Ceramiką nazywamy wyroby uformowane , a następnie wypale lub spieczone z gliny lub mas ceramicznych .Historia rozwoju ceramiki – od greckiego „ceramos” wyroby z gliny otrzymywano przez wypalanie . Ceramika należy do najstarszych materiałów w Europie . Najstarsze wyroby glinowe pochodzą z okresu paleolitu . Klasyfikacja materiałów ceramicznych-ze względu na strukturę wyroby ceramiczne dzielimy :wyroby o strukturze porowatej i nasiąkliwości wagowej do 22% należą do tej grupy wyroby ceglarskie , ogniotrwałe, Ceglarskie – cegły pełne , pustaki ceramiczne, pustaki wentylacyjne, akermany,Szkliwione – płytki ścienne i kafle,Ogniotrwałe – kształtki i cegły szamotowe, kształtki krzemionkowe i termalitowe -wyroby o strukturze spieczonej i nasiąkliwości wagowej dochodzącej do 12%. Są to: cegły budowlane, klinkierowe, cegły kanalizacyjne, cegły z krzemionki , klinkier drogowy, płytki klinkierowe, kształtki, płytki podłogowe terakotowe, płytki kształtki kamionkowe ścienne i szkliwione, płytki krzemionkowe kwasoodporne , kamionkowe rury, kształtki kanalizacyjne -ceramika są to : płyty ścienne szkliwowe , wyroby fajansowe, wyroby sanitarne (umywalki , miski),Fizyko chemiczne procesy otrzymywania tworzyw ceramicznych.
Otrzymywanie tworzywa ceramicznego związane jest z działaniem wysokiej temp. na tworzywo surowców ilastych . Podstawowymi surowcami do otrzymywania wyrobów ceramicznych są materiały mineralne, różnego rodzaju gliny ceramiczne których głównym składnikiem są minerały ilaste nadające tym surowcą właściwości plastyczne.Surowce te po odpowiednim przygotowaniu , a następnie uformowaniu wyrobów poddawane są obróbce termicznej.
Główne etapy wyprodukowania surowców mechanicznych:
1. przygotowanie surowców ilastych ,uformowanie wyrobów,obróbka termiczna
W czasie obróbki termicznej w której w przypadku wyrobów ceramicznych jest najważniejszym procesem, zachodzą zmiany fizyko – chemiczne w wyniku których powstaje tworzywo ceramiczne odporne na wodę , agresję termiczną, oraz posiadające wysoką lub bardzo wysoką wytrzymałość termiczną .
Właściwości glin ceglanych plastyczność jest to zdolność wilgotnej gliny do zmiany kształtów pod działaniem sił zewnętrznych bez tworzenia się pęknięć i szczelin oraz o zachowanie przyjętego kształtu po zdjęciu obciążenia.Plastyczność zależy od :rodzaju, ilości struktury minerałów ilastych oraz od uziarnienia pozostałych składników surowca. Uważa się że plastyczność uwarunkowania jest zdolnością minerałów do wymiany jonowej.Najwyższą plastyczność wykazują minerały z grupy montmorylonitu a nastepnie minerały z grupy ilitu. Najmniejszą plastyczność posiadają minerały z grupy kaolinitu. Temperatura topnienia,Zależnie od temp wszystkie gliny ceramiczne są :ogniotrwałe pow. 1850 K (1570C),trudnotopliwe 1620 – 1850 K,łatwo topliwe < 1620 K
Ważną cechą charakteryzującą gliny i mającą znaczenie technologiczne jest różnica pomiędzy temp. spiekania i temp. topnienia . Im szerszy jest podział temp. tym łatwiejszy jest proces wypalania wyrobu . Ze względów technologicznych podział nie powinien być mniejszy niż 50C.
