stringtranslate.com

سرامیک

جدول زمانی کوتاه سرامیک در سبک های مختلف

سرامیک به هر یک از مواد مختلف سخت، شکننده ، مقاوم در برابر حرارت و مقاوم در برابر خوردگی گفته می‌شود که از شکل دادن و سپس پختن مواد غیرآلی و غیرفلزی مانند خاک رس در دمای بالا ساخته می‌شود. [1] [2] نمونه‌های رایج عبارتند از سفال ، چینی و آجر .

اولین سرامیک های ساخته شده توسط انسان، آجرهای سفالی پخته شده بود که برای ساختن دیوارهای خانه و سایر سازه ها استفاده می شد. سایر اشیاء سفالی مانند گلدان، ظروف، گلدان و مجسمه‌ها از خاک رس ساخته می‌شدند یا به تنهایی یا مخلوط با مواد دیگری مانند سیلیس که در اثر تف جوشی در آتش سخت می‌شدند . بعداً، سرامیک‌ها لعاب داده شدند و برای ایجاد سطوح صاف و رنگی، تخلخل را از طریق استفاده از پوشش‌های سرامیکی شیشه‌ای و آمورف در بالای لایه‌های سرامیکی کریستالی کاهش دادند. [3] سرامیک در حال حاضر شامل محصولات خانگی، صنعتی و ساختمانی و همچنین طیف وسیعی از مواد است که برای استفاده در مهندسی سرامیک پیشرفته مانند نیمه هادی ها توسعه یافته است .

کلمه سرامیک از کلمه یونانی باستان κεραμικός ( keramikós ) به معنای "از یا برای سفال" [4] (از κέραμος ( kéramos )  "سفال سفال، کاشی، سفال" گرفته شده است. [5] اولین نام شناخته شده از ریشه ceram- یونانی Mycenae ke-ra-me-we است ، کارگران سرامیک، که به خط هجایی B نوشته شده است . [6] کلمه سرامیک را می توان به عنوان یک صفت برای توصیف یک ماده، محصول یا فرآیند استفاده کرد، یا ممکن است به عنوان اسم، مفرد یا معمولاً به عنوان اسم جمع سرامیک استفاده شود . [7]

مواد

رانشگر موشک نیترید سیلیکون. سمت چپ: در پایه تست نصب شده است. راست: در حال آزمایش با پیشرانه های H 2 / O 2 .

ماده سرامیکی یک ماده معدنی، اکسید فلزی، نیترید یا کاربید است. برخی از عناصر، مانند کربن یا سیلیکون ، ممکن است سرامیک در نظر گرفته شوند. مواد سرامیکی شکننده، سخت، از نظر فشار قوی و در برش و کشش ضعیف هستند. آنها در برابر فرسایش شیمیایی که در سایر مواد در معرض محیط های اسیدی یا سوزاننده رخ می دهد، مقاومت می کنند. سرامیک ها به طور کلی می توانند دماهای بسیار بالا را از 1000 درجه سانتی گراد تا 1600 درجه سانتی گراد (1800 درجه فارنهایت تا 3000 درجه فارنهایت) تحمل کنند.

میکروگراف SEM با بزرگنمایی کم از یک ماده سرامیکی پیشرفته. خواص سرامیک شکستگی را به یک روش بازرسی مهم تبدیل می کند.

کریستالی بودن مواد سرامیکی بسیار متفاوت است. در اغلب موارد، سرامیک های پخته شده مانند ظروف سفالی، سنگی و چینی به صورت شیشه ای یا نیمه شیشه ای هستند. متغییر بودن کریستالینیت و ترکیب الکترون در پیوندهای یونی و کووالانسی باعث می شود که بیشتر مواد سرامیکی عایق های حرارتی و الکتریکی خوبی باشند (تحقیق شده در مهندسی سرامیک ). با چنین طیف وسیعی از گزینه های ممکن برای ترکیب/ساختار یک سرامیک (تقریباً همه عناصر، تقریباً همه انواع پیوندها و همه سطوح بلورینگی)، وسعت موضوع بسیار زیاد است و ویژگی های قابل شناسایی ( سختی ، چقرمگی ، هدایت الکتریکی ) برای کل گروه به سختی مشخص می شود. خواص عمومی مانند دمای ذوب بالا، سختی بالا، رسانایی ضعیف، مدول الاستیسیته بالا ، مقاومت شیمیایی، و شکل پذیری کم، معمول هستند، [8] با استثناهای شناخته شده برای هر یک از این قوانین ( سرامیک های پیزوالکتریک ، دمای انتقال شیشه ، سرامیک های ابررسانا). ).

کامپوزیت هایی مانند فایبرگلاس و فیبر کربن ، در حالی که حاوی مواد سرامیکی هستند، جزء خانواده سرامیک محسوب نمی شوند. [9]

مواد سرامیکی کریستالی با جهت گیری بالا در معرض طیف وسیعی از پردازش نیستند. روش‌های مقابله با آن‌ها به یکی از دو دسته تقسیم می‌شوند: یا ساختن سرامیک به شکل دلخواه با واکنش درجا یا «تشکیل» پودرها به شکل دلخواه و سپس تف جوشی برای تشکیل یک بدنه جامد. تکنیک‌های شکل‌دهی سرامیکی شامل شکل‌دهی با دست (گاهی اوقات شامل فرآیند چرخشی به نام «پرتاب»)، ریخته‌گری لغزنده ، ریخته‌گری نواری (برای ساخت خازن‌های بسیار نازک سرامیکی)، قالب‌گیری تزریقی ، پرس خشک، و تغییرات دیگر است.

بسیاری از متخصصان سرامیک، موادی با ویژگی آمورف (غیر کریستالی) (یعنی شیشه) را سرامیک نمی دانند ، حتی اگر شیشه سازی شامل چندین مرحله از فرآیند سرامیک است و خواص مکانیکی آن مشابه مواد سرامیکی است. با این حال، عملیات حرارتی می تواند شیشه را به یک ماده نیمه کریستالی به نام شیشه-سرامیک تبدیل کند . [10]

مواد خام سنتی سرامیک شامل مواد معدنی رسی مانند کائولینیت است ، در حالی که مواد جدیدتر شامل اکسید آلومینیوم است که بیشتر به نام آلومینا شناخته می شود . مواد سرامیکی مدرن، که به عنوان سرامیک های پیشرفته طبقه بندی می شوند، شامل کاربید سیلیکون و کاربید تنگستن هستند . هر دو به دلیل مقاومت در برابر سایش ارزشمند هستند و بنابراین در کاربردهایی مانند صفحات سایش تجهیزات خرد کردن در عملیات معدن استفاده می شوند. سرامیک های پیشرفته نیز در صنایع پزشکی، برق، الکترونیک و زره استفاده می شود.

