CC BY
25УДК 666.3.016:22
ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СОВРЕМЕННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В МИРЕ
ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СОВРЕМЕННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В МИРЕ
Мустафоев Бехзод Фархадович
Джизакский политехнический институт, ассистент +998933001315, bexzodmustafoyev02@gmail.com
Ключевая слова. Керамика, технология, материал, изделия, структура, технические материал, состав, сфера, наука.
Аннотация. В данной статье рассмотрены вопросы истории развития создания керамических материалов и существенным недостаткам многих высокомолекулярных соединений керамических материалов, математический образ детерминированных непериодических процессов, для которых невозможен долгосрочный процесс. А также как известно с глубокой древности, глинистые материалы при обжиге образуют прочный материал, имеющий достаточно сложную структуру, в которой присутствуют частицы различного состава и размеров. Такие материалы стали называть керамическими.
Калит сузлар. Керамика технологияси, материал, мах,сулотлар, тузилма, техник материаллар, таркиб, сохд, илм.
Аннотация. Ушбу маколада керамик материалларнинг ривожланиш тарихи ва керамик материалларнинг куплаб юкори молекуляр бирикмаларнинг мух,им камчиликлари ёритилган. Детерминистик даврий булмаган жараёнларнинг математик тах,лили берилган. Бундан ташкари узок даврлардан бери керамикадан фойдаланишнинг жуда куплаб усуллари мавжуддир. Х,ар хилдаги улчамдаги таркибий зарралари буйича янги методик услублар ишлаб чикилган.
Keywords. Ceramic technology, material, experiments, structure, technical materials, development, industry, industry.
Annotation. This article presents the development history of ceramic materials and the volume deficiencies of many high molecular weight compounds of ceramic materials. Deterministic is given to calculate non-periodic lesions. There are also many ways to use ceramics over a long period of time. Particles of different sizes are produced in new methods.
Керамика всегда была и есть на стыке науки, технологии и искусства. История керамики уходит в глубь тысячелетий. Древнейшая керамика и сейчас продолжает служить науке, помогая изучать пути развития человечества. Как известно с глубокой древности, глинистые материалы при обжиге образуют прочный материал, имеющий достаточно сложную структуру, в которой присутствуют частицы различного состава и размеров. Такие материалы стали называть керамическими. Как известно, одно из первых изделий из обожженной глины относится к XXIII тысячелетию до н.э..
Наука о материалах значительно моложе металлургии. Физические основы и теоретические основы металлов, керамик, полупроводников и пластмасс имеют немало общих черт, связанных с физическими основами металлургии. B этом отношении металлургию можно считать проматерью материаловедения. Несмотря на давние
традиции, металлургию трудно отнести к классической научной дисциплине. Вплоть до средних веков сведения о выделении и прошводстве металлов считались национальным секретом и передавались от поколения к поколению только в устной форме. [1]
С развитием науки металлургия превратилась в раздел химии, каковым и остается и в настоящее время во многих университетских курсах. Быстрое развитие науки о свойствах материалов, особенно благодаря развитию рентгеновских методов и их использованию в кристаллографии, позволило понять, что свойства металлов и сплавов определяются не только химическим составом, но и структурой. Поэтому металлургия стала разделом физической химии. Развитие подходов при объяснении и изучении механических и электрических свойств металлических материалов в рамках теории дислокаций и электронной теории металлов в начале XX в. сместили металлургию в область физики.
Первые искусственные полимеры были не очень прочными. До сих пор жесткость простых полимеров намного ниже, чем жесткость металлов, древесины или кости. Это обусловлено тем, что древесина и кость являются композиционными материалами, состоящими ш жестких волокон или частиц, склеенных полимерной матрицей. Производство высокоэффективных композитов, армированных стеклянными, углеродными и органическими волокнами, растет быстрее, более 10% в год, чем производство многих других материалов.
Существенным недостатком многих высокомолекулярных соединений является склонность к старению и, в частности, к деструкции - процессу уменьшения длины цепей и размеров макромолекул. Деструкция может быть инициирована механическими нагрузками, действием электромагнитного излучения, ультразвука, тепла, воды, особенно кислорода и озона. Большинство конструкционных материалов на органической основе нельзя применять при температурах выше 150 - 200°С и в контакте с различными агрессивными средами. [2]
В сфере сказанного выбранная тема является весьма актуальной. Как известно с глубокой древности, глинистые материалы при обжиге образуют прочный материал, имеющий достаточно сложную структуру, в которой присутствуют частицы различного состава и размеров. Такие материалы стали называть керамическими. В последующем понятие «керамический материал» постоянно расширялось, и к началу XXI века сформировались целые отрасли промышленности, производящие керамические изделия чрезвычайно широкого назначения - от радиоэлектроники, лазерной и ядерной техники до машиностроения, металлургии и стройиндустрии.