Produkcja wyrobów ceramicznych Przygotowanie surowca – jest to nadanie masie ceramicznej odpowiednich właściwości. W czasie przerobów tych surowców następuje zniszczenie tekstury , gliny , zniszczenie zanieczyszczeń , odpowiednie nawilżenie , otrzymuje się jednorodną masę w której formuje się metodę plastyczną kształtki ceramiczne.Z uwagi na nadmierną plastyczność glin stosuje się dodatek surowców tzw schutniających ( piasek) . Wszystkie składniki masy powinny być starannie wymieszane i ujednorodnione . We współczesnych cegielniach stosuje się następujące sposoby formowania:z mas ceramicznych o wilgotności mniej niż 10% możliwość przerobu według technologii suchej,z masy o 10% – 15% technologia półsuchaz masy o wilgotności > 15% technologii plastycznej.Po wypaleniu surowców ceramicznych nowe powstałe tworzywo większości zawiera nowe minerały o podobnych właściwościach mechanicznych dzięki czemu wyroby ceramiczne posiadają dużą wytrzymałość mechaniczną i małą wrażliwość na działanie czynników atmosferycznych i chemicznych. Struktury ceramiczne w strukturach krystalicznych są bardziej złożone niż w metalach, ale ilość fazy krystalicznej w wyrobach ceramicznych zależy od wyrobu lub technologii wyprodukowania. Inne wyroby ceramiczne klinkier, porcelana zawierają fazę amorficzną i pewną ilość fazy krystalicznej na bazie związków mineralnych.
Nomenklatura tworzyw ceramicznych
Wyroby krystaliczne o strukturze porowatej nasiąkliwość < 22% . Zalicza się cegły zwykłe , dziurawki , pustaki ścienne i inne wyroby formowane na prasach pasmowych.Prasy te formują wyroby z mas plastycznych o wilgotności ~ 20% . Ciśnienie 0,2 – 0,5 MPa . Wypalanie odbywa się w temperaturach 900 – 1100C . Kolor żółtawy do czerwonego , powierzchnia szorstka.
Cegła zwykła budowlana . Zależnie od wytrzymałości na ściskanie 5 klas . Gęstość od 1,7 – 1,9 . Współczynnik przewodnika cieplnego wynosi 0,7. Nasiąkliwość masowa zależy od stopnia wypełnienia i waha się od 4 –24 . Masa 1 cegły od 3 – 4 kg. Wymiary 25 x 10 x 2,5 cm. Stosuje się do budowy ścian, stropów , sklepień , słupów , kominów.
Cegła dziurawka .Posiada otwory podłużne lub poprzeczne przechodzące przez całą długość cegły. Wytrzymałość mechaniczna – mała ale polepsza właściwości izolacyjne i zmniejsza masę. Zależnie od wytrzymałości na ściskanie rozróżnia się klasę 5 i 3,5 . Ilość cykli na zamarzanie 50. Współczynnik przewodności cieplnej 0,6 w/ mxk stosowany do budowy ścianek działowych, a dziurawki klasy 5 można wykorzystać do budowy ścian wewnętrznych i stropów.
Cegła kratówka – posiada otwory w kształcie rombu. Powierzchnia przekroju jednego rombu wynosi ok. 3 cm2, objętość łączna wolnych przestrzeni 30 – 40% . Produkowane są w dwóch typach:K-1 25 x 12 x 6,5 cm,K-2 25 x 12 x 14 cm
Zależnie od wytrzymałości na ściskanie w kierunku równoległym od otworów rozróżnia się klasy 150 , 100 , 75 , którym odpowiada wytrzymałość 15 , 10 i 7,5 Mpa na ściskanie ; gp = 1,4 ; = 0,5 w/mx k ; nasiąkliwość masowa dla klas 150,100 poniżej 20%, a dla klasy 75 do 22%. Stosowana jest do wznoszenia ścian w budynkach mieszkalnych i przemysłowych.
Pustaki ceramiczne ścienne pionowo – drążone – są to wielocegłowe elementy ścienne posiadające pionowo przechodzące szczeliny. W zależności od kształtu rozróżnia się następujące typy Sz,V,MAX,UNIMAX,U2. Pustaki produkowane są w klasach 150,100,75,50 i odpowiada wytrzymałości na ściskanie 15, 10,7,5 , 5 Mpa ; gp = od 1,1 do 1,4 g/cm3, nasiąkliwość waha się 6 – 22%. Pustaki ceramiczne ścienne typu UM , pustaki ceramiczne do ścina działowych , cegły kanalizacyjne , pustaki wentylacyjne pustaki akermana, pustaki stropowe, dachówki ceramiczne , dachówka holenderska , dachówka zakładowa.