تاریخچه

قدیمی‌ترین سرامیک‌های شناخته شده مجسمه‌های گراوتی هستند که قدمت آن‌ها به 29000 تا 25000 قبل از میلاد می‌رسد.

به نظر می‌رسد که انسان‌ها حداقل 26000 سال است که سرامیک‌های خود را می‌ساختند و خاک رس و سیلیس را در معرض حرارت شدید قرار می‌دادند تا مواد سرامیکی را تشکیل دهند. اولین نمونه‌هایی که تاکنون کشف شده‌اند در جنوب اروپای مرکزی بوده‌اند و پیکره‌های حجاری‌شده بودند، نه ظرف‌ها. [11] اولین سفال شناخته شده با مخلوط کردن محصولات حیوانی با خاک رس و پختن آن در دمای 800 درجه سانتیگراد (1500 درجه فارنهایت) ساخته شد. در حالی که قطعات سفالی تا 19000 سال پیدا شده است، تا حدود 10000 سال بعد بود که سفال های معمولی رایج شد. مردم اولیه که در بسیاری از اروپا پراکنده شدند به دلیل استفاده از سفال نامگذاری شده اند: فرهنگ ظروف طناب دار . این اقوام اولیه هند و اروپایی سفال های خود را با پیچیدن آن با طناب در حالی که هنوز خیس بود تزئین می کردند. هنگامی که سرامیک ها پخته شدند، طناب می سوخت اما یک الگوی تزئینی از شیارهای پیچیده روی سطح باقی می ماند.

ظروف سفالی فرهنگ ظروفی از 2500 سال قبل از میلاد

اختراع چرخ در نهایت منجر به تولید سفال های صاف تر و یکنواخت تر با استفاده از تکنیک چرخ سازی (پرتاب) مانند چرخ سفال شد . سرامیک های اولیه متخلخل بودند و آب را به راحتی جذب می کردند. با کشف تکنیک‌های لعاب‌کاری ، که شامل پوشاندن سفال‌ها با سیلیکون، خاکستر استخوان، یا مواد دیگری بود که می‌توانستند ذوب شوند و به سطح شیشه‌ای تبدیل شوند و ظرف را در برابر آب کمتر نفوذ کنند، برای موارد بیشتری مفید واقع شد.

باستان شناسی

مصنوعات سرامیکی نقش مهمی در باستان شناسی برای درک فرهنگ، فناوری و رفتار مردمان گذشته دارند. آنها از متداول ترین آثاری هستند که در یک سایت باستان شناسی یافت می شوند، به طور کلی به شکل قطعات کوچک سفال شکسته به نام خرده . پردازش خرده های جمع آوری شده می تواند با دو نوع تجزیه و تحلیل اصلی سازگار باشد: فنی و سنتی.

تجزیه و تحلیل سنتی شامل دسته بندی مصنوعات سرامیکی، خرده ها و قطعات بزرگتر به انواع خاص بر اساس سبک، ترکیب، ساخت و مورفولوژی است. با ایجاد این گونه‌شناسی‌ها، می‌توان بین سبک‌های فرهنگی مختلف، هدف از سرامیک و وضعیت تکنولوژیکی افراد و سایر نتایج تمایز قائل شد. علاوه بر این، با مشاهده تغییرات سبک در سرامیک در طول زمان، می توان سرامیک ها را به گروه های تشخیصی (مجموعه) مجزا جدا کرد. مقایسه مصنوعات سرامیکی با مجموعه‌های تاریخی شناخته شده، امکان تعیین زمانی این قطعات را فراهم می‌کند. [12]

رویکرد فنی به تجزیه و تحلیل سرامیک شامل بررسی دقیق تر ترکیب مصنوعات و قطعات سرامیکی برای تعیین منبع مواد و از این طریق، محل ساخت احتمالی است. معیارهای کلیدی ترکیب خاک رس و مزاج مورد استفاده در ساخت محصول مورد مطالعه است: مزاج ماده ای است که در مرحله تولید اولیه به خاک اضافه می شود و برای کمک به فرآیند خشک شدن بعدی استفاده می شود. انواع مزاج شامل قطعات صدف ، قطعات گرانیت و قطعات خرد شده زمین به نام " گروگ " است. مزاج معمولاً با بررسی میکروسکوپی مواد سکوریت شده مشخص می شود. شناسایی خاک رس با فرآیند احیای سرامیک و تخصیص رنگ به آن با استفاده از نماد رنگ خاک Munsell تعیین می شود . با تخمین هر دو ترکیب خاک رس و مزاج و مکان یابی منطقه ای که هر دو در آن رخ می دهند، می توان منبع مواد را تعیین کرد. بر اساس انتساب منبع مصنوع، می توان تحقیقات بیشتری در مورد محل ساخت انجام داد.

خواص

خواص فیزیکی هر ماده سرامیکی نتیجه مستقیم ساختار کریستالی و ترکیب شیمیایی آن است. شیمی حالت جامد ارتباط اساسی بین ریزساختار و خواص، مانند تغییرات چگالی موضعی، توزیع اندازه دانه، نوع تخلخل، و محتوای فاز دوم را نشان می‌دهد، که همگی می‌توانند با خواص سرامیکی مانند مقاومت مکانیکی σ توسط هال مرتبط شوند. معادله پچ، سختی ، چقرمگی ، ثابت دی الکتریک ، و خواص نوری نشان داده شده توسط مواد شفاف .

سراموگرافی هنر و علم تهیه، بررسی و ارزیابی ریزساختارهای سرامیکی است. ارزیابی و خصوصیات ریزساختارهای سرامیکی اغلب در مقیاس‌های فضایی مشابه با مقیاس‌هایی که معمولاً در حوزه نوظهور فناوری نانو استفاده می‌شود، اجرا می‌شوند: از نانومتر تا ده‌ها میکرومتر (μm). این معمولاً جایی بین حداقل طول موج نور مرئی و حد تفکیک چشم غیر مسلح است.

