Что собой представляет керамика? Сфера применения материала и его разновидности!

Стекло, плитка, керамика, фарфор, кирпич, цемент, алмаз и графит – из этого небольшого списка вы, вероятно, увидите, что «керамика» – это очень широкий термин, и нам будет трудно его определить. В нашей сегодняшней статье, мы хотели бы разобрать, что общего у всех этих очень разных материалов?

С химической точки зрения мы определяем керамику с точки зрения того, чем она не является. Таким образом, вы найдете большинство научных учебников и словарей, в которых говорится, что керамика – это неметаллические и неорганические твердые вещества (не являющиеся металлами или основанные на углеродных соединениях); Другими словами, керамика – это то, что у нас остается, когда мы забираем металлы и органические материалы (включая дерево, пластик, резину и все, что когда-то было живым).

В некоторых книгах также пытаются определить керамику как «тугоплавкие» материалы, что является техническим термином, означающим способность выдерживать повседневные злоупотребления, такие как экстремальные температуры, воздействие кислот и щелочей, а также общий износ. Часто кажется, что легче определить материалы с точки зрения их свойств (как они себя ведут, когда мы их нагреваем, пропускаем электричество через них или, например, замачиваем в воде). Но как только мы начнем это делать, все может запутаться. Например, графит (форма или аллотроп углерода) считается керамикой, потому что он неметаллический и неорганический, но (в отличие от большинства керамических материалов) он мягкий, легко изнашивается и является хорошим проводником электричества. Так что, если бы вы смотрели только на свойства графита, вы бы вообще не считали его керамикой. Алмаз (другая форма углерода) также является керамикой по той же причине ее свойства как нельзя более отличаются от свойств графита, но они похожи на свойства других керамических материалов.

Основные разновидности керамики!

Люди впервые начали производить керамику тысячи лет назад (керамика, стекло и кирпич являются одними из самых старых материалов, изобретенных человеком), и мы до сих пор разрабатываем совершенно новые керамические материалы, такие как каталитические преобразователи для современных автомобилей и высокотемпературные сверхпроводники для компьютеров завтрашнего дня. Существует довольно большая разница между старинной керамикой общего назначения, такой как кирпич и стекло, и современной инженерной керамикой, которая иногда предназначена для одной конкретной цели, такой как фильтрация сажи из грязного дизельного двигателя грузовика или изготовление сверла, которое длится в пять раз дольше. Отчасти поэтому материаловеды разделяют керамику на два вида: традиционную и передовую (или инженерную) керамику.

Традиционная керамика!

Кирпич, керамика, стекло, фарфор, плитка, цемент и бетон – классическая керамика, проверенная временем. Хотя она используется по-разному, мы все же можем рассматривать ее как материалы общего назначения. Возьмем, к примеру, плитку. Мы можем поместить ее в наши дома или снаружи на стенах, полу или крыше, чтобы добавить им эстетики и красоты. Подобная керамика – это древний материал, который знали наши предки, он постепенно находил все больше и больше применений по мере того, как веками изнашивались.

Современная инженерная керамика!

Напротив, передовая керамика – это керамика, которая разрабатывалась (в основном с начала 20 века) для очень специфических применений. Например, нитриды кремния и карбиды вольфрама предназначены для изготовления исключительно твердых высокопроизводительных режущих инструментов, хотя у них есть и другие применения. Большая часть современной инженерной керамики представляет собой оксиды, карбиды и нитриды металлов, что означает, что это соединения, полученные путем объединения атомов металла с атомами кислорода, углерода или азота. Так, например, у нас есть карбид вольфрама, карбид кремния и нитрид бора, которые представляют собой твердую керамику для режущих инструментов: оксид алюминия (оксид алюминия) и диоксид кремния используются при создании интегральных схем («микрочипов»), а оксид лития-кремния используется для изготовления теплозащитных носовых конусов на космические ракеты. Высокотемпературные сверхпроводники состоят из кристаллов иттрия, бария, меди и кислорода.

