El uso de la cerámica brevemente. Conceptos básicos utilizados en cerámica, sus tipos.

La Federación Rusa

Ministerio de Educación y Ciencia de la Región de Chelyabinsk

Escuela Vocacional No. 130

Por disciplina: "Ciencia de los Materiales"

Asunto: Materiales Cerámicos

Completado por: grupo de estudiantes 28 Beloborodov A.

Revisado por: Profesor Dolin A.M.

Yuzhno-Uralsk 2008

Introducción

1. Información general sobre los materiales cerámicos

2. Materias primas para la elaboración de materiales y productos cerámicos

2.1 Materiales arcillosos

2.2 Materiales delgados

Conclusión

Bibliografía

Introducción

En el mundo moderno, los materiales y productos cerámicos se utilizan ampliamente en la construcción. Esto se debe a la alta resistencia, la durabilidad significativa, la decoración de muchos tipos de cerámica, así como al predominio de las materias primas en la naturaleza.

El propósito de este trabajo es considerar y estudiar los materiales cerámicos. De acuerdo con el objetivo, es posible señalar las tareas del trabajo: estudiar información general sobre materiales cerámicos: el concepto, tipos, propiedades de materiales y productos cerámicos; materias primas para la producción de materiales y productos cerámicos: materiales de arcilla, materiales de adelgazamiento.

Los productos cerámicos tienen diferentes propiedades, que están determinadas por la composición de la materia prima, los métodos de su procesamiento, así como las condiciones de cocción: el medio gaseoso, la temperatura y la duración. El material (es decir, el cuerpo) del que están compuestos los productos cerámicos se denomina fragmento cerámico en tecnología cerámica.

1. Información general sobre los materiales cerámicos

La cerámica son materiales y productos hechos por moldeo y cocción de arcillas. "Keramos": en griego antiguo significaba arcilla de alfarería, así como productos de arcilla horneados. En la antigüedad, los platos se hacían con arcilla mediante cocción, y más tarde (hace unos 5000 años) se comenzaron a hacer ladrillos y luego tejas.

La gran resistencia, la durabilidad significativa, la decoración de muchos tipos de cerámica, así como la prevalencia de las materias primas en la naturaleza, han llevado al uso generalizado de materiales y productos cerámicos en la construcción. La durabilidad de los materiales cerámicos se puede ver en el ejemplo del Kremlin de Moscú, cuyos muros fueron construidos hace casi 500 años.

Entre las materias primas en polvo se encuentra la arcilla, que se utiliza principalmente en la producción de cerámica para la construcción. En su mayoría contiene impurezas que afectan su color y propiedades térmicas. La menor cantidad de impurezas contiene arcilla con un alto contenido del mineral caolinita y por lo tanto llamado caolín, que tiene un color casi blanco. Además de las arcillas caolinitas de diferentes colores y matices, se utilizan montmorillonitas, arcillas hidromicáceas.

Además de la arcilla, los materiales en polvo utilizados, que son los componentes principales de los productos cerámicos, también incluyen otras sustancias minerales de origen natural: cuarcitas, magnesitas, mineral de cromo y hierro.

Para la cerámica técnica (más comúnmente denominada especial) se utilizan polvos en forma de óxidos puros, obtenidos artificialmente mediante limpiezas especiales, por ejemplo, óxidos de aluminio, magnesio, calcio, circonio, dióxido de torio, etc. posible obtener productos con puntos de fusión altos (hasta arriba), lo cual es importante en tecnología reactiva, cerámica de ingeniería de radio. Los materiales de mayor refractariedad se fabrican a base de carburos, nitruros, boruros, siliciuros, sulfuros y otros compuestos metálicos, así como sin materias primas arcillosas. Algunos de ellos tienen puntos de fusión de hasta 3500 - 4000°C, especialmente del grupo de los carburos.

De gran interés práctico son los cermets, que normalmente consisten en piezas de metal y cerámica con propiedades apropiadas. Se han reconocido refractarios de composición variable. Para estos materiales, una superficie está representada por un metal refractario puro, como el tungsteno, y la otra por un material cerámico refractario, como el óxido de berilio. Entre las superficies de la sección transversal, la composición cambia gradualmente, lo que aumenta la resistencia del material al choque térmico.

Para la construcción de cerámica, como se señaló anteriormente, la arcilla es muy adecuada, que es una materia prima común, barata y bien estudiada en la naturaleza. En combinación con algunos materiales adicionales, de él se obtienen diversos productos en la industria cerámica y en una amplia gama. Se clasifican según una serie de criterios. Según el propósito estructural, se distinguen paredes, fachadas, pisos, acabados, pisos, productos para techos, productos sanitarios, materiales y productos para carreteras, para servicios subterráneos, productos refractarios, materiales y productos para aislamiento térmico, cerámicas químicamente resistentes.

Según la característica estructural, todos los productos se dividen en dos grupos: porosos y densos. Los productos cerámicos porosos absorben más del 5% en peso de agua (ladrillo ordinario, tejas, tuberías de drenaje). En promedio, la absorción de agua de los productos porosos es del 8 al 20 % en peso o del 15 al 35 % en volumen. Los productos densos se aceptan con una absorción de agua inferior al 5% en peso y son prácticamente impermeables, por ejemplo, baldosas, tuberías de alcantarillado, ladrillos y tejas resistentes a los ácidos, ladrillos para carreteras, porcelana sanitaria. La mayoría de las veces es del 2 al 4% en peso o del 4 al 8% en volumen. Los productos cerámicos absolutamente densos no están disponibles, ya que el agua de amasado que se evapora y se introduce en la masa de arcilla siempre deja una cierta cantidad de micro y macroporos.

Según la finalidad en la construcción, se distinguen los siguientes grupos de materiales y productos cerámicos:

materiales de pared (ladrillo de arcilla ordinario, hueco y ligero, piedras de cerámica huecas);

materiales para techos y materiales para pisos (tejas, productos huecos de cerámica);

materiales de revestimiento para revestimiento exterior e interior (ladrillos y piedras cara vista, losas cerámicas de fachada, baldosas de formato pequeño);

materiales para suelos (baldosas);

materiales para usos especiales (carreteras, construcciones sanitarias, químicamente resistentes, materiales para servicios subterráneos, en particular tuberías, aislantes térmicos, refractarios, etc.);

áridos para hormigón ligero (arcilladita, agloporita).

