بخشی از مقاله
تعريف سراميك
به مواد (معمولاً جامد)ی که بخش عمدهٔ تشکیل دهندهٔ آنها غیرفلزی و غیرآلی باشد، سرامیک گفته می‌شود.این تعریف نه‌تنها سفالینه‌ها، پرسلان(چینی)، دیرگدازها،محصولات رسی سازه‌ای، ساینده‌ها، سیمان و شیشه را در بر می‌گیرد، بلکه شامل آهنرباهای سرامیکی، لعاب‌ها، فروالکتریک‌ها، شیشه-سرامیک‌ها، سوخت‌های هسته‌ای و ... نیز می‌شود.
تاریخچه
برخی‌ها آغاز استفاده و ساخت سرامیک‌ها را در حدود ۷۰۰۰ سال ق.م. می‌دانند در حالی که برخی دیگر قدمت آن را تا ۱۵۰۰۰ سال ق.م نیز دانسته‌اند. ولی در کل اکثریت تاریخنگاران بر ۱۰۰۰۰ سال ق.م اتفاق نظر دارند. (بدیهی است که این تاریخ مربوط به سرامیکهای سنتی است.)واژهٔ سرامیک از واژهٔ یونانی کراموس گرفته شده‌است که به معنی سفال یا شیء پخته‌شده‌است.
طبقه‌بندی سرامیک‌ها
سرامیک‌ها از لحاظ کاربرد به شکل زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
• سرامیکهای سنتی(سیلیکاتی)
• سرامیکهای مدرن(مهندسی)
o سرامیک های اکسیدی
o سرامیک های غیر اکسیدی
سرامیکهای اکسیدی را از لحاظ ساختار فیزیکی می‌توان به شکل زیر طبقه‌بندی کرد:
• سرامیکهای مدرن مونولیتیک (یکپارچه)
• سرامیکهای مدرن کامپوزیتی
انواع سرامیک‌ها
سرامیکهای سنتی
این سرامیک‌ها همان سرامیکهای سیلیکاتی هستند. مثل کاشی، سفال، چینی، شیشه، گچ، سیمان و ...
سرامیکهای مدرن
این فرآورده‌ها عمدتاً از مواد اولیهٔ خالص و سنتزی ساخته می‌شوند. این نوع سرامیک‌ها اکثراً در ارتباط با صنایع دیگر مطرح شده‌اند
سرامیکهای اکسیدی
برخی از پرکاربردترین این نوع سرامیک‌ها عبارت‌اند از:
• برلیا (BeO)
• تیتانیا (TiO2)
• آلومینا (Al2O3)
• زیرکونیا (ZrO2)
• منیزیا (MgO)
سرامیکهای غیراکسیدی
این نوع سرامیک‌ها با توجه به ترکیبشان طبقه‌بندی می‌شوند که برخی از پرکاربردترین آنها در زیر آمده‌اند:
1. نیتریدها
o BN
o TiN
o Si3N4
o GaN
2. کاربیدها
o SiC
o TiC
o WC
صنعت سرامیک هاي پيشرفته
بازار سرامیکهای پیشرفته در ایالات متحده امریکا در سال ۱۹۹۸ نزدیک به ۷۰۵ میلیون دلار بود که در سال ۲۰۰۳ به ۱۱ بیلیون دلار رسید.