Не все высокотехнологичные керамические материалы представляют собой простые соединения. Некоторые из них представляют собой композитные материалы, в которых керамика образует своего рода фоновый материал, называемый матрицей, который армирован волокнами из другого материала (часто углеродными волокнами или иногда волокнами совершенно другой керамики). Такой материал известен как композит с керамической матрицей (CMC). Примеры включают волокна карбида кремния в матрице карбида кремния (SiC / SiC) с нитридом бора на границе раздела между ними – материал, используемый в современных газотурбинных реактивных двигателях.

Какими свойствами обладает керамика?

Как мы уже видели, наиболее важным общим свойством керамики является ее огнеупорность, ведь она представляет собой грубый материал, выдерживающий изрядное количество злоупотреблений в самых обычных и чрезвычайных ситуациях. Только подумайте, большинство из нас облицовывают наши кухни и ванные комнаты плиткой, потому что керамическая плитка твердая, водонепроницаемая, в значительной степени устойчива к царапинам и сохраняет красивый внешний вид из года в год. При этом инженеры также кладут (совсем другие!) керамические плитки на космические ракеты, чтобы защитить их от тепла, когда они вернутся на Землю.
Суммируя их свойства, можно сказать, что керамика обладает следующими положительными свойствами:

• Высокая температура плавления (поэтому они термостойкая):
• Большая твердость и сила;
• Значительная долговечность (долговечные и износостойкие;
• Низкая электрическая и теплопроводность (они представляют собой хорошую изоляцию);
• Химическая инертность (они не реагируют с другими химическими веществами).
• Большинство керамических материалов также являются немагнитными материалами, хотя ферриты (керамика на основе железа) создают отличные магниты (из-за содержания в них железа).
• Почему керамика такая?

Интересный вопрос заключается в том, почему керамика ведет себя так, и не менее интересный ответ сводится к материаловедению: все дело в том, как атомы внутри связаны друг с другом. Это объясняет, как работает большинство материалов.

В металлах, например, атомы связаны относительно слабо (поэтому большинство металлов довольно мягкие), их электроны распределяются между ними в своего рода море, которое может «омывать» их, и именно поэтому (упрощенно говоря) они проводят электричество и тепло. Материал, подобный резине с другой стороны, состоит из длинноцепочечных молекул (полимеров), которые очень слабо связаны друг с другом, вот почему необработанный белый латексный каучук такой эластичный и почему черный вулканизированный каучук (например, используемый в автомобильных шинах) тверже и прочнее, потому что термо-серная обработка создает прочные поперечные связи между полимерными цепями, удерживая их плотно вместе. Все электроны скованы разного рода связями (ни один из них не может свободно проводить электрический ток), и поэтому резина, как правило, является хорошим изолятором.

Керамика является совершенно другой. Ее атомы ионно связаны (как натрий и хлор в хлориде натрия, поваренной соли), что удерживает ее на месте (делая керамику твердой и прочной) и блокирует все их электроны (поэтому, в отличие от металлов, нет свободных электронов для переноса тепла или электричества). Металлы могут сгибаться, растягиваться и вытягиваться в проволоку, потому что их ряды регулярно упакованных атомов будут скользить друг мимо друга. Но в керамике нет рядов атомов: атомы либо заблокированы в регулярно повторяющемся трехмерном кристалле, либо расположены случайным образом, образуя так называемое аморфное твердое тело (твердое тело без аккуратной внутренней кристаллической структуры). Если ударить по куску металла молотком, механическая энергия рассеивается, когда слои атомов прыгают друг за другом. Другими словами, металл теряет форму. Если ударить по керамике, например по стеклу, этой энергии некуда уйти – стекло не сможет деформироваться и поглотить удар – поэтому вместо этого оно разбивается. Это объясняет, почему керамика бывает одновременно твердой и хрупкой.