Los materiales de pared son los que han alcanzado un mayor desarrollo, y junto con un aumento generalizado de la producción, se presta especial atención al aumento de la producción de productos eficientes (ladrillos y piedras huecos, bloques y paneles cerámicos, etc.). También se prevé ampliar la producción de cerámica de fachada, especialmente para la decoración industrial de edificios, baldosas vidriadas para revestimiento interior, baldosas para pavimentos, tuberías de alcantarillado y drenaje, productos sanitarios para la construcción, áridos artificiales porosos para hormigón.

Según la temperatura de fusión, los productos cerámicos y las arcillas originales se dividen en fusibles (con un punto de fusión inferior a 1350 °C), refractarios (con un punto de fusión de 1350-1580 °C) y refractarios (más de 1580 °C). Anteriormente, también se mencionaron ejemplos de productos y materias primas de mayor refractariedad (con un punto de fusión en el rango de 2000-4000X) utilizados para fines técnicos (especiales).

Una característica distintiva de todos los productos y materiales cerámicos es su resistencia relativamente alta, pero su baja deformabilidad. La fragilidad se refiere con mayor frecuencia a las propiedades negativas de la cerámica de construcción. Tiene alta resistencia química y durabilidad, y la forma y dimensiones de los productos cerámicos suelen cumplir con las normas o especificaciones establecidas.

Los materiales termoaislantes de cerámica líquida se presentan actualmente en el mercado ruso, que encuentran a su consumidor debido a su amplia gama de aplicaciones y facilidad de uso a bajos costos de mano de obra. Dado que los materiales propuestos se producen principalmente en el extranjero, son costosos, lo que limita la posibilidad de su uso masivo en la construcción, la energía y la vivienda y los servicios comunales, etc. Mientras que los análogos domésticos a menudo dejan mucho que desear, y con su "calidad" provocan una negativa y un sesgo en el usuario final hacia los materiales de aislamiento térmico de cerámica líquida.

2. Materias primas para la elaboración de materiales y productos cerámicos

Las materias primas utilizadas para la fabricación de productos cerámicos se pueden dividir en arcilla plástica (caolines y arcillas) y magra (chamota, cuarzo, escoria, aditivos combustibles). Para bajar la temperatura de sinterización, a veces se agrega fundente a la arcilla. El caolín y las arcillas están unidos por un nombre común: materiales arcillosos.

revestimiento para techos de construcción de cerámica

2.1 Materiales arcillosos

Caolines. Los caolines se formaron en la naturaleza a partir de feldespatos y otros aluminosilicatos no contaminados con óxidos de hierro. Se componen principalmente del mineral caolinita. Después de la cocción, se conserva su color blanco o casi blanco inherente.

Arcilla. Se denominan rocas sedimentarias a las arcillas, que son masas minerales de tierra fina, capaces de formar con el agua masas plásticas, independientemente de su composición mineralógica y química, que, tras la cocción, se transforman en un cuerpo pétreo resistente al agua y duradero.

Las arcillas están formadas por una estrecha mezcla de varios minerales, entre los que los más comunes son la caolinita, la montmorillonita y la hidromicácea. Los representantes de los minerales de caolinita son la caolinita y la haloisita. El grupo de las montmorillonitas incluye montmorillonitas, beidellitas y sus variedades ferruginosas. Las hidromicas son principalmente un producto de diversos grados de hidratación de las micas.

Junto con estos minerales, las arcillas contienen cuarzo, feldespato, piritas de azufre, hidratos de óxidos de hierro y aluminio, carbonatos de calcio y magnesio, compuestos de titanio y vanadio. Tales impurezas afectan tanto la tecnología de los productos cerámicos como sus propiedades. Por ejemplo, el carbonato de calcio y los óxidos de hierro finamente distribuidos reducen la resistencia al fuego de las arcillas. Si hay granos grandes y granos de arena de carbonato de calcio en la arcilla, durante la cocción se forman inclusiones de cal más o menos grandes, que se hidratan en el aire con un aumento de volumen (dutik), lo que provoca grietas o destrucción. de productos. Los compuestos de vanadio provocan la aparición de depósitos verdosos (eflorescencias) sobre el ladrillo, lo que estropea el aspecto de las fachadas.

Las desventajas fundamentales de la cerámica son su fragilidad y complejidad de procesamiento. Los materiales cerámicos se comportan mal bajo choque mecánico o térmico, así como bajo condiciones de carga cíclica. Se caracterizan por una alta sensibilidad a los cortes. Al mismo tiempo, los materiales cerámicos tienen alta resistencia al calor, excelente resistencia a la corrosión y baja conductividad térmica, lo que les permite ser utilizados con éxito como elementos de protección térmica.

A temperaturas superiores a 1000 °C, las cerámicas son más resistentes que cualquier aleación, incluidas las superaleaciones, y su resistencia a la fluencia y al calor es mayor.

Las principales áreas de aplicación de los materiales cerámicos incluyen herramientas de corte, piezas de motores de combustión interna y motores de turbina de gas, etc.

herramienta de corte de cerámica. Las cerámicas de corte se caracterizan por su alta dureza, incluso cuando se calientan, la resistencia al desgaste y la inercia química para la mayoría de los metales durante el proceso de corte. De acuerdo con el complejo de estas propiedades, la cerámica supera significativamente los materiales de corte tradicionales: aceros de alta velocidad y aleaciones duras (tabla 14.2).

Las altas propiedades de corte de la cerámica permitieron aumentar significativamente la velocidad de mecanizado de acero y hierro fundido (tabla 14.3).

Para la fabricación de herramientas de corte, cerámicas a base de óxido de aluminio con aditivos de dióxido de circonio, carburos y nitruros de titanio, así como a base de compuestos libres de oxígeno - nitruro de boro cúbico (-BN), comúnmente llamado nitruro de boro cúbico, y Se utilizan ampliamente nitruro de silicio Si 3 N. 4 . Elementos de corte a base de nitruro de boro cúbico, dependiendo de la tecnología de producción, producidos bajo los nombres elbor, borazón, composite 09, etc., tienen una dureza cercana a la de una herramienta de diamante y siguen siendo resistentes al calentamiento en aire hasta 1300–1400 °C. A diferencia de las herramientas de diamante, el nitruro de boro cúbico es químicamente inerte a las aleaciones a base de hierro. Se puede utilizar para torneado de desbaste y acabado de aceros templados y fundiciones de casi cualquier dureza.

