Исторический обзор возникновения и эволюция создания тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Современные направления науки в разработке и создании твердых материаловИсторический обзор возникновения и эволюция создания тугоплавких неметаллических и силикатных материалов. Современные направления науки в разработке и создании твердых материалов
Человечество всегда окружали твердые тела. Это камни и скалы, кремень и кость, керамика и железо, золото и алмаз. Не случайно название самой древней эпохи в истории человечества «палеолит» происходит от корня «лит» (греч. litos – камень). Первым искусственным твердым материалом является обожженная глина и изделия из нее, которые получили название керамика (от греч. keramike – искусство изготовления изделий из глины). Первые упоминания о керамике относятся к XIV тысячелетию до н.э. Археологические раскопки, проводимые на территории многих стран Европы, Азии, Африки, Америки, дают обширный материал для изучения этой интереснейшей области творческой деятельности человека. Наличие легкодоступного материала – глины – обусловило раннее и практически повсеместное развитие керамического ремесла.
 Так, например, в Китае в провинции Лао Цзы была обнаружена гробница императора Цинь Шихуанди, которую относят к III тысячелетию до н.э. Согласно преданию, император не хотел отказываться от трона и после смерти. В мир иной его сопровождали 8 тысяч глиняных солдат, вылепленных в полный рост. Каждая фигура являлась портретом реального человека, имела различия в чертах и выражениях лиц, а также антропологические особенности (рис.1).
Символические воины Цинь Шихуанди были сделаны из терракоты – материала, название которого включает в себя два понятия: «земля», «глина» (terra) и «обжиг» Особое место в истории занимает керамика античной Греции. Ее расцвету предшествовало развитие гончарного дела на острове Крит, одного из ведущих центров Эгейской культуры (рис.2). В Древней Греции керамика применялась также для выполнения кровель и украшения фасадов. Первый храм Геры в Олимпии (VII век до н.э.) имел черепичную крышу и украшения из терракоты. Археологами обнаружены остатки зданий и сооружений из керамического кирпича в Древнем Египте и Ассирии, датируемые III–I тысячелетием до н.э. Производство наиболее ценного вида керамики – фарфора – появилось значительно позже, хотя секретами его получения в Китае владели еще в 2000 г. до н.э. В Европу впервые китайский фарфор привез известный путешественник Марко Поло в конце XIII века.
Наибольшего расцвета гончарное производство достигло в XV веке в Италии, куда эта техника попала из мавританской Испании через остров Мальорку, от названия которого произошёл термин «майолика». Параллельно с майоликой с XVI века появляется фаянс, технология изготовления которого была разработана в одном из городов Италии – Фаэнце. Итальянская майолика оказала заметное влияние на ее развитие в других европейских странах, в первую очередь в Германии и Франции. Первое европейское фаянсовое производство появилось во французском городке Сен-Поршер. В XVI-XVII веках производство майолики и фаянса быстро распространилось во Франции, Германии, Голландии, Англии. Фарфор, завозимый в то время венецианскими и португальскими купцами, значительно превосходил все известные европейцам керамические изделия по белизне, просвечиваемости, твердости, богатству красок, ценился очень дорого и был предметом роскоши. Керамисты Франции и Англии, не находя разгадки «китайского секрета», создали поначалу свои разновидности фарфоровидной керамики – мягкий фриттовый и костяной фарфор. Настоящий «твердый» фарфор был получен в начале XVIII века в Германии. В саксонском городе Мейсене против главного здания Мейсенского фарфорового завода стоит памятник Иоганну Бетгеру, с именем которого связано овладение технологией изготовления фарфора. Секрет изготовления «бетгеровского фарфора» тщательно сохранялся, фарфоровое производство было размещено в верхних этажах королевского замка Альбрехтсбург и выйти из мастерских можно было только через личные покои