Как мы уже видели, не вся керамика ведет себя так. Графит мягкий, потому что он состоит из слоев атомов углерода, которые будут скользить и сдвигаться (вот почему графитовый карандаш оставляет линии на бумаге). Алмаз твердый, потому что он имеет гораздо более жесткую кристаллическую структуру. Глина, выкопанная из земли, мягкая и податливая, потому что, как и графит, ее атомы состоят из плоских листов, которые могут скользить друг мимо друга и удерживаются вместе только слабыми связями. Когда вы добавляете воду в глину, полярные молекулы воды (положительно заряженные на одном конце, отрицательные на другом) помогают разорвать эти связи, делая глину еще более пластичной. Когда вы обжигаете глину, вода испаряется, и атомы алюминия, кремния и кислорода замыкаются в жесткую структуру из силиката алюминия, скрепленного силикатным стеклом – вот почему обожженная глина такая твердая.

Для чего используется керамика?

Мы уже видели, что существует бесчисленное множество различных вещей, от стекла и кирпича до фарфора и цемента, которые можно описать как керамику; Поэтому неудивительно, что существуют буквально сотни различных применений керамических материалов во всем – от аэрокосмической до зоопарков.

Необходимость выдерживать невероятные температуры объясняет, почему компоненты двигателя часто изготавливаются из керамики. Именно по той же причине, по которой 31000 керамических плиток были использованы на списанном космическом шаттле, чтобы защитить его от возгорания на обратном пути на Землю из космоса. К сожалению, именно поломка керамической плитки привела к гибели космического корабля “Колумбия”, который изо всех сил пытался вернуться на Землю в феврале 2003 года.

 

Если в аэрокосмической отрасли необычайная керамика используется необычайно широко, то строительство – одно из самых известных сфер применений обычной повседневной керамики. Даже в нашу современную эпоху изобилия пластика, кирпича, стекла, цемента, бетона, фарфора и плитки всех видов все еще являются сырьем, из которого строится большинство зданий. Инструменты, используемые на стройплощадках, также часто изготавливаются из керамики. Режете ли вы стекло, сверлите отверстия в плитке, шлифуете бетон или распиливаете кирпич, инженерная керамика, такая как вольфрам или карбид кремния, поможет вам придать форму более традиционной керамике, которая, как правило, работает лучше и дольше, чем традиционные инструменты из стали.

Керамика не всегда на передовой, в большинстве случаев мы ее просто не замечаем, особенно когда она прячется внутри электрического и электронного оборудования. Все, что связано с электродвигателем (это любая рутинная машина с электрическим приводом в вашем доме), содержит магниты, и довольно часто они сделаны из ферритовой керамики. (Вы также найдете ферритовые магниты или другие виды керамических преобразователей в громкоговорителях и наушниках). Хотя мы используем проводящие металлы, такие как медь, для переноса электричества с места на место, мы должны использовать керамику для изоляции высоковольтного электричества в определенных местах, таких как генераторы электростанций и трансформаторы.

Иногда керамика изолирует нас от электричества и тепла одновременно: нагревательные элементы часто встраиваются в керамические держатели, электрические варочные панели сделаны из высококачественного керамического стекла, а лампы накаливания имеют стеклянные колбы, которые защищают нас от тепла и электричества, одновременно защищая их нити из атмосферы. Наиболее передовое электрическое использование керамики, вероятно, находится в высокотемпературных сверхпроводниках (материалах, практически не имеющих электрического сопротивления). В то время как традиционные сверхпроводники необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля (-459,67 ° F или -273,15 ° C), эта новая керамика становится сверхпроводящей в относительно теплые условия (все еще холодные –292 ° F или –180 ° C!), что делает их гораздо более практичными для использования в таких устройствах, как плавучие поезда «маглев» и современные компьютеры.

Как делать керамику?

