۱۱ مرداد ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

مواد سرامیکی ترکیباتی از عناصر فلزی و غیر فلزی هستند. می توان گفت که سرامیک به ماده ای گفته می شود که بخش اصلی تشکیل‌دهنده ی آن‌ غیر فلزی و غیر آلی است. سرامیک های صنعتی غالبا بلوری هستند و ساختار بلوری شان کلی پیچیده تر از ساختارهای فلزی ساده است.

سرامیکها

سرامیکها ( Ceramics ) یا مواد سرامیکی ترکیباتی از عناصر فلزی و غیر فلزی هستند. یک مثال ساده در مورد سرامیکها منیزیا (اکسید منیزیم MgO) می باشد. برخی از سرامیکها عبارتند از: آجر، سنگ، کوارتز، اکسید سیلیس شیشه ای (Fused silica)، سفال (Stoneware)، شیشه، کاشی رسی (Clay tile)، چینی، بتن، مواد سنباده، ملات ها (Mortars) و نسوزها.

تاریخچه استفاده از سرامیکها

سرامیک ها از جمله اولین موادی هستند که به دست بشر ساخته شده اند. در زمان های بسیار قدیم، انسان ها به واسطه سفالگری که مواد اولیه آن بر پایه خاک رس و سایر افزودنی های معدنی بود، با سرامیک ها عجین شده بودند.

اجزای تشکیل دهنده سرامیکها و نوع پیوند در آنها

مواد سرامیکی ترکیباتی از مواد فلزی و مواد غیر فلزی هستند. می توان گفت که سرامیک به ماده ای گفته می شود که بخش اصلی تشکیل‌دهنده ی آن‌ غیر فلزی و غیر آلی است. سرامیکهای صنعتی غالبا بلوری هستند و ساختار بلوری شان کلی پیچیده تر از ساختارهای فلزی ساده است. پیوندها در سرامیکها متغیر است، ممکن است یونی، کووالانت یا خصوصیات مخلوطی از یونی – کووالانت داشته باشند. پیوند کووالانت مستحکم تر از پیوند یونی بوده و جهت دار می باشد. یک نتیجه ی منطقی از این پیوند این است که سرامیکها نقطه ذوب بالایی دارند. این نوع پیوند همراه با ساختار بلوری پیچیده، سرامیکها را شکننده اما مستحکم می سازد.

خواص سرامیک ها ناشی از پیوند بین آنها می باشد، لذا در مواد سرامیکی گستره وسیعی از خواص را می توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در کنار آین که سرامیک ها عمدتا به عنوان مواد عایق و دی الکتریکشناخته شده اند اما اکسید های سرامیکی مبتنی بر (Y-Ba-Cu-O)  از جمله ابر رساناهای بسیار قوی می باشند.

در علم مواد اغلب مواد را با دسته بندی های خاص تقسیم می کنیم، از جمله :

• سرامیک ها

• فلزات

• پلیمرها

این دسته بندی براساس انواع اتم ها و پیوند بین آن ها می باشد، که خواص و ویژگی های منحصر به فرد سرامیکها از تفاوت ان ها در نوع اتم ها و پیوند بین آن ها ناشی می شود.

روشهای تولید سرامیکها

به دلیل نقطه ذوب بالای سرامیکها، تعداد محدودی از آنها به وسیله ی ذوب و ریخته گری تولید می شوند. به همین خاطر سرامیکهای صنعتی مدرن مانند آنهایی که حاوی آلومینا می باشند بیشتر به روش متالورژی پودر تولید می شوند. قطعات سرامیکی به روش پرسکاری، اکستروژن یا به طریق Slip casting ساخته می شوند.

تحقیقات وسیعی برای تولید سرامیک های بسیار مقاوم در برابر ضربه مثل کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم و زیرکونیا در جریان است. هدف اصلی آن است که تردی آنها را کاهش داد تا بتوانند در موتورهای دیزلی، توربین های گازی و غیره به کار روند.