La composición y propiedades de los principales grados de cerámica de corte se muestran en la Tabla 14.4.

Los insertos de corte de cerámica se utilizan para equipar varias fresas, herramientas de torneado, cabezales de perforación, herramientas especiales.

motores cerámicos. De la segunda ley de la termodinámica se deduce que para aumentar la eficiencia de cualquier proceso termodinámico, es necesario aumentar la temperatura a la entrada del convertidor de energía: eficiencia = 1 - T 2 /T 1, donde T 1 y T 2 son las temperaturas a la entrada y salida del convertidor de energía, respectivamente. Cuanto mayor sea la temperatura T 1 mayor será la eficiencia. Sin embargo, las temperaturas máximas permitidas están determinadas por la resistencia al calor del material. La cerámica estructural permite el uso de temperaturas más altas en comparación con el metal y, por lo tanto, es un material prometedor para motores de combustión interna y motores de turbina de gas. Además de una mayor eficiencia de los motores debido al aumento de la temperatura de funcionamiento, la ventaja de la cerámica es la baja densidad y conductividad térmica, mayor resistencia térmica y al desgaste. Además, al utilizarlo se reduce o elimina el coste del sistema de refrigeración.

Al mismo tiempo, cabe señalar que quedan varios problemas sin resolver en la tecnología de fabricación de motores cerámicos. Estos incluyen principalmente los problemas de asegurar la confiabilidad, la resistencia a los choques térmicos y el desarrollo de métodos para unir piezas de cerámica con piezas de metal y plástico. El uso más eficaz de la cerámica para la fabricación de motores de pistón adiabáticos diésel con aislamiento cerámico y motores de turbina de gas de alta temperatura.

Los materiales estructurales de los motores adiabáticos deben ser estables en el rango de temperaturas de funcionamiento de 1300 - 1500 K, tener una resistencia a la flexión de al menos 800 MPa y un factor de intensidad de tensión de al menos 8 MPa m 1/2. Las cerámicas a base de dióxido de circonio ZrO 2 y nitruro de silicio satisfacen al máximo estos requisitos. El trabajo más extenso sobre motores cerámicos se lleva a cabo en Japón y Estados Unidos. La empresa japonesa Isuzu Motors Ltd ha dominado la fabricación de la precámara y el mecanismo de válvula del motor adiabático, Nissan Motors Ltd, los impulsores del turbocompresor, Mazda Motors Ltd, la precámara y el pasador de empuje.

Cammin Engine Company (EE. UU.) ha perfeccionado una versión alternativa de un motor de camión con recubrimientos de plasma ZrO 2 aplicados a la cabeza del pistón, la superficie interior del cilindro y los canales de entrada y salida. La economía de combustible por cada 100 km de vía fue superior al 30%.

Isuzu (Japón) anunció el exitoso desarrollo de un motor cerámico que funciona con gasolina y diésel. El motor desarrolla una velocidad de hasta 150 km/h, la eficiencia de combustión de combustible es un 30-50 % mayor que la de los motores convencionales y el peso es un 30 % menor.

Las cerámicas estructurales para motores de turbina de gas, a diferencia de un motor adiabático, no requieren baja conductividad térmica. Teniendo en cuenta que las piezas cerámicas de los motores de turbina de gas funcionan a temperaturas más altas, deben mantener una resistencia al nivel de 600 MPa a temperaturas de hasta 1470–1670 K (en el futuro, hasta 1770–1920 K) con una deformación plástica de no más de 1% por 500 horas de funcionamiento. Los nitruros y carburos de silicio con alta resistencia al calor se utilizan como material para piezas críticas de los motores de turbina de gas, como una cámara de combustión, piezas de válvulas, un rotor de turbocompresor, un estator.

Es imposible mejorar las características de rendimiento de los motores de los aviones sin el uso de materiales cerámicos.

Cerámica para usos especiales. Las cerámicas para fines especiales incluyen cerámicas superconductoras, cerámicas para la fabricación de contenedores con desechos radiactivos, protección de armaduras de equipos militares y protección térmica de ojivas de misiles y naves espaciales.

Contenedores para almacenar residuos radiactivos. Uno de los factores limitantes en el desarrollo de la energía nuclear es la complejidad de la disposición final de los desechos radiactivos. Para la fabricación de envases se utilizan compuestos cerámicos a base de óxido de B 2 O 3 y carburo de boro B4C mezclados con óxido de plomo PbO o 2PbO PbSO 4 . Después de la sinterización, tales mezclas forman cerámicas densas con baja porosidad. Se caracteriza por una fuerte capacidad de absorción con respecto a las partículas nucleares -neutrones y -quanta.

Cerámica de armadura resistente a impactos. Por su naturaleza, los materiales cerámicos son frágiles. Sin embargo, a una tasa de carga alta, por ejemplo, en el caso de un impacto explosivo, cuando esta tasa excede la tasa de movimiento de dislocaciones en el metal, las propiedades plásticas de los metales no jugarán ningún papel y el metal será tan frágil como la cerámica. En este caso particular, la cerámica es sustancialmente más resistente que el metal.

Las propiedades importantes de los materiales cerámicos, que han llevado a su uso como armadura, son la alta dureza, el módulo elástico, la temperatura de fusión (descomposición) a una densidad que es 2 o 3 veces menor. La preservación de la fuerza cuando se calienta permite el uso de cerámica para la protección contra proyectiles perforantes.

Como criterio para la idoneidad de un material para protección de armadura M, se puede utilizar la siguiente relación:

donde E es el módulo de elasticidad, GPa; H k - Dureza Knoop, GPa; – resistencia última, MPa; Тmelt es el punto de fusión, K; – densidad, g/cm 3 .

La tabla 14.5 muestra las principales propiedades de los materiales cerámicos para armaduras ampliamente utilizados en comparación con las propiedades del acero para armaduras.

