм используют пластины из А1 2 0 3 толщиной 12 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм, находящихся на вооружении НАТО, - пластины из А1 2 0 3 толщиной 6 мм и 12 слоев кевлара.

Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией США керамической брони из А1 2 0 3 , SiC и В 4 С показало ее высокую эффективность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов на основе AIN, TiB и полиамидных смол, армированных керамическими волокнами.

Керамические материалы 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 тепловой защите. Материалы для тепловой защиты должны

Рис. 2.2.

а у б - составные элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разного калибра; в - фрагмент бронепанели, собранной из элементов а и б; I - бронебойная пуля калибром 12,7 мм; 2- пуля калибром 7,62 мм; 3 - защитное

покрытие частично снято 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.

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 % Si0 2 и 6 % В 2 0 3 , в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при температуре 1 470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и сверхзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1 670 К. Варианты системы керамической тепловой защиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рис. 2.3.

Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.

Радиопрозрачные керамические материалы. Для развития современной радио-, электронной и вычислительной техники необходимы материалы на основе оксида алюминия, нитридов бора, кремния, имеющие рабочую температуру до 3 000°С, обладающие стабильными значениями диэлектрической проницаемости и малыми диэлектрическими потерями с тангенсом угла диэлектрических потерь tg 8 = 0,0001 ...0,0002.

К таким материалам относят чистый оксид алюминия, горячепрессованный нитрид бора, керамические материалы ТСМ 303 и АРП-3, спеченный нитрид бора, ситалл Д-2, кварцевые керамические материалы, чистый нитрид кремния и др.

Радиопрозрачные материалы должны обладать комплексом свойств: стабильностью диэлектрических характеристик во всем диапазоне рабочих температур, термостойкостью, эрозионной

Рис. 2.3.

/ - керамический материал на основе SiC или SijN 4 ; 2 - теплоизоляция; 3 - спеченный керамический материал

стойкостью, высоким качеством поверхности, стойкостью к ионизирующим излучениям и др. Они выполняют роль конструкционного материала, из которого изготавливают несущие радиопроз- рачные элементы конструкций. Поскольку пористость оксидных керамик можно варьировать в пределах 0...90 %, это позволяет из одного и того же оксида получать материалы, принципиально отличающиеся по свойствам.

Материалы, получаемые методом структурирования, например из диоксида циркония, вообще не разрушаются при воздействии теплового потока любой интенсивности.

Примером структурирования является также получение си- таллов, в которых подбирают оптимальное соотношение кристаллической и аморфной фаз. Изменяя химический состав и структуру, можно получить целые классы ситаллов с заданными свойствами.

Другим направлением при производстве радиопрозрачных материалов является использование легирующих добавок. В частности, введение в оксид алюминия нескольких процентов оксидов магния и бора в 2 - 3 раза повышает его термостойкость и ударную вязкость при нулевом влагопоглощении. Введение в кварцевый керамический материал 2...5 % оксида хрома в 2-3 раза повышает интегральную степень черноты и в 2 раза замедляет затухание радиосигнала при высоких температурах.

Третьим направлением развития радиопрозрачных материалов является разработка нитридных материалов и композиций на их основе, в частности нитридов бора, кремния и алюминия.

Нитрид бора обладает лучшими диэлектрическими характеристиками из всех известных в настоящее время материалов, работающих при температуре до 2 000 °С, хотя имеет сравнительно низкие прочность и твердость. На его основе изготавливают, например, сибонит, содержащий нитрид бора и диоксид кремния. Изменяя их соотношение и дисперсность, можно получить ряд новых материалов, сочетающих достоинства нитрида бора и кварцевой керамики.

Последнее направление развития радиопрозрачных материалов - создание композиционных материалов, в частности керамических материалов, пропитанных органическими и неорганическим веществами, смолами и солями. Они сочетают в себе хорошие диэлектрические свойства при высоких температурах благодаря использованию керамической основы и высокие прочность и ударную вязкость благодаря связующему.

В зависимости от назначения и эксплуатационных характеристик изделия для него разрабатывают соответствующие радиопроз- рачные керамические материалы. Диэлектрическая проницаемость кварцевых керамических материалов монотонно возрастает с ростом температуры до 1 500 °С, а в диапазоне 1 500... 1 700 °С она резко

увеличивается на 18%, что связано с плавлением материала, сопровождающимся повышением его плотности до теоретического значения (2 210 кг/м 3 при 20 °С). После расплавления материал остается радиопрозрачным и его диэлектрическая проницаемость возрастает до 4,3 при температуре 2 500 °С. Поскольку по условиям работы изменение не должно превышать 10%, то кварцевые керамические материалы пригодны для рабочих температур до 1 350 °С, а оксид алюминия - до 815 °С. При увеличении пористости по объему от 5 до 20 % диэлектрическая проницаемость уменьшается прямо пропорционально уменьшению плотности керамики. Тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 кварцевых керамических материалов составляет при комнатной температуре 0,0002 - 0,0004 на частоте Ю 10 Гц. При увеличении температуры до 1 000 °С tg 6 возрастает до 0,005.

Нитрид бора является пока единственным материалом, tg5 которого при температуре до 1 500 °С остается ниже 0,001. Причем изменение tg8 спеченного нитрида бора в диапазоне 20... 1 350 ”С не превышает 3%, для кварцевых керамических материалов эта величина равна 10%.

Освоена технология синтеза высокоактивного порошка нитрида бора, способного к спеканию при температурах выше 1 600 °С с образованием достаточно прочных заготовок. Такие материалы имеют примеси до 1 % и обладают изотропной структурой. Они являются хорошими изоляторами - удельное объемное сопротивление при комнатной температуре не менее 1 10 14 Ом см. Под действием импульса ядерного излучения tg 8 в нитриде бора возрастает до 0,01, а в кварцевой керамике не изменяется. Благодаря отличной термостойкости спеченный нитрид бора используется как конструкционный материал, хотя и имеет достаточно низкую прочность.

Материалы на основе нитрида бора, особенно горячепрессованные, имеют высокую теплопроводность, в то время как кварцевые керамические материалы ближе к теплоизоляторам. Ее теплопроводность в зависимости от пористости колеблется при температуре 600...700 К в пределах 0,2... 1,0 Вт/(м К). Высокая теплопроводность может быть и достоинством материала (чем выше теплопроводность, тем меньше тепловые напряжения), и недостатком, если радиопрозрачный материал выполняет и теплозащитные функции. У материалов на основе нитрида бора и алюмо- оксидных керамических материалов теплопроводность снижается по мере роста температуры.

Для кварцевых керамических материалов и ситалла Д-2 решающее значение имеет стеклообразная, аморфная фаза.

Оптимальное конструирование изделий, работающих на земле, в воде, в воздухе и космосе, позволяет более широко использовать радиопрозрачные материалы.

Бухгалтерия