Материаловедение и технология керамики

     Е.В. Горохова





                МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИКИ





          Рекомендовано
          учреждением образования
          «Республиканский институт профессионального образования» в качестве пособия для учащихся учреждений, обеспечивающих
          получение профессионально-технического образования, по учебной специальности «Декоративно-прикладное искусство» (единичная квалификация «Изготовители художественных изделий из керамики»)















       МИНСК «ВЫШЭЙШАЯ ШКОЛА» 2009

УДК 738.023(075.32)
ББК 85.125я722
      Г70




    Рецензенты: методическая комиссия Минского государственного профессионально-технического колледжа декоративно-прикладного искусства имени НА. Кедышко; доцент кафедры декоративно-прикладного искусства Белорусского государственного университета культуры и искусств Т.Н. Васюк

    Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

































ISBN 978-985-06-1706-4

       © Горохова Е.В., 2009
                               © Издательство «Вышэйшая школа», 2009

        ПРЕДИСЛОВИЕ




   Материаловедение и технология керамики - важнейшие предметы для специалистов, изучающих вопросы заготовки сырья и его переработки.
   Технический прогресс в промышленности, новые технологические решения для изготовления керамических материалов способствуют увеличению объема выпуска продукции, облегчают создание новых, более эффективных материалов. Расширение выпуска и повышение качества высокопрочных, многокомпонентных материалов из керамики, особенно металлокерамики, твердого фарфора, полуфарфора, фаянса на базе новейшей техники повышает уровень производства, увеличивает применение новых материалов.
   Для охраны окружающей среды и экономии топливно-энергетических ресурсов большое значение приобретает малоотходное и безотходное производство материалов керамики. Например, в состав многих керамических масс входит утельный или политой бой. Поэтому специалистам необходимо обладать широкими знаниями о свойствах и строении керамического сырья, знать технологию производства керамики.
   В современных условиях повысились требования к товарам из керамики, особенно к предметам декоративно-прикладного искусства. Основным признаком искусства в бытовом предмете является соединение целесообразности и красоты, выражающееся и в форме предмета, и в правильно выбранном для него материале.
   Керамика - один из самых древних искусственных материалов. На территории Республики Беларусь имеются Добрушский (Гомельская обл.), Радошковичский, Ивенецкий (Минская обл.,). Минский фарфоровые заводы. Их ассортимент представлен фарфоровыми изделиями разного функционального назначения. В конце XX в. в республике освоен выпуск тонкостенных изделий оригинальных форм с украшениями, что позволило нашим предприятиям выйти на рынок не только ближнего, но и дальнего зарубежья.
   Пособие состоит из двух теоретических и двух практических разделов. Первый освещает вопросы материаловедения керамики: физико-химические и потребительские свойства керамики; характеристику различных керамических материалов (сырьевых пластичных материалов, непластичных материалов и добавок, керамических масс, материалов для модельно-формовочного дела и для декорирования художественных изделий из керамики, изоляционных и вспомогательных материалов, а также новых кера

3

мических материалов). Во втором разделе раскрывается технология производства керамики: технология приготовления керамических масс, формование керамических изделий, сушка и обжиг керамики, основы модельно-формовочного дела, декорирование керамических изделий; приводятся сведения по стандартизации и контролю качества керамических изделий, организации труда.
   Третий раздел включает лабораторно-практические работы: рекомендации по организации лабораторных работ, самоподготовке учащихся к их выполнению. В каждой работе раскрываются цели выполнения работы, приводятся инструменты и материалы; излагается ход выполнения работы. Лабораторные работы дают возможность учащимся самостоятельно испытать материалы и изделия, определить свойства, оценить качество, проверить технологию производства.
   Представленные в четвертом разделе тесты не только позволяют получить объективные результаты, но и предполагают ряд условий, необходимых для успешного их проведения: должны учитываться характеристика помещения, его оснащение, состояние тестовых материалов, психологические факторы. Целесообразно заранее ознакомить учащихся с процедурой тестирования, провести диагностические, тематические тесты. Задания, с которыми справляются все или не справляется никто, являются низкоэффективными. Не рекомендуется использовать для тестов спорные в научном плане материалы.
   Все лабораторно-практические работы и тесты подготовлены автором и опробованы на учебных занятиях.
   Главное внимание современного профессионального образования должно быть направлено на развитие личности молодого человека. В обществе существует два способа обучения: традиционный (репродуктивный) и развивающий (творческий, продуктивный).
   В теории обучения дисциплинам профессионального цикла особая роль отводится развитию практического мышления специалистов, под которым надо понимать вид мышления в практической деятельности человека, связанной с использованием технологического оборудования, выбором оптимального процесса, планированием и организацией труда.
   Для того чтобы не только учить, но и воспитывать, развивать, необходима атмосфера взаимопомощи, соревнования, поиска, игры, уважения и признания личности каждого учащегося. Для создания таких отношений на уроке нужен не просто специалист, а человек разносторонней культуры, знающий психологию молодежи.
Автор

