Керамика и нанокерамика

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования

«Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет»

Реферат

на тему «Керамика и нанокерамика»

Выполнил: студент гр. 229-М1.3

Мустафин Р.Р.

Проверил: преподаватель

Кузнецов В.Г.

Казань 2019



Содержание

Основная часть

Способы получения

Применение в отраслях

Заключение

Список литературы



Основная часть

Общие сведения о керамических материалах

Что же такое керамика? Существует достаточно много определений, но большинство из них не охватывает все классы материалов, относимых к керамическим. Так, керамикой называют материал, полученный из порошка путем формования заготовки и ее последующей термообработки для упрочнения в процессе спекания. Здесь не сказано, каким должно быть вещество, из которого состоит керамика и какой должна быть температура термообработки. По этому определению керамикой может быть и стекло, и металл, и органический полимер. Хотя технологические стадии, принятые в технологии керамики, с успехом применяют для металлов (порошковая металлургия) и полимеров, эти материалы к керамическим не относят. Керамические материалы получают из неметаллических неорганических веществ: оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др., а также их соединений. Вещества могут быть кристаллическими или стеклообразными. Таким образом, отнесение материала к керамике, в основном, определяется технологией и веществом, из которого она состоит.

Классическая схема технологии получения керамики (ее технологических переделов)

Получение порошков

Смешивание порошков и введение временной технологической связки для снижения трения между частицами и придания прочности заготовке (получение формовочной массы)

Формование заготовки методом полусухого прессования, пластического прессования или литья.

Удаление временной технологической связки из заготовки (сушка)

Обжиг заготовки и получение керамического изделия (процесс спекания керамики)

Послеобжиговая обработка (механическая, металлизация и др.)

Обычно традиционная керамика содержит кристаллическую фазу, стекловидную фазу, чаще всего располагающуюся по границам кристаллов, и поры. Керамические порошки получают механическим измельчением в мельницах или различными химическими методами. В зависимости от метода формования готовят формовочные массы в соответствующих агрегатах, называемых смесителями. Порошкообразные массы формуют на прессах в пресс-формах. В них меньше всего временной технологической связки. Если количество связки увеличить, то можно получить массу, по консистенции напоминающую пластилин и называемую пластичной.

Такие массы формуют, чаще всего, на двух основных видах прессов - шнековых или ленточных, напоминающих мясорубку, и, значительно реже, поршневых, напоминающих шприц. Пластичные массы можно формовать и на обычных прессах, заполняя ею под давлением пресс-форму. Фарфоровую и фаянсовую посуду формуют методом раскатки, который является развитием древнейшего способа формования на гончарном круге. Массы, которые являются высококонцентрированными суспензиями (их в керамике называют шликерами) и способные течь, формую методом литья. Если это суспензия порошка в воде, то литье называют водным, если в расплавленном парафине - то горячим или парафиновом. Суспензию можно изготовить и в расплаве или растворе термореактивного (при нагревании не плавится, а разлагается) полимера. Заготовки из водных шликеров отливают в гипсовые формы. Гипс очень хорошо впитывает воду, играющую роль связки, и на стенках образует слой пластичной массы.

Остаток шликера сливают, заготовку сушат в форме до приобретения прочности, достаточной для извлечения из формы. Парафиновым шликером заполняют металлическую форму и после того, как парафин застынет, заготовку извлекают из формы. Тигли и другие тонкостенные изделия делают методом намораживания парафинового шликера на металлическую деталь, повторяющую внутреннюю форму тигля. Для этого эту деталь окунают в горячий шликер и после намораживания требуемой толщины стенки заготовку снимают с металлической детали.

Если поры в керамике соединяются с поверхностью образца, то их называют открытыми, если нет - закрытыми. Пористую и высокопористую керамику применяют в качестве высокотемпературной теплоизоляции, фильтров, керамических мембран, носителей для нанесения катализаторов. Плотную и высокоплотную керамику используют в качестве резцов для резки металлов, электрических изоляторов, конструкционных материалов. Если получить керамику совсем без пор и с совершенными границами, то она может быть прозрачной. Такую керамику сегодня считают очень перспективной для замены дорогих монокристаллов в лазерной технике.

