Подготовка материалов.

Материалы, используемые для формования керамических изделий, обычно характеризуются как размером частиц, так и распределением их по размерам. Размер частиц сильно влияет на свойства каждого материала. Тонкозернистые материалы имеют высокую пластичность и прочность в высушенном состоянии, но из-за небольших размеров, присутствующих в них капилляров, они медленно обезвоживаются и дают высокую усадку при сушке.

Грубозернистые материалы имеют малую пластичность и низкую прочность в высушенном состоянии, но быстрее обезвоживаются и имеют малую усадку в высушенном состоянии.

Помимо размера частиц важно также их распределение по размерам. Для шихты из частиц одного размера беспорядочная упаковка дает около 40% по объему пористости или пустого пространства. Однако если ввести в шихту тонкозернистый материал, для заполнения промежутков между более крупными частицами, общая пористость понизится до 16 % об. На практике этот результат не достигается из-за целого ряда причин.

Теоретическое изменение плотности при заполнении формы материалом различного размера можно проследить на примере укладки шаров различного размера различными способами. Максимальная теоретическая плотность укладки шаров одинакового размера составляет 74% при тщательной ручной укладке. Свободно насыпанные шары дают плотность 55%, а при вибрационной утряске до 64%.

Большая плотность достигается при заполнении промежутков между большими шарами, малыми шарами, которые могут заполнить эти промежутки, не раздвигая больших шаров. Для плотной упаковки шаров необходимо брать 80% крупной фракции шаров диаметром 1-0,5 R, 5% шаров средней фракции диаметром 0,2-0,1 R и 15% тонкой фракции с диаметром < 0,1 R.

Для реальных порошков керамических материалов минимум пористости имеет место в массе, состоящей из трех различного размера компонентов, содержащей около 70%грубого материала. При этом пористость может снизиться до 25%. Количество компонентов более 4 не способствует уплотнению керамической массы.

Для керамических материалов в целях получения плотных упаковок зерновой состав рекомендуется подбирать по формуле:

Y_i = [a + (1- a)(d_i/D)ⁿ]100 (1)

где: Y_i – доля соответствующей фракции с диаметром частиц d_i; a- коэффициент, зависящий от свойств масс и содержания в них тонкомолотого компонента. Находится в пределах 0 < a < 0,4; n– показатель, характеризующий распределение узких фракций и учитывающий отношение тонкозернистой к грубозернистой составляющих в смеси;

Из уравнения (1) следует, что плотность упаковки зависит от трех показателей - a, nиD. Величину D подбирают опытным путем из технологических соображений (пропрессовка, получение точных углов и граней).

На свойства изделий оказывает влияние не только объем пор, но и их структура. Поэтому следует рассматривать влияние зернового состава и на структуру пор. Тонкомолотая составляющая массы образует особый элемент структуры изделий, называемый связкой. Увеличение связки в общей массе сверх оптимального содержания приводит к увеличению внутренних пор в связке, а при снижении – к увеличению пор между крупными зернами и связкой. При оптимальном содержании связки пористость должна определяться главным образом пористостью самых крупных зерен.

Оптимальный зерновой состав масс сам по себе еще не обеспечивает получение плотных прессовок. Более существенным фактором является давление прессования, т.к. при прессовании происходит перемещение частиц под давлением и уплотнение массы. Однако правильный подбор зернового состава шихты позволяет достичь минимальной пористости прессовки при меньшем давлении статического прессования.

В общем случае, процесс подготовки порошков для получения керамических изделий включает стадии дробления исходного материала, рассеивания порошков по размеру и синтез требуемого порошка из порошков различного гранулометрического состава, рис. 1.