CERAMIKA PÓŁSZLACHETNA
Kafle – używane są na okładziny pieców mieszkalnych, tworzywo jest porowate , ale pokryte szkliwem , który nadaje tym wyrobom korzystny estetyczny wygląd , a także umożliwia utrzymanie w czystości. Kafle produkowane są z dwóch zasadniczych rodzajów surowców :wapiennych ( gliny zawierające 15% CaC03) oraz szamotowe tj. gliny ogniotrwałe, kamionkowe lub fajansowe. Kafle wypalane są dwukrotnie: pierwszy raz w temp. 800-900 C ( kafle wapienne) i w temp. 1000C ( kafle szamotowe). Wypał przy wyższej temp. nadaje wymaganą wytrzymałość danego materiału i inne potrzebne cechy. Wypalane pierwszy raz kafle pokrywa się nisko topliwym szkliwem : cynowym, ołowiowym lub barowo- ołowiowym , wypalane drugi raz w temp. kilka stopni niższej od pierwszego. Dla kafli wapiennych 800 – 700 C , a dla kafli szamotowych 800 – 900 C. Siła łamiąca kafel przy 180 mm powinna wynosić co najmniej P= 1,2 kN, kiedy kafle mają kształt kwadratowy i P=0,8 kN dla kształtu prostokątnego . Kafle powinny znieść bez uszkodzeń ogrzewanie do temp. 200C a następnie chłodzenie strumieniem powietrza. Zależnie od wymiaru i kształtu rozróżnia się kafle:kwadratowe i prostokątne.
Sanitarne wyroby fajansowe – są to wyroby formowane przez odlewanie z masy lejnej lub ciekłej w formach gipsowych ( gips jest jednym z najlepszych materiałów zdolnych do pochłaniania wody). Jak wyroby poprzednie , wyroby fajansowe są dwukrotnie wypalamy , raz w temp. 1270C , a drugi raz po pokryciu szkliwem w temp. 1100C . Do wyrobów tych należy : zlewy , umywalki, i inne wyroby używane w budownictwie mieszkalnym i szpitalnym.
Materiały ogniotrwałe – są tworzywami ceramicznymi , których ogniotrwałość jest równa lub wyższa niż 1570 C. Odznaczają się następującymi właściwościami,wytrzymałość na działanie wysokiej temp. ( wysokie temp. topnienia powyżej 1500C),dużą odpornością na nagłe zmiany temp.odpornością na chemiczne działanie żużla i stopionych metali niskim współczynnikiem przewodnictwa cieplnego
dostatecznie dobra wytrzymałość mechaniczna również w wysokich temp.Wyroby ogniotrwałe krzemiankowe – do produkcji wyrobów krzemiankowych stosuje się czysty kwarc krystaliczny Si02, kwarcyty krystaliczne i skrytokrystaliczne oraz piaski kwarcowe . Rozdrobniony surowiec ( kwarcyt) jest spoiwem mineralnym ( np. wapiennym), formowanym w odpowiednie kryształki a następnie wypalany w temp. 1450C. Podczas wypalania w wyniku reakcji chemicznej uzyskuje się wymaganą wytrzymałość mechaniczną. Ogniotrwałość dla tych wyrobów wynosi 1700-1750 C dla zwykłych , a pod obciążeniem 1600 – 1700C. Wyroby krzemiankowe charakteryzują się niską rozszerzalnością termiczną , niską gęstością , a wytrzymałość na ściskanie wynosi 15-35 MPa . Wyroby tego rodzaju stosowane są do wykonywania sklepień pieców Marterowskich, ścian komór koksowniczych i pieców szklarskich.
Wyroby szamotowe – wytwarza się je z surowców plastycznych , a mianowicie gliny , oraz materiałów schudzających np. ( przypalone kaoliny w temp. 700 C , łupki i gliny ogniotrwałe). Wyroby szamotowe formowane ręcznie lub maszynowo są suszone, a następnie wypalane w temp. 1400 C. Wyroby te charakteryzują się wysoką ogniotrwałością , odpornością na nagłe zmiany temp. i działanie żużla. Materiały szamotowe są chemicznie obojętne. Wyroby te stosuje się do budowy wielkich pieców, palenisk kotłowych , pieców ceramicznych i szklarskich( budowy specjalne).