خواص برتر سرامیک‌ها نسبت به مواد دیگر
• دیرگدازی بالا
• سختی زیاد
• مقاومت به خوردگی بالا
• استحکام فشاری بالا
کاربردهای مختلف مواد سرامیکی
در زیر کاربردهای رایج مواد سرامیکی به همراه چندنمونه از مواد رایج در هر کاربرد آورده شده‌است:
1. الکتریکی و مغناطیسی
o عایق‌های ولتاژ بالا (AlN- Al2O3)
o دی الکتریک (BaTiO3)
o پیزوالکتریک (ZnO- SiO2)
o پیروالکتریک (Pb(ZrxTi1-x)O3))
o مغناطیس نرم (Zn1-xMnxFe2O4)
o مغناطیس سخت (SrO.6Fe2O3)
o نیمه‌رسانا (ZnO- GaN-SnO2)
o رسانای یونی (β-Al2O3)
o تابانندهٔ الکترون (LaB6)
o ابررسانا (Ba2LaCu3O7-δ)
2. سختی بالا
o ابزار ساینده، ابزار برشی و ابزار سنگ‌زنی (2O3TiN-Al)
o مقاومت مکانیکی (SiC- Si3N4)
3. نوری
o فلورسانس (Y2O3)
o ترانسلوسانس(نیمه‌شفاف) (SnO2)
o منحرف کنندهٔ نوری (PLZT)
o بازتاب نوری (TiN)
o بازتاب مادون قرمز (SnO2)
o انتقال دهندهٔ نور (SiO2)
4. حرارتی
o پایداری حرارتی (ThO2)
o عایق حرارتی (CaO.nSiO2)
o رسانای حرارتی (AlN - C)
5. شیمیایی و بیوشیمیایی
o پروتزهای استخوانی P3O12(Al2O3.Ca5(F,Cl))
o سابستریت (TiO2- SiO2)
o کاتالیزور (KO2.mnAl2O3)
6. فناوری هسته‌ای
o سوخت‌های هسته‌ای سرامیکی
o مواد کاهش‌دهنده‌ی انرژی نوترون
o مواد کنترل کننده‌ی فعالیت راکتور
سراميكهاي الكترونيكي
عمده‌ترين استفادة سراميك¬هاي پيشرفته در صنايع الكترونيك است كه حدود 66 درصد كل مصرف سراميك¬هاي پيشرفته را به خود اختصاص مي¬دهند. مهم‌ترين مواد سراميكي براي كاربردهاي الكترونيكي، اكسيدهاي خالص يا مخلوطي از اكسيدها هستند كه شامل آلومينا، زيركونيا، سيليسيا، فريت¬ها، تيتانات باريم اصلاح‌شده و تيتانات و زيركونات سرب مي‌باشند. فيبرها، محافظ‌ها در مدارهاي الكتريكي و الكترونيكي، خازن¬ها، تبديل‌كننده‌ها، القاگرها،
ابزارهاي پيزوالكتريكي و سنسورهاي فيزيكي و شيميايي عمده‌ترين موارد استفادة سراميك-هاي الكترونيكي هستند. ميزان بازار جهاني سراميك¬هاي الكترونيكي در نيمة پاياني سال 2000، حدود 13.3 ميليارد دلار بوده است. مواد مورد مصرف در مدارهاي IC مجتمع، محافظ‌هاي الكترونيكي و خازن¬ها تقريباً 67 درصد بازار سراميك¬هاي الكترونيكي را بخود اختصاص داده‌اند. بازار محصولات سراميكي الكترونيكي اگر چه نسبتاً بزرگ است ولي نرخ رشد آنها از نرخ رشد دو رقمي كه در چند دهة گذشته از خود نشان داده‌اند بيشتر نيست.
سراميك¬هاي ساختاري
استفاده از سراميك¬ها در كاربردهاي ساختاري كمتر از 19 درصد كل بازار است. سراميك¬هاي ساختاري بعنوان اجزاء تحمل‌كنندة تنش يا پوشش قسمت¬هايي كه تحت تنش هستند شناخته مي‌شوند. علاوه بر اين، مقاومت سراميك¬ها در برابر خوردگي، سايش و دماي بالا، اين مواد را براي كاربرد در تجهيزات صنعتي زيادي مناسب ساخته است. افزايش بازده و كاهش مصرف انرژي، محرك تحقيقات بر روي سراميك¬هاي ساختاري پيشرفته است. در سال 2005 شاهد بازار جهاني 4.5 ميليارد دلاري براي سراميك¬هاي ساختاري خواهيم بود و رشد خوبي در بازار اجزاي مقاوم به سايش، ياطاقان‌ها، درزگيرها، تجهيزات فرآيندها و پوشش¬هاي سراميكي محقق مي‌شود. بيشترين مواد اوليه مورد استفاده در سراميك¬هاي ساختاري انواع گوناگون اكسيدآلومينيوم، زيركونيا، كاربيد سيليسيم و نيتريد سيليسيم مي‌باشد.