короля Августа. Бетгер находился на положении самого настоящего узника и умер в 1719 г., так и не получив свободы. Стекло является одним из важнейших искусственных материалов, прочно вошедших в быт, культуру и технику людей всего мира. Естественное стекло известно человеку с древнейших времён. Наконечники стрел, ножи, бритвы, зеркала и т. п., изготовленные первобытным человеком из природного вулканического стекла (обсидиана), были найдены в самых различных местах земного шара. Первые сведения о получении человеком силикатного стекла относятся к IV-III тысячелетию до н. э. Существует несколько легенд, толкующих возможные версии появления технологии стекла. Одна из них гласит, что однажды финикийские купцы на песчаном берегу, за неимением камней, сложили очаг из перевозимой ими африканской соды, а утром на месте кострища они обнаружили стеклянный слиток. Наибольшего расцвета производство стекла достигло в Египте в 1550‑ 1350 гг. до н. э., когда центром стеклоделия становится тогдашняя столица египетского государства Фивы. В одной из пирамид древнего Египта была обнаружена фреска, изображающая стеклоделов этой страны за работой. Создание этой пирамиды, а, следовательно, и фрески относится к XIVвеку до н. э. На ней изображены два сюжета рабочего процесса античных мастеров, раскрывающих технологию того времени, вернее, её заключительной стадии (рис.3). На левой части фрески чётко виден очаг, в котором разогревают стеклянные заготовки и подвергают их огневой полировке. На рисунке хорошо видно, как один мастер держит во рту трубку, на конце которой находится стеклянный пузырь. На правой части фрески мастер раскатывает заготовку и готовится сделать из неё сосуд.
В древнейшие времена в Египте стеклянные изделия изготовляли пластическим формованием из горячей вязкой стекломассы. Очень рано стало известно также прессование стекла. Коренное изменение в производстве стекла произошло на рубеже нашей эры, когда были решены две важнейшие проблемы стеклоделия – варка прозрачного бесцветного стекла и формование изделий с помощью стеклодувной трубки. Затем стеклоделие стало быстро развиваться в Венеции, и в IX веке она уже конкурирует с Константинополем, вытесняя византийское стекло с местного рынка. Значительный толчок к дальнейшему развитию венецианское стеклоделие получило в 1204 г., после взятия Константинополя крестоносцами, в числе которых были и венецианцы. Насильственные переселения константинопольских стеклоделов в Венецию усилили ее собственное производство и ослабили конкурента. Венеция становится мировым центром стеклоделия и сохраняет свое значение до XVI–XVII веков. Будучи сильнейшей морской державой Средиземного моря, Венеция вела обширную торговлю со странами Ближнего Востока и Запада, очень видную статью которой составляло стекло. Венецианские стеклянные изделия отличались разнообразием и большой художественной ценностью. В 1291 г. все стеклоделы были переселены на остров Мурано (в 2 кмот Венеции) под предлогом пожарной безопасности, а на самом деле – для лучшего наблюдения за ними. Стеклоделам было запрещено покидать пределы Венецианской республики. Выдача профессиональной тайны каралась смертью. Техника стеклоделия этого периода известна по трудам Георгия Агриколы. Особый интерес для истории стеклоделия представляет труд флорентийского монаха Антонио Нери, опубликованный в 1612 г. во Флоренции. Первые листовые стекла получали, разрезая и распрямляя стеклянные цилиндры (т.н. «халявы»), формуемые выдуванием. В XVII веке началось производство листового зеркального стекла отливкой на медные плиты. Массовое производство листового стекла большого размера стало возможным в конце XIX – начале XX века, когда появились большие ванные печи и новые методы выработки стекла. Вяжущие вещества и материалы на их основе – древнейшие строительные материалы. Первые искусственные вяжущие – строительный гипс, а затем известь – использованы при строительстве уникальных сооружений: бетонной галереи египетского лабиринта (3600 лет до н.