Керамические материалы и изделия приобрели большую популярность в современном строительстве. Долговечность, экологичность, огнестойкость, разнообразие свойств и типов изделий позволяет использовать керамические материалы в различных
областях строительства: для возведения стен, облицовки наружных и внутренних помещений, теплоизоляции тепловых агрегатов, прокладки канализации керамическими трубами, заполнения полостей и создания лёгких бетонов на основе лёгких пористых заполнителей, а также для облицовки аппаратов химической промышленности и декоративно-художественной отделки. Помимо значительных преимуществ, применяемые в строительстве керамические материалы имеют и недостатки, такие как сравнительно высокая стоимость и сложность укладки.
В последние годы происходил быстрый рост производства исскуственнгых композитов. Согласно прогнозам английских специалистов их производство будет возрастать и далее (рис.1).
Напомним, что композиционные - это материалы, имеющие пять отличительных признаков.
Материалы состоят из двух и более фаз, различающихся по своему химическому и минеральному составам, фазы разделены явно выраженной границей.
Материалы приобретают новые свойства, отличающие от свойств составляющих их компонентов.
Материалы неоднородны в нано - и микрометровом размерном диапазоне (до 500 мкм), но достаточно однородны с точки зрения макроскопических характеристик (плотность, твердость, цвет).
Состав, форма и распределение компонентов материала спроектирова зарание а войства материала определяются каждым из его компонентов. [3]
Непрерывная фаза, которая, как правило, имеет более высокую долю в объеме композиционного материала, называется матрицей. Композит может иметь керамическую, металлическую или полимерную матрицу. Второй компонент называют наполнителем или армирующей фазой, роль которой часто состоит в увеличении механических свойств матрицы.
Математический образ детерминированных непериодических процессов, для которых невозможен долгосрочный процесс, назвали странными аттракторами.
В странных аттракторах как выяснили специалисты по нелинейной науке, или нелинейщики, как их часто называют, оказалось довольно много порядка. Например, оказалось, что в природе существует всего несколько сценариев перехода от порядка к хаосу. Можно изучать самые разные явления, писать разные уравнения и получать одни и те же сценарии. Это поразительно. Исследователи пытаются увидеть за этим новый, более глубокий уровень единства природы. Выяснилось, что множество систем нашего организма работают в хаотическом или близком к нему режиме. Причём часто хаос выступает как признак здоровья, а излишняя упорядоченность - как симптом болезни. Это, например, привело к появлению новых методов анализа кардиограмм, а что особенно
важно для нас новых видов диагностики технических систем.
Многие ииследователи отметили условия, необходимые для возникновения неравномерных фазовых переходов, которые выражаются в образовании новых диссипативных структур.
Pиc.1.1. Cxeмaтичecкaя диaгpaммa, иллюcтpиpyющaя изменение oтнocитeльнoй доличетырех ocнoвны\ видoв кoнcтpyкциoнныx мaтepиaлoв.
Диссипативные структуры могут oбpasoвывaтьcя только в открытых системах. Только в них возможен приток энергии, компенсирующий потери за счёт диссипации и обеспечивающий существование более упорядоченных состояний.
Диссипативные структуры возникают лишь в системах, описываемых нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Примерами могут служить нелинейные уравнения теплопереноса.
Для возникновения диссипативных структур нелинейные уравнения должны при определённых значениях допускать изменение симметрии решения, например в переходе от молекулярного теплопереноса к конвективному теплопереносу по ячейкам Бенара.
- Диссипативные структуры возникают в макроскопических системах, т.е. в системах, состоящих из большого числа элементов, атомов, молекул, макромолекул, кластеров и т.д. Благодаря этому возможны коллективные - синергетические взаимодействия, необходимые для перестройки системы.
КУРИЛИШ
Формирование структур при необратимых процессах связано с определёнными условиями; здесь наблюдается качественный скачок (фазовый переход) при достижении пороговых значений (критических параметров).
Такие процессы, а именно возникновение упорядоченного состояния подсистем, т.е. формирование кристаллических нoвooбpasoвaний, происходит во время обжига керамики при достижении критических параметров.