Los materiales a base de carburo de boro tienen las más altas propiedades protectoras. Su aplicación masiva está limitada por el alto costo del método de prensado. Por lo tanto, las placas de carburo de boro se utilizan cuando es necesario reducir significativamente la masa de protección de la armadura, por ejemplo, para proteger los asientos y los sistemas de control automático de helicópteros, tripulación y tropas. Las cerámicas de diboruro de titanio, que tienen la dureza y el módulo de elasticidad más altos, se utilizan para proteger contra proyectiles de tanques perforantes y perforantes pesados.

Para la producción en masa de cerámica, el óxido de aluminio relativamente barato es el más prometedor. Las cerámicas a base de él se utilizan para proteger la mano de obra, el equipo militar terrestre y marítimo.

Según Morgan M. Ltd (EE. UU.), una placa de carburo de boro de 6,5 mm de espesor o de óxido de aluminio de 8 mm de espesor detiene una bala de 7,62 mm que vuela a una velocidad de más de 800 m/s cuando se dispara a quemarropa. Para lograr el mismo efecto, la armadura de acero debe tener un espesor de 10 mm, mientras que su masa será 4 veces mayor que la de cerámica.

El uso más efectivo de armadura compuesta, que consta de varias capas heterogéneas. La capa cerámica exterior percibe el choque principal y la carga térmica, se tritura en pequeñas partículas y disipa la energía cinética del proyectil. La energía cinética residual del proyectil es absorbida por la deformación elástica del sustrato, que puede ser acero, duraluminio o tejido Kevlar en varias capas. Es efectivo recubrir la cerámica con un material inerte fusible, que desempeña el papel de una especie de lubricante y cambia un poco la dirección del proyectil, que proporciona un rebote.

El diseño de la armadura de cerámica se muestra en la figura 14.2.

Figura 14.2– Construcción del panel blindado cerámico: a, b – los elementos constitutivos del panel blindado para protección contra balas perforantes de varios calibres; c - un fragmento del panel blindado, ensamblado a partir de los elementos a y b; 1 - bala perforante de calibre 12,7 mm; 2 - calibre de bala 7,62 mm; 3 - la capa protectora se elimina parcialmente

El panel blindado consiste en placas cerámicas separadas conectadas en serie que miden 50 * 50 o 100 * 100 mm. Para la protección contra balas perforantes de calibre 12,6 mm se utilizan placas de Al 2 O 3 de 15 mm de espesor y 35 capas de Kevlar, y contra balas de calibre 7,62 mm placas de Al 2 O 3 con un espesor de 6 mm y se utilizan 12 capas de Kevlar.

Durante la Guerra del Golfo, el uso generalizado de armaduras cerámicas hechas de Al 2 O 3 , SiC y B 4 C por parte del ejército de los EE. UU. mostró su alta eficiencia. Para la protección de armaduras, también es prometedor el uso de materiales a base de AlN, TiB 2 y resinas de poliamida reforzadas con fibras cerámicas.

Cerámica en ingeniería espacial y de cohetes. Al volar en capas densas de la atmósfera, las ojivas de cohetes, naves espaciales, vehículos reutilizables, calentadas a altas temperaturas, necesitan una protección térmica confiable.

Los materiales para protección térmica deben tener alta resistencia al calor y resistencia, combinados con valores mínimos de coeficiente de expansión térmica, conductividad térmica y densidad.

El Centro de Investigación de la NASA (NASA Ames Research Center) ha desarrollado composiciones de placas de cerámica fibrosa de protección contra el calor destinadas a naves espaciales reutilizables. Las propiedades de las placas de varias composiciones se dan en la tabla 14.6. El diámetro medio de la fibra es de 3 a 11 µm.

Para aumentar la resistencia, la reflectividad y las características ablativas de la superficie exterior de los materiales de protección contra el calor, se cubren con una capa de esmalte de unos 300 µm de espesor. El esmalte que contiene SiC o 94% SiO 2 y 6% B 2 O 3 se aplica como una barbotina a la superficie y luego se sinteriza a 1470 K. Las losas recubiertas se usan en los lugares más calientes de naves espaciales, misiles balísticos y aeronaves hipersónicas. Soportan hasta 500 calentamientos de diez minutos en plasma de arco eléctrico a una temperatura de 1670 K. Las variantes del sistema de protección térmica cerámica para las superficies frontales de las aeronaves se muestran en la Figura 14.3.

Figura 14.3– Sistema de protección térmica cerámica de superficies frontales de aeronaves para temperaturas de 1250 a 1700 о С: 1 – cerámica a base de SiC o Si 3 N 4 ; 2 - aislamiento térmico; 3 - cerámica sinterizada

La capa de aislamiento térmico fibroso altamente poroso a base de FRCI, AETB o HTR está protegida por una capa de revestimiento de carburo de silicio. La capa de revestimiento protege la capa de aislamiento térmico de la destrucción por ablación y erosión y percibe la carga térmica principal.

En sentido estricto, la palabra cerámica se refiere a la arcilla cocida.

La cerámica más antigua se utilizó como cerámica hecha de arcilla o sus mezclas con otros materiales. En la actualidad, la cerámica se utiliza como material en la industria (ingeniería, instrumentación, industria aeronáutica, etc.), la construcción, el arte, y tiene un amplio uso en la medicina y la ciencia. En el siglo XX, se crearon nuevos materiales cerámicos para su uso en la industria de los semiconductores y otros campos.

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tipos de ceramica

Dependiendo de la estructura, se distinguen cerámicas finas (fragmento vítreo o de grano fino) y gruesas (fragmento de grano grueso). Los principales tipos de cerámica fina son la porcelana, la semiporcelana, el gres, la loza y la mayólica. El principal tipo de cerámica en bruto es la alfarería cerámica. Además, existen cerámicas de carburo (carburo de tungsteno, carburo de silicio), alúmina, circonio (basado en ZrO 2), nitruro (basado en AlN), etc.

La cerámica tiene una vasija de color marrón rojizo (se usan arcillas rojas), alta porosidad, absorción de agua de hasta 18%. Los productos se pueden cubrir con esmaltes incoloros, pintar con pinturas de arcilla coloreadas: engobe.

