Властивості порцеляни та його застосування

Термін «фарфор» відноситься до широкого діапазону керамічних виробів, які виготовляються при високих температурах. Їх відмінними рисами є гладка поверхня і низька пористість. Ці властивості порцеляни широко затребувані і понині. Складно відшукати якусь галузь промисловості або народного господарства, де б він не використовувався. Найбільш поширений декоративний фарфор, а також хімічна посуд, зубні коронки і електричні ізолятори. Зазвичай білого або брудно-білий, на «випікання» цей чудовий матеріал прибуває непрезентабельним шматком кераміки, яка придбає звичний нам вид тільки після прожарювання у високотемпературних печах.

Переваги китайських сервізів

У цій статті ми обговоримо властивості та види порцеляни. Ви зрозумієте, чому у всьому світі цей матеріал користувався такою популярністю, що для його покупки споряджалися величезні експедиції. За гарний сервіз, який сьогодні можна купити в будь-якому магазині, тоді могли вбити. Як не дивно, але вироби китайських майстрів з нинішньою керамікою - тільки родичі, але не прямі. Щоб у цьому переконатися, достатньо згадати основні властивості порцеляни, вийшов з майстерень Піднебесної. Матеріали дуже схожі один на одного: як нинішній, так і древній фарфор може бути глазурованою або «природним». Але проста кераміка набагато м'якше. І високоякісний сервіз з неї зробити не вийде.

Чому так відбувається?

Такі властивості порцеляни, як міцність і термостійкість, - плід високих температур, при яких ведеться виробництво справжньої китайської кераміки. Вона проводиться при температурі 2650 градусів за Фаренгейтом (1454 градуса Цельсія). Порівняйте це з 2200 градусів за Фаренгейтом (1204 градуси Цельсія) для простого порцеляни. Так як другий матеріал має більш низьку якість, він не використовується в хімічної промисловості та інших технологічних галузях науки. Крім того, саме китайська порцеляна найвищої якості прозорий на просвіт. Груба кераміка такого ефекту дати не може.

Шпигунські пристрасті

«Тверда паста», або істинний фарфор, вперше з'явилася в Китаї за часів династії Тан (618-907 рр). Але дійсно високоякісна продукція, за своїми властивостями нічим не поступається сучасної, стала відома миру лише за часів династії Юань (1279-1368 рр.). Ранній китайський фарфор складався з каоліну (порцелянова глина) і пегматиту - грубого типу граніту. Він був невідомий європейським гончарям до початку імпорту китайського обладнання в період Середньовіччя. Європейці спробували дублювати властивості порцеляни, але не досягли успіху в цій справі. Оскільки проаналізувати його хімічний склад вони були не в змозі, вироби, вироблені ними, нагадували витончену, тендітну і в той же час міцний посуд тільки зовні. Виходило так собі. Щоб добути секрет виробництва істинного порцеляни, розгорталися справжні шпигунські війни, однак китайці пущі життя берегли свою таємницю. Чому цей матеріал був такий популярний? Причина – відмінні фізичні властивості порцеляни. Він міцніше звичайної кераміки, володіє високою теплопровідністю, що дозволяє заварювати в чайниках з нього чудовий чай. Крім того, за рахунок глазурі фарфор має вкрай малою маркістю, окрашиваясь тільки під впливом синтетичних пігментів. Чашки з давніх китайських сервізів через багато століть зберігають білизну.

Ерзаци

Після змішування скла з оксидом олова, щоб отримати непрозорий матеріал, європейські ремісники спробували об'єднати глину і матове скло. Ці альтернативи стали відомими як «м'яка паста», або штучний фарфор. Але засмучували два неприємні обставини: всі ці матеріали виявилися занадто м'якими, з них неможливо було зробити дійсно тонкі, витончені вироби, так і витрати на виробництво були занадто великі. Словом, властивості порцеляни «ерзац-типу» були дуже далекі від досконалості. Є відомості, що наші майстри також володіли мистецтвом виробництва істинного фарфору, але всі секрети російської кераміки були втрачені в період татаро-монгольської навали, коли випалювалися цілі міста разом з усіма їх мешканцями. Певного прориву змогли досягти також англійці. Вони створили «кістяну» різновид матеріалу. Але що таке кістяний фарфор, основні властивості якого забезпечили йому неймовірну популярність в старій Європі?