э.), фундаментов древнейших сооружений в Мексике, римского Пантеона, перекрытого бетонным куполом диаметром 42, 7 м. Известь и гидравлические добавки применяли на территории всех стран находившихся под римским владычеством, а также в других странах древнего мира, например в Индии, где большее распространение получила известь в смеси с «сурки» (молотым кирпичом). После распада Римской империи, в эпоху раннего средневековья, в Западной Европе многое из римского опыта было утрачено и качество растворов резко ухудшилось. И лишь в XII веке наметился некоторый подъем строительства, а следовательно, и производства вяжущих материалов. В Киевской Руси строительное искусство было на высоком уровне. Начиная с X века строились каменные, в основном культовые и оборонительные сооружения. Русские строители, осваивая опыт древних, пришедший вместе с христианством из Византии, творчески применяли его в местных условиях. Известковые растворы с гидравлической добавкой в виде молотого кирпича («цемянки») использовали при строительстве Киева, Новгорода, Пскова, Суздаля, Ростова. Были воздвигнуты такие величественные памятники архитектуры, как Софийский собор, Золотые ворота в Киеве и другие, сохранившиеся до наших дней. Уже в конце XVII – в начале XVIII века в России наряду с белой (воздушной) известью, используемой в основном для штукатурных работ при кладке фундаментов, стен, сводов и других сооружений, начали широко применять серую (гидравлическую) известь. На Западе смесь извести с гидравлической добавкой, унаследованная от римлян, оставалась основным гидравлическим вяжущим почти до конца XVIII века, а затем наступил перелом, связанный с общим подъемом строительных работ. Так, например, Англия, одна из могущественных морских держав, не имела своих гидравлических добавок. Поэтому, когда Джон Смит получил задание построить взамен сгоревшего деревянного маяка каменный на Эддистонской скале близ порта Плимут, он попытался найти водостойкие вяжущие из местного сырья. Исследуя известь из различных известняковых пород, Смит пришел к выводу: несмотря на то, что из глинистых известняков получается плохая и медленногасящаяся известь, изделия на ее основе являются достаточно водостойкими. В 1757 г. из гидравлической извести и был воздвигнут маяк. Следующим шагом в разработке гидравлических вяжущих были исследования Джеймса Паркера, который в 1796 г. получил патент на романцемент – продукт обжига глинистых мергелей. Изобретение цемента приписывают английскому каменщику Д. Аспдину, получившему в 1824 г. патент на изготовление вяжущего вещества обжигом смеси извести с глиной. За сходство по цвету с естественным камнем из каменоломен вблизи г. Портлэнд в Англии, он назвал это вяжущее портландцементом. Однако Аспдин не обжигал смесь до спекания (частичного плавления), поэтому полученное им вяжущее по технологии и свойствам являлось разновидностью романцемента и, следовательно, не походило на современный портландцемент. На Руси силикатные материалы появились в IX – X веках в домонгольский период: стекло – в основном в виде украшений и сосудов; керамика – в виде посуды, игрушек, украшений, плиток для полов. Развитие производства вяжущих материалов было связано со строительством древних городов (Киев, Новгород, Псков, Москва и др.). Известковый раствор использовался в X веке при сооружении Десятинной церкви в Киеве, в XI веке – Коложской церкви в г. Гродно. На извести в XV веке были сложены стены московского Кремля. Татаро-монгольское нашествие надолго затормозило развитие Руси, в том числе и развитие технологий силикатных материалов. В возрождении этих производств особая роль отводится Москве. Центром керамических ремесел стала Гончарная Слобода в районе Таганки, где производили посуду, игрушки и даже музыкальные инструменты. Первый стекольный завод на Руси был построен под Москвой в селе Духанино в 1635 г., а в 1668 г. в селе Измайлово – второй стекольный завод, принадлежащий лично царю Алексею Михайловичу. Затем количество стекольных заводов значительно выросло: в 1760 г. – 25, в 1804 г. – 150, в 1883 г. – 196, в 1913 г. – 275. В 1584 г. Иваном Грозным был создан Каменный приказ, который ведал заготовкой камня, выпуском кирпича, производством извести. В 1853 г. в России построен первый завод по производству портландцемента производительностью около 4000 тонн в год. Затем осуществился запуск заводов в Риге (1866 г.), Щурове (1870 г.), Пунане-Кунда (1871 г.), Подольске (1874 г.), Новороссийске (1882 г.), Глухозерске близ Петербурга (1887 г.), Амвросиевке (1896 г.), Вольске (1897 г.) и т.