سراميكهاي سازه‌اي
بازار سراميك¬هاي سازه‌اي كه شامل ابزارهاي برش، قطعات مقاوم به سايش، بيوسراميك¬ها، لباس¬هاي ضدگلوله و اميك¬هاي مورد استفاده براي تعميرات نيمه‌هادي هستند، رشد خواهد كرد. بازار سراميك¬هاي سازه‌اي پيشرفته در آمريكا از 541 ميليون دلار در سال 2000 به 736 ميليون دلار در سال 2005 خواهد رسيد و بالاترين نرخ رشد متوسط ساليانه (حدود 6.3 درصد) را براي چند سال آينده در مقايسه با بازار سراميكهاي پيشرفته ديگر خواهد داشت. 43 درصد از
سراميك¬هاي سازه‌اي براي قطعات مقاوم به سايش در كشتي‌ها و هواپيماها، قرقره‌ها، قالب‌ها، نازل‌ها، سوپاپ‌ها، درزگيرها، ميلة استوپر، ياتاقان‌ها و اجزاي لازم براي ساخت خمير كاغذ استفاده مي‌شوند. اگر چه سراميك¬هاي سازه‌اي با شدت زيادي در حال تجاري‌شدن هستند اما در بعضي از اين قطعات قيمت آنها بعنوان يك مانع فراروي توسعة بازار آنها عمل مي‌كند. (posterior Material) است. سراميكهاي مورد استفاده در ابزارهاي برش نيز 17 درصد از بازار
سراميك¬هاي سازه‌اي را تشكيل مي‌دهند كه شامل آلومينا (Alco3)، Al2o3/Tic، آلوميناي تقويت‌شده با Sicو سيالن نيتريدسيليكون (مادة پيوندي در زمينه ديرگدازها كربورسيليسمي) مي¬باشند. بازار ابزارهاي برشي سراميكي نيز بعلت تجاري‌سازي و افزايش قابليت¬هاي كامپوزيت-هاي آلومينا SiC- و ابزارهاي سيليكون نيترايد ترقي كرده است
پودرها و افزودني¬ها
در حوزة سراميك¬هاي سنتي، پودرها مواد غيرآلي هستند كه در فرآيندهاي مختلف بصورت بلوك يا قطعة نهايي شكل مي‌گيرند و افزودني-ها مواد غيرآلي هستند كه استفاده از پودرها را در فرآيندهاي مختلف آسان مي‌كنند و در قطعة نهايي باقي نمي‌مانند. اين تعريف‌ها صحت خود را تا حد زيادي در مورد سراميكهاي پيشرفته كه از تكنولوژي‌هاي پيچيدة شيميايي بهره مي‌برند، از دست داده‌اند.
پودرهاي سراميكي پيشرفته و افزودني‌ها بعنوان مواد خام براي سراميك¬هاي ساختاري و سراميك¬هاي الكترونيكي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. پودرهاي سراميكي پيشرفته بازاري بالغ بر 2.7 ميليارد دلار را به خود اختصاص داده‌اند كه رشد متوسطي معادل 2 درصد براي آنها تا سال 2005 پيش‌بيني شده است. پوردهاي اكسيدي 85 درصد از اين بازار را از نظر ارزش و 95 درصد را از نظر وزن به خود اختصاص داده‌اند. بقية بازار مربوط به غيراكسيدي‌هايي نظير كاربيد
سيليسيم، نيتريد سيليسيم، نيتريد آلومينيوم و تيتانيوم دي‌برايد است. پودرهاي آلومينيومي با كارايي بالا، پودرهاي زيركونيا كه در بيوسراميك¬ها استفاده مي‌شوند و كاربردهاي مربوط به سيستم‌هاي مخلوط چند اكسيدي مثل شيشه‌سراميك¬ها و سراميك¬هاي با ضريب انبساطي پايين، رشد متوسط بالاتري را از خود نشان خواهند داد. رشد بازار افزودني‌ها كمي بيشتر از پودرها خواهد بود كه علت آن رواج افزودني‌هاي با كارايي بالا و افزودني‌هاي قوي در روش‌هاي توليد از قبيل شكل دادن گرم و سرد و قالب‌گيري تزريقي است
در دنیای كنونی و به دنبال آن در كشورمان، قطعات، ابزار و محصولات سرامیكی اهمیت و سهم قابل توجهی رابه خود اختصاص داده‌اند. به دلیل فقر دانش پایه در بسیاری موارد، این كالاها در رده‌ی سرامیك‌ها به حساب نمی‌آیند و این امر سبب شده است دست‌اندركاران و تصمیم‌سازان كشور تنها به كاربردهای سنتی این مواد توجه کنند. هدف اصلی تدوین این كتاب پوشش ظرفیت كامل سرامیک‌ها و همه‌ی كابردهای نوین و تكنولوژیك آنها برای نهادهای تصمیم‌ساز و تصمیم‌گیر كشور است.