Історія створення

У 1707 році два німця по імені Еренфрід Вальтер фон Чимхаус і Йоган Фрідріх Боттгер відкривають більш «нормальний» спосіб виробництва, при якому використовується глина і дрібно розмелений польовий шпат. У XVII столітті англійські ремісники дізналися в ході експериментів, що практично ідентичний китайському фарфор можна отримати, якщо додати до цієї суміші дрібно розмелені перепалені кістки. Причому згодом виявилося, що англійський варіант дозволяє виготовляти прозору кераміку при значно більш низьких температурах, що значно здешевлювало виробництво. Крім того, фарфор з Туманного Альбіону набагато гірше бився, був значно міцніший. Так що не дивно, що англійці незабаром завалили своїми сервізами половину Старого і майже весь Новий Світ.
Які властивості кістяного порцеляни? По-перше, вироби з нього відрізняються високою міцністю при малій вазі і тонкостінних. По-друге, ця різновид кераміки не може використовуватися в хімічній промисловості, так як речовини, що входять до її складу, вступають в реакцію з кислотами і лугами.

Сировина

Як ми вже говорили, основні компоненти цього матеріалу вкрай прості: глина, польовий шпат, мінерали з вмістом кальцію. Досі різні компанії змагаються між собою, так як швидко було встановлено, що властивості порцеляни і фаянсу можна кардинально змінити, додавши до його складу нові елементи. Звичайно, якщо досвід виявиться вдалим. Незважаючи на те, що склад глини варіюється в залежності від місця її видобутку, все одно вона перетворюється в скло (за рахунок чого досягається гладкість кінцевого продукту) тільки при надзвичайно високих температурах. Але це справедливо тільки для тих випадків, коли глини не змішані з матеріалами, поріг вітрифікації яких нижче. На відміну від скла, глина, однак, є термостабильной, тобто зберігає свою форму навіть при сильному нагріванні. Так що матеріал цей справді унікальний, оскільки поєднує низьку пористість скла з стійкістю і відносної міцністю простий кераміки. В якості основного типу сировини у всі часи використовувався каолін, гидроалюмосиликат. Польовий шпат (містить силікат алюмінію) і кремінь, тип твердого кварцу, є надзвичайно важливими компонентами будь-якого типу порцеляни. Вони розплавляються під час нагрівання, пов'язуючи матеріал в єдиній ціле.

Кварц – «серце» порцеляни

Це запорука міцності. Властивості порцеляни (і його застосування) у багато обумовлені саме цією характеристикою: він погано б'ється (якщо порівнювати зі склом), а малі відстані між частинками забезпечують непроникність матеріалу для повітря, води, інших сполук. Кварц є «сплавом» кисню і кремнію - двох найпоширеніших елементів в земній корі. У нього є три функціональні форми: безпосередньо кварц (кристали), опал (аморфна різновид) і пісок (змішана, брудна фракція). Загалом-то, кварц з давніх пір використовується в ремісничому виробництві. Фарфор може також містити глинозем і стеатит, більш відомий як «мильний камінь».

Виробничий процес

Після того як сировина буде відібрано і зважено, воно надходить на виробництво. По-перше, воно очищається і перемелюється до дуже дрібних фракцій. Після цього всі компоненти змішуються в необхідній пропорції, що залежить як від умов виробництва, так і від характеристик кінцевих виробів. Як тільки останні сформовані, вони можуть бути відправлені в піч відразу ж, або ж піддаються попередньому очищенню і подальшого нанесення шару глазурі. Звичайно, її ролі спершу виступає розмелене скло. І тільки після цього майбутні вази, чашки, унітази та зубні коронки відправляються в жерло печі. А зараз розглянемо кожен етап окремо. Як-ніяк, від їх успішності залежать властивості порцеляни та його застосування!

