Основные типы керамики
Фарфор – тонкокерамическое изделие с плотным, спекшимся, блестящим в изломе черепком белого цвета с голубоватым оттенком.
Его подразделяют на два вида:
- Твердый.
- Мягкий.
В состав твердого фарфора входит 50% глинистых веществ и по 25% отощителей и плавней. В структуре обожженного при 1380-1420°С черепка кристаллическая фаза составляет 30-35%, стекловидная фаза – 40-60, газовая фаза – 5-7%. Поэтому твердый фарфор отличается высокой степенью спекания (водопоглощение 0,1-0,2%), прочностью, термической и механической устойчивостью. Просвечивает в толщине до 2,5 мм, при ударе издает чистый звук. Используют его при изготовлении посуды и художественных изделий.
К твердому фарфору по свойствам близок низкотемпературный фарфор. Низкотемпературный фарфор содержит 41-46% глинистых веществ и 45-52% плавней, что позволяет снизить температуру обжига до 1180°С. Он характеризуется высокой прочностью. В тонком слое не просвечивает, так как покрывается непрозрачной глазурью. Применяется такой фарфор в основном для изготовления посуды, предназначенной для предприятий общественного питания.
Мягкий фарфор выпускают нескольких разновидностей. В нашей стране изготовляют мягкий костяной и высокополевошпатовый фарфор.
Мягкий костяной фарфор отличается высоким содержанием в массе плавней – 53% полевого шпата и костяной золы, глинистых веществ – 32% и кварцевых (отощителей) – 15%. Ввиду этого его обжигают при 1260°С; в структуре черепка до 85% стекловидной фазы. Черепок очень тонкий, высокой белизны и просвечиваемости (до 4 мм).
Однако костяной фарфор имеет меньшую, чем твердый фарфор, прочность и термостойкость. Используют его для изготовления высокохудожественной чайной и кофейной посуды, декоративных изделий.
Мягкий полевошпатовый фарфор предназначен в основном для художественно-декоративных изделий.
Тонкокаменные изделия имеют спекшийся непросвечивающийся белый или окрашенный в сероватые, голубые, бежевые тона черепок с водопоглощением 0,5-3,0%. Они отличаются повышенной механической прочностью и термостойкостью. Применяют в производстве посуды и художественных изделий, а некоторые разновидности – для жаростойкой кухонной посуды.
Полуфарфор – это тонкокерамические изделия с непросвечивающимся белым или окрашенным черепком с водопоглощением 0,5-5%. Из полуфарфора изготовляют посуду разного назначения и художественно-декоративные изделия.
Фаянс – тонкокерамические изделия с пористым непросвечивающимся черепком белого цвета с желтоватым оттенком. В нашей стране вырабатывают твердый фаянс с водопоглощением 9-12%. Он содержит 60-63% глинистых веществ и лишь 5-15% плавней. Поэтому основной фазой черепка, обожженного при 1250-1280°С, является кристаллическая. Стекловидная фаза (около 20% объема) располагается между структурными элементами черепка, обеспечивая их связь, но не заполняя пор. Общая пористость 26-30%.
Ввиду высокой пористости фаянс всегда глазуруют, но и в этом случае он склонен к влажностному набуханию. При ударе фаянс издает глухой звук. Отличается более низкой по сравнению с фарфором прочностью и термостойкостью. Пониженная термостойкость фаянса обусловлена высоким термическим расширением легкоплавкой глазури и резким отличием ее по составу от глинисто-кварцевого черепка. Фаянс используют в производстве посуды, главным образом столовой, и художественных изделий.
Майолика – это тонкокерамические изделия с пористым не просвечивающимся черепком. Их подразделяют на два вида: майоликовые изделия из масс на основе беложгущихся глин и из масс на основе цветных глин. Водопоглощение майолики с белым черепком –12%, с цветным – 16%. Майолика менее прочна и термостойка, чем фаянс, но исключительно декоративна.
Гончарная керамика – это грубокерамические изделия с крупнозернистым пористым естественно окрашенным черепком. Вырабатывают их из гончарных глин с добавками отощителей; водопоглощение –15-16%; частично или полностью покрывают легкоплавкими глазурями. Из гончарной керамики изготовляют хозяйственную посуду и частично декоративные изделия.
По наличию глазури керамические изделия подразделяют на глазурованные и неглазурованные. Глазури могут быть прозрачными и заглушенными, бесцветными и цветными (одно- и многоцветными), с поверхностью блестящей, матовой, ирризирующей, с рисунком «кракле» и др.