ریزساختار شامل بیشتر دانه‌ها، فازهای ثانویه، مرز دانه‌ها، منافذ، ریزترک‌ها، عیوب ساختاری و فرورفتگی‌های ریز سختی است. اکثر خواص مکانیکی، نوری، حرارتی، الکتریکی و مغناطیسی به طور قابل توجهی تحت تأثیر ریزساختار مشاهده شده قرار می گیرند. روش ساخت و شرایط فرآیند به طور کلی با ریزساختار نشان داده می شود. علت اصلی بسیاری از خرابی های سرامیکی در ریزساختار شکاف و صیقلی آشکار است. خواص فیزیکی که رشته علم و مهندسی مواد را تشکیل می دهد شامل موارد زیر است:

خواص مکانیکی

دیسک های برش ساخته شده از کاربید سیلیکون

خواص مکانیکی در مصالح سازه ای و ساختمانی و همچنین پارچه های نساجی مهم است. در علم مواد مدرن ، مکانیک شکست ابزار مهمی در بهبود عملکرد مکانیکی مواد و اجزاء است. این فیزیک تنش و کرنش ، به‌ویژه تئوری‌های کشسانی و پلاستیسیته را برای نقص‌های کریستالوگرافی میکروسکوپی موجود در مواد واقعی به‌کار می‌برد تا شکست مکانیکی ماکروسکوپیک اجسام را پیش‌بینی کند. فراکتوگرافی به طور گسترده با مکانیک شکست برای درک علل خرابی ها و همچنین تأیید پیش بینی های شکست نظری با شکست های واقعی استفاده می شود.

مواد سرامیکی معمولاً موادی با پیوند یونی یا کووالانسی هستند. ماده ای که توسط هر یک از انواع پیوندها در کنار هم نگه داشته می شود قبل از هر گونه تغییر شکل پلاستیکی تمایل به شکستگی دارد که منجر به چقرمگی ضعیف در این مواد می شود. علاوه بر این، از آنجایی که این مواد تمایل به متخلخل دارند، منافذ و سایر عیوب میکروسکوپی به عنوان متمرکز کننده تنش عمل می کنند ، چقرمگی را بیشتر کاهش می دهند و استحکام کششی را کاهش می دهند . اینها با هم ترکیب می‌شوند تا شکست‌های فاجعه‌باری را ایجاد کنند ، برخلاف حالت‌های شکست انعطاف‌پذیرتر فلزات.

این مواد تغییر شکل پلاستیکی را نشان می دهند . با این حال، به دلیل ساختار سفت و سخت مواد کریستالی، سیستم‌های لغزشی بسیار کمی برای جابجایی نابجایی‌ها وجود دارد و بنابراین آنها بسیار آهسته تغییر شکل می‌دهند.

برای غلبه بر رفتار ترد، توسعه مواد سرامیکی کلاس مواد کامپوزیتی زمینه سرامیکی را معرفی کرده است که در آن الیاف سرامیکی تعبیه شده اند و با پوشش های خاص پل های الیافی را روی هر ترک تشکیل می دهند. این مکانیسم به طور قابل ملاحظه ای چقرمگی شکست این گونه سرامیک ها را افزایش می دهد. ترمزهای دیسکی سرامیکی نمونه ای از استفاده از مواد کامپوزیت زمینه سرامیکی است که با فرآیند خاصی تولید می شود.

دانشمندان در حال کار بر روی ساخت مواد سرامیکی هستند که می توانند تغییر شکل قابل توجهی را بدون شکستگی تحمل کنند. اولین چنین ماده ای که می تواند در دمای اتاق تغییر شکل دهد در سال 2024 یافت شد. [13]

قالب یخ برای بهبود خواص مکانیکی

اگر یک سرامیک تحت بارگذاری مکانیکی قابل توجهی قرار گیرد، می‌تواند تحت فرآیندی به نام قالب‌بندی یخی قرار گیرد که امکان کنترل ریزساختار محصول سرامیکی و در نتیجه کنترل خواص مکانیکی را فراهم می‌کند. مهندسان سرامیک از این تکنیک برای تنظیم خواص مکانیکی با کاربرد مورد نظر خود استفاده می کنند. به طور خاص، هنگامی که از این تکنیک استفاده می شود، استحکام افزایش می یابد. قالب یخ امکان ایجاد منافذ ماکروسکوپی در آرایش یک طرفه را فراهم می کند. کاربردهای این تکنیک تقویت اکسید برای پیل های سوختی اکسید جامد و دستگاه های تصفیه آب مهم است . [14]

برای پردازش یک نمونه از طریق قالب‌بندی یخ، یک سوسپانسیون کلوئیدی آبی آماده می‌شود تا حاوی پودر سرامیکی محلول باشد که به طور مساوی در کل کلوئید پراکنده شده است، برای مثال زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا (YSZ). سپس محلول از پایین به بالا روی پلت فرمی خنک می شود که امکان خنک سازی یک جهته را فراهم می کند. این باعث می‌شود که کریستال‌های یخ مطابق با خنک‌سازی یک‌جهت رشد کنند، و این کریستال‌های یخ ذرات YSZ محلول را به جبهه انجماد [ واضح مورد نیاز ] مرز بین فاز جامد-مایع وادار می‌کنند، و در نتیجه کریستال‌های یخ خالص به‌صورت یک طرفه در کنار پاکت‌های متمرکز قرار می‌گیرند. ذرات کلوئیدی سپس نمونه حرارت داده می‌شود و در همان زمان فشار به اندازه‌ای کاهش می‌یابد که کریستال‌های یخ را وادار به تعالی کند و کیسه‌های YSZ شروع به بازپخت شدن با هم می‌کنند تا ریزساختارهای سرامیکی هم‌تراز با ماکروسکوپی ایجاد کنند. سپس نمونه بیشتر پخته می شود تا تبخیر آب باقیمانده و تثبیت نهایی ریزساختار سرامیکی تکمیل شود. [ نیازمند منبع ]