Керамика обычно начинается с материала на основе глины, вырытого из земли, при этом она смешивается с водой (чтобы сделать ее более мягкой и гибкой) и другими материалами, придающими ей форму, а затем обжигается при высокой температуре в большой промышленной печи, называемой обжиговой. Обжиг – это то, что объединяет большинство керамических изделий. Само слово «керамический» происходит от санскрита и означает «сжигать» (хотя в последнее время это следы от греческого слова «керамос», что означает гончарная глина). Эти четыре основных процесса – выкапывание сырья из земли, добавление воды, формование и обжиг – использовались для изготовления керамики на протяжении тысячи лет.

Обычная глина в основном используется для изготовления кирпича, цемента и глины.

• 

  Сфера применения керамики

  Каолин широко используется для изготовления глянцевой бумаги. (Он также используется в каолине и морфине, лекарствах от расстройства желудка.)

• Бентонит имеет множество промышленных применений, в том числе буровой раствор и формовочный песок, а также содержится в бытовых товарах, поглощающих отходы домашних животных;
• Шариковая глина – это высококачественная глина, которая ценится за ее использование в керамике, сантехнике, настенной и напольной плитке.
• Земля Фуллера также используется для отходов домашних животных.
• Огнеупорная глина используется в огнеупорных (жаропрочных) кирпичах и цементе.

Каждый из них также имеет множество различных сортов и качеств, поэтому, вероятно, правильнее говорить о китайских глинах или глинах Болла во множественном числе. Шаровая глина, например, используется для изготовления таких предметов, как прекрасная фарфоровая посуда и комплекты для ванных комнат, но даже в пределах одной шахты глины с шарами разные сорта глины будут одновременно извлекаться из разных мест и храниться отдельно (или смешиваться различными способами) для различного конечного использования.

Перед обжигом сырой керамике можно придать любую форму. Разные производственные процессы используются для разных конечных продуктов. Так, например, трубы изготавливаются методом экструзии (выдавливание глины через отверстие, что-то вроде зубной пасты из тюбика). Стекло получают путем выдувания, формования или плавания на поверхности воды (флоат стекло представляет собой процесс изготовления больших плоских окон). С другой стороны, кирпичи почти всегда изготавливаются в формах, чтобы обеспечить одинаковый размер и форму для укладки в стены. Несмотря на то, что большая часть современной глиняной посуды отливается в форму, некоторые до сих пор изготавливают вручную на ножном колесе традиционным способом. Другие керамические процессы включают прессование (выдавливание порошка в форму), литье и отсадку (укладку сырья во вращающуюся форму). Современная инженерная керамика часто изготавливается более совершенными способами. Например, нитрид кремния, используемый в режущих инструментах, получают реакционным соединением, при котором кремниевый порошок прижимается к форме и нагревается газообразным азотом.

Как проще всего построить дом или стену? Конечно, кирпичом! Они просты в использовании, недороги, привлекательны на вид и могут прослужить сотни лет. Некоторые из самых известных построек в истории были построены из кирпича, в том числе части Великой Китайской стены и многие сооружения, построенные во времена Римской империи.

Что такое кирпич?

Камень – это натуральный строительный материал, который можно использовать сразу же, как только выкопать его из земли. С другой стороны, кирпичи нужно делать из глины, прежде чем мы сможем строить из них. Как мы уже видели выше, глина – это природная керамика, в основе которой лежат алюминий, кремний и кислород. Если вы когда-нибудь копали влажную, богатую глиной почву, вы знаете, что она очень густая и липкая. Чтобы превратить этот клейкий материал в твердые, прочные кирпичи, мы должны разрезать его и сформировать прямоугольные куски, которые затем обжигаются в промышленной печи, называемой обжиговой, при температуре более 1000 ° C (1800 ° F).

Кирпичи популярны в качестве строительных материалов по нескольким причинам. Во-первых, глина доступна во всем мире в больших количествах, а изготовление кирпича – довольно простой процесс, поэтому сами кирпичи относительно недороги. Строительный кирпич намного легче, с ним легче работать, чем с камнем, и иногда он служит дольше. Они привлекательны на вид, устойчивы к атмосферным воздействиям и, как и другие керамические изделия, очень хорошо выдерживают высокие температуры. Используя разные глины, можно делать кирпичи разного цвета. Традиционные красные кирпичи получают свой цвет от железа в глине, в то время как желтые кирпичи содержат большее количество извести или мела.