Керамические изделия могут подвергаться однократному обжигу, когда глазурь наносится на высушенный сырец. Как правило, водопоглощение перед глазурованием у фарфоровых изделий составляет 1б - 19 %, у фаянсовых изделий соответственно 9 - 16 %. Наряду с однократным обжигом в промышленности используется двукратный обжиг, когда глазурь наносится на уже обожженное изделие, а после нанесения глазури подвергается обжигу при более низкой температуре. Керамическая промышленность выпускает изделия и с трехкратным обжигом, когда на повторно обожженное изделие
наносится слой другой глазури, после чего изделие вновь обжигается.
Перед покупкой комплектующих в первую очередь оценивают составляющие, из которых они изготовлены - разные типы технической керамики могут отличаться по свойствам и внешнему виду. Отличается и процесс изготовления, поэтому выпуск качественных изделий может позволить себе только надежный производитель, как завод «Поликор».
Отметим разновидности технических керамических изделий в этой группе:
1. Керметы - это керамико-металлические материалы. В их составе находится металлический порошок, поэтому изделия частично получают свойства металлов. Из такого сырья изготавливают лезвия, а также детали турбин для авиационных двигателей.
2. Минералокерамика или корундовые изделия - ее изготавливают из спеченного оксида алюминия. Допускается наличие примесей, но не более 2%. Такие комплектующие требуются для производственных или лабораторных печей.
3. Волокнистая керамика - в ее состав входит аморфное кварцевое волокно, обработка проводится под высокотемпературным спеканием. Это отличный термоизоляционный материал, его используют для изготовления фильтров, работающих с горячими жидкостями.
4. Сверхтвердая техническая керамика - в ее состав входит нитрид бора. Из такого сырья производят высокопрочные детали для двигателей и мощных производственных установок.
Это основные образцы, которые используют на производствах. Техническая керамика довольно востребована на средних и крупных предприятиях, из нее изготавливают различные комплектующие и инструменты.
Обычно состав подбирается согласно проектной документации, в которой указывается тип изделия и сырье, из которого оно состоит. Для производства такой продукции используются только лучшие основы, а стандартам ГОСТ отвечают не только подобранные компоненты, но и само оборудование. [4]
Среди широкого круга специалистов существует обоснованная точка зрения, что глинистые минералы, в первую очередь смектиты и продукты их модификации, будут признаны материалами XXI столетия. В первую очередь это связано с широкими
перспективами применения наноструктурированных и композиционных материалов. Среди таких материалов ведущее положение занимает керамика.
Aтoмнaя cтpyктypa кepaмичecкиx мaтepиaлoв oбecпeчивaeт иx cтoйкocть к paзpyшaющeмy вoздeйcтвию oкpyжaющeй cpeды, в том чиоге и pacтвopитeлeй. Kpoмe тoгo, пocкoлькy 6oльшинcтвo кepaмичecкиx мaтepиaлoв cocтoит из oкcидoв мeтaллoв, дaльнeйшee иx oкиcлeниe, пpигopeнии или дpyгиx xимичecкиx peaкцияx, кaк пpaвилo, нeвoзмoжнo. Керамииа - это материал, который уже «созрел» и бует продуктом этих реакций, yжe не подвержен разрущениям такого типа.
Мы будем рассматривать конструкционную керамику на основе глин и кремнистых пород. Oтличитeльнoй особенностью таких материалов является повышенная сложность строения - они являются многобазными, многокомпонентными, гетерогенными полидисперсными системами.
(а) ф)
Pиc.1.2. Mнoгoфasный кepaмичecкий мaтepиaл включaeт в ce6я pasличныe sepнa ^ и B),pasдeлeнныe гpaницaми sepeн
Свойства готовых керамических изделий определяются многими факторами, среди которых состав шихты, метод переработки, и в особенности условия обжига -температура, время обжига, тип газовой среды. Сам материал (тело), из которого и состоят готовые керамические изделия, в технологии керамики называют керамическим черепком или просто черепком. Классификация строительных керамических материалов и изделий может осуществляться по структуре черепка или по их конструктивному назначению [2].
По структуре черепка различают изделия с пористым и со спекшимся черепком, а также изделия грубой и тонкой керамики. Пористыми в технологии керамики условно считают изделия, у которых водопоглощение черепка превышает 5 %, обычно такой черепок пропускает воду. Спекшимся считают черепок с водопоглощением ниже 5 %, как правило, он водонепроницаем.
