Керамика

Керамика — это изделия и материалы, получаемые из неорганических, неметаллических веществ (главным образом глин и их смесей с минеральными добавками) путём формования и последующего обжига при высоких температурах. Керамика является одним из древнейших материалов, созданных человеком, и обладает широким спектром свойств: от хрупкости и пористости до высокой твёрдости, термостойкости и химической инертности. В зависимости от состава и технологии обработки керамика классифицируется на строительную, техническую, бытовую и художественную.

История

Древнейшие образцы

Первые известные керамические изделия датируются эпохой верхнего палеолита. Наиболее ранние находки — фрагменты керамических статуэток (так называемая «Венера из Дольни-Вестонице», Чехия, около 29–25 тыс. лет до н. э.) и обожжённые глиняные фигурки. Однако систематическое производство посуды и сосудов для хранения началось в неолите, около 10–8 тыс. лет до н. э., с переходом к оседлому образу жизни. В этот период керамика стала неотъемлемой частью быта: глиняные горшки, миски и кувшины использовались для приготовления пищи, хранения зерна и воды.

Развитие в древних цивилизациях

В Древнем Египте, Месопотамии, Индии и Китае керамическое производство достигло высокого уровня. В Китае около 2000 года до н. э. была изобретена глазурованная керамика, а к эпохе династии Шан (XVI–XI века до н. э.) — первые образцы фарфора. В Древней Греции и Риме керамика стала основой для массового производства амфор, пифосов и черепицы, а также для художественной росписи (краснофигурная и чернофигурная вазопись). В Древней Руси гончарное ремесло было широко распространено с IX–X веков; новгородские и псковские мастера изготавливали поливную керамику, изразцы и кирпич.

Средневековье и Новое время

В средневековой Европе керамика продолжала развиваться в основном как ремесло. В XV–XVI веках в Италии возникла майолика — керамика с цветной глазурью, в Германии — каменная керамика (штейнцойг). В XVIII веке в Англии Джозайя Веджвуд разработал технологию фаянса и кремовой керамики, что позволило наладить массовое производство посуды. В России в XVIII веке были основаны первые фарфоровые мануфактуры: Императорский фарфоровый завод в Санкт-Петербурге (1744) и завод Гарднера в Вербилках (1766).

XX–XXI века

В XX веке керамика перестала быть исключительно бытовым или строительным материалом. Развитие технической керамики (оксидной, карбидной, нитридной) привело к её использованию в авиации, электронике, медицине и ядерной энергетике. Современные технологии позволяют получать керамику с заданными свойствами: сверхтвёрдую, огнеупорную, биосовместимую, прозрачную для инфракрасного излучения.

Классификация

По составу и структуре керамику подразделяют на несколько основных групп.

Грубая керамика

• Гончарная керамика — пористая, неглазурованная или покрытая простой глазурью, обжиг при 900–1100 °C. Используется для изготовления горшков, кувшинов, цветочных кашпо.
• Терракота — неглазурованная керамика красного или коричневого цвета из красножгущейся глины, применяется в архитектуре (облицовка, черепица, скульптура).
• Кирпич — строительная керамика, обжиг при 1000–1200 °C, обладает высокой прочностью и морозостойкостью.

Тонкая керамика

• Фаянс — плотная, пористая (водопоглощение 9–12 %), покрытая прозрачной или глухой глазурью. Обжиг двойной: утильный (900–1000 °C) и политой (1050–1150 °C). Из фаянса изготавливают столовую посуду, декоративные изделия.
• Майолика — разновидность фаянса с цветной глазурью (эмалью), часто с росписью. Характерна для итальянского Возрождения и русских изразцов XVII–XVIII веков.
• Фарфор — наиболее плотная, спекшаяся, белая и полупрозрачная керамика. Обжиг при 1300–1450 °C. В состав входят каолин, полевой шпат и кварц. Фарфор бывает твёрдый (высокотемпературный) и мягкий (низкотемпературный, с добавлением стекла или костяной золы — костяной фарфор).
• Каменная керамика (каменный товар) — плотная, не пропускающая воду, прочная, часто неглазурованная или с тонкой глазурью. Обжиг при 1200–1300 °C. Примеры: клинкер, керамогранит.

Техническая керамика

• Оксидная керамика (Al₂O₃, ZrO₂, MgO) — высокая твёрдость, термостойкость, электроизоляционные свойства. Применяется в подшипниках, режущих инструментах, изоляторах.
• Карбидная и нитридная керамика (SiC, Si₃N₄, B₄C) — сверхтвёрдость, жаростойкость, устойчивость к абразивному износу. Используется в броне, футеровке печей, деталях двигателей.
• Пьезокерамика (титанат бария, цирконат-титанат свинца) — способность преобразовывать механическое напряжение в электрический сигнал и обратно. Применяется в датчиках, ультразвуковых излучателях, зажигалках.
• Сверхпроводящая керамика (YBa₂Cu₃O₇₋δ) — керамические материалы, проявляющие сверхпроводимость при температурах выше 77 К (температура кипения жидкого азота).