В технологии прозрачной керамики применяют порошки с минимальным размером частиц, вплоть до наноразмерных (до 100 нм). Такие же частицы используют при получении тонкого рабочего слоя в керамических мембранах. Размеры пор в этом слое столь малы, что с их помощью можно разделять по размеру молекулы, например, отделить молекулы спирта от молекул воды. Поэтому постепенный переход на наноуровень начался в технологии керамики еще около 30 лет назад. Можно справедливо говорить, что освоение наноуровня - результат дальнейшего развития технологии керамики.

По геометрическим параметрам керамические наноматериалы делят на 0-мерные (0D) - наночастицы, нанокластеры, ассоциаты дефектов, квантовые точки и другие элементы структуры размером менее 100 нм; 1- мерные (1D) диаметром менее 100 нм - нанотрубки, нитевидные кристаллы, нановолокна; 2-мерные (2D) толщиной менее 100 нм - нанопленки, нанослои, нанопокрытия, границы кристаллов, фаз, блоков; 3-мерные (3D) - монолитные изделия, состоящие из элементов структуры размером менее 100 нм или содержащие элементы структуры размером менее 100 нм при условии, что именно наноразмерные элементы структуры определяют их важнейшее эксплуатационное свойство.

Кстати, частицы глинистых минералов, используемые в производстве фарфора, фаянса и глиняных кирпичей имеют форму тонких дисков (точнее, шестигранников), толщина которых составляет около 1 нм. К керамическим наноматериалам относят волокна и пленки толщиной более 100 нм, если они состоят из элементов структуры размером менее 100 нм или содержат элементы структуры размером менее 100 нм, но при условии, что именно наноразмерные элементы структуры определяют их важнейшее эксплуатационное свойство.

Следует отметить, что элементы структуры с наноразмерами всегда имеются в любом традиционном керамическом материале, но в наноматериалах они определяют их важнейшее эксплуатационное свойство. Если материал (1-, 2-, 3-мерный) не состоит только из однофазных элементов структуры размером менее 100 нм, но содержит керамические элементы структуры размером менее 100 нм, определяющие его важнейшее эксплуатационное свойство, то материал можно считать нанокомпозитом. Керамика, в которой размер частиц не превышает 100 нм, может показывать уникальные свойства, обусловленные их наноразмером - магнитные, электрические и др. В такой нанокерамике объем, занимаемый границами между наночастицами, соизмерим с объемом, занимаемым частицами.

Границы имеют разупорядоченную (в отличие от упорядоченной кристаллической) структуру и имеют меньшую плотность, поэтому плотность беспористой нанокерамики также оказывается ниже, чем у обычной керамики с кристаллами размером значительно больше 100 нм. Такая керамика должна обладать при нагревании высокой пластичностью (способностью к деформации) и даже сверхпластичностью (способностью к очень большой деформации). Это открывает перспективу к получению изделий из керамики методами, разработанными в металлургии - выдавливанием, протяжкой и т.д

Известно, что чем меньше размер кристаллов в высокоплотной керамике, тем выше ее прочность. Керамика из нанокристаллов должны обладать повышенной прочностью. При полировании такой керамики можно получать исключительно высокую чистоту поверхности, поскольку дефекты (выколы) обычно соизмеримы с размером кристаллов. Однако при изготовлении такой керамики возникают большие трудности на всех переделах технологии, особенно при обжиге. Во время обжига керамика приобретает прочность за счет припекания частиц друг к другу и удаления пор. Этот процесс называют спеканием керамики. Он осуществляется путем переноса материала от частицы к частице (массоперенос) и взаимному перемещению частиц (пластической деформации). Размер частиц при этом обычно увеличивается, и исходные наночастицы могут легко превысить наноразмеры (100 нм).

Проблемы начинаются с получения нанопорошка, состоящего из наночастиц. Если распределить по поверхности стола одинаковые массы крупной и мелкой поваренной соли так, чтобы частицы лежали в один слой и соприкасались между собой, то мелкая соль покроет больше его площади. Еще в большей мере это относится к поверхности частиц. Общую площадь поверхности частиц, отнесенную к единице массы, называют удельной поверхностью. Она у наночастиц может достигать сотен м2 /г. Поверхностные атомы имеют нескомпенсированные химические связи, направленные наружу. Этим объясняется исключительно высокая химическая активность наночастиц. Благодаря присутствию нескомпенсированных химических связей наночастицы стремятся объединиться между собой и образуют агрегаты.