Изделия из грубой керамики имеют макронеоднородный черепок, у которого на изломе хорошо видно зернистое строение. Кирпичи, черепица, канализационные трубы и большинство других строительных изделий из керамики относятся именно к грубой керамике.
У изделий тонкой керамики излом черепка имеет макрооднородное строение. Он может быть пористым, как, например, у фаянсовых облицовочных глазурованных плиток, и спекшимся (плитки для полов, кислотостойкий кирпич, фарфоровые изделия). Изделия со спекшимся черепком с водопоглощением ниже 1 % называют каменными керамическими. Если при этом черепок обладает еще и просвечиваемостью, то его называют фарфором.
По конструктивному назначению различают следующие группы строительной керамики: стеновые изделия; фасадные изделия; изделия для внутренней облицовки стен; плитки для облицовки пола; изделия для кровли и перекрытий; изделия для подземных коммуникаций; теплоизоляционные изделия; кислотоупорные и термостойкие изделия; огнеупоры.
Стеновые керамические материалы весьма разнообразны - помимо традиционных керамических кирпичей (называемых также обыкновенными), существуют и эффективные керамические материалы - лёгкие, пористые и пустотелые кирпичи, плиты и блоки, а также готовые панели из кирпича и крупногабаритные блоки.
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, которые применяют для повышения индустриальности строительства [4, 5].
Керамические кирпичи используются для строительства домов и коммерческих зданий, а также для кладки из-за их прочности и визуальной привлекательности. Кирпичи могут быть изготавлены по экологически чистым технологиям, на их основе могут быть легко собраны конструкции различных форм и размеров, они не будут гореть, плавиться, деформироваться, гнить, ржаветь или повреждаться насекомыми. Кирпичные дома лучше защищены от погодных явлений, таких как грозы, ураганы и высокая влажность, чем дома, построенные из дерева и винила или фиброцементного сайдинга.
Панели и блоки из кирпича производят в горизонтальном положении с применением специальной металлической формы, обеспечивающей хорошую прочность готовой конструкции и приятный внешний вид. Применение эффективных стеновых керамических изделий позволяет обеспечить высокий уровень тепло- и звукоизоляции при снижении толщины стен, значительно сократить транспортные расходы за счёт низкого кажущегося веса готовых изделий и существенно уменьшить нагрузки на фундамент здания. Стеновые керамические материалы весьма разнообразны - помимо традиционных керамических кирпичей (называемых также обыкновенными), существуют и эффективные керамические материалы - лёгкие, пористые и пустотелые кирпичи, плиты и блоки, а также готовые панели из кирпича и крупногабаритные блоки.
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, которые применяют для повышения индустриальности строительства.
Керамические кирпичи используются для строительства домов и коммерческих зданий, а также для кладки из-за их прочности и визуальной привлекательности. Кирпичи могут быть изготавлены по экологически чистым технологиям, на их основе могут быть легко собраны конструкции различных форм и размеров, они не будут гореть, плавиться, деформироваться, гнить, ржаветь или повреждаться насекомыми. Кирпичные дома лучше защищены от погодных явлений, таких как грозы, ураганы и высокая влажность, чем дома, построенные из дерева и винила или фиброцементного сайдинга.
Панели и блоки из кирпича производят в горизонтальном положении с применением специальной металлической формы, обеспечивающей хорошую прочность готовой конструкции и приятный внешний вид. Применение эффективных стеновых керамических изделий позволяет обеспечить высокий уровень тепло- и звукоизоляции при снижении толщины стен, значительно сократить транспортные расходы за счёт низкого кажущегося веса готовых изделий и существенно уменьшить нагрузки на фундамент здания.
Наличие многих фаз в керамических материалах, естественно, связано с фазовым разнообразием исходного сырья. Керамика может быть определена как твердое соединение, которое формируется при тепловой обработке, a иногда и при давлении, состоящее не менее чем ш двух химических элементов, из которых, как минимум, один является неметаллом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Машиностроительная керамика. - СПб: Изд-во СпбТУ, 2007. - 726 с.
2. Керамические материалы / Под ред. Г.Н. Масленниковой. - М.: Стройиздат, 2001. - 320 с.
3. Семченко Г.Д. Конструкционная керамика и огнеупоры. - Харьков: Штрих, 2000, - 304 с.
4. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М.: Металлургия, 2006. - 332 с.