д. К 1910 г. в России насчитывалось около 30 цементных заводов общей мощностью около 1 млн. т цемента в год. В Беларуси первый завод запущен в г. Волковыске (1914 г.). Российские ученые внесли весомый вклад в развитие всех ветвей технологии силикатных материалов. В стеклоделии важнейшие теоретические разработки принадлежат М.В. Ломоносову. В 1735 г. он основал Усть-Рудницкую стекольную фабрику, где всего за три года провел 2184 опытные плавки стекла, «коих не токмо рецепты сочинял, но и материал своими руками развешивал и в печь ставил…». Изобретателем русского фарфора (1745 г.) и основателем первого фарфорового завода был Д.Н. Виноградов. Огромная заслуга в создании портландцемента принадлежит Е.Г. Челиеву, который независимо от английских ученых в 1825 г. обобщил опыт улучшения свойств вяжущих материалов, накопленный при восстановлении уничтоженной пожаром Москвы после войны 1812 г. и впервые стал изготавливать цемент из смесей извести или известковой штукатурки с глиной, производя их обжиг до частичного расплавления компонентов с последующим измельчением полученного продукта. В настоящее время тугоплавкие неметаллические и силикатные материалы – это сотни тысяч продуктов и изделий, без которых нельзя себе представить наш быт и работу всех отраслей промышленности. С ними связывают перспективы дальнейшего научно-технического прогресса. Среди современных направлений развития науки в области синтеза и исследования тугоплавких неметаллических и силикатных материалов можно выделить следующие: – создание высокопрочных материалов (прочность свыше 104 МПа) – материалы на основе твердых сплавов, карбиды, бориды, технические ситаллы, которые могут найти применение в машиностроении, авиастроении, металлургии и т.д.; – уменьшение эффективной массы изделий за счет создания новых конструкционных материалов – крупногабаритные пустотелые стеновые материалы, легкие заполнители бетонов для силовых конструкций, эффективные газосиликатные изделия; – создание новых видов тепло- и звукоизоляционных материалов, обеспечивающих аккумуляцию и сохранение тепла внутри помещений или препятствующих теплопередаче через ограждающие конструкции сооружений; – создание антифрикционных материалов, способных обеспечить низкий коэффициент трения скольжения и, как следствие, малую скорость изнашивания узлов и деталей; – создание материалов медицинского назначения, которые могут применяться в костной и челюстно-лицевой хирургии при изготовлении биоимплантантов; при протезировании (металлокерамика) и лечении (стоматологические цементы) в стоматологии; – разработка технологий и материалов повышенной водостойкости на основе вяжущих веществ, которые могут найти применение как для обустройства и защиты фасадов зданий, так и при возведении подземных тоннелей и надводных сооружений; – создание термостойких и высокотемпературопрочных материалов, способных выдерживать воздействие резкого перепада температур и работать в условиях глубокого холода или повышенного теплового воздействия; – создание новых видов полупроводниковых материалов по планарной технологии изготовления микроэлектроники. Суть этой технологии заключается в том, что различные элементы микросхем изготавливаются путем соединения слоев керамических и токопроводящих материалов в так называемый «слоеный пирог» или чип; – создание наноразмерных и наноструктурированных материалов и продуктов на их основе, которые могут найти применение в самых разнообразных областях промышленной индустрии: биотехнологии, микроэлектроники, химической промышленности, машиностроении, атомной энергетики, авиакосмической технике и т. д.