4

Раздел 1



            МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


   Краткие сведения из истории развития керамики и керамических материалов. Освоение производства керамики началось еще в глубокой древности и является одним из важнейших достижений первобытного человека в борьбе за существование. Около 5 тысяч лет до н.э. впервые стали использовать керамическую посуду для хранения и варки пищи. Твердость, водоустойчивость и огнестойкость этой посуды позволили намного расширить ассортимент съедобных продуктов.
   Первым примером применения керамики в качестве стройматериала были глинобитные жилища (4-3 тысячелетия до н.э.), обжигавшиеся снаружи кострами и украшавшиеся росписями. В Египте найдена заупокойная плита фараона Нарме-ра - это шифер с выполненным на нем рельефом. В дальнейшем керамический стеновой материал стали изготавливать в виде камня правильной формы, т.е. кирпича. Для украшения зданий в Египте и древнем Иране употребляли глазурованные кирпичи. В особенности развилось производство кирпича в Древней Греции, Древнем Риме, Византии, где из него сооружали сложные конструкции - своды перекрытий, пролеты мостов, акведуки.
   Древнегреческая богиня мудрости и справедливой войны Афина была также и покровительницей ремесленников, гончаров и ткачей, ювелиров и плотников, корабелов и каменщиков. Особенно ее почитали гончары: ведь она изобрела гончарный круг. По их верованиям, Афина помогала при выборе лучшего сорта глины и противодействовала злым демонам Синтрипу, Сабакту и Смарагу, постоянно чинившим различные козни мастерам, деформируя сосуды при обжиге или покрывая их бока трещинами.
   Гончарное искусство стало быстро распространяться в Элладе начиная с VII в. до н.э. Первые крупные керамические школы того периода - ионическая и коринфская - отличались богатой декоративной орнаментальной росписью. Но уже в VI в. до н.э. популярность приобрели сосуды с фигурной росписью на мифологические и жанровые сюжеты.
   Бурно развивавшаяся афинская керамика стремительно завоевала все рынки Средиземноморья. Гончары, жившие в городском районе Керамик (отсюда и название глиняной посуды


5

и изделий - керамика), сумели достичь в своих изделиях особого изящества и ясности форм, тонкости и крепости черепка, выразительности росписи.
   Эволюция эстетических принципов прослеживается на примере вазописи керамики Античности - VI-V вв. до н.э. Станковой живописи не существовало, ее функцию несли росписи на глиняных сосудах, употреблявшихся в быту. На них изображались сложные сюжетные композиции - смесь мифологического, бытового и батального жанров. Самой распространенной формой греческих сосудов была двуручная амфора с яйцевидным туловом и ссуженной горловиной, предназначенная для хранения вина. Стиль вазовых росписей менялся на протяжении двух столетий. Первоначально господствовала чернофигурная керамика, в которой изображения, покрывающие сосуды, выполнялись чрезвычайно стойким и глубоким по тону черным лаком, состав его не разгадан и поныне. Имена лучших аттических мастеров (например, живописец Клитий и гончар Эрготим) были широко известны по берегам Средиземного моря. В конце VI в. до н.э. под влиянием культур Сирии, Египта появляется краснофигурная техника. Своими нарядностью, многоцветием, пышностью вазы иногда напоминали восточные ковры. При этой росписи черным лаком покрывался только фон, а само изображение сохраняло естественный цвет глины. Своего расцвета краснофигурная вазопись достигла в V-IV вв. до н.э. До сих пор она является для нас не только предметом эстетического наслаждения, но и источником знаний о жизни, обычаях и верованиях древних. Глубокая архаичность была у этрусков (Италия, Рим, Средиземноморье, VI в. до н.э. - 600 г. н.э.), о чем свидетельствуют каноны - сосуды для хранения пепла умерших, крышки сосудов - в виде шлема или портрета; статуи для святилища, саркофаги. Саркофаг имел вид каменного ящика, на крышке которого помещалось изображение супругов или одинокой фигуры с чашей в руке. Храмы строились из дерева или кирпича-сырца, фронтоны заполнялись фигурами, сделанными в терракоте.
   На территории бывшего Советского Союза наиболее древние памятники, связанные с применением керамики, сохранились в Средней Азии. Еще в первые века н.э. в древнем городе Ахсыхет, расположенном в Ферганской долине, была проложена трасса водопровода из толстых керамических труб. До наших дней дошли мотивы керамики, заложенные в жилых 6