При действии окружающей среды (температуры, давлении, химического состава) агрегаты могут упрочняться и даже превращаться в крупные кристаллы, что не позволит получить нанокерамику. Такие же процессы будут происходить при смешивании нанопорошков между собой и с временной технологической связкой. Необходимо не допускать образования прочных агрегатов на стадии подготовки нанопорошков и при подготовке формовочных масс.

Для снижения трения между частицами порошка при формовании заготовки и повышения прочности заготовки в массу добавляют временную технологическую связку. Связка должна покрывать поверхность частиц, а, поскольку у наночастиц она очень большая, то и связки необходимо намного больше обычного. Связку впоследствии удаляют, а на ее месте образуются поры, которые при получении высокоплотной керамики придется удалять во время обжига. При этом размеры заготовки будут уменьшаться (в технологии керамики это называют усадкой), что затрудняет получение изделий с точно заданными размерами.

Процессы агрегации наночастиц будут происходить на стадиях формования, удаления временной технологической связки и начальных стадиях спекания, что приведет к появлению более плотных областей (локальных уплотнений). Это может стать причиной неравномерного роста кристаллов и появления пор в менее плотных областях.

Для сохранения наноразмеров кристаллов в керамике перспективны горячее прессование, горячее изостатическое прессование, сверхбыстрое спекание и их комбинация. При сверхбыстром спекании небольшие заготовки можно вносить в разогретую печь и быстро извлекать из нее после окончания спекания, чтобы кристаллы не успели вырасти за пределы наноразмеров.

Более перспективно использовать высокочастотный (микроволновой) нагрев, который позволяет быстро и равномерно нагреть заготовку. С использованием исходных нанопорошков получают керамику и керамические композиционные материалы

Второй способ получения нанокерамических материалов заключается в непосредственном получении наночастиц на стадии термообработки керамики. На сегодня известны два метода его реализации. По первому методу уплотнение и спекание материала производят в специальной прессформе с применением интенсивного деформирования, например, дополнительного вращения формуемой массы. При этом можно добиться разрушения принятых сегодня в технологии керамики исходных кристаллов до наноразмера.

В результате получают заготовки из нанокерамики, которые после механической обработки превращают в изделия требуемой формы и размера. По второму методу используют неустойчивые твердофазные системы - неустойчивые твердые растворы, химические соединения и полиморфные фазы, которые при термообработке в твердом состоянии начинают распадаться с выделением наноразмерной фазы, определяющей эксплуатационные свойства материала. Возможность сохранения выделяющихся фаз в пределах наноразмеров облегчается относительно медленным протеканием процессов диффузионного массопереноса в твердой фазе. Это позволяет затормозить процесс после достижения требуемого наноразмера.

В этом случае размер других кристаллов будет значительно больше, чем частиц наноразмерной фазы, и все технологические стадии практически не будут отличаться от традиционных, за исключением режима обжига, который должен обеспечить образование наночастиц.

Процесс получения наноразмерной фазы может быть совмещен со спеканием или быть специальной стадией. Температурный режим обжига должен регулироваться так, чтобы обеспечить выделение неустойчивой фазы и не допустить ее увеличения за пределы наноразмеров.

Для получения керамических наноматериалов и нанокомпозитов перспективны темплатные методы. Слово «темплат» по-французски означает «форма». Темплатами называют объекты, способствующие получению материала требуемых формы и размеров. Темплатные методы разделяют на негативные, когда новая фаза заполняет полости, и позитивные, когда новая фаза образуется вокруг или внутри темплата.

В традиционной технологии керамики такие темплатные методы широко используют. - Так, форма для литья керамического шликера является негативным темплатом, а холодная металлическая деталь, на которую намораживают горячий парафиновый шликер при получении заготовок керамических тиглей - позитивным темплатом.

Примером природных негативных темплатов с нанопорами являются цеолиты. Для создания нанопористой керамики из SiO2 используют, например, термическое разложение кремнийорганических полимеров. Изменяя размеры удаляемых при деструкции функциональных групп в полимере, можно регулировать размеры нанопор.