در طول قالب یخ، چند متغیر را می توان کنترل کرد تا بر اندازه منافذ و مورفولوژی ریزساختار تأثیر بگذارد. این متغیرهای مهم عبارتند از بارگیری اولیه جامدات کلوئید، سرعت سرد شدن، دما و مدت پخت و استفاده از مواد افزودنی خاص که می‌توانند مورفولوژی ریزساختاری را در طول فرآیند تحت تأثیر قرار دهند. درک خوب این پارامترها برای درک روابط بین پردازش، ریزساختار، و خواص مکانیکی مواد متخلخل ناهمسانگرد ضروری است. [15]

خواص الکتریکی

نیمه هادی ها

برخی از سرامیک ها نیمه هادی هستند . بیشتر اینها اکسیدهای فلزات واسطه ای هستند که نیمه رسانای II-VI هستند، مانند اکسید روی . در حالی که چشم انداز تولید انبوه LED های آبی رنگ از اکسید روی وجود دارد، سرامیک کاران بیشتر به خواص الکتریکی که اثرات مرزی دانه را نشان می دهند علاقه مند هستند . یکی از پرکاربردترین آنها وریستور است. اینها دستگاه هایی هستند که این خاصیت را نشان می دهند که مقاومت در یک ولتاژ آستانه به شدت کاهش می یابد . هنگامی که ولتاژ در سراسر دستگاه به آستانه می رسد، ساختار الکتریکی در مجاورت مرزهای دانه شکسته می شود که منجر به کاهش مقاومت الکتریکی آن از چند مگا اهم به چند صد اهم می شود . مزیت اصلی آنها این است که می توانند انرژی زیادی را از بین ببرند و خود را تنظیم می کنند. پس از کاهش ولتاژ دستگاه به زیر آستانه، مقاومت آن به بالا باز می گردد. این باعث می شود که آنها برای برنامه های حفاظت از نوسانات ایده آل باشند . از آنجایی که کنترل بر روی ولتاژ آستانه و تحمل انرژی وجود دارد، آنها در انواع برنامه ها استفاده می شوند. بهترین نشان دادن توانایی آنها را می توان در پست های برق یافت ، جایی که آنها برای محافظت از زیرساخت ها در برابر برخورد صاعقه به کار می روند . آنها پاسخ سریع دارند، تعمیر و نگهداری پایینی دارند، و به طور محسوسی در اثر استفاده از بین نمی روند و آنها را عملاً دستگاه های ایده آلی برای این برنامه می کند. سرامیک های نیمه هادی نیز به عنوان حسگر گاز استفاده می شوند . هنگامی که گازهای مختلف از روی یک سرامیک پلی کریستالی عبور می کنند، مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. با تنظیم مخلوط گازهای احتمالی می توان دستگاه های بسیار ارزان قیمتی تولید کرد.

ابررسانایی

اثر مایسنر با معلق کردن یک آهنربا در بالای یک ابررسانای کوپرات که توسط نیتروژن مایع خنک می شود نشان داده شد.

تحت برخی شرایط، مانند دماهای بسیار پایین، برخی از سرامیک ها ابررسانایی با دمای بالا را نشان می دهند (در ابررسانایی، "دمای بالا" به معنای بالای 30 کلوین است). دلیل این امر مشخص نیست، اما دو خانواده اصلی سرامیک های ابررسانا وجود دارد.

فروالکتریک و سوپرست ها

پیزوالکتریک ، پیوندی بین پاسخ الکتریکی و مکانیکی، توسط تعداد زیادی از مواد سرامیکی، از جمله کوارتز مورد استفاده برای اندازه‌گیری زمان در ساعت‌ها و سایر لوازم الکترونیکی، به نمایش گذاشته می‌شود. چنین دستگاه هایی از هر دو خاصیت پیزوالکتریک استفاده می کنند، از الکتریسیته برای تولید حرکت مکانیکی (تولید انرژی دستگاه) و سپس استفاده از این حرکت مکانیکی برای تولید الکتریسیته (تولید سیگنال) استفاده می کنند. واحد زمان اندازه‌گیری شده، فاصله طبیعی مورد نیاز برای تبدیل الکتریسیته به انرژی مکانیکی و بازگشت دوباره است.

اثر پیزوالکتریک عموماً در موادی که دارای پیرالکتریک هستند قوی‌تر است و همه مواد پیرو الکتریک نیز پیزوالکتریک هستند. این مواد را می توان برای تبدیل بین انرژی حرارتی، مکانیکی یا الکتریکی استفاده کرد. به عنوان مثال، پس از سنتز در یک کوره، یک کریستال پیروالکتریکی که اجازه داده می شود تا بدون تنش سرد شود، به طور کلی یک بار ساکن هزاران ولت ایجاد می کند. چنین موادی در حسگرهای حرکتی استفاده می‌شوند ، جایی که افزایش جزئی دما از یک جسم گرم که وارد اتاق می‌شود برای تولید یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری در کریستال کافی است.

به نوبه خود، pyroelectricity در موادی که همچنین اثر فروالکتریک را نشان می‌دهند، به‌شدت دیده می‌شود ، که در آن یک دوقطبی الکتریکی پایدار می‌تواند با اعمال میدان الکترواستاتیک جهت یا معکوس شود. پیرو الکتریسیته نیز پیامد ضروری فروالکتریکی است. این می تواند برای ذخیره اطلاعات در خازن های فروالکتریک ، عناصر RAM فروالکتریک استفاده شود .

رایج ترین این مواد عبارتند از تیتانات زیرکونات سرب و تیتانات باریم . جدای از کاربردهایی که در بالا ذکر شد، پاسخ پیزوالکتریک قوی آنها در طراحی بلندگوهای فرکانس بالا ، مبدل‌ها برای سونار ، و محرک‌ها برای نیروی اتمی و میکروسکوپ‌های تونلی روبشی مورد استفاده قرار می‌گیرد .

ضریب حرارتی مثبت

افزایش دما می تواند باعث شود که مرزهای دانه ها به طور ناگهانی در برخی از مواد سرامیکی نیمه رسانا، عمدتاً مخلوطی از تیتانات های فلزات سنگین، عایق شوند . دمای انتقال بحرانی را می توان در محدوده وسیعی با تغییرات در شیمی تنظیم کرد. در چنین موادی، جریان از ماده عبور می کند تا زمانی که گرمایش ژول آن را به دمای انتقال برساند، در این نقطه مدار قطع می شود و جریان جریان قطع می شود. چنین سرامیک هایی به عنوان عناصر گرمایشی خودکنترل، به عنوان مثال، در مدارهای یخ زدایی شیشه عقب خودروها استفاده می شود.