что повсюду ты находишь чему учиться” Леонардо да Винчи ТЕМА 2. Общая характеристика и основные свойства твердых материалов. Классификация тугоплавких неметаллических и силикатных материалов
В общем случае твердыми материалами называют вещества, отличающиеся постоянством объема и формы, имеющие следующие характерные черты: – упругость формы – способность материала восстанавливать внешнюю форму тела после прекращения действия деформирующих сил; – наличие значительных сил связи между частицами, которые позволяют им совершать колебательные движения около некоторых состояний равновесия, но не допускают поступательных движений; – правильное пространственное расположение частиц кристалла, определяющее анизитропность его свойств и позволяющее ввести понятие кристаллической решетки – неподвижного каркаса, узлы которого соответствуют положениям равновесия частиц; – скачкообразное изменение физических свойств при плавлении. В зависимости от агрегатного состояния и устойчивости твердые вещества могут иметь строго упорядоченное строение – кристаллическое, или неупорядоченное, хаотическое строение – аморфное. Упорядоченное расположение частиц в кристалле сохраняется на больших расстояниях, а в случае идеально образованных кристаллов – во всем объеме материала. Такая упорядоченность строения твердых тел носит название дальний порядок. В телах с менее упорядоченным или хаотичным расположением частиц, что свойственно аморфным телам, имеет место лишь местная упорядоченность, которая не распространяется дальше определенной совокупности частиц. В этом случае говорят, что имеет место ближний порядок. Схематическое расположение атомов кремния и кислорода в кристаллическом и аморфном кварце представлено на рис. 4. Хаотичность расположения частиц свидетельствует о неустойчивом агрегатном состоянии системы, способном изменяться как под действием внутренних, так и внешних факторов. Аморфные тела, например, не имеют постоянной точки плавления. Поведение кристаллических и аморфных веществ при нагревании представлено на рис. 5.
Кристаллические материалы анизотропны, характеризуются наличием определенной геометрической формы и определенной температуры плавления, при которой вещество переходит в жидкое состояние. Они могут встречаться как в виде отдельных кристаллов – монокристаллы, так и в виде скоплений мелких кристаллов – поликристаллы. Монокристаллы растут в виде правильных многогранников, форма которых определяется симметрией и закономерным внутренним строением. Аморфные вещества характеризуются двумя особенностями. Во-первых, свойства таких веществ при обычных условиях не зависят от выбранного направления, т.е. они изотропны. Во-вторых, при повышении температуры происходит размягчение аморфного вещества и постепенный переход его в жидкое состояние. Точное значение температуры плавления отсутствует. Общим для кристаллического и аморфного состояний веществ является отсутствие поступательного перемещения частиц и сохранение только их колебательного движения около положения равновесия. Различие между ними состоит в наличии геометрически правильной решетки у кристаллов и отсутствии дальнего порядка в расположении атомов у аморфных веществ. Аморфное состояние вещества, по сравнению с кристаллическим, всегда менее устойчиво и обладает избыточным запасом внутренней энергии. В связи с этим, при определенных условиях, самопроизвольно осуществляется переход из аморфного состояние в кристаллическое. Твердые тела в аморфном состоянии можно получить двумя путями. Первый путь – быстрое охлаждение расплавов кристаллических веществ, преимущественно ионного и ковалентного строения. Типичный представитель таких аморфных тел – силикатные стекла, битумы, смолы и др. Второй путь – диспергация кристаллических структур. В результате диспергации кристаллических тел образуются аморфизованные дисперсии в виде коллоидов и растворов. Разрушаясь или конденсируясь, дисперсии изменяют свое агрегатное состояние. Пересыщенные растворы, например, могут превратиться в гель и образовать полимер или кристаллизоваться. Аморфные вещества подразделяют на витроиды (стекла), дисперсные системы и полимеры. Витроиды – это твердые тела в аморфном состоянии, имеющие стекловидную структуру. Как уже отмечалось, стекла образуются в результате быстрого охлаждения, преимущественно силикатных расплавов. Быстрое охлаждение препятствует созданию упорядоченной структуры. Особенно, если молекулы громоздки, а скорость охлаждения велика. Дисперсные системы – мельчайшие частицы размером 10-7 - 10-9 м. К ним относятся коллоиды, золи (органозоли, гидрозоли), пасты, клеи, мастики, краски, латексы и др. К дисперсным аморфным системам относятся также некоторые горные породы (диатомит, опоки), имеющие общую формулу SiO2.nH2O; а также активный кремнезем, образуемый в результате разложения глин при их нагревании. Полимеры – вещества, характерной особенностью которых является большой размер и большая молекулярная масса молекул. Кроме того, молекулы объединены в структурные единицы, включающих 103-105 молекул-мономеров. Классификация тугоплавких неметаллических и силикатных материалов разделяет их на три группы: 1. Стекло и стеклоизделия. 