نقش سرامیک‌های مهندسی در کامپوزیت سرامیکی

سرامیک های مهندسی که با عنوان سرامیک مدرن یا نوین نیز شناخته می‌شوند، مواد معدنی (مینرال) طبیعی خالص شده با ترکیب و ساختاری کنترل‌شده هستند. این سرامیک‌ها با هدف رفع نیازهایی تولید و طراحی شده‌اند که سرامیک‌های سنتی توان تأمین آن‌ها را ندارند. ویژگی‌ها و خواص منحصربه‌فرد سرامیک های مهندسی، این مادهٔ ترکیبی را به یک متریال کاربردی در صنایع مختلف ازجمله ساخت کامپوزیت سرامیکی، صنعت الکترونیک، اپتیک و... تبدیل کرده‌است.

در ادامهٔ این مطلب ضمن مطالعهٔ خواص سرامیک های مهندسی و انواع آن‌ها، با نقش برجسته‌شان در ساخت کامپوزیت سرامیکی نیز بیشتر آشنا می‌شوید.

سرامیک های مهندسی چه خواصی دارند؟

به‌طورکلی سرامیک های مهندسی:

1. اتصالات شیمیایی بسیار قوی دارند که عموماً از نوع کوالانس یا کوالانس – یونی هستند.

2. با برخورداری از مقاومت مکانیکی بسیار بالا، یک سوپر مکانیک هستند.

3. خواص الکتریکی و الکترونیکی ویژه و منحصربه‌فردی دارند.

4. مقاومت شیمایی بالایی دارند.

5. دارای خواص اپتکی انحصاری هستند.

6. از مقاومت حرارتی بالایی برخوردارند.

7. اغلب سخت هستند و در برابر سایش نیز مقاومت بالایی دارند.

8. دانسیتهٔ کمی دارند یا به‌عبارتی کم‌چگالی هستند.

9. با اصول حفاظت از محیط‌زیست سازگاری دارند. ازاین‌رو می‌توان گفت جزو مینرال‌های سبز و دوست‌دار محیط زیست به‌شمار می‌روند.

انواع سرامیک های مهندسی

انواع سرامیک مهندسی دارای سه نوع گروه‌بندی است:

1. دسته‌بندی اصلی؛

2. دسته‌بندی براساس کاربرد؛

3. گروه‌بندی دیوید دبلیو ریچرسون.

دسته‌بندی اصلی

انواع سرامیک مهندسی در دو گروه اصلی دسته‌بندی می‌شوند:

• سرامیک‌های اکسیدی؛

• سرامیک‌های غیراکسیدی.

سرامیک‌های اکسیدی

این دسته از سرامیک‌ها اغلب به‌عنوان سرامیک‌هایی معرفی می‌شوند که از اکسیدهای ساده ساخته شده‌اند.

هدف از طراحی و ساخت سرامیک‌های اکسیدی استفاده از آن‌ها در کاربردهای سازه‌ای یا عملکردی است.

آلومینا یا اکسید آلومینیوم (AL2O3)، زیرکونیا یا اکسید زیرکونیم (ZrO2)، مگنزیا یا اکسید منیزیم (MgO) تیتانیا یا اکسید تیتانیوم (TiO2) جزو شناخته شده‌ترین سرامیک‌های اکسیدی هستند.

جهت کسب اطلاع بیشتر از خواص آلومینا در سرامیک‌های اکسیدی از سایت cerampowder.com دیدن فرمایید.

مهم‌ترین مرحلهٔ تهیهٔ سرامیک‌های اکسیدی با کارایی بالا، مرحله‌ای است که در آن برای تولید یک کنسانتره، مواد اولیه با خلوص بالا (پودرها) با استفاده از روش‌های فرآوری مواد معدنی تهیه می‌شوند. سپس وارد عملیات‌هایی می‌شود تا ناخالصی‌های ناخواسته‌شان حذف شود و آمادهٔ دریافت ترکیبات دیگر برای ایجاد یک ترکیب اولیه مطلوب شوند.

سرامیک‌های غیراکسیدی

سرامیک‌های غیراکسیدی طی یک پروسهٔ سه‌مرحله‌ای تولید می‌شوند:

1. تهیهٔ پودرهای خام اولیه یا پیش‌سازها؛

2. مخلوط کردن این پیش‌سازها برای ساخت ترکیبات موردنظر؛

3. زینترینگ (تَف جوشی) نهایی.

تشکیل مواد اولیه و پخت این گروه از سرامیک‌ها در کوره باید تحت شرایط خاص و بدون حضور اکسیژن در هنگام گرم شدن انجام شود، زیرا این مواد هنگام حرارت دیدن می‌توانند با اکسیژن وارد واکنش شده و اکسید شوند. ناگفته نماند فرایند زینترینگ و پخت برای سرامیک‌های غیراکسیدی در دمای بسیار بالایی انجام می‌شود. سرامیک‌های غیراکسیدی براساس ترکیباتشان طبقه‌بندی می‌شوند و نیتریدها، کاربیدها و بورایدها پرمصرف‌ترین انواع آن‌ها هستند.