Wyroby magnezowe – otrzymywane są ze spieczonego magnezytu. Rozdrobniony do
2 mm magnezyt jest z 1% substancji wiążących ( spoiwo organiczne) , a z otrzymanej masy formuje się kryształki, które wypalone są w temp. 1400 –1600 C. Ogniotrwałość zwykła dla wyrobów tego rodzaju przekracza 2000C i może być 2200 –2400 C. Wytrzymałość na ściskanie wynosi 30 – 60 MPa. Wykazują dużą odporność na działanie żużli zasadowych ale są wrażliwe na nagłe zmiany temp. Stosowane są do wykonywania ścian pieców Martenowskich i elektrycznych.
Wyroby Dolmitowe – produkowane są z wypalonego dolomitu. Stabilizowana jest specjalnymi dodatkami oraz wiazana smołą ( albo spoiwem organicznym). Po uformowaniu w temp. Ok. 1550C ogniotrwałość zwykła dla wyrobów dolmitowych przekracza 2000C Stosowane są do wykładania pieców obrotowych.
Wyroby chromitowe – zawierają 30% tlenku chloru Ch2O, a wykonywane są z mieszaniny chromitu, magnezytu oraz dodatku spoiwa organicznego. Wyroby te posiadają wysoką ogniotrwałość 1800 – 1900 C. Stosowane są do rozdzielania wymurówki kwaśnej od zasadowej. Wykazują dużą odporność na nagłe zmiany temp. i na działanie żużli kwaśnych i zasadowych. Stosowane w piecach ceramicznych i cementowych.
Wyroby węglowe – należą do nich wyroby grafitowe i węglowe. Otrzymuje się je z węglika krzemu SiC – jest odporny na działanie wysokich temp. oraz na działanie czynników chemicznych.
Wyroby grafitowo – krzemowe – otrzymuje się z mieszaniny gliny ogniotrwałej z grafitem. Stosowane są jako tygle grafitowe do wytapiania stali i metali kolorowych. Stosowane są do wykładania dolnych części wielkich pieców.
NOWA CERAMIKA
Nowa to oznacza wyroby z nowych tworzyw ceramicznych opracowanych wg specjalnych wymagań przemysłu atomowego , kosmicznego , elektrycznego.
Zaliczamy ją z uwagi na nowe tworzywa używane do produkcji :
1. tlenki, węgliki, azotki, które udoskonalona technika pozwala otrzymywać bez fazy szklistej o prawie teoretycznej gęstości
2. cermentale – są to różnego rodzaju tlenki , węgliki , borki i inne twarde materiały osadzone w metalu. Takie połączenie materiałów pozwala uzyskać bardzo twarde tworzywo albo kompozyt , któremu węgliki i inne materiały nadają wyjątkowo wysoką twardość , a osnowa metalu odporność na kruche pękania . Jako metal stosuje się żelazo, chrom, nikiel, kobalt, glin oraz różne stopy metali. Cermetale stosowane są do prac w wysokich temp., gdy wymagana jest odporność na uderzenia temperaturowe.
Ceramika dielektryczna – są to tworzywa które charakteryzują się stałą dielektryczną powyżej 1000, a jego modyfikacje maja stałe dielektryczne dochodzące do 10000. Ceramika dielektryczna stosowana jest do produkcji kondensatorów.
Ceramika magnetyczna – to ferryty otrzymane z naturalnego magnezytu F3O4. Ceramika magnetyczna jest stosowana na rdzenie transformatorów wielkiej częstotliwość powyżej 100 Hz, których rezystancja wyklucza prądy wirowe nagrzewające miękkie rdzenie żelazne. Produkowane są ferryty mające kwadratowy kształt histerezy, i umożliwia ich zastosowanie w pamięci komputerowej oraz w obwodach logicznych.
Wiskery -są to cienkie włókna ceramiczne albo monokryształy. Charakteryzują się wybitnie wysoką wytrzymałością na rozciąganie. Stosowane są do wzmocnienia tworzyw jako składnik kompozytowy. Wykorzystywane są w budowie odpowiedzialnych elementów samolotów i rakiet.