Роздрібнення сировини

Мабуть, це одна з найбільш важливих операцій, так як від старанності її проведення залежить якість кінцевого виробу. Роздрібнення здійснюється за допомогою величезних механічних барабанних дробарок. На другому проході розмір частинок доводиться до 025 см. Щоб перетворити вихідну сировину в дрібний пил, використовують особливі, кульові дробарки. Це величезні сталеві циліндри, заповнені металевими кульками. Коли вся конструкція обертається, частинки сировини перетворюються в однорідну масу вкрай дрібного помелу.

Очищення і змішування

Суміш пропускається через тонкі фільтри, а потім подається на спеціальний конвеєр, що представляє собою похило розташовані сталеві листи. Вони вібрують, в результаті чого сировину не тільки автоматично перемішується, але і сортується, так як найбільш великі частки виштовхуються наверх. Якщо потрібна подача змоченого матеріалу, то на лінії в автоматичному порядку розпорошується вода. Іноді використовуються фільтри з потужними магнітами, так як останні дозволяють видалити дрібні домішки заліза. Останнє, якщо потрапить в готову продукцію, повідомить йому небажаний червоний відтінок. Після цього готові вироби відправляють у піч, де йде випал при вже згаданих нами температурах.

Від яких умов виробництва можуть залежати властивості продукції?

Слід зазначити, що під час остаточного випалу відбувається безліч процесів, від яких безпосередньо залежать властивості холодного фарфору. По-перше, спалюються всі вуглецеві органічні домішки, випаровуються надлишки води, з товщі майбутнього вироби виходять різні газоподібні фракції. Якщо при цьому температура не буде доведена до 1100 градусів за шкалою Цельсія, то кремній та інші компоненти глазурі не зможуть розплавитися, а значить, не сформують на поверхні кераміки гладкого і хімічно нейтрального шару. Крім того, ці сполуки необхідні для скорочення відстані між частинками матеріалів, для більш надійного з'єднання їх один з одним. Після того як бажана щільність досягнута, виріб охолоджується, внаслідок чого глазур «стягується», стає гладкою і особливо міцною.

Підсумки

Так навіщо ж ми все це описували? Вся справа в тому, що властивості цього матеріалу найтіснішим чином залежать від особливостей і умов його виготовлення. Наприклад, міцність залежить від відсотка вмісту в масі польового шпату, так і кількість пір в порцеляні тим менше, чим шпату більше. У міру розчинення у склі кварцу і залишку, отриманого від розкладання глинистого речовини, скелет фарфорового матеріалу стає слабкішим, і деформації зростають. Залежно від тонкості помелу кварцу, складу маси, температури і тривалості випалу, в склад склоподібної фази входить від 15 до 40 % всього запровадженого в масу кварцу. Чим його більше, тим фарфор тонше і «легшим». Властивості керамічних матеріалів як діелектриків характеризуються в основному опором проходженню електричного струму в матеріалі і на поверхні ізолятора. Розрізняють питомий об'ємний і питомий поверхневий опір порцеляни. Крім цього, величезне практичне значення мають хімічні властивості порцеляни. Точніше, їх відсутність. Глазурована кераміка з додаванням великої кількості польового шпату і кварцу є хімічно нейтральною. Думаєте, чому ступки фармацевтів і хіміків зроблені саме з цього матеріалу? Він набагато міцніше скла, але при цьому не вступає в реакцію.

Сучасне положення справ

Сьогодні кераміка (і фарфор зокрема) переживає друге народження. Виявилося, що ці матеріали можуть бути використані у виробництві різних типів мікроелектроніки. Важливість цього для сучасної цивілізації пояснювати не потрібно. Також вчені з'ясували, що при додаванні певних присадок міцність порцеляни зростає в геометричній прогресії. В даний час ведуться навіть перспективні дослідження в області створення на його основі нових типів броні. Так що не унітазами єдиними! Нарешті, все більшого значення цей матеріал набуває в медицині. Різні протези та чудові зубні коронки – на них попит зростає з кожним роком. Так що древнє китайське винахід ще дуже довго буде залишатись актуальним.