Historia

La cerámica se conoce desde la antigüedad y es quizás el primer material artificial creado por el hombre. Se creía que la aparición de la cerámica está directamente relacionada con la transición de una persona a un estilo de vida establecido, por lo que sucedió mucho más tarde que las canastas. Hasta hace poco tiempo, las primeras muestras de cerámica que conocemos pertenecían a la era del Paleolítico Superior (cultura Gravetiense). El objeto más antiguo hecho de arcilla cocida data del 29-25 milenios antes de Cristo. Esta es la Vestonica Venus, conservada en el Museo Moravo de Brno.

Macetas de la cueva de Xianzhendong encontradas en 1993 (Inglés) en la provincia de Jiangxi en el sureste de la República Popular China se moldearon hace 20-19 mil años. Fragmentos de vasijas puntiagudas encontrados en la cueva de Yuchanyan (Inglés) en la provincia de Hunan en el sureste de China, datan de hace 18,3-17,5 mil años.

Los platos de cerámica más antiguos (hace 12 mil años) en Rusia se encontraron en Transbaikalia (en los sitios arqueológicos de la cultura Ust-Kareng) y en el Lejano Oriente (culturas Gromatukhinskaya, Osipovskaya, Selemdzhinskaya; ver Neolítico siberiano).

Cerámica con una gruesa capa de cera vegetal y sedimento graso procedente de los yacimientos libios del Sáhara (Yuan Afouda ( Uan Afuda) y Takartori (Takarkori) se remonta al período 8200-6400 a. mi.

Inicialmente, la cerámica se moldeaba a mano. La invención del torno de alfarero en el tercer milenio a. C. (Eolítico tardío - Edad del bronce temprano) permitió acelerar y simplificar significativamente el proceso de moldeo del producto. En las culturas precolombinas de América, la cerámica de los nativos americanos se hacía sin torno de alfarero hasta la llegada de los europeos.

Gradualmente se formaron tipos separados de cerámica con la mejora de los procesos de producción, dependiendo de las propiedades de las materias primas y las condiciones de procesamiento resultantes.

Los tipos más antiguos de cerámica son una variedad de vasijas, así como verticilos, pesas para tejer y otros artículos. Esta cerámica doméstica se ennobleció de varias maneras: se aplicó relieve mediante estampado, dibujo, elementos moldeados. Los recipientes recibieron diferentes colores según el método de disparo. Podían estar pulidas, pintadas o pintadas con adornos, recubiertas de engobe, capa brillante (cerámica griega y terra sigillata romana), esmalte coloreado (“cerámica Hafner” del Renacimiento).

A fines del siglo XVI, apareció en Europa la mayólica (según su origen, también llamada loza). Poseyendo un fragmento poroso de hierro y cal, pero masa de fayenza blanca, se cubrió con dos vidriados: uno opaco con alto contenido de estaño y otro transparente y brillante de plomo.

El gres también fue fabricado por Wedgwood en Inglaterra. La loza fina como un tipo especial de cerámica con un fragmento poroso blanco cubierto con esmalte blanco apareció en Inglaterra en la primera mitad del siglo XVIII. La loza, dependiendo de la fuerza del fragmento, se divide en loza suave y delgada con un alto contenido de cal, media, con un contenido más bajo y dura, sin cal. Este último tiesto a menudo se parece al gres oa la porcelana en composición y resistencia.

Hacer moldes de cerámica con y sin el uso de un torno de alfarero

La historia de la aparición de la cerámica en Rusia.

Los hallazgos arqueológicos en muchas ciudades rusas antiguas dan testimonio del desarrollo generalizado de la cerámica en Rusia. En la antigua Rusia, se usaban principalmente forjas de cerámica de dos niveles (el nivel inferior del horno estaba enterrado en el suelo), pero también había forjas de un solo nivel.

La invasión mongol-tártara influyó en el desarrollo de la antigua cultura rusa. La historia de una de sus ramas, la cerámica, ha pasado de las regiones del sur a las ciudades fronterizas del norte y oeste, a las tierras de Moscú, por lo que no es coincidencia que el renacimiento del arte de los azulejos en la antigua Rusia haya sido destruido por muchas obras de alfareros rusos. de los siglos IX-XII. Por ejemplo, desaparecieron las ánforas de dos asas, las lámparas verticales, el arte del esmalte cloisonné, el esmalte (el más simple: amarillo, sobrevivió solo en Novgorod), el adorno se volvió más simple.

Una dirección separada de la cerámica rusa, y luego de la rusa moderna, es Gzhel (llamada así por la ciudad). Estos productos se ejecutan en estilo blanco y azul.

Cerámica transparente

Los materiales cerámicos iniciales son opacos debido a las peculiaridades de su estructura. Sin embargo, la sinterización de partículas de tamaño nanométrico permitió crear materiales cerámicos transparentes con propiedades (rango de longitudes de onda de radiación operativa, dispersión, índice de refracción) que se encuentran fuera del rango estándar de valores para lentes ópticos.

Nanocerámica

Tecnología para la producción de productos cerámicos.

El esquema tecnológico para la producción de baldosas cerámicas incluye las siguientes fases principales:

1. Preparación de lodos;
2. moldeado de productos;
3. El secado;
4. Preparación de glaseado y glaseado (esmaltado);

Las materias primas para las masas cerámicas se dividen en plásticas (arcillas y caolines) y no plásticas. Los aditivos de chamota y cuarzo reducen la contracción de los productos y la probabilidad de agrietamiento en la etapa de moldeo. El plomo rojo, el bórax se utilizan como formadores de vidrio.

preparación de barbotina

La elaboración de la ficha se desarrolla en tres fases:

1. Primera fase: molienda de feldespato y arena (la molienda se realiza de 10 a 12 horas);
2. Se agrega arcilla a la primera fase;
3. En la segunda fase, se añade caolín. La suspensión final se vierte en recipientes y se envejece.