2. Керамические материалы. 3. Вяжущие вещества и материалы на их основе. Стекло – аморфные тела, полученные путем переохлаждения расплава и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел. Характерным является то, что переход из жидкого состояния в стеклообразное является обратимым. Прозрачность и возможность окраски стекла в любые цвета, высокая химическая стойкость, достаточно высокая прочность и твердость, электроизоляционные и многие другие ценные свойства делают стекло незаменимым строительным материалом. Его используют не только для сооружения светопрозрачных конструкций (окон, витражей, фонарей), но и как конструкционный и отделочный материал. В современном строительстве высотные здания часто имеют фасады, полностью выполненные из стекла с улучшенными декоративными, светоотражающими и теплозащитными свойствами. Кроме этого, из стекла получают различные стеклоизделия (блоки, трубы, стеклопрофилит), эффективные теплоизоляционные материалы (пеностекло и стеклянную вату), а также стекловолокно и стеклоткани. Важнейшими сырьевыми материалами для производства стекла являются кварциты, кварцевый песок, агат, яшма, опал, трепел, диатомит, песчаник, жильный кварц, полевые шпаты, флюорит, касситерит, пегматиты, лепидолиты, сподумен, известняк, мрамор, доломит, гематит, мел, магнезит и др. Необходимо отметить, что на процесс стекловарения расходуется много энергии (температура варки 1500–1580 º С) и при этом в атмосферу поступает много вредных выбросов. Поэтому и экологически, и экономически целесообразно вырабатывать стеклоизделия из вторичного сырья (стеклобоя, стеклянной посуды и т. п.). Это оценили в большинстве стран Западной Европы, где до 80 % стекла получают именно таким образом. В зависимости от назначения выделяют следующие виды стекла: – листовое стекло – основной вид стекла, применяемый в строительстве и используемый для остекления оконных и дверных проемов, витрин и т. п. Наряду с этим все шире развивается выпуск листового стекла со специальными свойствами, например, теплопоглощающего, светоотражающего, увиолевого, защитного, декоративного, а также изделий на его основе: стеклопакеты и стеклопрофилит; – тарное стекло предназначено для изготовления стеклянной тары и упаковки. Стекло для тары может быть бесцветным, необеспеченным (полубелым), окрашенным в темно-зеленый, оранжевый и другие цвета. В основном стеклянную тару получают выдуванием и пресс-выдуванием стекломассы на полуавтоматах и на автоматах; – сортовое стекло – изделия из бесцветных, хрустальных и окрашенных стекол, употребляемые в быту, культурно-бытовых учреждениях и т.д. Различают следующие виды: бытовая посуда, посуда для напитков, художественно-декоративные изделия; – техническое стекло – закаленное стекло, армированное, безосколочное многослойное ламинированное стекло (триплекс); – стеклянные трубы и трубки благодаря высокой химической стойкости, гладкости поверхности и прозрачности с успехом соперничают с металлическими. В ряде областей (например, химическая и пищевая промышленность) их применение предпочтительнее. Пропускная способность стеклянных труб на 5–10 % выше, чем стальных при одинаковом диаметре; – электровакуумное и электротехническое стекло применяется для изготовления ламп накаливания; – химико-лабораторное стекло обладает высокой химической и термической устойчивостью и используется для изготовления химико-лабораторной посуды и аппаратуры; – медицинское стекло применяется для хранения лекарственных препаратов; – оптическое стекло применяют для изготовления линз, призм, кювет и др.; – архитектурно-строительное стекло: стеклоблоки – вырабатываются из горячей стекломассы на пресс-автоматах, формующих половинки блоков, а затем сваривающих их; пеностекло – блоки из вспученного в момент нахождения в расплавленном состоянии стекла, которые по структуре и свойствам напоминают вулканическую пемзу и используются