در دمای انتقال، پاسخ دی الکتریک ماده از نظر تئوری بی نهایت می شود. در حالی که فقدان کنترل دما هرگونه استفاده عملی از مواد را در نزدیکی دمای بحرانی آن رد می کند، اثر دی الکتریک حتی در دماهای بسیار بالاتر نیز بسیار قوی باقی می ماند. تیتانات‌ها با دمای بحرانی بسیار کمتر از دمای اتاق، دقیقاً به همین دلیل با "سرامیک" در زمینه خازن‌های سرامیکی مترادف شده‌اند.

خواص نوری

لامپ قوس زنون سرمکس با پنجره خروجی یاقوت کبود مصنوعی

مواد شفاف نوری بر پاسخ یک ماده به امواج نور ورودی با طیف وسیعی از طول موج ها تمرکز می کنند. فیلترهای نوری انتخابی فرکانس را می توان برای تغییر یا افزایش روشنایی و کنتراست یک تصویر دیجیتال استفاده کرد. انتقال موج نور هدایت شده از طریق موجبرهای انتخابی فرکانس شامل زمینه نوظهور فیبر نوری و توانایی ترکیبات شیشه ای خاص به عنوان یک رسانه انتقال برای طیف وسیعی از فرکانس ها به طور همزمان ( فیبر نوری چند حالته ) با تداخل کم یا بدون تداخل بین طول موج ها یا فرکانس های رقیب است . این حالت رزونانسی انتقال انرژی و داده از طریق انتشار امواج الکترومغناطیسی (نور) ، اگرچه کم توان است، اما عملاً بدون تلفات است. موجبرهای نوری به عنوان اجزاء در مدارهای نوری یکپارچه (مانند دیودهای ساطع کننده نور ، LED) یا به عنوان رسانه انتقال در سیستم های ارتباطی نوری محلی و طولانی مدت استفاده می شود . همچنین برای دانشمند مواد در حال ظهور، حساسیت مواد به تابش در بخش مادون قرمز حرارتی (IR) طیف الکترومغناطیسی ارزشمند است . این توانایی جستجوی گرما مسئول چنین پدیده های نوری متنوعی مانند دید در شب و درخشندگی IR است .

بنابراین، نیاز روزافزونی در بخش نظامی به مواد با استحکام بالا و مستحکم وجود دارد که قابلیت انتقال نور ( امواج الکترومغناطیسی ) را در مناطق مرئی (0.4-0.7 میکرومتر) و مادون قرمز میانی (1-5 میکرومتر) داشته باشند. طیف این مواد برای کاربردهایی که به زره شفاف ، از جمله موشک‌ها و غلاف‌های سریع‌السیر نسل بعدی ، و همچنین محافظت در برابر بمب‌های دست‌ساز (IED) نیاز دارند، مورد نیاز هستند.

در دهه 1960، دانشمندان جنرال الکتریک (GE) کشف کردند که تحت شرایط تولید مناسب، برخی از سرامیک‌ها، به ویژه اکسید آلومینیوم (آلومینا)، می‌توانند شفاف شوند . این مواد شفاف به اندازه کافی شفاف بودند که می توانستند پلاسمای الکتریکی تولید شده در لامپ های خیابانی سدیم فشار بالا را در خود جای دهند . در طول دو دهه گذشته، انواع دیگری از سرامیک‌های شفاف برای کاربردهایی مانند مخروط‌های دماغه برای موشک‌های جستجوگر گرما ، پنجره‌ها برای هواپیماهای جنگنده ، و شمارنده‌های سوسوزن برای اسکنرهای توموگرافی کامپیوتری توسعه یافته‌اند . سایر مواد سرامیکی که عموماً به خلوص بیشتری نسبت به مواد فوق نیاز دارند، شامل اشکال مختلفی از ترکیبات شیمیایی هستند، از جمله:

  1. باریم تیتانات : (اغلب با تیتانات استرانسیم مخلوط می شود ) فروالکتریکی را نشان می دهد ، به این معنی که پاسخ های مکانیکی، الکتریکی و حرارتی آن c
  2. Sialon (سیلیکون آلومینیوم اکسی نیترید) استحکام بالایی دارد. مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت شیمیایی و سایش، و چگالی کم. این سرامیک ها در جابجایی فلزات مذاب غیر آهنی، پین های جوش و صنایع شیمیایی استفاده می شوند.
  3. کاربید سیلیکون (SiC) به عنوان یک گیرنده در کوره های مایکروویو، یک ساینده معمولی و به عنوان یک ماده نسوز استفاده می شود .
  4. نیترید سیلیکون (Si 3 N 4 ) به عنوان پودر ساینده استفاده می شود .
  5. استئاتیت (سیلیکات های منیزیم) به عنوان عایق الکتریکی استفاده می شود .
  6. کاربید تیتانیوم در سپرهای ورود مجدد شاتل های فضایی و ساعت های ضد خش استفاده می شود.
  7. اکسید اورانیوم ( U O 2 ) که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای استفاده می شود .
  8. اکسید مس ایتریوم باریم (Y Ba 2 Cu 3 O 7−x )، یک ابررسانا با دمای بالا .
  9. اکسید روی ( Zn O) که یک نیمه رسانا است و در ساخت وریستور استفاده می شود .
  10. دی اکسید زیرکونیوم (زیرکونیا) که به شکل خالص دارای تغییرات فازی زیادی بین دمای اتاق و دمای پخت عملی است ، می تواند به اشکال مختلف از نظر شیمیایی "تثبیت" شود. رسانایی بالای یون اکسیژن آن را برای استفاده در سلول های سوختی و حسگرهای اکسیژن خودرو توصیه می کند . در یک نوع دیگر، ساختارهای فراپایدار می توانند سختی تبدیل را برای کاربردهای مکانیکی ایجاد کنند. بیشتر تیغه های چاقوی سرامیکی از این ماده ساخته شده اند. زیرکونیای نیمه تثبیت شده (PSZ) نسبت به سایر سرامیک‌ها شکننده‌تر است و برای ابزارهای شکل‌دهی فلز، شیرها و آسترها، دوغاب‌های ساینده، چاقوهای آشپزخانه و یاتاقان‌هایی که در معرض سایش شدید قرار دارند، استفاده می‌شود. [16]