По сути, кирпич бывает двух видов: обычный строительный кирпич и огнеупорный кирпич:

· Строительные кирпичи изготавливаются стандартного размера (обычно 20–22 см в длину, 9–11 см в ширину и 5–7 см в высоту (примерно 8–8,5 дюймов в длину, 3,5–4,5 дюйма в ширину и 2–3 дюйма в высоту), причем размеры могут варьироваться, немного от страны к стране). Они сделаны из глины более высоких сортов и обработаны по крайней мере с одной стороны (лицевой стороны), поэтому они будут привлекательно смотреться на домах и стенах.
· Огнеупорные кирпичи предназначены для использования при высоких температурах для облицовки таких вещей, как промышленные дымовые трубы (дымоходы) и бытовые камины, поэтому их обычно делают более грубо и менее привлекательно. В отличие от обычных кирпичей, они обычно изготавливаются из таких минералов, как шамот, глинозем ( оксид алюминия ), кремнезем (оксид кремния) и доломит (карбонат кальция и магния). Некоторые из них предназначены для выдерживания температур выше 2000 ° C (3600 ° F). «Керамические плитки», которые защищали космический шаттл от тепла, когда он снова вошел в атмосферу Земли из космоса, на самом деле были очень тонкими огнеупорными кирпичами.

Кирпичные заводы (заводы по производству кирпича) строятся в местах, где поблизости есть большие запасы глины. Первый этап изготовления кирпича – выкапывание глины из ям в земле. Сырую глину нельзя сразу использовать в том виде, в каком она есть: сначала необходимо удалить камни и другие примеси путем просеивания и фильтрации. Затем глина смешивается с водой и замешивается в машинах, которые напоминают гигантские миксеры для пищевых продуктов или современные машины для выпечки хлеба. Теперь мягкая глиняная смесь выдавливается через отверстие прямоугольной формы (представьте, что зубная паста выдавливается из тюбика с отверстием квадратной формы) в процессе, называемом экструзией.

В строительных кирпичах часто просверливают отверстия, отчасти для того, чтобы сделать их легче и дешевле, но также для того, чтобы раствор проникал внутрь и удерживал их более надежно. Проволока разрезает куски глины на отдельные кирпичи, которые затем складываются на грузовиках и перемещаются в сушильные камеры, где содержащейся в них влаге дают испариться в течение примерно дня. По завершении этого процесса грузовики снова перемещаются в гигантские печи(печи, которые превращают мягкую глину в затвердевшие кирпичи, готовые к постройке), некоторые из которых имеют длину более 100 м (330 футов)! Время обжига и температура варьируются в зависимости от типа используемой глины и типа требуемого конечного продукта. Хотя этот процесс намного более эффективен, он – выкапывание глины, придание ей формы и нагревание для ее затвердевания – по сути, является способом изготовления кирпичей на протяжении как минимум 6000 лет. Традиционно кирпичи формовали вручную и оставляли обжигать на солнце. Таким способом до сих пор делают высушенные на солнце сырцовые кирпичи.

Огнеупорные кирпичи (также называемые огнеупорным кирпичом и шамотным кирпичом) производятся немного другим способом. Поскольку они должны выдерживать гораздо более высокие температуры, чем обычные строительные кирпичи, глина, из которой они сделаны, сжимается гидравлическими цилиндрами, чтобы сделать гораздо более плотную массу, прежде чем кирпичи будут сформированы и загружены в печь. Вот почему огнеупорный кирпич и намного тяжелее обычного строительного кирпича примерно такого же размера.

Если вам надо купить СВП – позвоните или напишите нам, будем рады взаимовыгодному сотрудничеству!

Все, что вам нужно – это просто позвонить по указанным на сайте телефонным номерам или написать в форму обратной связи!

Будем рады взаимовыгодному сотрудничеству!