نگاهي به كاربردهاي سراميكهاي پيشرفته
سراميکهاي ساختاري (structuralceramics) دستهاي از سراميکهاي پيشرفته هستند که امروزه استفاده وسيعي از جمله کاربردهاي مکانيکي، نظامي، شيميايي، حرارتي و غيره يافته‌اند و طبق پيش¬بينيهاي اعلام شده، بازار آنها رو به گسترش است. مقالة زير، به معرفي ويژگيها، کاربردها و بازار جهاني سراميکهاي ساختاري ميپردازد:
براساس تقسيم‌بندي کلي، سراميکها را مي‌توان به سه دسته سراميکهاي "عامل"، "ساختاري" و "ترکيبي" تقسيم‌بندي نمود. در اين نوشتار سعي بر آن شده است که ابعاد مختلف نظير تقسيم‌بندي، خواص، کاربرد و بازار جهاني سراميکهاي ساختاري به اختصار تبيين شود.
تقسيم بندي سراميکهاي ساختاري
سراميکهاي ساختاري را مي‌توان بر اساس مواد بکار رفته در آنها تقسيم‌بندي نمود:
1) سرمت‌ها يا کامپوزيت‌هاي سراميک – فلز
2) سراميکهاي اکسيدي (برليم، آلومينات‌ها، اکسيد منيزيم، زيرکونات‌ها)
3) سراميکهاي پرطاقتشده (PSZ, TZP, ZTA, ZTM)
4) سراميکهاي نيتريد سيليسيم Si3N4
5) سراميکهاي کاربيد سيليسيم SiC
علاوه بر تقسيم‌بندي فوق، تقسيم‌بندي‌هاي ديگري نيز وجود دارد که در کتاب‌هاي مرجع مي‌توان يافت.
خواص ممتاز سراميکهاي ساختاري پيشرفته
خواص ممتاز سراميکهاي ساختاري پيشرفته عبارتند از:
1) مقاومت مکانيکي بسيار بالا
2) سختي قابل توجه
3) مدول الاستيسيته بالا
4) پايداري ابعاد خوب
5) مقاومت زياد در مقابل خوردگي و اکسيداسيون
6) دوام زياد در مقابل سايش
7) دوام زياد در مقابل تشعشعات
8( پايداري حرارتي بالا
9) دانسيته جرمي بالا
10) ضريب اصطکاک کم
11) ضريب انبساط حرارتي کم
کاربردهاي سراميکهاي ساختاري پيشرفته
سراميکهاي ساختاري به‌عنوان اجزاي تحمل‌کنندة تنش يا پوشش در قسمتهايي که تحت تنش هستند بهکار برده مي‌شوند. به علاوه، مقاومت اين سراميکها در برابر خوردگي، سايش و دماي بالا، اين مواد را براي کاربرد در تجهيزات صنعتي زيادي مناسب ساخته است. افزايش بازده و کاهش مصرف انرژي، محرک تحقيقات بر روي سراميکهاي ساختاري پيشرفته هستند. (مآخذ2) بر اساس خواص ويژه‌اي که سراميکهاي ساختاري پيشرفته دارند، اين‌گونه سراميکها امروزه استفاده‌هاي فراواني در زمينه‌هاي مختلف از زندگي روزمره گرفته تا کاربردهاي نظامي دارند. برخي از کاربردهاي سراميکهاي ساختاري پيشرفته در جدول زير آورده شده است. اين کاربردها گوياي اين مطلب است که مواد پيشرفته از جمله سراميکهاي نوين از مواد اساسي و ضروري براي دنياي صنعتي امروز است.
به صورت کلي 43 درصد از سراميکهاي ساختاري براي قطعات مقاوم به سايش در کشتي‌ها و هواپيماها، قرقره‌ها، قالب‌ها، نازل‌ها، سوپاپ‌ها، درزگيرها، ميلة استوپر، ياتاقان‌ها و اجزاي لازم براي ساخت خمير کاغذ استفاده مي‌شوند. اگر چه سراميکهاي ساختاري با شدت زيادي در حال تجاري‌شدن هستند اما در بعضي از اين قطعات، قيمت آنها به‌عنوان يک مانع فراروي توسعة بازار آنها عمل مي‌کند.
از ديگر کاربردهاي مهم اين قطعات، استفاده از آنها در ساخت تجهيزات نيمه‌هادي و لباس‌هاي ضدگلوله است که باعث مشارکت بخش دفاعي آمريکا در بازار اين مواد است.
بعد از سراميکهاي مقاوم به سايش، بيوسراميکها با 20 درصد از سهم بازار سراميكهاي ساختاري در مرتبة دوم قرار دارند. موارد استفاده بيوسراميکها در ايمپلنت‌هاي سراميکي و شيشه‌سراميکي، شيشه‌سراميکهاي روکش دندان و مواد کپلي (posteriorMaterial) است.