محصولات

با استفاده

برای راحتی، محصولات سرامیکی معمولا به چهار نوع اصلی تقسیم می شوند. در زیر با چند مثال نشان داده شده است: [17]

  1. سازه، شامل آجر ، لوله ، کاشی کف و سقف ، کاشی شیشه ای
  2. مواد نسوز مانند آسترهای کوره ، تشعشعات آتش گاز، بوته های ساخت فولاد و شیشه
  3. ظروف سفید شامل ظروف غذاخوری ، ظروف پخت و پز، کاشی های دیواری، محصولات سفالی و لوازم بهداشتی [18]
  4. فنی، همچنین به عنوان سرامیک های مهندسی، پیشرفته، ویژه و ظریف شناخته می شود. چنین مواردی عبارتند از:

سرامیک ساخته شده با خاک رس

اغلب، مواد خام سرامیک مدرن شامل خاک رس نمی شود. [19] آنهایی که انجام می دهند به عنوان زیر طبقه بندی شده اند:

  1. ظروف سفالی که در دمای پایین تری نسبت به انواع دیگر پخت می شوند
  2. ظروف سنگی ، شیشه ای یا نیمه شیشه ای
  3. پرسلن که حاوی محتوای بالایی از کائولن است
  4. چین استخوانی

طبقه بندی

سرامیک ها را نیز می توان به سه دسته مواد مجزا طبقه بندی کرد:

  1. اکسیدها : آلومینا ، بریلیا ، سریا ، زیرکونیا
  2. غیر اکسیدها: کاربید ، بورید ، نیترید ، سیلیسید
  3. مواد کامپوزیتی : تقویت شده با ذرات، تقویت شده با الیاف ، ترکیبی از اکسیدها و غیر اکسیدها.

هر یک از این کلاس ها را می توان به خواص مواد منحصر به فرد تبدیل کرد.