Метод является воспроизведением на наноуровне хорошо известного метода получения пористой керамики с применением выгорающих добавок. Так, для создания пор в керамике часто в формовочную массу добавляют древесные опилки или кокс, которые при выгорании во время обжига образуют поры.

Наноразмерный негативный темплат можно получить при селективном травлении сложных оксидов или эвтектик с наночастицами. Например, нанопористую керамику из MnO изготавливали удалением ZnO из плотной керамики, состоящей из ZnMn2O4, в восстановительных условиях при пропускании смеси 5 % водорода в азоте. В восстановительных условиях Mn2O3 переходит в MnO с уменьшением объема. В результате была получена нанопористая керамика из MnO со средним размером открытых проницаемых нанопор 50 - 200 нм. Нанопоры имели огранку и были ориентированы взаимно перпендикулярно, что является следствием наследования элементов структуры ZnMn2O4 при топохимических реакциях удаления ZnO и восстановления Mn2O3 в MnO.

Такая керамика перспективна для сенсоров и катализаторов, а также нанокомпозитов после заполнения пор (негативный темплат) другим веществом. Заполнить нанопоры в темплате требуемым материалом можно, используя массоперенос в жидкой фазе. Для этого целесообразно использовать электрохимическое осаждение металлов, электрофорез наночастиц, заполнение расплавом, диффузию компонентов с их осаждением в нанопорах. Заполнить нанопоры можно в газовой фазе путем физического или химического осаждения. Поры можно заполнить и твердофазной диффузией по поверхности пор или по границам кристаллов.

Проводя синтез прекурсора в нанопорах, можно, если это необходимо, добиться уплотнения материала за счет увеличения объема при химической реакции в нанореакторе. Например, при окислении металла, заполнившего нанопоры, объем продукта может увеличиваться. В некоторых случаях можно после заполнения нанопор уплотнить заготовку холодным прессованием и последующей термообработкой для залечивания возникших при этом дефектов или путем горячего (горячего изостатического) прессования.

В качестве примера позитивных темплатов можно привести применение для изготовления 1D наноматериалов молекул деоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая имеет вид двойной спирали с наноразмерами (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) и служит для передачи генетической информации в живой природе.

Важней особенностью молекулы ДНК является ее способность локализовать на свои функциональные группы подводимые извне ионы, молекулы их ассоциаты, наночастицы. Это открывает возможности для получения достаточно широкого ассортимента наноматериалов размером от 5 нм до нескольких микрометров из различных веществ при реализации принципа самоорганизации, широко используемых в природе и в супрамолекулярной химии. Разработан способ выпрямления и ориентации молекул ДНК на поверхности силикатного стекла. Капля воды, перемещаемая потоком газа, оставляет после себя вытянутые и ориентированные молекулы ДНК. Дальнейшая химическая и термическая обработка позволяет получать нанопроволоки из керамики Технология керамики позволяет из порошка, в том числе, нанопорошка, при введении временной технологической связки (ВТС) отформовать заготовку, а после удаления ВТС и обжига получить готовое изделие, в том числе из материалов, которые трудно обрабатывать из-за их высокой твердости.

Технология керамических наноматериалов из нанопорошков имеет свои особенности, связанные со свойствами наночастиц и необходимостью сохранения элементов структуры, определяющих основное эксплуатационное свойство материала, в пределах наноразмеров. Существуют методы получения нанокерамики из порошков, у которых размеры частиц значительно больше наноразмерных, а наноструктуры создавать в процессе термообработки. Её можно изготовить в процессе термообработки при прессовании с сильным деформированием заготовки, привощям к разрушению исходных кристаллов до наноразмеров. Другим методом является создание наноструктур при распаде неустойчивых твердых фаз. Эффективным методом создания нанокомпозитов является использование негативных и позитивных темплатов.

Керамика -- неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200--2500 °С) происходит спекание, формируется структура материала, и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

При производстве оксидной керамики используют следующие оксиды: А1₂0₃ (корунд), Zr0₂, М§0, СаО, ВеО, ТЮ₂, 1Ю₂. Керамика имеет однофазную поликристаллическую структуру. Кроме кристаллической фазы в керамике может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому они относятся к огнеупорным материалам.