دسته بندی سرامیکها از نظر کاربرد

سرامیک‌ها از نظر کاربرد به دو گروه زیر تقسیم‌ می‌شوند:

  • سرامیک های سنتی یا سیلیکاتی (Traditional Ceramics or silicate ceramics)
  • سرامیک‌ های مدرن یا مهندسی   (New Ceramics)

سرامیکهای سنتی (سیلیکاتی)

ما می توانیم سرامیکهای سنتی را به عنوان سرامیک های سیلیکاتی تعریف کنیم. کاشی، سفال، چینی، شیشه، گچ، سیمان، لعاب، ساینده ها، مواد و مصالح ساختمانی به عنوان سرامیکهای سنتی شناخته می شوند.

به طور معمول ، سرامیک های سنتی از سه جزء اصلی از جمله خاک رس ، سیلیس و فلدسپارساخته می شوند. به عنوان مثال آجر ، کاشی و چینی های مظروف و بهداشتی در این دسته قرار می گیرند.

سرامیکهای مدرن یا نوین (سرامیکهای مهندسی)

سرامیک های مدرن ، نوین ، مهندسی و یا پیشرفته موادی هستند که (عمدتا از اوایل قرن بیستم) برای کاربردهای بسیار خاص مهندسی شده اند. به عنوان مثال ، نیتریدهای سیلیکون و کاربیدهای تنگستن برای ساخت ابزارهای برش فوق العاده سخت و با کارایی بالا طراحی شده اند، هرچند که کاربردهای دیگری نیز دارند. بیشتر سرامیک های مهندسی شده مدرن اکسیدهای فلزی ، کاربیدها و نیتریدها هستند.

در واقع سرامیکهای مهندسی به موادی گفته می شوند که دارای خواص مکانیکی برتر ، مقاومت در برابر خوردگی و خصوصیات حرارتی ، الکتریکی ، نوری یا مغناطیسی هستند. آنها را می توان به عنوان گروهی از مواد غیر فلزی معدنی تعریف کرد که تقریباً بلورین هستند. سرامیکهای مدرن در اصل ترکیبات خالص هستند. آنها ترکیبات بلوری عناصر فلزی و غیر فلزی هستند. عناصر فلزی معمولاً آلومینیوم ، سیلیکون ، تیتانیوم ، منیزیم و بور هستند. در حالی که غیر فلزی ها اکسیژن ، کربن یا ازت هستند.

همه مواد سرامیکی ترکیبات ساده ای ندارد کامپوزیت ها نیز دسته دیگری در مواد سرامیکی هستند که در آنها سرامیک نوعی ماده پس زمینه به نام ماتریس را تشکیل می دهد که با الیاف ماده دیگری (اغلب الیاف کربن یا بعضی اوقات الیاف یک ماده سرامیکی متفاوت) تقویت می شود. .

اگرچه سرامیکهای سنتی یا سرامیکهای سیلیکاتی بخش عمده ای از محصولات سرامیکی را تشکیل می دهند. اما در سال های اخیر هم در مقیاس وزنی (تناژ) و هم در مقیاس ارزی (ارزش مالی) سرامیک های مدرن توسعه یافته اند. این سرامیکها اکثرا از مواد اولیه ی خالص و سنتزی ساخته می‌شوند.

سرامیکهای نوین به دلیل اینکه خصوصیات منحصر به فرد یا برجسته ای دارند از اهمیت خاصی برخوردار هستند. در هر صورت این نوع سرامیکها در راستای تحقق یک نیاز خاص به طور مثال مقاومت در برابر درجه حرارت بالا (کاربرد دمای بالا)، خواص مکانیکی برتر، خواص الکتریکی ویژه و مقاومت شیمیایی عالی توسعه یافته اند. یا اینکه برخی از سرامیک های مدرن به طور تصادفی کشف شده اند و تبدیل به بخش مهمی از این صنعت شده اند.

سرامیکها  از نظر ترکیبی بسیار متفاوت هستند. خواص مواد سرامیکی نیز به دلیل تفاوت در نوع پیوند ، بسیار متفاوت است و بنابراین ، طیف گسترده ای از کاربردهای مهندسی را پیدا کرده است. طبقه بندی سرامیکها بر اساس کاربرد آن ها و ترکیب اصلی از جمله مهم ترین دسته بندی ها در این مواد می باشد.