برنامه های کاربردی

چاقوی آشپزخانه با تیغه سرامیکی
سرامیک فنی که به عنوان یک ماده رویه بادوام در قاب ساعت غواصی استفاده می شود
  1. تیغه های چاقو: تیغه چاقوی سرامیکی برای مدت طولانی تری نسبت به چاقوی فولادی تیز می ماند، اگرچه شکننده تر و مستعد شکستگی است.
  2. دیسک های ترمز کربن سرامیکی برای وسایل نقلیه: بسیار مقاوم در برابر محو شدن ترمز در دماهای بالا.
  3. ماتریس های کامپوزیت سرامیکی و فلزی پیشرفته برای اکثر وسایل نقلیه جنگی زرهی مدرن طراحی شده اند، زیرا مقاومت نفوذ بالایی در برابر بارهای شکل دار ( دورهای گرمایی ) و نفوذ کننده های انرژی جنبشی دارند .
  4. سرامیک هایی مانند آلومینا و کاربید بور به عنوان صفحات در جلیقه های زرهی بالستیک برای دفع آتش تفنگ با سرعت بالا استفاده شده است . چنین صفحاتی معمولاً به عنوان درج های محافظ بازوهای کوچک یا SAPI شناخته می شوند. از مواد مشابه کم وزن برای محافظت از کابین برخی از هواپیماهای نظامی استفاده می شود.
  5. به جای فولاد می توان از بلبرینگ سرامیکی استفاده کرد. سختی بیشتر آنها باعث کاهش حساسیت به سایش می شود. یاتاقان های سرامیکی معمولاً سه برابر طول عمر بلبرینگ های فولادی دوام می آورند. آنها کمتر از فولاد تحت بار تغییر شکل می دهند و در نتیجه تماس کمتری با دیواره های نگهدارنده یاتاقان و اصطکاک کمتری دارند. در کاربردهای با سرعت بسیار بالا، گرمای حاصل از اصطکاک باعث مشکلات بیشتری برای یاتاقان های فلزی نسبت به یاتاقان های سرامیکی می شود. سرامیک ها از نظر شیمیایی در برابر خوردگی مقاوم هستند و برای محیط هایی که بلبرینگ های فولادی زنگ می زنند ترجیح داده می شوند. در برخی از کاربردها خواص عایق الکتریکی آنها سودمند است. معایب بلبرینگ های سرامیکی عبارتند از: هزینه به طور قابل توجهی بالاتر، آسیب پذیری تحت بارهای ضربه ای، و احتمال سایش قطعات فولادی به دلیل سختی بیشتر سرامیک ها.
  6. در اوایل دهه 1980 تویوتا بر روی تولید یک موتور آدیاباتیک با استفاده از قطعات سرامیکی در منطقه گاز داغ تحقیق کرد. استفاده از سرامیک دمای بیش از 1650 درجه سانتیگراد را مجاز می کرد. مزایای آن عبارتند از مواد سبک تر و سیستم خنک کننده کوچکتر (یا اصلاً سیستم خنک کننده) که منجر به کاهش وزن عمده می شود. افزایش مورد انتظار راندمان سوخت (به دلیل دمای عملیاتی بالاتر، که در قضیه کارنو نشان داده شده است ) نمی تواند به طور تجربی تأیید شود. مشخص شد که انتقال حرارت روی دیواره سیلندر سرامیکی داغ بیشتر از انتقال حرارت به دیواره فلزی خنک‌تر است. این به این دلیل است که فیلم گاز خنک‌تر روی سطح فلزی به عنوان یک عایق حرارتی عمل می‌کند . بنابراین، با وجود خواص مطلوب سرامیک ها، هزینه های تولید گزاف و مزایای محدود مانع از پذیرش گسترده اجزای موتور سرامیکی شده است. علاوه بر این، عیوب کوچک در مواد سرامیکی همراه با چقرمگی شکست کم می تواند منجر به ترک خوردگی و خرابی تجهیزات بالقوه خطرناک شود. چنین موتورهایی به صورت تجربی امکان پذیر است، اما تولید انبوه با فناوری فعلی امکان پذیر نیست. [ نیازمند منبع ]
  7. آزمایش‌هایی با قطعات سرامیکی برای موتورهای توربین گازی در حال انجام است. در حال حاضر، حتی تیغه های ساخته شده از آلیاژهای فلزی پیشرفته که در بخش داغ موتورها استفاده می شوند، نیاز به خنک سازی و نظارت دقیق بر دمای کار دارند. موتورهای توربین ساخته شده با سرامیک می توانند کارآمدتر عمل کنند و برد و بار بیشتری را فراهم کنند.
  8. پیشرفت‌های اخیر در سرامیک‌ها صورت گرفته است که شامل بیوسرامیک‌هایی مانند ایمپلنت‌های دندانی و استخوان‌های مصنوعی می‌شود. هیدروکسی آپاتیت ، جزء معدنی اصلی استخوان، به صورت مصنوعی از چندین جزء بیولوژیکی و شیمیایی ساخته شده است و می تواند به مواد سرامیکی تبدیل شود. ایمپلنت‌های ارتوپدی که با این مواد پوشانده شده‌اند به راحتی به استخوان و سایر بافت‌های بدن بدون پس زدن یا واکنش التهابی پیوند می‌خورند. آنها برای انتقال ژن و داربست مهندسی بافت بسیار مورد توجه هستند . اکثر سرامیک های هیدروکسی آپاتیت کاملا متخلخل و فاقد استحکام مکانیکی هستند و بنابراین صرفاً برای پوشش دادن دستگاه های ارتوپدی فلزی برای کمک به تشکیل پیوند با استخوان یا به عنوان پرکننده استخوان استفاده می شوند. آنها همچنین به عنوان پرکننده برای پیچ های پلاستیکی ارتوپدی برای کمک به کاهش التهاب و افزایش جذب این مواد پلاستیکی استفاده می شوند. کار برای ساخت مواد سرامیکی نانوکریستالی هیدروکسی آپاتیت کاملاً متراکم برای دستگاه های تحمل وزن ارتوپدی در حال انجام است و مواد ارتوپدی فلزی و پلاستیکی خارجی را با مواد معدنی استخوانی مصنوعی اما طبیعی جایگزین می کند. در نهایت، این مواد سرامیکی ممکن است به عنوان جایگزین استخوان، یا با ترکیب کلاژن های پروتئینی ، برای ساخت استخوان های مصنوعی استفاده شوند.
  9. کاربردهای مواد سرامیکی حاوی اکتینید شامل سوخت‌های هسته‌ای برای سوزاندن پلوتونیوم اضافی (Pu)، یا منبع شیمیایی بی‌اثر تشعشع آلفا در منابع تغذیه برای وسایل نقلیه فضایی بدون خدمه یا دستگاه‌های میکروالکترونیک است. استفاده و دفع اکتینیدهای رادیواکتیو نیاز به تثبیت در یک ماده میزبان بادوام دارد. رادیونوکلئیدهای نیمه عمر طولانی مانند اکتینید با استفاده از مواد کریستالی با دوام شیمیایی بر پایه سرامیک های پلی کریستالی و تک بلورهای بزرگ تثبیت می شوند. [20]
  10. برای تولید قاب ساعت از سرامیک های با تکنولوژی بالا استفاده می شود. این ماده توسط ساعت سازان به دلیل وزن سبک، مقاومت در برابر خراش، دوام و لمس صاف ارزش دارد. IWC یکی از برندهایی است که در استفاده از سرامیک در ساعت سازی پیشگام بوده است. [21]
  11. سرامیک ها به دلیل سختی بالا، مقاومت در برابر خط و خش و قابلیت دفع گرما در طراحی بدنه تلفن همراه مورد استفاده قرار می گیرند. [22] خواص مدیریت حرارتی سرامیک به حفظ دمای بهینه دستگاه در هنگام استفاده زیاد کمک می کند و عملکرد را افزایش می دهد. علاوه بر این، مواد سرامیکی می‌توانند از شارژ بی‌سیم [23] پشتیبانی کنند و انتقال سیگنال بهتری را در مقایسه با فلزات ارائه دهند که می‌تواند با آنتن‌ها تداخل ایجاد کند . [24] شرکت هایی مانند اپل و سامسونگ از سرامیک در دستگاه های خود استفاده کرده اند. [25] [26]
  12. سرامیک های ساخته شده از سیلیکون کاربید به دلیل ویژگی های مقاومت در برابر خوردگی در قطعات پمپ و شیر استفاده می شود . [27] همچنین در راکتورهای هسته ای به عنوان مواد پوششی سوخت به دلیل توانایی آنها در مقاومت در برابر تشعشع و استرس حرارتی استفاده می شود . [28] سایر کاربردهای سرامیک کاربید سیلیکون شامل تولید کاغذ، بالستیک ، تولید مواد شیمیایی و به عنوان اجزای سیستم لوله است. [29]