Электротехническая керамика – это материал, получаемый в результате обжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. При соответствующем выборе состава керамики из нее можно получить материалы, обладающие разнообразными свойствами. В электротехнической и радиоэлектронной промышленности керамическая технология применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других изделий.
Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отсутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, большую, чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению. Керамику можно подвергать металлизации обычно методом выжигания серебра и осуществлять герметичные спаи с металлом.
Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, который является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжение – до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока.
Электротехнический фарфор, как и любая керамика, состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Его свойства определяются химическим и фазовым составами, микро- и макроструктурой и технологией изготовления.
Основными компонентами фарфора являются сырьевые материалы минерального происхождения – глинистые вещества (каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит).
Изделия из фарфоровой массы получают различными обточкой, прессовкой, отливкой в гипсовые формы, выдавливанием через отверстие нужной конфигурации. После оформления изделия производится сушка полуфабриката для удаления воды, вводимой в массу для придания ей пластичности. Следующая операция – глазурование фарфоровых изоляторов – выполняется для предохранения от загрязнения и создания поверхности, легко очищаемой в условиях эксплуатации.
При обжиге глазурное покрытие плавится и покрывает поверхность изолятора тонким стекловидным слоем. Глазурь увеличивает механическую прочность «заглаживая» трещины и другие дефекты, уменьшает ток утечки по поверхности изоляторов и повышает их напряжение перекрытия.
Наличие стекловидной фазы определяет довольно высокую механическую прочность фарфора. Фарфор имеет высокий предел прочности на сжатие (400…700 МПа), значительно меньший предел прочности при растяжении (45…70 МПа) и изгибе (80…150 МПа).
Электроизоляционные свойства фарфора при нормальной температуре позволяют использовать его при низких частотах.
Электротехнический фарфор применяется для изготовления высоковольтных и низковольтных изоляторов различного типа. К числу высоковольтных изоляторов относятся:
- стационарные для оборудования распределительных устройств и аппаратуры (опорные, проходные, вводы, маслонаполненные, покрышки разного назначения);
- линейные для линий электропередачи (подвесные и штыревые).
Для изготовления высокочастотных высоковольтных изоляторов применяют стеатитовую керамику, так как фарфор имеет сильную зависимость электрических характеристик от температуры из-за наличия большого количества полевошпатового стекла с повышенной электропроводностью.
Стеатитовая керамика изготовляется на основе тальковых минералов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния. Стеатитовые материалы характеризуются высокими значениями р, в том числе при высокой температуре. Стеатитовая керамика характеризуется высокими механическими свойствами, стабильностью параметров при воздействии различных внешних факторов (влаги, температуры, высокого напряжения и др.).
Благодаря высоким электромеханическим свойствам стеатит применяют для изготовления высокочастотных установочных деталей, высоковольтных и низковольтных конденсаторов, высоковольтных, антенных, внутриламповых, пористых и других изоляторов.
Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество новых керамических материалов, обладающих лучшими свойствами по сравнению с фарфором.
Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого оксида ВаО.
Ультрафарфор различных марок характеризуется большим содержанием А1₂О₃ и является усовершенствованным радиофарфором.
Ультрафарфор имеет по сравнению с обычным фарфором повышенную механическую прочность и теплопроводность.
Высокоглиноземистая керамика (алюминооксид) в основном состоит из оксида алюминия (глинозема) А1₂О₃. Этот материал требует весьма высокой температуры обжига (до 1750°С), затрудняющей его изготовление. Он отличается хорошими характеристиками: нагревостойкостью до температуры 1600°С, чрезвычайно высокой теплопроводностью и механической прочностью.
Поликор, имеющий особо плотную структуру (близкую к теоретической для А1₂О₃), обладает оптической прозрачностью и применяется для изготовления колб некоторых специальных источников тока.
Конденсаторная керамика имеет диэлектрическую проницаемость ег = 10…230 или ЕГ = 900. К конденсаторной керамике обычно предъявляется требование возможно меньшего значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости.
Многие из конденсаторных материалов имеют в своем состав диоксид титана – рутил. В принятом обозначении такие составы имеют букву Т (титановая керамика); следующая цифра обычно обозначает номинальную диэлектрическую проницаемость. Эти материалы называют также тикондами. Среди них можно выделим, керамику на основе титаната кальция и титаната стронция.
При длительном воздействии постоянного напряжения тикондовая керамика подвергается электрохимическому старению. Из-за высокого отрицательного значения температурного коэффициента гг эти материалы применяются для конденсаторов, к которым не предъявляются требования температурной стабильности емкости.