تقسیم بندی سرامیکها بر اساس ترکیب آنها ، به شرح زیر می باشد:

• اکسیدها

• کاربیدها

• نیترید ها

• سولفید ها

و غیره.

طبقه بندی مهم دیگر سرامیکها بر اساس کاربرد آنها ، مانند:

• شیشه ها

• محصولات رسی

• نسوزها

• ساینده ها

• سیمان

• سرامیک های پیشرفته

تقسیم بندی سرامیکهای مهندسی

سرامیکهای مهندسی به دو گروه اصلی تقسیم می شوند:

  • سرامیکهای اکسیدی     (Pure oxide ceramics)
  • سرامیکهای غیر اکسیدی (Non-oxidized ceramics)
سرامیکهای اکسیدی      (Pure oxide ceramics)

برخی از پرکاربردترین سرامیکهای اکسیدی عبارت‌اند از:

  • آلومینا (Al۲O۳)                  (alumina)
  • زیرکونیا (ZrO۲)                  (zirconia)
  • توریا (Th0۲)                      (thoria)
  • برلیا (BeO)                       (beryllia)
  • منیزیا (MgO)                    (magnesia)
  • سیلیکا (SiO۲)                             (silica)
  • تیتانیا (TiO۲)                     (titania)
  • اسپینل (MgAl۲۰۴)             (spinel)
  •       (Mg۲Si0۴)                        (forsterite)
سرامیک های غیر اکسیدی

این نوع سرامیکها با توجه به ترکیب طبقه بندی می‌شوند که برخی از پرکاربردترین آن‌ها در زیر آمده‌اند:

  • نیتریدها (Ceramic nitrides)

مانند  BN، TiN، Si۳N۴، GaN، AlN

تیتانیم نیترید (Titanium nitride or tinite) (TiN)

نیترید آلومینیوم (Aluminium nitride) (AlN)

  • کاربیدها (Ceramic carbides)

مانند SiC، TiC، WC

کاربید سیلیسیم (SiC) Silicon carbide

کاربید تیتانیم (TiC) Titanium carbide

کاربید تنگستن (WC) Tungsten carbide

کاربید بور (B۴C) boron carbide

بورایدها (Ceramic borides)

تیتانیم بوراید (TiB۲)

دسته بندی سرامیکهای مهندسی بر اساس کاربرد

سرامیکهای مهندسی ( مدرن ) بر اساس کاربرد به انواع زیر تقسیم می شود :

  • مغناطیسی
  • نوری
  • الکتریکی
  • حرارتی
  • مکانیکی
  • شیمیایی
  • بیوزیست
  • هسته ای

دسته بندی سرامیکها بر اساس مقاومت به خوردگی

به طور کلی در مقایسه با فلزات، سرامیکها درجه حرارت های بالاتری را تحمل می کنند، دارای مقاومت به خوردگی و سایشی بهتری هستند از جمله در برابر خوردگی سایشی مقاوم بوده و عایقهای بهتری هستند. اما تردتر بوده و استحکام کششی کمتری دارند و مقاومت در برابر شوک های حرارتی کمتری دارند. اکثر مواد سرامیکی مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی دارند. استثنای اصلی در این مورد اسید فلوریدریک و قلیایی ها هستند.

در این قسمت به مقاومت به خوردگی برخی از سرامیک ها پرداخته شده است.

آجر مقاوم در برابر اسید (Acidbrick)

این ماده از خاک نسوز با مقدار اکسید سیلیسیم حدود ۱۰ درصد بیشتر از آجر نسوز معمولی ساخته می شود. یکی از کاربردهای متداول آن برای جداره تامکها و مخازن برای جلوگیری از خوردگی به وسیله اسیدهای گرم یا خوردگی سایشی است. یک مخزن فولادی با جداره آجری معمولا دارای یک لایه واسط سرب، لاستیک یا پلاستیک است. موقع آجرچینی از سیمان های مقاوم در برابر اسید و ملاتها (Mortars) استفاده می کنند. کف محیط هایی که در معرض ریختن اسیدها قرار دارند از این آجرها فرش می شود.