как теплоизоляционный материал; – стекловолокно – получают путем продавливания стекольного расплава через тончайшие фильеры (отверстия в твердых материалах) споследующей вытяжкой и намоткой на бобины. Из стекловолокна получают стеклянные ткани и стекловойлок, которые используют как армирующий компонент при производстве стеклопластиков или в качестве основы в рулонных кровельных и гидроизоляционных материалах. Ситаллы – материалы, получаемые на основе стекла путем направленной регулируемой объемной кристаллизации. Количество кристаллической фазы в ситалле может колебаться в пределах 10–90 %, что обеспечивает им повышенную термостойкость, прочность, тугоплавкость, электроизоляционные и радиотехнические свойства. Керамика – собирательное название широкой группы искусственных каменных материалов, получаемых формованием из глиняных смесей с минеральными и органическими добавками с последующей сушкой и обжигом. Простота технологии и неисчерпаемая сырьевая база для производства керамических изделий самых разнообразных видов предопределили их широкое и повсеместное распространение. Этому способствовали также высокая прочность, долговечность и декоративность керамики. И в настоящее время керамика остается одним из основных строительных материалов, применяемых практически во всех конструктивных элементах зданий и сооружений. Сырьевая масса для изготовления керамических материалов состоит из пластичных материалов (глин) и непластичных (отощающих и выгорающих добавок, плавней и др.). Глины обеспечивают получение удобоформуемой связной массы и после обжига прочного и водостойкого черепка. Непластичные добавки улучшают технологические свойства сырьевой массы (облегчают сушку, уменьшают усадку и снижают температуру обжига) и придают материалу желаемые свойства (пористость, теплопроводность и т. п.). По назначению керамические изделия делят на следующие виды: – стеновые материалы применяют в основном для кладки стен зданий, изготовления сборных стеновых панелей, кладки печей и дымовых труб (керамический кирпич и камень); – тонкая керамика включает изделия, имеющие плотный спеченный или микропористый черепок покрытый глазурью. Сюда входят все виды фарфоровых, тонкокаменных, полуфарфоровых, фаянсовых и майоликовых изделий, основными свойствами которых являются прочность, твердость, термо- и химическая стойкость, цвет и водопоглощение; – кровельные материалы используют для обустройства крыш малоэтажных зданий. Керамическая черепица обладает целым рядом уникальных свойств (долговечность, стойкость к атмосферным воздействиям, легкость монтажа и ремонта, экологическая безопасность) и многообразием цветовых решений; – изделия для облицовки фасадов включают в себя лицевой кирпич, крупноразмерные облицовочные плиты и архитектурные детали (терракоту) и плитки различных размеров; – изделия для внутренней облицовки представлены керамической плиткой для стен и полов, используются для обустройства ванных комнат, санитарных узлов, кухонь и др., отличаются уникальным сочетанием эксплуатационных свойств, декоративных и гигиенических характеристик; – санитарные керамические изделия изготавливают из твердого фаянса, фарфора или полуфарфора, ассортимент включает умывальники, унитазы, ванны, писуары, биде и канализационные трубы. Они покрываются глазурью изнутри и снаружи, отличаются универсальной устойчивостью к действию различных сред и достаточной механической прочностью. – специальная керамика (кислотоупорная, огнеупорная и теплоизоляционная). Кислотоупорная керамика предназначена для футеровки реакционных аппаратов и котлов, для защиты строительных конструкций, работающих в условиях кислых агрессивных сред, а также для футеровки дымовых труб, которые служат для отвода газов, содержащих агрессивные вещества. Огнеупорные изделия применяют для строительства промышленных печей, топок и аппаратов, работающих при высокой температуре. Теплоизоляционная керамика используется для – заполнители для легких бетонов: керамзит – гранулированный пористый материал, имеющий в изломе структуру застывшей пены, получаемый на основе легкоплавких вспучивающихся глин; аглопорит – искусственный пористый материал на основе глинистых сланцев и суглинков, получение пористой структуры достигается введением выгорающих добавок. – техническая керамика – это керамика на основе высокоогнеупорных оксидов или соединений (муллитовая, муллито-корундовая, кордиеритовая, цирконовая, на основе шпинелей и хромитов, на основе тугоплавких неметаллических соединений: карбиды, нитриды, бориды).