انواع سرامیک های مهندسی (دسته‌بندی براساس کاربرد)

• مغناطیسی

• نوری

• الکتریکی

• مکانیکی

• حرارتی

• بیوزیست

• شیمیایی

• هسته‌ای

• نظامی

• متالوژی

• و ...

انواع سرامیک مهندسی (طبق گقته دیوید دبلیو ریچرسون)

دیوید دبلیو ریچرسون، مهندس سرامیک‌های مدرن، معتقد است انواع سرامیک مهندسی را به گروه‌های زیر نیز می‌توانیم تقسیم کنیم:

1. سرامیک‌های اکسیدی مانند BeO، ThO2، ZrO2، Al2O3 و MgAl2O4؛
2. سرامیک‌های مغناطیسی مانند ZnFe2O4، PbFe12O19 و Y6Fe10O24؛
3. سرامیک‌های فروالکتریک مانند BaTiO3؛
4. سوخت‌های هسته‌ای مثل UN و UO2؛
5. نیترید‌ها، کاربیدها و بورایدها مانند B4C، SiC، Si3N4 و TiB2.

سرامیک های مهندسی، انتخابی مناسب برای ساخت کامپوزیت سرامیکی

کامپوزیت‌های زمینه سرامیک یا Ceramic Matrix Compozit که به اختصار CMC نیز خوانده می‌شوند، خانواده‌ای از مواد کامپوزیتی هستند که یک مادهٔ سرامیکی مانند انواع شیشه، شیشه سرامیک‌ها و سرامیک‌هایی مانند کربن، نیترید سیلیسیم، کاربید سیلیسیم، انواع آلومینا یا اکسید آلومینیوم و سایر اکسیدهاست. استفاده از انواع سرامیک مهندسی مانند آلومینا (اکسید آلومینیوم)، زیرکونیا، تیتانیا، نیتریدها، کاربیدها، بورایدها و سایر انواع سرامیک مهندسی در ساخت کامپوزیت سرامیکی نقش برجسته‌ای در ظهور ویژگی‌ها و خواص موردنظر در این دسته از کامپوزیت‌ها دارد.

درواقع کامپوزیت‌های سرامیکی با بهره‌گیری از خواص سرامیک مهندسی، علاوه‌بر بهبود ویژگی‌های سابق سرامیک مانند مقاومت در دماهای بالا، استحکام زیاد، چگالی، ضریب انبساط حرارتی و هدایت الکتریکی حرارتی کم، یکی از بزرگ‌ترین نقاط ضعف سرامیک‌های قدیمی، یعنی چقرمگی شکست (Fracture Toughness) پایین آن‌ها را تقویت کرده‌اند. در کامپوزیت‌های سرامیکی ما شاهد افزایش چقرمگی سرامیک‌ها هستیم و قطعاً این مهم بدون استفاده از انواع سرامیک مهندسی همچون اکسید منیزیم یا مگنزیا، اکسید آلومینیوم (آلومینا)، کاربیدها، نیتریدها و... به‌عنوان تقویت‌کننده‌ها یا مواد ماتریسی در ساخت کامپوزیت سرامیکی حاصل نمی‌شد.

جمع‌بندی

کامپوزیت‌های سرامیکی که انواع سرامیک مهندسی عضو اصلی ساختار آن‌ها هستند، کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف مانند صنعت انرژِی هسته‌ای، صنعت هوافضا، وسایل نقلیهٔ مافوق صوت، سیستم‌های اگزوز موتور، اجزای توربین گاز و ... دارد؛ به این ترتیب می‌توان این گستردگی کاربرد را به انواع سرامیک مهندسی نیز تعمیم داد.

بدون وجود این سرامیک‌ها در ساختار کامپوزیت‌های مهندسی، شاید این خانواده از کامپوزیت‌ها دیگر لقب "مهندسی" را با خود یدک نکشیده و از ویژگی‌های منحصربه‌فردی مانند چقرمگی بالا نیز برخوردار نبودند! همچنین شاید هیچ وقت آن تحول عظیم در صنعت هوا فضا هم رخ نمی‌داد! منظورمان همان تغییر بزرگی است که به موجب آن قطعات در برابر شرایط شدید مقاوم‌تر و نسبت‌به فناوری‌های قبلی سبک‌تر شدند. بنابراین انواع سرامیک مهندسی نه تنها بهترین گزینه برای ساخت کامپوزیت‌های مهندسی است، بلکه شاید بتوان آن را تنها گزینهٔ شایسته روی میز برای استفاده در ساختار این نوع از کامپوزیت‌ها معرفی کرد.

 

انتهای رپرتاژ آگهی/