همچنین ببینید

مراجع

  1. ↑ هیمن، رابرت بی (16 آوریل 2010). سرامیک های کلاسیک و پیشرفته: از مبانی تا کاربردها، مقدمه. جان وایلی و پسران شابک 9783527630189. بایگانی شده از نسخه اصلی در 10 دسامبر 2020 . بازیابی شده در 30 اکتبر 2020 .
  2. ^ "سرامیک". فرهنگ لغت رایگان . بایگانی شده از نسخه اصلی در 2020-08-03 . بازیابی شده 2020-08-03 .
  3. ^ کارتر، سی بی؛ نورتون، ام جی (2007). مواد سرامیکی: علم و مهندسی اسپرینگر ​ص 20، 21. شابک 978-0-387-46271-4.
  4. ^ keramiko/s. لیدل، هنری جورج ؛ اسکات، رابرت ؛ فرهنگ لغت یونانی-انگلیسی در پروژه پرسئوس
  5. ^ ke/ramos. لیدل، هنری جورج ؛ اسکات، رابرت ؛ فرهنگ لغت یونانی-انگلیسی در پروژه پرسئوس
  6. ↑ « کراموه ». Palaeolexicon . بایگانی شده از نسخه اصلی در 2011-05-01.
  7. ^ "سرامیک" . فرهنگ لغت انگلیسی آکسفورد (ویرایش آنلاین). انتشارات دانشگاه آکسفورد (اشتراک یا عضویت در موسسه شرکت کننده الزامی است.)
  8. ^ سیاه، JT; کوهسر، RA (2012). مواد و فرآیندهای DeGarmo در تولید . وایلی. ص 226. شابک 978-0-470-92467-9.
  9. ^ کارتر، سی بی؛ نورتون، ام جی (2007). مواد سرامیکی: علم و مهندسی اسپرینگر. ص 3 و 4. شابک 978-0-387-46271-4.
  10. ↑ «شیشه، سرامیک و شیشه سرامیک چگونه تعریف می شوند؟». TWI Global . بایگانی شده از نسخه اصلی در 2021-10-01 . بازیابی 2021-10-01 .
  11. ↑ «تاریخچه سرامیک». آموزش علوم و مهندسی مواد . گروه های دانشگاه واشنگتن بایگانی شده از نسخه اصلی در 06-11-2020 . بازیابی شده در 02-03-2020 .
  12. ↑ «آنالیز سرامیک». فرآیند باستان شناسی . مرکز باستان شناسی دره می سی سی پی. بایگانی شده از نسخه اصلی در 3 ژوئن 2012 . بازیابی 2004-11-12 .
  13. ↑ «اولین سرامیک حجیم که در دمای اتاق مانند فلز تغییر شکل می‌دهد». طبیعت . 23 فوریه 2024. doi :10.1038/d41586-024-00443-8. PMID  38396100.خلاصه کردن وو، ینگجو. ژانگ، یانگ؛ وانگ، شیائیو؛ هو، ونتائو؛ ژائو، آهنگ؛ افسر، تیموتی؛ لو، کان؛ تانگ، که؛ Du، Congcong; ژانگ، لیچیانگ؛ لی، بائوژونگ؛ ژوگه، زون؛ لیانگ، زیتای؛ ما، منگدونگ؛ نی، انمین; یو، دونگلی؛ او، جولونگ؛ لیو، ژونگ یوان؛ خو، بو؛ وانگ، یانبین؛ ژائو، ژیشنگ؛ تیان، یونگجون (22 فوریه 2024). "سرامیک بور نیترید لایه پیچ خورده با تغییر شکل و استحکام بالا". طبیعت . 626 (8000): 779-784. Bibcode :2024Natur.626..779W. doi :10.1038/s41586-024-07036-5. PMC 10881384 . PMID  38383626. 
  14. ^ مارتینیک، فرانه؛ رادیکا، گوجمیر; باربیر، فرانو (31 دسامبر 2018). "کاربرد و تحلیل سلول های سوختی اکسید جامد در سیستم های انرژی کشتی". Brodogradnja . 69 (4): 53-68. doi : 10.21278/brod69405 . S2CID  115752128.
  15. ↑ سئوبا، جوردی؛ دیویل، سیلوین؛ گیزارد، مسیحی؛ استیونسون، آدام جی (14 آوریل 2016). "خواص مکانیکی و رفتار شکست سرامیک های متخلخل یک طرفه". گزارش های علمی 6 (1): 24326. Bibcode :2016NatSR...624326S. doi :10.1038/srep24326. PMC 4830974 . PMID  27075397. 
  16. ^ گاروی، آرسی. هانینک، RH; Pascoe, RT (1975). "فولاد سرامیک؟" طبیعت . 258 (5537): 703-704. Bibcode :1975Natur.258..703G. doi : 10.1038/258703a0. S2CID  4189416.
  17. ^ 'Whitewares: تولید، آزمایش و کنترل کیفیت.' دبلیو رایان، سی رادفورد. چاپ پرگامون، 1987.
  18. ↑ «سفال وایت ظروف». دایره المعارف بریتانیکا . بایگانی شده از نسخه اصلی در 9 ژوئیه 2015 . بازبینی شده در 30 ژوئن 2015 .
  19. ^ گایگر، گرگ. مقدمه ای بر سرامیک، انجمن سرامیک آمریکا
  20. ^ مواد کریستالی برای بیحرکتی اکتینید . مواد برای مهندسی جلد 1. 2010. doi :10.1142/p652. شابک 978-1-84816-418-5.[ صفحه مورد نیاز ]
  21. ↑ «مواد قاب ساعت توضیح داده شده: سرامیک». aBlogtoWatch ​18 آوریل 2012. بایگانی شده از نسخه اصلی در 8 مارس 2017 . بازبینی شده در ۸ مارس ۲۰۱۷ .
  22. ↑ ترنتو، چین (27 دسامبر 2023). "مواد بدنه گوشی شما چیست؟" مواد پیشرفته استانفورد بازبینی شده در 21 ژوئن 2024 .
  23. ^ ون، هایبینگ؛ لی، جیایوان؛ یانگ، لی؛ تانگ، شیانگ کیان (2022). "مطالعه امکان سنجی انتقال توان بی سیم برای AUV با مواد سرامیکی مقاوم در برابر فشار جدید". کنفرانس بین المللی الکترونیک قدرت 2022 (IPEC-Himeji 2022- ECCE Asia) . ص 182-185. doi :10.23919/IPEC-Himeji2022-ECCE53331.2022.9806898. شابک 978-4-8868-6425-3.
  24. ↑ گوچا، آوریل (2018). "مواد هوشمند ساخت گوشی هوشمند" (PDF) . انجمن سرامیک آمریکا بازبینی شده در 21 ژوئن 2024 .
  25. ↑ «ویژگی‌های طراحی جدید در Samsung Galaxy S10 چیست؟». سامسونگ . 3 اوت 2022 . بازبینی شده در 21 ژوئن 2024 .
  26. ↑ کین، شان (13 اکتبر 2020). صفحه نمایش آیفون 12 با شیشه محافظ سرامیکی محافظت می شود. Cnet . بازبینی شده در 21 ژوئن 2024 .
  27. ^ بوکر، ولفگانگ؛ کرونر، هارتموت (1994). "سیلیسیم کاربید و سرامیک نیترید سیلیکون برای کاربردهای ساختاری با کارایی بالا: وضعیت توسعه و پتانسیل". در ساکاکی، ح (ویرایش). ابررساناها، سطوح و ابرشبکه ها . الزویر. صص 865-973. شابک 9781483283821.
  28. ^ دنگ، یانگ بین؛ کیو، بوون (2020). "تحقیق در مورد افزایش عملکرد سوخت هسته ای با روکش SiC با استفاده از سوخت های رسانایی حرارتی بالا". پیشرفت در انرژی هسته ای 124 . doi :10.1016/j.pnucene.2020.103330.
  29. ^ راس، لیزا. "چرا کاربید سیلیکون در نیمه هادی ها استفاده می شود " بازبینی شده در 27 ژوئن 2024 .

در ادامه مطلب

لینک های خارجی