постройках этого города. Бесценные памятники мусульманской архитектуры с применением керамики (цветного кирпича, многоцветных глазурованных плиток) сохранились в Самарканде, Бухаре, Хиве и других среднеазиатских городах.
   Истоки керамического производства на территории Беларуси уходят в глубокую древность. Оно существовало везде, где были залежи природных глин. В белорусских селах и городах работали тысячи гончаров, игрушечников, изразцовых дел мастера. Массовое производство керамики относится к эпохе неолита. Сосуды имели простую монументальную форму, отличались некоторой асимметрией (следствие ручной лепки) и богатой орнаментацией. Когда в X в. на территории Беларуси стали применять гончарный круг, то и посуда приобрела другой вид, стала более тонкостенной, изящной, симметричной.
   В ХП-ХШ вв. в быт горожан вошла поливная керамика; развилось ремесленное производство посуды, по форме и декору отличающееся от крестьянской. Во многих городах -Гродно, Бресте, Витебске, Полоцке, Минске, Копыле, Мире, Слуцке, Шклове, Диене и др. - существовали гончарные цехи.
   В Древней Руси в X в. начали производство византийского тонкого квадратного кирпича в форме плит различных размеров. Первыми значительными сооружениями из него были Десятинная церковь, Софийский собор и Золотые ворота в Киеве, Преображенский собор в Чернигове, отделка изразцами монастыря в Москве и часовни в Гомеле. В 1555-1560 гг. в Москве был сооружен замечательный памятник архитектуры -храм Василия Блаженного, при строительстве которого использовали не только обыкновенный кирпич, но и цветной, а также черепицу, глазурованные керамические плитки, изразцы, изготовленные из пластичных глин и покрытые разноцветными глухими глазурями.
   Определение и классификация керамических материалов. Керамика (от греч. keramike (tecline) - гончарное искусство, keramos - глина) - общее название всех видов изделий из обожженной глины (майолика, терракота, фаянс, фарфор и др.), а также изделия и материалы, полученные спеканием глин и их смесей с минеральными добавками, оксидов и других неорганических соединений. В настоящее время керамикой называют изделия, изготовленные из глины с последующим однократным или двукратным обжигом (утельный и политой обжиг).

7

   Современная керамика - это обширный класс тугоплавких неорганических материалов, изделия из которых находят широкое применение в быту, строительстве и во многих отраслях современной техники.
   Керамические материалы - это искусственные каменные материалы, изготавливаемые из минерального сырья путем формования и последующего обжига при высоких температурах. Изготовление строительной керамики (кирпича, черепицы) началось около 5 тысяч лет назад. В это время была изобретена письменность на Ближнем Востоке (в Месопотамии), а первую «бумагу» стали делать из глины. Белая глина и сейчас обязательно входит в состав бумаги.
   Материал, из которого состоят керамические изделия после обжига, в технологии керамики называют керамическим черепком. По структуре различают керамические изделия с пористым черепком (водопоглощение > 5%) и со спекшимся черепком (водопоглощение < 5%).
   По конструктивному назначению различают керамические изделия для архитектурных сооружений, зданий и для оформления садов и парков (вазы, скульптуры). При этом используются скульптуры различных жанров: портретного, бытового, исторического, анималистического, растительного и т.д. Именно глина, особенно белая, остается лучшим материалом для изготовления садово-парковой керамики: ваз, фонтанов, различных панно, розеток и т.д. Такая керамика декоративна и практична. По своим архитектурным достоинствам и долговечности она превосходит многие другие материалы.
   В условиях научно-технического прогресса возникает необходимость использования новых керамических материалов с уникальными свойствами, которыми не обладают ни металлы, ни синтетические материалы, ни традиционные виды керамики. Распространились такие термины, как новая керамика, металлокерамика, тонкая техническая керамика, керамика. нового поколения.
   Современная керамика включает почти все твердые и часть газообразных элементов периодической системы Д.И. Менделеева, которые используются для создания керамических материалов на основе как простого соединения (оксид, нитрид и др.), так и сложного. Керамические материалы чрезвычайно разнообразны, но все же хотелось бы выделить 10 типичных их видов.
   1.    Оксид алюминия (А1₂О₃) - глинозем - отличается весьма прочной химической связью. Для него характерна исклю-8