چینی و سفال سنگی (Stoneware & Porcelain)

هر دو اینها به خاطر مقاومت به خوردگی خوبی که دارند کاربردهای وسیعی دارند. قطعات چینی معمولا کوچکتر از قطعات سفالی هستند و همچنین تخلخل کمتری دارند. سفالها برای ساخت دستشویی، کوزه ها (Crocks) و مخازن دیگر، برجهای جذب کننده، لوله ها، والوها و پمپ ها به کار برده می شوند. برای ساخت این گونه قطعات از چینی هم می توان استفاده نمود. به طور مثال افشانک های مورد استفاده برای پاشیدن اسید. چینی ها به طور وسیعی به عنوان عایق در شمع اتومبیل به کار می روند.

خاک رس

محصولات خاک رس عبارتن هستند از آجر ساختمانی، نسوز، فاضلاب، آجر فرش، سفالینه قرمز (Tarra-Cottas)، لوله ها و کاشی های سقفی و دیواری. بعضی از اسیدهای گرم باعث خوردگی این مواد می گردند.

شیشه ها

شیشه یک اکسید معدنی بی شکل (آمورف) است که عمدتا از اکسید سیلیسیم تشکیل شده و موقع سرد شدن از حالت مذاب بدون آنکه کریستالیزه شود منجمد می گردد. وسایل شیشه ای آزمایشگاهی مثل پیرکس (Pyrex) خیلی معروفند، لوله و پمپ های شیشه ای نیز وجود دارند. شفافیت باعث کاربرد آن در جریان سنج ها (Flowmeters) می شود. الیاف شیشه ای به طور وسیعی در فیلترها، عایق کاری و پلاستیک های تقویت شده به کار برده می شوند.

یک کاربرد جالب توجه شیشه عایق های حرارتی سطحی پیشرفته، چند بار مصرف، قابل انعطاف روی شاتل فضایی که دماهای ۱۵۰۰ درجه فارنهایت مواجه می شود، می باشد.

اکسید سیلیس شیشه ای (Vitreous silica) یا کوارتز ذوب شده (Fused quartz)

این ماده که تقریبا اکسید سیلیسیم خالص است دارای خواص حرارتی بهتری نسبت به اکثر سرامیک ها بوده و دارای مقاومت به خوردگی عالی در درجه حرارتهای بالا می باشد. برای لوله های استوانه ای، مشعل ها، محفظه واکنش، جاذب ها (Absorber)، لوله و غیره به کار برده می شود. مخصوصا در مواردی که آلودگی محصول نامطلوب است.

بتن

تانک ها و لوله های بتنی برای محیط های نسبتا خورنده معروف هستند. چنانچه محیط خورنده تر باشد، بتن را با پوشش یا روکش های مختلف محافظت می کنند.

مواد نسوز

اکسید منیزیم، مولیت، کاربید سیلیسیم، اکسید زیرکونیم پایدار شده و آلومینا جزء مواد نسوز هستند. این مواد مواد نسوز سوپر نیز می نامند.دارای مقاومت در برابر فلزات نسوز، سرباره ها و گازهای داغ می باشند. آلومینا به خاطر سختی بالا و مقاومت خوردگی خوب برای پمپ ها و والوها کاربرد وسیعی پیدا نموده است. کاربید سیلیسیم برای افشانک هایی که برای پاشیدن اسید سولفوریک به کار می رود، مناسب است.

ویژگی و خواص سرامیکها

از جمله بارزترین ویژگی سرامیکها می توان به مواردی مانند :سختی بالا ، مقاوم در برابر سایش ، شوک حرارتی ، نسوز ، عایق الکتریکی و حرارتی ، شفافیت ذاتی ، پایداری شیمیایی و مقاوم در برابر اکسیداسیون اشاره کرد. البته استثنائاتی هم وجود خواهد داشت. برخی از سرامیک ها از نظر الکتریکی و حرارتی کاملاً عایق هستند ، در حالی که برخی دیگر حتی ابررسانا هستند.