El transporte desde el almacén de materia prima se realiza con la ayuda de un cargador hasta las tolvas de recepción. Desde donde se envía a lo largo del transportador a un molino de bolas (para moler) o a turbodisolventes (para disolver arcilla y caolín)

Área de elaboración de esmaltes

Los esmaltes son aleaciones brillantes que se funden sobre un fragmento de cerámica con una capa de 0,12 - 0,40 mm de espesor. El esmalte se aplica para cubrir la vasija del producto con una capa densa y suave, así como para darle al producto una vasija densa de mayor resistencia y apariencia atractiva, para garantizar las propiedades dieléctricas y proteger la decoración de influencias mecánicas y químicas.

La composición del esmalte incluye circón finamente molido, tiza, cal. El esmalte listo se carga en uno de los contenedores determinados por el tecnólogo. Se pasa varias veces por tamices vibratorios y trampas magnéticas para eliminar las impurezas metálicas, cuya presencia en el esmalte puede provocar la formación de defectos durante la producción. Se agrega pegamento a la composición y el esmalte se envía a la línea.

Moldura

Antes del moldeo, la barbotina se carga en uno de los contenedores. Se utilizan tres contenedores a la vez (cambiando aproximadamente una vez al día) para un stand en particular. El molde se limpia preliminarmente de residuos de barbotina después del moldeado anterior, se trata con agua de barbotina y se seca.

La barbotina se vierte en moldes secos. Los formularios están diseñados para 80 rellenos. Al formar, se utiliza un método a granel. La forma absorbe parte del agua y el volumen de la barbotina disminuye. La barbotina se vierte en el molde para mantener el volumen requerido.

Después del endurecimiento, los productos se secan, se realiza el rechazo primario de productos (grietas, deformaciones).

Procesamiento manual de productos.

Después del moldeado, los productos van al taller de procesamiento manual.

Después de aplicar el esmalte, el producto se envía al horno para su cocción. El horno está equipado con un módulo de presecado, desempolvado y cámaras de soplado. El tratamiento térmico se lleva a cabo a una temperatura de 1230 grados, la longitud del horno es de unos 89 metros. El ciclo desde la carga hasta la descarga del carro es de aproximadamente un día y medio. La cocción de productos en el horno tiene lugar durante el día.

Después de la cocción, se realiza la clasificación: división en grupos de productos similares, detección de defectos. Si los defectos son removibles, se envían para su revisión y se eliminan manualmente en el sitio de restauración. De lo contrario, el producto se considera defectuoso.

Según la composición y las propiedades, los productos cerámicos se dividen en tipos, tipos y variedades.

El tipo de cerámica se determina

composición y proporción de fases individuales

Su procesamiento, especialmente la finura de la molienda,

composición del esmalte,

temperatura y tiempo de cocción.

La composición de las masas de todos los tipos de cerámica incluye sustancias de arcilla plástica (arcilla, caolín), materiales de adelgazamiento (cuarzo, arena de cuarzo), llanuras aluviales (feldespato, pegmatita, perlita, ceniza de hueso, etc.) Al cocer productos moldeados como resultado de complejas transformaciones e interacciones físicas y químicas de los componentes de masas y esmaltes, se forma su estructura.

Según la naturaleza de la estructura, las cerámicas se dividen en gruesas y finas.

Los productos de cerámica gruesa (cerámica, ladrillo, azulejo) tienen un fragmento poroso de grano grueso de estructura no homogénea, coloreado por impurezas naturales en colores marrón amarillentos.

Los productos de cerámica fina se distinguen por fragmentos de grano fino blancos o de color claro, sinterizados o finamente porosos de una estructura homogénea.

Según el grado de sinterización (densidad) del fragmento, los productos cerámicos se distinguen:

Densa, sinterizada con absorción de agua inferior al 5% - porcelana, productos de piedra fina, semiporcelana;

Poroso con absorción de agua superior al 5% - loza, mayólica, cerámica.

Dependiendo de la estructura, hay:

Áspero tiene un fragmento poroso de grano grueso en una fractura de una estructura heterogénea, coloreado con impurezas naturales en colores marrón amarillentos (porosidad 5-30%) - cerámica - cerámica, ladrillo, azulejo. La cerámica en bruto incluye muchos materiales cerámicos de construcción, como los ladrillos de revestimiento.

Las cerámicas finas se distinguen por fragmentos vítreos sinterizados o finamente porosos de grano fino, blancos o de color claro, de una estructura homogénea (porosidad<5%) - фарфор, полуфарфор, фаянс, майолика, керметы.

Un grupo especial son las denominadas cerámicas altamente porosas (porosidad 30-90%), que suelen incluir materiales cerámicos termoaislantes.

Las propiedades de los productos cerámicos dependen tanto de la composición de las masas utilizadas como de las características tecnológicas de su producción.

La cerámica es necesaria donde se requiere una alta resistencia a las influencias externas: alta temperatura, abrasión, medios agresivos, etc.

La inmutabilidad de la estructura y las propiedades está garantizada por fuertes enlaces químicos.

Debido a la singularidad de sus propiedades, la cerámica ha recibido un merecido reconocimiento en diversas ramas de la tecnología.

Propiedades físicas y mecánicas Las cerámicas están determinadas por la naturaleza del enlace químico y la estructura cristalina.

Dependiendo del propósito de la cerámica, la obtención de las propiedades especificadas de los productos se logra mediante la selección de materias primas y aditivos y características tecnológicas.

Las principales propiedades incluyen densidad, resistencia mecánica, dureza, porosidad, estabilidad térmica, resistencia química, blancura, translucidez, velocidad de propagación de ondas sonoras.

Las cerámicas se caracterizan por una alta dureza, rigidez, resistencia a la compresión relativamente alta y falta de ductilidad.

Dureza. Incluso la arcilla de cerámica porosa raya el vidrio, porque. contiene partículas de cuarzo (según Mohs 7) La cerámica técnica contiene óxido de aluminio (según Mohs 9) - zafiro, rubí. Esta propiedad se utiliza sobre todo en materiales cerámicos abrasivos (carburo de silicio, óxido de aluminio, boro y nitruro de carbono), materiales duros y superduros.