чительно высокая химическая и физическая устойчивость, жаропрочность (/пл 2050 °C), высокая теплопроводность, механическая твердость, электроизоляционные свойства, оптическая прозрачность, коррозионная стойкость, совместимость с живым организмом и др.
   Жаропрочность и высокая механическая твердость А1₂О₃ используются в футеровке печей, высокая прочность - в подшипниках, абразивах для шлифования и полирования, электроизоляционные свойства, коррозионная стойкость и стойкость к термическим ударам - в изоляторах для систем передачи электроэнергии, изоляторов в МГД (генераторах), изоляторах для запальных свечей. Его оптическая прозрачность применяется для лазерной генерации, для окон в лазерах, трубок натриевых ламп высокого давления. В качестве материала, совместимого с живым организмом, глинозем используют в искусственно вживляемых зубах и искусственных суставах. В пористых мембранах он служит для диффузионного разделения газов, обогащения урана, где требуется его коррозионная стойкость.
   2.    Диоксид кремния (SiO₂) - кремнезем - обладает превосходной коррозионной стойкостью, устойчивостью к действию почти всех кислот, за исключением плавиковой (HF), низкой теплопроводностью при комнатной температуре, крайне малым коэффициентом термического расширения, а также способностью выдерживать быстрое нагревание и быстрое охлаждение, /пл 1610 °C. Его широко применяют в качестве материала для изготовления химической и термостойкой посуды.
   Прозрачный монокристалл, в состав которого входит SiO₂, называют горным хрусталем. Если его расплавить, а потом охладить, то он не возвращается в первоначальное состояние, а образует кварцевое стекло. Горный хрусталь обладает пьезоэлектрическими свойствами. Прозрачность диоксида кремния в широкой области ультрафиолетового и видимого диапазона позволяет использовать его в качестве материала для прозрачных покрытий поверхностей, аккумулирующих теплоту солнца, и для оптических волокон. SiO₂ может служить и электро-изолятором, входит в состав шихты для глазурей, эмалей, как отощитель в составе керамических масс.
   3.    Карбид кремния (SiC) - физически и химически устойчив, обладает жаропрочностью, высокими температурной, механической прочностью и твердостью, коррозионной стойкостью и др. Известно около 10 видов модификации a-SiC, который при 2700 °C разлагается с образованием графита. Обычно a-SiC широко используется в промышленности в ка

9

честве абразива, a P-SiC приобрел большое значение в качестве материала для нагревателей. SiC обладает высокой теплопроводностью и низким коэффициентом термического расширения. Ему свойственны также стойкость к термическим ударам и малая плотность (3,1 г/см'³). По электрическим свойствам относится к собственным полупроводникам, но его можно использовать и в качестве проводника. В связи с этим SiC применяют в рамах фюзеляжей в качестве композиционного материала, для которого требуется высокая прочность; в сверхтвердых инструментах; в абразивах для шлифования и полирования, где необходима высокая твердость; для неподвижных и вращающихся лопаток газовых турбин и в камерах сгорания, где требуются такие свойства, как жаропрочность, высокотемпературная прочность и коррозионная стойкость; в материалах для оболочки топлива в реакторах, где используется еще и его радиохимическая стойкость; в нагревателях, инфракрасных излучателях, подложках интегральных схем. Для улучшения электроизоляционных свойств и увеличения теплопроводности к карбиду кремния добавляют ВеО, что делает подложки из SiC очень распространенными. Помимо этого, SiC применяют в качестве датчика излучения. Процесс спекания SiC связан с большими трудностями. Для их преодоления добавляют микроколичества бора и углерода. Однако введение примесей снижает высокотемпературную прочность.
   4.    Нитрид кремния (Si₃N₄) - чрезвычайно устойчивое вещество, жаропрочное, обладает высокой механической прочностью, большой твердостью, коррозионной стойкостью и др. Si₃N₄ характеризуется высокой стойкостью к термоударам, так как коэффициент термического расширения очень низкий. Главное отличие Si₃N₄ от SiC состоит в том, что он является диэлектриком и обладает низкой теплопроводностью. По данным ученых, Si₃N₄ можно применять в сверхтвердых обрабатывающих инструментах; в электролюминесценции используют электроизоляционные свойства данного материала.
   5.    Титанат бария (BaTiO₃) - характеризуется сегнетоэлектрическими свойствами, является пироэлектриком и пьезоэлектриком, поэтому используется в сегнето- и пьезокерамике, Сл 1612 °C. Температура Кюри составляет 120-130°. При превышении этой температуры BaTiO₃ становится обычным диэлектриком.
   BaTiO₃ используют в качестве датчика инфракрасного излучения, диэлектрика для конденсаторов, применяют для изготовления ПТК - термисторов и нагревателей, так как вблизи температуры Кюри резко изменяется сопротивление.

10