Технология производства

Сырьё

Основным сырьём для керамики служат глины (каолинит, монтмориллонит) и их смеси с отощающими добавками (кварцевый песок, шамот) и плавнями (полевой шпат, доломит). Для технической керамики используются чистые оксиды, карбиды, нитриды.

Формование

• Пластическое формование — из увлажнённой глиняной массы (влажность 15–25 %) на гончарном круге или вручную.
• Литьё — шликер (жидкая суспензия глины) заливается в гипсовые формы, которые впитывают воду, образуя корку.
• Прессование — сухой порошок (влажность 2–7 %) прессуется под высоким давлением в стальных формах.
• Экструзия — пластичная масса продавливается через мундштук, формируя длинномерные изделия (кирпич, трубы).

Сушка и обжиг

После формования изделие сушат при 50–120 °C для удаления влаги. Затем проводят обжиг в печах (муфельных, туннельных, камерных) при температурах от 900 до 1450 °C. В ходе обжига происходят физико-химические превращения: дегидратация глинистых минералов, спекание частиц, образование стеклофазы. Для глазурованных изделий обжиг может быть двухстадийным.

Глазурование

Глазурь — стекловидное покрытие, наносимое на поверхность керамики до или после первого обжига. Она придаёт изделию водонепроницаемость, декоративность и химическую стойкость. Глазури бывают прозрачные, глухие, цветные, кристаллические, кракле.

Применение

Строительство

Керамика широко используется в строительстве: кирпич, черепица, керамогранит, плитка для полов и стен, санитарно-технические изделия (унитазы, раковины, ванны). Керамические блоки и пустотелые камни применяются для возведения несущих и ограждающих конструкций.

Бытовая и художественная керамика

Столовая посуда, чайные и кофейные сервизы, вазы, статуэтки, изразцы, кафель. Художественная керамика включает майолику, фарфоровые статуэтки, авторские керамические панно.

Промышленность и техника

• Электротехника: изоляторы для высоковольтных линий, конденсаторы, подложки для микросхем.
• Машиностроение: подшипники, уплотнения, режущие пластины, сопла для газовых горелок.
• Медицина: биосовместимая керамика (оксид алюминия, цирконий) для эндопротезов, зубных коронок, имплантатов.
• Авиация и космонавтика: теплозащитные плитки (например, на космических кораблях «Спейс Шаттл»), детали двигателей.
• Ядерная энергетика: керамические материалы для поглотителей нейтронов, контейнеров для радиоактивных отходов.

Наука и исследования

Керамика используется в лабораторной посуде (тигли, лодочки, трубки), в качестве подложек для тонкоплёночных структур, в оптике (прозрачная керамика для лазеров).

Интересные факты

• Самая древняя керамическая статуэтка — «Венера из Дольни-Вестонице» (около 29 000 лет до н. э.).
• Фарфор был изобретён в Китае в VII–VIII веках, но в Европе его рецепт был открыт лишь в 1708 году Иоганном Фридрихом Бёттгером в Мейсене.
• Керамогранит — один из самых прочных и износостойких керамических материалов, его твёрдость по шкале Мооса достигает 8–9.
• В современной технике используется керамика, способная выдерживать температуры до 3000 °C (например, карбид гафния).
• Пьезокерамические зажигалки не требуют батареек и работают за счёт механического удара по кристаллу.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, керамика имеет ряд недостатков: хрупкость (низкая ударная вязкость), сложность обработки после обжига, высокую энергоёмкость производства (обжиг требует значительных затрат топлива или электроэнергии). Кроме того, при производстве строительной керамики образуются отходы (бой, пыль), которые требуют утилизации. В некоторых случаях (например, при использовании глазурей с содержанием свинца) керамика может представлять опасность для здоровья, поэтому в современной посуде применяются безопасные составы.

Источники

• Августинник А. И. Керамика. — М.: Стройиздат, 1975.
• Будников П. П., Гинстлинг А. М. Реакции в смесях твёрдых веществ. — М.: Стройиздат, 1971.
• Керамика: технология и свойства / под ред. В. С. Бакунова. — М.: Металлургия, 1988.
• Техническая керамика: справочник / под ред. Г. В. Самсонова. — Киев: Наукова думка, 1985.
• Керамика и огнеупоры: энциклопедия / под ред. В. А. Копейкина. — М.: Интермет Инжиниринг, 2003.