Fuerza mecánica- una de las propiedades más importantes de las que depende la durabilidad del producto. Tiene una resistencia bastante alta. La resistencia depende en gran medida de la porosidad de la cerámica. una olla de barro, una taza de porcelana con paredes delgadas... La resistencia mecánica específica, es decir, la relación entre la fuerza aplicada y una unidad de espesor del fondo, se determina mediante el método de caída libre de una bola de acero a lo largo del fondo del producto. En loza, es más alto que en porcelana. La resistencia al impacto del método del péndulo, por el contrario, es menor para la loza que para la porcelana.

Resiste bien los esfuerzos de compresión, peor que los de flexión y muy malos de tracción (35-350 MPa, ladrillo ordinario 5 MPa, alambre de acero para piano 3100 MPa, cuero 40 MPa, cabello humano 190 MPa). Al diseñar la forma del producto, la forma se calcula de modo que las fuerzas que surgen durante la operación conduzcan a esfuerzos de compresión o de flexión (imagen).

Densidad b depende de la composición y la porosidad de la porcelana es 2,25-2,4 g / cm³, y loza - 1,92-1,96 g / cm³.

Porosidad determinado por el método de absorción de agua, que es 0.01-0.2% para porcelana y 9-12% para loza.

Resistente al fuego - resistencia a altas temperaturas Exigido en hornos y unidades para la fundición de metales. T 1000-3000. En T más de 1000, es más fuerte que cualquier aleación. Depende de la composición, es decir. sobre el punto de fusión de sus componentes principales. No todos los materiales cerámicos son refractarios, todas las cerámicas de construcción, cerámicas domésticas - bajas temperaturas de funcionamiento. El fuego resistirá, pero la capa de esmalte se cubrirá con cemento.

La refractariedad es la propiedad de los materiales y productos cerámicos de soportar altas temperaturas sin fundirse. Un indicador (medida cuantitativa) de la refractariedad es la temperatura a la que una muestra de un material dado, que tiene la forma de una pirámide truncada triédrica (convencionalmente denominada "cono"), se deforma bajo la influencia de su propia gravedad, mientras que tocando el soporte cerámico con su parte superior.

Resistencia al calor caracteriza la capacidad del producto para soportar cambios bruscos de temperatura. Para baldosas esmaltadas = 125-150 C, lo que significa la posibilidad de una caída brusca de esta temperatura a 20 C sin agrietamiento.

Los materiales resistentes al calor deben tener un coeficiente de temperatura bajo. Lin. ext., alta conductividad térmica y resistencia de la piel.

La más resistente al calor es la cerámica de cuarzo, la cerámica a base de cordierita, la espodumena.

La porcelana y el gres son las cerámicas artísticas más resistentes al calor: se fabrican teteras y tazas. La resistencia térmica de los productos de porcelana es superior a la de la loza. Entonces, de acuerdo con los GOST actuales 28390-89 y 28391-89, la resistencia al calor de los productos de porcelana debe ser de 185 ° C, loza, de 125 ° C (para esmaltes incoloros) y 115 ° C (para esmaltes de colores).

Los enlaces químicos en la cerámica son muy fuertes, por lo que la cerámica también se caracteriza por altos puntos de fusión y resistencia química.

Cerámica tpl., ° С

Carburo de titanio TiC 3120

Boruro de titanio TiB2 2980

Carburo de tungsteno WC ~2850

Óxido de aluminio Al2O3 2050

Óxido de cromo Cr2O3 1990

Torsterita 2MgO SiO2 1830

Mullita 3Al2O3 2SiO2 1810

Óxido de silicio (cristobalita) 1715

Óxido de titanio TiO2 1605

La falta de electrones libres es la razón por la cual las cerámicas tienden a ser malas conductoras de la electricidad y el calor. Por lo tanto, las cerámicas se utilizan ampliamente en ingeniería eléctrica como dieléctricos.

Las necesidades de la tecnología de vacío en cerámica están asociadas principalmente a sus altas propiedades dieléctricas, alta resistencia química (incluso a altas temperaturas) y resistencia a altas temperaturas.

falta de higroscopicidad en la mayoría de los materiales,

buenas eléctricas (piezoeléctricas, ferroeléctricas)

y características magnéticas con suficiente resistencia mecánica, rendimiento estable y fiabilidad,

la resistencia a la radiación de alta energía y el uso de materias primas bastante baratas y fácilmente disponibles aseguraron su amplia aplicación en varios campos.

Higroscopicidad: la cerámica es un producto ecológico y tiene una estructura capilar que permite que la pared "respire". Una pared hecha de este material cumple la función de un acondicionador de aire natural: absorbe la humedad cuando hay exceso y la expulsa cuando es deficiente, manteniendo un equilibrio saludable de temperatura y humedad en la sala de estar. La superficie de la pared permanece seca en cualquier época del año, lo que a su vez evita la formación de hongos y moho.
En Europa, el bloque cerámico es muy conocido y querido. Hoy, más de la mitad de los edificios están construidos con este material. Ahora este material ha llegado al mercado ruso y continúa con confianza su conquista debido a sus innegables ventajas.

Propiedades estéticas Los materiales cerámicos son difíciles de caracterizar sin ambigüedades, ya que las composiciones, las texturas superficiales y los métodos de decoración son demasiado diferentes.

Para la cerámica y la terracota, la textura de la superficie y los tonos cálidos de los colores naturales naturales juegan un papel importante. color terracota.

La decoración de la mayólica, la loza y la porcelana se asocia principalmente con el vidriado y la pintura. Loza: espesor tangible, aspereza de forma, frialdad elegante de porcelana, translucidez.

Evaluando las propiedades estéticas de los productos cerámicos, se puede destacar su plasticidad y naturalidad de formas, la variedad de texturas y colores, es decir, altas posibilidades decorativas.

La cerámica es uno de los materiales más ecológicos.

La blancura es la capacidad de un material para reflejar la luz que incide sobre él. La blancura es especialmente importante para los productos de porcelana. La blancura se determina visualmente comparando la muestra de prueba con un estándar o utilizando un fotómetro eléctrico, así como en el "Specol".

Velocidad de propagación Las ondas de sonido para los productos de porcelana son 3-4 veces más altas que para la loza, por lo tanto, cuando se golpea un palo de madera en el borde, los productos de porcelana emiten un sonido alto y la loza es sorda.

translucidez característica de la porcelana, que brilla con un gran espesor del producto, ya que tiene un fragmento sinterizado. Los productos de loza no brillan debido al fragmento poroso.