Минеральные вяжущие вещества – порошкообразные вещества, образующие с водой пластичную массу, способную со временем затвердевать в прочное камнеподобное тело. Вяжущие материалы делят на 4 группы: 1. Воздушные вяжущие – материалы, способные после затворения с водой твердеть и сохранять прочность только на воздухе (известковые, гипсовые и магнезиальные вяжущие); 2. Гидравлические вяжущие – материалы, способные после затворения с водой твердеть и сохранять прочность на воздухе и в воде (портландцемент, глиноземистый цемент и др.); 3. Вяжущие автоклавного твердения – материалы, способные после затворения с водой твердеть и набирать прочность только в автоклаве при обработке чистым паром под давлением 0, 9–1, 3 МПа и температуре 167–198 º С (известково-кремнеземистые смеси, низкоосновные силикаты кальция); 4. Кислотоупорные вяжущие – материалы, способные после затворения с водой твердеть и сохранять прочность при хранении в растворах кислот (кислотоупорный цемент, кварцевый кремнефтористый цемент). На основе вяжущих веществ получают целый ряд материалов и изделий. Так, на основе гипсовых вяжущих получают гипсокартонные листы, гипсовые и гипсобетонные панели, на основе известковых – газосиликатные блоки и силикатный кирпич, на основе портландцемента – строительные растворы и сухие смеси, бетон и железобетон, асбестоцементные изделия и т.д.
претерпевает со временем ряд изменений, составляющий то, что условно называют его жизнью» А.В.Шубников ТЕМА 3. Особенности строения твердых материалов В общем случае под строением понимается совокупность устойчивых связей тела, обеспечивающих его целостность. Такое определение является достаточно общим и в этой связи выделяют три уровня строения твердых материалов: – микроструктура; – макроструктура; – текстура. При характеристике микроструктуры выделяют два ее уровня: атомная структура идеальных кристаллов, определяющая их физические свойства и дефектная структура реальных кристаллов, учитывающая неоднородность их строения. Макроструктура твердых материалов определяется элементами структуры, видимыми невооруженным взглядом или при небольшом увеличении (5–6 раз). Основу макроструктуры составляют зерна размером выше 0, 1 мм. В зависимости от размера зерен макроструктуру делят на три группы: крупнозернистая – зерна более 5 мм; среднезернистая – 1–5 мм; мелкозернистая – менее 1 мм. Текстура материала – это преимущественно ориентированное расположение элементов, составляющих материал, характеризующих рисунок его внутренних слоев или поверхности. Текстура, в отличие от структуры, не имеет такой логической связи с составом, химическими связями и свойствами и является дополнением к более широкому понятию – «структура материала». Текстура материала определяется формой зерен и пор в материале, их размерами, объемом и взаиморасположением. Например, для уточнения характера структуры применяют термины «волокнистая», «зернистая», «чешуйчатая» текстуры. Строение идеальных кристаллических твердых тел основано наприроде частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки и преобладающих силах взаимодействия между ними, которые определяют характер кристаллической решетки: атомный с ковалентными связями, молекулярный с ван-дер-ваальсовыми и водородными связями, ионный с ионными связями, металлический с металлическими связями. Любое кристаллическое твердое тело образуется из отдельных атомов только в том случае, если это энергетически выгодно.
|