خواص سرامیکها  توسط ترکیب آن تعیین می شود و ساختار آن در نتیجه فرآیند تولید آن مشخص می شود. به دلیل نقطه ذوب بالای سرامیکها، تعداد محدودی از آنها به وسیله ی ذوب و ریخته گری تولید می شوند. به همین خاطر سرامیک های صنعتی مدرن مانند آنهایی که حاوی آلومینا می باشند بیشتر به روش متالورژی پودر تولید می شوند. قطعات سرامیکی به روش پرسکاری، اکستروژن یا به طریق Slip casting ساخته می شوند. نقطه ذوب بالای سرامیک ها به علت پیوند بسیار قوی و جهت دار کوالانت بین اتم ها می باشد، این نوع پیوند همراه با ساختار بلوری پیچیده، سرامیکها را شکننده اما مستحکم می سازد.

ویژگی های عمومی سرامیکها که  تا حد قابل قبولی با انتطارات ما از ماده ای با چنین ترکیبی تطابق دارد به صورت زیر خلاصه می شود:

۱-شکنندگی
۲-رسانایی حرارتی ضعیف
۳-استحکام فشاری
۴-حساسیت شیمیایی
۵-شفافیت
۶-رسانایی الکتریکی ضعیف

مقاومت به اکسیداسیون سرامیکها

ترکیبات سرامیکی مثل بوریدها، کاربیدها و نیتریدها دارای مقاومت به اکسیداسیون متوسطی هستند و به علت باندهای بین اتمی قوی دارای نقطه ذوب بسیار بالایی می باشند. بورایدها، کاربیدها و اکسیدها عمدتا در درجه حرارت های بسیار بالا به کار می روند.

محدودیت اصلی این ترکیبات عدم انعطاف پذیری، کم بودن مقاومت آنها در مقابل شوک های حرارتی، عدم توانایی آنها برای متصل شدن به یکدیگر و ناسازگاری با مواد دیگر می باشد.

مقاومت به سایش سرامیکها

از سرامیکها می توان در کاربردهای سایشی مختلف استفاده کرد. رفتار سایشی سرامیک ها به ماهیت سطوح در تماس و وجود فیلم های سطحی بستگی دارد. معمولا مقدار سایش با ازدیاد تخلخل و اندازه دانه در سرامیک ها بیشتر می شود. وجود لایه های سطحی نظیر آب یا روغن موجب چسبندگی و سایش می شوند. مقدار سایش اکسید زیرکونیم نیمه پایدار شده، در محیط های آبی بیشتر از محیط های حاوی اسیدهای چرب نظیر اسید استیک است. در موتورها و کاربردهای مشابه، اصطکاک و خراشیدگی در کاربیدهای سیلیسیم در تماس با فولادهای روغن کاری شده از چدن های چاییده روی فولاد کمتر است. به این دلیل کاربیدهای سیلیسیم برای ساخت یاتاق ها و اجزای سوپاپ های موتور بسیار مناسب هستند.

کاربرد سرامیکها

استفاده از مواد سرامیکی در پروژه های صنعتی و تحقیقاتی  به طور فزاینده ای رواج دارد. مواد سرامیکی نسبت به فلزات و پلیمرها در وسایل الکترونیکی در دماهای بالا یا در محیط های خورنده دارای مزایای مهمی هستند. مواد سرامیکی کاربردهای ساختاری ، نسوز ، تولید انرژی ، بیوتکنولوژی و کاربردهای الکترونیکی دارند. در ادامه خلاصه ای از کاربردهای برخی مواد سرامیکی پرکاربرد آورده شده است.

آلومینا

آلومینا در مواردی از جمله کاربرد در دمای بالا و همچنین هنگامی که به استحکام بالایی نیاز داریم مورد استفاده قرار می گیرد. از آلومینا به عنوان یک بستر ثابت دی الکتریک پایین برای بسته بندی های الکترونیکی که دارای تراشه های سیلیکونی است نیز استفاده می شود. برخی کاربردهای منحصر به فرد آن در دندان پزشکی و پزشکی هم یافت می شوند. آلومینا با کروم دوپ شده برای ساخت لیزر استفاده می شود و نیز از  ذرات ریز آلومینا در کاتالیزورها هم استفاده می شود.