La dureza de la capa de esmalte. la escala mineralógica para la porcelana es 6.5-7.5, y para la loza - 5.5-6.5, la microdureza se determina mediante la muesca de una pirámide de diamante. Los esmaltes de porcelana se consideran duros, los esmaltes de mayólica son suaves y los esmaltes de loza son medios.

La estabilidad química de los esmaltes y las pinturas cerámicas utilizadas para la porcelana doméstica y los productos de loza debe ser alta, ya que no deben destruirse cuando se tratan con ácidos y álcalis débiles a temperatura normal o cuando se calientan a 60-65 ° C.

color "en vivo" arcilla” es engañosa. Cuando se seca al aire, tiende a aclararse solo un poco. Pero cuando se cuece, la mayoría de las arcillas cambian de color dramáticamente: el verde se vuelve rosa, marrón - rojo, azul y negro - blanco. Por ejemplo, los artesanos del pueblo de Fnlimonovo, cerca de Tula, esculpen sus famosos juguetes en arcilla negra y azul que, después de la cocción, se vuelve blanca, ligeramente cremosa. Aquí en el horno, durante la cocción, se queman todas las partículas orgánicas, lo que le dio un color negro "vivo". Solo la arcilla blanca permanece blanca incluso después de la cocción.

Los materiales cerámicos son causados ​​​​por una amplia aplicación en varios campos de la actividad humana.

La cerámica es la base de la tecnología médica. Las piezas hechas de materiales cerámicos son componentes clave del intensificador de imágenes de rayos X y de las fuentes de rayos X. Los intensificadores de rayos X son el corazón de los escáneres CT. Permite a los médicos hacer el diagnóstico correcto con confianza mientras minimiza la exposición del paciente.

Las propiedades que poseen los elementos cerámicos bajo carga de flexión los convierten en componentes indispensables de los sistemas de medición en la tecnología aeronáutica y espacial. Los cambios repentinos de presión son la carga de prueba principal para cualquier avión. Las membranas de sensores hechas de materiales cerámicos reconocen valores críticos, transmiten alarmas y son una protección confiable para la seguridad de la tripulación y los pasajeros. La alta resolución de la señal registrada se logra debido a la desviación de la membrana ultrafina del sensor.

La cerámica se utiliza en cámaras de vacío para aceleradores de partículas y garantiza un funcionamiento preciso y de alta calidad debido a la estabilidad de la forma geométrica, combinada con altas propiedades de aislamiento eléctrico. Los dispositivos de enfoque en los microscopios electrónicos se fabrican con una precisión de varias micras. Solo con tal precisión, es posible realizar estudios de varios medicamentos en el campo de la ciencia y la tecnología bajo un microscopio, con alta resolución y alta claridad.

En las plantas de fabricación de células fotovoltaicas y semiconductores se utilizan procesos especiales que tienen lugar exclusivamente en condiciones de alto vacío. Materiales como el vidrio y la porcelana con propiedades propias, en estas condiciones extremas, están más allá de sus capacidades. Los bushings eléctricos y los tubos aislantes fabricados en cerámica ayudan en la implementación de una amplia variedad de procesos.

Durante el procesamiento tecnológico de la impresión de películas y papel, se encuentran cerámicas técnicas. En primer lugar, se trata de barras de guía fabricadas con materiales cerámicos, con la ayuda de los cuales se logra una velocidad muy alta de movimiento de la película y el papel debido a la superficie rectificada, así como pequeñas tolerancias en las dimensiones geométricas y el posicionamiento. Usando piezas de cerámica, también es posible procesar tipos de película abrasivos e incluso mecánicamente sensibles. Las altas velocidades de desplazamiento combinadas con la alta calidad hacen indispensable el uso de cerámica técnica en la impresión digital.

En la producción de vitrocerámica. Su resistencia a la temperatura es de hasta 1950°C. Gracias al uso de cerámica, se logra una alta precisión en la medición de temperatura en la fusión de vidrio y en la producción de vitrocerámica. La cerámica es un material químicamente inerte, por lo que la seguridad tecnológica en el procesamiento de todos los materiales químicos está totalmente garantizada.

En caso de corte de energía de la red o en sistemas autónomos, las celdas de combustible cerámicas proporcionan energía. El aislamiento de las superficies individuales de la celda de combustible entre sí y la provisión de un espacio entre ellas se lleva a cabo utilizando marcos cerámicos.

En la fabricación de lámparas eléctricas, la resistencia al calor juega un papel decisivo. Debido a su alta resistencia a la corrosión, los mandriles de material cerámico y los rodillos formadores garantizan una alta precisión constante.

Los pasadores de soldadura hechos de cerámica brindan una alta precisión en el posicionamiento relativo de las partes de la carrocería del automóvil que se van a soldar. El uso de troqueles de trefilado de cerámica hace innecesaria la costosa reelaboración de las piezas después de los procesos de deformación del metal.

Los productos cerámicos instalados en equipos para la industria química reducen significativamente las pérdidas por fugas de materiales líquidos. Mientras que la pantalla protectora de cerámica en el acoplamiento magnético es responsable de garantizar la alta estanqueidad de la bomba química, las propiedades antifricción de los pistones cerámicos de las bombas de alta presión aseguran la larga vida útil de los elementos que aseguran la estanqueidad.

Las herramientas cerámicas en el procesamiento de superficies duras tienen ventajas innegables. La durabilidad de estas herramientas de alta calidad es especialmente conocida por los fabricantes de instrumentos y dispositivos mecánicos de alta precisión, por ejemplo, en las industrias relojera, óptica y del vidrio. El rubí sinterizado policristalino (aglomerado de rubí) tiene una dureza cercana a la del diamante y se puede utilizar para diversos tipos de tratamiento superficial de las piezas.

La cerámica tiene una variedad excepcional de propiedades en comparación con otros tipos de materiales. Entre los tipos de cerámica, siempre se pueden encontrar aquellos que reemplazan con éxito a los metales y polímeros, mientras que lo contrario está lejos de ser posible en todos los casos. El uso de la cerámica abre la posibilidad de crear materiales con varias propiedades dentro de una misma composición química.