Керамика на основе А1₂0₃ обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах. Это химически стойкий материал, отличный диэлектрик. Изделия из нее широко применяют во многих областях техники: свечи зажигания для двигателей внутреннего сгорания; резцы, используемые при больших скоростях резания; калибры; фильеры для протяжки стальной проволоки; детали высокотемпературных печей и насосов; подшипники печных конвейеров.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к шлакам различных металлов, в том числе и щелочных. Оксид магния при высоких температурах летуч. Оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Эти оксиды применяют для изготовления тиглей. Кроме того, N^0 используют для футеровки печей и пирометрической аппаратуры.

К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения химических элементов: с углеродом -- карбиды, с бором -- бориды, с азотом -- нитриды, с кремнием -- силициды, с серой -- сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500--3500 °С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью относительно агрессивных сред, обладают высокой хрупкостью. Силициды могут выдерживать температуру 1300--1700 °С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Нанокерамика -- керамический наноструктурный материал (англ. nanoceramics) -- компактный материал на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других неорганических соединений, состоящий и криссталов (зерен) со средним размером до 100 нм

Нанокерамику, как правило, получают из наноразмерных порошков методами формования и спекание. Поскольку вследствие высокого внутреннего трения нанопорошки труднее уплотняются, для их формования часто используют импульсное и гидростатическое прессование, методы шликерного и гелевого литья, гидроэкструзии. Одной из важных проблем при получении нанокерамики обычно является интенсивный рост зерна при спекании в обычных условиях. Для его предотвращения используются два основных метода:

1. Введение в исходный порошок (шихту) нерастворимых добавок, локализуюшихся на границах зерен и препятствующих их срастанию.

2. Использование специальных методов и режимов уплотнения и спекания керамики, позволяющих значительно уменьшить продолжительность и/или температуру высокотемпературных стадий её получения (импульсное прессование, горячее прессование, некоторые виды низкотемпературного спекания). Более подробно эти методы описаны в статье спекание нанокерамики.

Структурно-чувствительные свойства нанокерамик могут значительно отличаться от характеристик традиционных керамик с зерном микронного размера. При этом возможно улучшение механических (Al₂O₃), электрических (Y:ZrO₂), оптических (Nd:Y₂O₃) свойств, однако характер изменения свойств с размером зерна очень индивидуален и зависит как от физической природы исследуемого свойства, так и от физико-химических особенностей используемой керамики.

Классификация продукции проекта по составу применяемого основного материала

· Алюмооксидная керамика (на основе Al₂O₃) Планируемая номенклатура продукции -- изоляторы электронно-оптических преобразователей (ЭОП), изоляторы вакуумных дугогасительных камер (ВДК), керамические подложки (металлизированные и неметаллизированные), ударопрочная алюмооксидная бронекерамика различной геометрической формы, применяемая в бронеэлементах для пулевой и осколочной защиты, имплантаты для позвоночника, применяемые в вертебрологии для фиксации, заместительного восстановления опороспособности при патологических изменениях позвоночника;

· Нитридная керамика (на основе AlN). Планируемая номенклатура продукции -- керамические подложки (метализированные и неметаллизированные).

· Карбидная керамика (на основе SiC и В₄C). Планируемая номенклатура продукции -- керамические пластины для бронеэкипировки личного состава и бронезащиты наземных, воздушных и морских средств военной техники.

· Циркониевая керамика (на основе ZrO₂). Планируемая номенклатура продукции -- элементы керамической запорной арматуры, предназначенные для серийного производства износо-, коррозионно- и химически стойкой запорной арматуры, применяемой в химической и нефтегазовой промышленности, эндопротезы тазобедренного сустава, применяемые в травматологии и ортопедии для первичного эндопротезирования с целью восстановления или компенсации утраченных вследствие заболеваний функций тазобедренного сустава.

Способы получения

керамика технология нанокерамический строительный

Одним из направлений повышения эффективности производства и применения стеновой керамики является уменьшение плотности за счет создания пористой структуры материала, что позволяет снизить материалоемкость производства и увеличить теплозащиту стеновых ограждений.

Известны шесть основных способов поризации структуры строительных материалов:

· ·вспучивание,

· ·удаление порообразователя,

· неплотная упаковка,

· контактное омоноличивание,

· ·объемное омоноличивание,

· ·создание комбинированных структур.

При разработке технологии поризованной стеновой керамики в той или иной мере находят применение все названные способы. Однако на практике для поризации структуры керамических изделий используют способ удаления порообразователя.

