История керамического производства

Производство гончарной посуды из глины, изделий из стекла и эмалей-один из самых древних видов ремесла. По сей день керамика находит очень широкое и разнообразное применение в технике; среди последних изделий из керамики можно упомянуть высоковольтные изоляторы, детали радаров и вычислительных машин и топливные брикеты для ядерных реакторов.

История керамического производства. В конце ледникового периода охотники уже умели делать глиняные изображения животных, прокаливая их на огне для большей твердости. Глина состоит в основном из оксидов алюминия и кремния с некоторыми другими примесями. При небольшом нагревании она теряет воду и превращается в пористый твердый материал, из которого делали очаги печей, лепные фигурки и после предварительной формовки-посуду. Чтобы получить беспористый материал, глину нагревали до более высокой температуры; при этом глина частично плавилась и заполняла мелкие поры.

Если расплавить и затем остудить песок, получается не керамика, а стекло. Примерно за 4000 лет до н. э. появились глазурованные гончарные изделия с гладким стекловидным покрытием на поверхности. Первая стеклянная посуда относится к 1500 г. до н. э., техника выдувания стекла возникла на 1500 лет позже.

Уже в XIX в. производство керамических и стеклянных изделий представляло высокомеханизированную отрасль промышленности, но лишь к концу века керамическое производство было научно обосновано. Свободных электронов в керамике нет, поэтому она не проводит электричества. Это свойство керамики стало особенно важным сейчас, когда производство электроэнергии резко возросло. Понятно, что для изготовления электрических изоляторов необходимо глубже изучить материал, чем для выпуска чайных чашек. Поэтому исследованию подверглись как сырье для керамической промышленности, так и методы обжига.

Стекло-один из древнейших материалов, известных человеку,- используется в некоторых новейших видах техники. Здесь показана схема, полученная в фоточувствительном стекле. Состав его подобран так, что после облучения стекло кристаллизуется и затем легко травится кислотой.

Химический состав. Керамика и стекло состоят из смеси соединений кислорода с другими элементами. Плотное прозрачное стекло, образуемое кварцем (SiO₂), представляет исключение-большинство чистых оксидов не образуют стекла, хотя любая керамика содержит стеклосвязку. Фарфор, например, делают из смеси глины, песка и щелочного флюса. Подобные флюсы (обычно минералы типа полевого шпата) снижают температуру плавления кварца. В осколке фарфора под микроскопом можно обнаружить частицы разных веществ, сцементированных стеклосвязкой.

Большинство зерен в керамике представляют собой мелкие кристаллики. В стекле такой строгой геометрической регулярности нет. С физической точки зрения структура стекла ближе к жидкости, чем к твердому телу.

Если охлаждение расплавленного стекла производится слишком медленно [5], то в нем успевают образоваться мелкие кристаллы и стекло становится хрупким и полупрозрачным. Кристаллы могут образовываться и при постепенном старении стекла; стеклянные сосуды римлян, пролежавшие в земле сотни лет, стали непрозрачными [3]. Сейчас разработаны приемы, предупреждающие образование кристаллов в стекле: стекло нагревается вторично в особых условиях. Таким способом получается закаленное стекло, из которого делают прочную теплостойкую кухонную посуду [8].

Так как керамику получают посредством спекания (т. е. соединения частиц при нагреве без плавления), то она бывает пористой, как кирпич. Частицы сцепляются достаточно прочно, но небольшие воздушные пространства остаются незаполненными.

Спекание многих керамических смесей предпочтительнее сплавления из-за очень высокой температуры плавления многих составных частей. Именно высокая температура плавления позволяет использовать керамику как огнеупорный (жаростойкий) материал для тиглей и печей.

Прежде для получения цветного стекла в расплав добавляли металл. Добавка золота придавала стеклу красный или голубой оттенок (цвет зависит от размеров частиц золота в расплаве). Замечательным образцом цветного стекла Древнего Рима является кубок Ликурга (Британский музей), окрашенный золотом и серебром. В отраженном свете кубок кажется непрозрачным и темно-зеленым, в проходящем-становится полупрозрачным и пурпурно-красным.

Современный непрерывный процесс производства плоского стекла («Пилкингтон», 1959 г., Англия) дает оконное стекло. Исходные компоненты смешиваются в бункере [1], плавятся в мазутной печи [2]. Расплавленное стекло [3] поступает в ванну с жидким оловом [4], находящимся в специальной нейтральной атмосфере. Стекло плавает на жидком металле, образуя плоский лист равномерной толщины.

Оно постепенно охлаждается, на поверхности листа образуется корочка, которую уже не могут повредить валки рольганга, перемещающие его в печь для отжига [5]. В печи происходит дальнейшее охлаждение стекла. Затем его режут [6] и складывают. Резкой стекла управляет ЭВМ.

Современное применение керамики. В настоящее время из очень плотной и прочной керамики получают тонкие волокна-«усы» («нити»), которыми пользуются для упрочнения других материалов, в том числе и обычных керамических. Керамика играет важную роль в современной технике, заменяя иногда металл в деталях двигателей, которые работают при особенно высоких температурах.

Не все керамические материалы изготовляются сейчас из оксидов; некоторые новые сорта керамики представляют собой соединения различных элементов с углеродом или азотом [7]. Победитовое сверло с режущим вкладышем из карбида-пример использования такой керамики в современной технике.

Оксиды или карбиды радиоактивного урана часто спекают для получения керамических брикетов. Брикеты в металлических контейнерах -тепловыделяющие элементы ядерных реакторов.

В развитых странах широко используются электрические и магнитные свойства керамики, хотя те и другие свойства обычно считаются присущими металлам. Так, керамические элементы составляют основу современных солнечных батарей, способных преобразовывать солнечный свет непосредственно в электроэнергию.

Если некоторые железосодержащие керамические материалы охлаждать определенным образом, то полученный материал окажется способным обращать механическую энергию в электрическую благодаря особому расположению электрических диполей. Современная звукозапись и воспроизведение звука осуществляются часто с помощью таких «сегне-тоэлектриков». Аналогичные материалы- «ферриты»-представляют керамику, в которой можно ориентировать не электрические, а магнитные диполи. Ферриты нашли применение в современных радарах, вычислительных машинах и миниатюрных электродвигателях.