استفاده از آلومینا به عنوان بستر و زیرلایه برای تراشه های الکترونیکی.

الماس

الماس سخت ترین ماده طبیعی است. الماسهای صنعتی به عنوان ساینده برای سنگ زنی و پولیش استفاده می شوند. همچنین با استفاده از فرآیندهای رسوب بخار شیمیایی برای ساخت پوشش های مقاوم در برابر سایش از الماس استفاده می شود.

ساینده های سرامیکی از جنس الماس.

سیلیس

سیلیس احتمالاً پرکاربردترین سرامیکها است. سیلیس ماده ای اساسی در شیشه ها و بسیاری از سرامیکهای شیشه ای است. از مواد سیلیسی برای کاربردهایی از جمله عایق بندی حرارتی ، نسوز ، ساینده ، کامپوزیت های تقویت شده با الیاف و غیره استفاده می شود. همچنین از سیلیس به شکل الیاف یکپارچه طولانی ، برای ساخت فیبرهای نوری برای برقراری ارتباط استفاده می شود.

کاربید سیلیکون

کاربید سیلیکون مقاومت در برابر اکسیداسیون فوق العاده حتی در دمای بالاتر از نقطه ذوب فولاد را فراهم می کند. اغلب به عنوان پوشش برای فلزات ، کامپوزیت ها و سایر سرامیکها مورد استفاده قرار می گیرد کاربید سیلیکون همچنین به عنوان ماده ساینده برای سنگ زنی و همچنین تقویت ذرات و فیبر در هر دو ماتریس فلزی و ماتریس سرامیکی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین کاربید سیلیکون یک کاندیدای بسیار خوبی برای لوازم الکترونیکی با درجه حرارت بالا است.

قطعات الکترونیکی ساخته شده از کاربید سیلیکون.

 سیلیکون نیترید

دارای خواصی مشابه SiC است ، اگرچه مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در دمای بالا تا حدودی پایین است. هر دو نیترید سیلیکون و کاربید سیلیکون کاندیدای اجزای موتورهای توربینی اتومبیل و گازی هستند که اجازه کارکردن درجه حرارت بالاتر و بازده سوخت بهتر با وزن کمتر نسبت به فلزات سنتی و آلیاژهای آنها را دارند.

قطعات سیلیکون نیترید  مورد استفاده در اتومبیل .

منابع

Peng Wang,” The General Properties and Applications of Ceramic Materials”, Applied Mechanics and Materials, Vols 174-177. pp 215-218, 2012.

حوزه فعالیت شرکت در زمینه سرامیکها

شرکت پیشگامان توسعه مواد سام با بهره ­گیری از دانش و تجربه کارشناسان و مشاوران مجرب، خدمات متنوعی را در زمینه سرامیک ها ارائه می ­دهد که شامل موارد ذیل می شود:

  • انجام پروژه های دانشگاهی و صنعتی شامل فاز امکان سنجی، مطالعاتی و آزمایشگاهی در زمینه سرامیک ها و پوشش های سرامیکی
  • ارائه مشاوره در زمینه انتخاب مواد سرامیکی مناسب برای کاربردهای مختلف در تمامی صنایع
  • ارائه مشاوره در زمینه انتخاب پوشش های سرامیکی مناسب برای کاربردهای گوناگون مانند خوردگی، اکسیداسیون، سایش، خزش، خستگی و غیره
  • مشاوره در زمینه انتخاب مواد سرامیکی مهندسی در طراحی اولیه
  • مشاوره در زمینه انتخاب مواد سرامیکی و پوششهای سرامیکی مناسب برای دستگاه­ها، رآکتورها، مخازن نگهداری، خطوط تولیدی و …

آدرس صفحه اینستاگرام: https://instagram.com/sammaterial?igshid=w9jvr75cwm28

آدرس کانال تلگرام: http://t.me/SamMaterial

آدرس شرکت: دانشگاه تربیت مدرس، مستقر در پژوهشکده فناوری اطلاعات (IT)

شماره های تماس شرکت:  ۰۹۱۰۰۶۱۷۹۰۵ و ۰۹۱۲۷۶۰۳۵۲۳