Применение в промышленности строительной керамики способа выжигания порообразователя, вводимого в состав исходной керамической массы, позволило частично решить как выше обозначенные проблемы, так и проблемы, связанные с экономией топлива и утилизацией топливосодержащих отходов. Данная технология позволяет получать изделия средней плотностью 600-1000 кг/м3 в зависимости от глинистого сырья, состава шихты и пустотности изделий. Наиболее эффективными выгорающими добавками для уменьшения плотности изделий являются отходы целлюлозно-бумажного производства, опилки, пенополистирол и др.

В 80-е годы прошлого века за рубежом получила распространение технология изготовления пористо-пустотелых изделий «Poroton», разработанная в Германии и Швеции. Патент на изготовление этих изделий был приобретен 32 странами мира. Так например, изделия «Poroton» получают методом пластического формования, используя в качестве выгорающей добавки вспененный полистирол. В результате выгорания полистирола формируется закрытая ячеистая структура, что благоприятно сказывается на физико-механических показателях изделий. Недостатком этой технологии является значительный выброс продуктов сгорания полистирола в окружающую атмосферу. В связи с этим использование пенополистирола возможно только при условии отжига и очистки отходящих газов.

В настоящее время технология производства пористо-пустотелых изделий успешно применяется на ЗАО «Победа ЛСР». В качестве выгорающей добавки используются тонкоизмельченные опилки. Средняя плотность изделий составляет 650-1000 кг/м3, пустотность - 45-54 %, коэффициент теплопроводности - 0,154-0,26 Вт/(м°С), водопоглощение - 9-17 %. Изделия выпускаются с маркой по прочности М35, М50, М75, М100, М125 и М150 в зависимости от средней плотности. Марка по морозостойкости составляет не менее F35. Укрупненные пористо-пустотелые керамические изделия средней плотностью 800-1000 кг/м3 выпускают также ЗАО «Норский керамический завод», ЗАО «Петрокерамика» и др. Ведется строительство новых заводов во Владимирской области и республике Татарстан. Некоторые заводы используют в качестве выгорающих добавок уголь, углеотходы и золы. Их вводят в количестве, соответствующем 60-80 % расхода топлива. Реализованы в производстве технологии пористо-пустотелых изделий на основе 100% углеотходов. Но высокая продолжительность обжига таких изделий, неравномерность выгорания угля требуют все же введения корректирующих добавок. Необходимо отметить, что при получении пористо-пустотелых изделий средней плотностью менее 800 кг/м3 в технологии возникают следующие проблемы:

· ·ухудшение формовочных свойств керамических масс;

· ·необходимость использования среднепластичного или еще лучше высокопластичного глинистого сырья;

· ·подготовка тонкой фракции выгорающей добавки;

· ·высокое содержание выгорающей добавки, которое достигает 50-55 % по объему вещества;

· ·снижение прочности изделий.

К тому же далеко не все глинистые породы пригодны для производства пористо-пустотелых изделий средней плотностью 800-1000 кг/м3. По результатам проведенных исследований содержание глинистых минералов в породе должно составлять не менее 30-35 %. Применение крупноформатных пористо-пустотелых изделий в кладке в комбинации с лицевым кирпичом позволяет создавать ограждающие стеновые конструкции толщиной 510-640 мм, которые удовлетворяют современным требованиям по теплозащите зданий. Однако предел прочности при сжатии кладки из пористо-пустотелых изделий, выполненной даже на весьма прочном растворе, составляет лишь 30-50% и менее от предела прочности изделий. Основная причина такого снижения прочности заключается в высокой пустотности изделий, размерах и форме пор, а также в расклинивающем действии кладочного раствора, частично затекающего в пустоты и вызывающего растягивающие напряжения в изделиях. Среди других причин снижения прочности кладки из высокопустотных керамических изделий можно назвать следующие:

· неравномерное распределение давления по поверхности кирпича, вызывающее в нем кроме сжатия напряжения изгиба и среза;

· ·трещины, возникающие в плоскости вертикальных швов, могут проходить по сечениям кладки, ослабленным пустотами и т. д.

Решить данную проблему можно частично путем подшлифовки оснований изделий, применением современных кладочных клеевых растворов, а также использованием специальных сеток, исключающих попадание раствора в пустоты изделий. Однако в России указанные технологические приемы, несмотря на рекомендации производителей, пока не применяются.

Таким образом, технология с использованием выгорающих добавок не требует разработки принципиально нового оборудования и реализуема в условиях действующих заводов по выпуску обыкновенного кирпича. Однако следует признать, что при получении изделий со средней плотностью ниже 800 кг/м3 возникает множество проблем (необходимость использования средне- или высокопластичного глинистого сырья, тонкого измельчения выгорающей добавки, увеличения продолжительности обжига, снижение прочности и т. д.).

Существенным недостатком способа неплотной упаковки является весьма низкая прочность изделий при соответственно высокой средней плотности. Так, предел прочности при сжатии обожженных изделий средней плотностью 1000-1100 кг/м3 на основе глинистого сырья составляет всего 4-5 МПа.

Способ объемного омоноличивания в технологии стеновой керамики применяется весьма ограниченно. Причина этого заключается в том, что для существенного снижения плотности необходимо использовать заполнитель с высокой пористостью. Как правило, низкая прочность высокопористого заполнителя не позволяет осуществлять интенсивную массопереработку и формование изделий методами пластического формования или полусухого прессования. Недостатком этого способа является также двойной обжиг заполнителя (вспучивание, затем обжиг в кирпиче), а высокая средняя плотность и низкая прочность полученного материала не позволяет ему конкурировать с керамическими материалами, получаемыми традиционным методом пластического формования с применением различных выгорающих добавок.

Способ вспучивания включает следующие модификации: высоко- и низкотемпературное газообразование, пенообразование, аэрирование, сухая минерализация пены. Материалы, полученные по этому способу, имеют ячеистое строение, которое формируется при высоких (высокотемпературное газообразование) и низких (низкотемпературное газообразование, пенообразование и др.) температурах. Величина пористости зависит от состава исходной шихты и режимов обработки и определяет плотность изделий. С изменением плотности в широких пределах изменяются и другие свойства пористых керамических материалов.

Наиболее важное преимущество способа вспучивания по сравнению с приведенными выше, заключается в возможности значительного снижения плотности керамических стеновых изделий (вплоть до 250-300 кг/м3). Данный способ позволяет отказаться от прессового и другого энергоемкого оборудования, работающего с большими усилиями, имеющего большую мощность и подвергающегося износу. Наиболее существенный недостаток способа - необходимость разработки и изготовления специального промышленного оборудования, что требует привлечения дополнительных инвестиций.

К недостаткам метода высокотемпературного газообразования следует отнести следующие:

· ·необходимость использования вспучивающихся глин, которые распространены не повсеместно, или приготовление сложной сырьевой шихты определенного состава;

· ·строгие требования к полуфабрикату по гранулометрическому составу;

· ·высокотемпературный обжиг, который чаще всего осуществляется в две стадии в отдельных тепловых агрегатах, что приводит к повышенному расходу топлива;

· ·обжиг в специальных формах требует применения дефицитных жаростойких материалов и использования обмазки.

Однако при всех ее недостатках данная технология может быть реализована на заводах по производству керамзита (при условии разработки специального оборудования). Следует отметить также, что метод высокотемпературного газообразования позволяет исключить процесс сушки изделий. Необходима лишь сушка гранул или сырьевых компонентов, которая осуществляется в сушильном барабане.

Важным переделом технологий пористокерамических изделий методами низкотемпературного газообразования, пенообразования и аэрирования является довольно сложная и на первый взгляд энергетически затратная шликерная подготовка сырья. Однако и она имеет весьма значительные преимущества:

· ·способствует полному разрушению природной структуры и усреднению керамической массы, что позволяет использовать потенциальные возможности глинистого сырья для образования пористой структуры изделий. При этом исключается энергоемкий сухой помол компонентов (метод сухой минерализации пены);

· ·позволяет практически полностью удалить каменистые включения, присутствующие почти во всех глинах;

· ·позволяет вводить и равномерно распределять как твердые, так и жидкие корректирующие добавки, даже в небольшом количестве.

Существенным недостатком шликерного способа подготовки сырья часто и в большей степени не обоснованно считают повышенное водозатворение керамических масс, и как следствие, высокие затраты энергии на ее удаление при сушке. Однако этот факт является справедливым только при получении плотных керамических изделий.

Применение в отраслях

Изучение применения керамических изделий в прошлом особенно поучительно, так как одни из них почти в неприкосновенности сохранили свое извечное предназначение, другие же претерпели столь существенные изменения, что их с полным правом можно назвать новыми, эффективными. Однако надо не забывать, что в архитектуре не все новое современно и не все древнее устарело. Только сопоставление «классических» приемов применения керамики с требованиями нашего времени поможет архитектору творчески подойти к использованию ее в современном строительстве.

Керамика в саду

Сейчас керамика переживает небывалую популярность, архитекторы и дизайнеры охотно используют ее как в интерьере, так и в экстерьере. И дело здесь, видимо, не только в пластических возможностях керамики, относительно невысокой стоимости самого материала и его долговечности. Рожденная землей и огнем, керамика органично сочетается как с живой природой, так и с большинством строительных материалов.

Керамика из раствора

Изготовление керамики - одно из древнейших производств, ему не меньше 12 тысяч лет. Но лишь в последние десятилетия технология керамики стала базироваться на научных основах, строгих закономерностях физической химии. Это связано и с чрезвычайно возросшими требованиями к керамике, и с удивительным разнообразием керамических изделий, в которых нуждается человечество сегодня.

Керамика как конструкционный материал

Рассмотрение не только конструкционных материалов из глины, но вообще строительной керамики обычно начинают с кирпича, традиционного стенового материала, которым еще в древние времена человек заменял природный камень для кладки стен и который поэтому Андреа Палладио включил в главу, названную «О камне». Он писал: «...Искусственный камень называется кирпичом и имеет форму прямоугольника». Витрувий в том же духе трактует кирпич и предпосылает это рассуждение всем остальным - «ибо здание в конечном итоге разлагается на кирпичи, которые первыми кладутся при постройке, как элементы здания».

Керамика в облицовке зданий

Применение облицовочных керамических материалов с давних пор развивалось по двум направлениям. Одно возникло вынужденно из-за того, что стены из бута или сырцового кирпича неизбежно требовали атмосферостойкой защиты, роль которой выполняла примитивная глиняная обмазка. После получения обожженных керамических изделий их стали использовать в виде декоративных плиток, защищающих и украшающих наружные стены.



Заключение

В заключение сказанного можно подвести итоги, сформулировать выводы:

· - керамическими называют материалы и изделия, получаемые из порошкообразных веществ различными способами и подвергаемые в технологический период обязательной термической обработке при высоких температурах для упрочнения и получения камневидного состояния. Такая обработка носит название обжига;

· - кроме глины к применяемым порошкообразным материалам, являющимися главными компонентами керамических изделий, относятся также некоторые другие минеральные вещества природного происхождения - кварциты, магнезиты, хромистые железняки;

· - по структурному признаку все изделия разделяют на две группы: пористые и плотные;

· - сырьевые материалы, используемые для изготовления керамических изделий, можно подразделить на пластичные глинистые (каолины и глины) и отощающие (шамот, кварц, шлаки, выгорающие добавки). Для понижения температуры спекания в глину иногда добавляют плавни. Каолин и глины объединяют общим названием - глинистые материалы.

Наноразмерные порошки диоксида кремния и оксида железа производятся промышленностью уже более 50 лет. Также сравнительно давно изготавливаются в значительных количествах многие карбиды, в основном карбид вольфрама. В последнее время в продаже появились и другие нанокристаллические материалы, такие как Al2O3, TiO2 и др.

Все более широкое применение находит продукция фирмы «New Brimswick» (США). Это режущий инструмент и детали, стойкие к износу 64 Для изготовления специального инструмента фирма производит собственные нано- и микропорошки карбида вольфрама. Такой инструмент эффективен при обработке дерева, металла, при изготовлении типографских печатных схем, в зубоврачебной практике.



Список литературы

1. Краткий химический справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хазов, Л.: Химия, 1978. 356 с.

2. Материаловедение: лекции / Мальцев И. М. Ниж. Новгород: НГТУ, 1995. 103 с.

3. Основы материаловедения / Сажин В.Б. М.: Теис, 2005. 155 с.

Размещено на Allbest.ru

...