علم سرامیک

روش هاي شناسايي و آناليز مواد

Materials Characterization and Analysis Methods
واژه ي Characterization هنگامي که در علم مواد مورد استفاده قرار گيرد، به معناي استفاده از تکنيک هاي خارجي جهت کاوش در ساختمان داخلي و خواص ماده است. تکنيک هاي تحليلي مورد استفاده در شناسايي مواد براي رسيدن به تصوير بزرگ شده اي از نمونه است. اين تصوير به دست آمده از ساختار داخلي موجب رسيدن ما به اطلاعات مهمي از جمله: توپوگرافي، توزيع و فراواني عناصر موجود در نمونه و فعل و انفعالات اين عناصر (فازهاي تشکيل دهنده ي ماده) مي گردد [1[
در مطالعه ي هر مطلبي طبقه بندي کردن يکي از بهترين راه ها در جهت درک و يادگيري بهتر مطلب است. در زمينه شناسايي و آناليز مواد نيز طبقه بندي هاي مختلفي وجود دارد؛ که بنابر هدف نويسنده از ارائه مطلب، نحوه ي دسته بندي مطلب نيز متفاوت است. مثلاً در برخي از کتاب ها طبقه بندي را براساس ماهيت شناسايي انجام مي دهند. براساس اين تقسيم بندي که حالتي کلي از بيان روشهاي شناسايي و آناليز مواد را دارد، روش هاي شناسايي به صورت زير تقسيم بندي مي شوند:

شناسايي و آناليز مواد:

الف) آناليز عنصري (آناليز شيميايي)
ب) آناليز فازي (آناليز معدني)
ج) آناليز ريزساختاري (آناليز ميکروسکوپي)
در کنار اين تقسيم بندي دو گروه ديگر نيز اضافه مي شوند؛ يکي از اين گروه ها آناليز سطح است که حالت عنصري دارد. از اين لحاظ در تقسيم بندي 5 گانه زير در کنار آناليز عنصري نشان داده شده است. گروه ديگر، آناليز حرارتي است که حالت تکميل کننده را دارد. لازم به ذکر است که پنج گروه از روش هاي شناسايي و آناليز مواد که در زير نشان داده شده است، اصلي ترين روش هاي آناليز و شناسايي را که در علم مواد مورد نياز است؛ در بر مي گيرد. به عبارت ديگر، با اين مجموعه مي توان اطلاعات کاملي در مورد مواد فلزي، سراميکي، معدني و آلي به دست آورد. البته بيان يک نکته بسيار مهم است که روشهاي ديگري نيز وجود دارند که استفاده از آنها در موارد مختلف مرسوم است.

روش هاي شناسايي و آناليز مواد: [2]

1) آناليز سطح
2) آناليز عنصري
3) آناليز فازي
4) آناليز ريزساختاري
5) آناليز حرارتي

در يکي ديگر از تقسيم بندي ها در زمينه روش هاي آناليز و شناسايي مواد براساس نحوه عملکرد تقسيم بندي انجام مي شود؛ که اين طبقه بندي به صورت زير است [3]:
1) روش هاي ميکروسکوپي
2) روش هاي براساس پراش
3) روش هاي طيف سنجي
4) طيف سنجي جرمي
5) روش هاي جداسازي

در اين مقاله سعي شده است که در مورد انواد ميکروسکوپ هايي که در زمينه ي شناسايي مواد کاربرد دارد، صحبت شود. ليست ميکروسکوپ هاي که در اين مقاله در موردشان صحبت مي کنيم در زير آورده شده است. همچنين شکل هاي 1 و 2 مقاله تصاويري از اين وسايل ديده مي شوند:
1) ميکروسکوپ نوري (OM)
2) ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)
3) ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM)
4) ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM)
5) ميکروسکوپ روبشي تونلي (STM)
6) ميکروسکوپ يون ميداني (FIM)

ميکروسکوپ نوري (Optical Microscope)

ساده ترين نوع ميکروسکوپ، ميکروسکوپ نوري است. اين وسيله در انواع مختلف و در دقت هاي متفاوت براي استفاده هاي مختلف ساخته مي شود. و هم اکنون نيز يکي از انواع متداول ميکروسکوپ در مراکز تحقيقاتي و آموزشي است. اين وسيله هنوز نيز در زمينه ي پزشکي ، علوم طبيعي، قارچ شناسي، باکتري شناسي و علم و مهندسي مواد و... کاربرد دارد. و استفاده از آن منسوخ نشده است؛ ولي در عوض با پيشرفت تکنولوژي، ميکروسکوپ هاي نوري پيشرفته تر شده اند.
ميزان بزرگنمايي اين وسيله به نسبت کاربردش متفاوت است ولي به طور معمول، ميکروسکوپ هاي نوري مورد استفاده در علم و مهندسي مواد بزرگنمايي تا 1000 برابر دارند.
ميکروسکوپ (microcope) وسيله اي است براي ديدن احسام خيلي کوچک. اين اجسام به حدي کوچک اند که با چشم غيرمسلح (naked eye) ديده نمي شوند. واژه ي microscopic به معني يک جسم بسيار کوچک است که با چشم قابل رؤيت نيست مگر با کمک يک ميکروسکوپ [4]

تاريخچه:

اگر بخواهيم در مورد تاريخچه ي ميکروسکوپ نوري بگوييم بايد به سال 1655 برگرديم. در آن زمان روبرت هوگ کديک فيزيکدان بود، اولين مشاهده ي ميکروسکوپي را انجام داد.
وي براي اولين با توانست بقاياي ديواره ي سلولهاي مرده ي گياهي را در برشي از چوب پنبه مشاهده کند.
در سال 1674: آنتوني وان ليون هوگ، که يک پارچه فروش بود، براي اولين با توانست تک سلولهاي زنده (پروتوزوآ) را مشاهده کند. در سال 1683 آنتوني وان ليون هوگ با تکيمل ميکروسکوپي که ساخته بود، توانست باکتريها را نيز مشاهده کند. [5]
البته بايد يک نکته مورد تذکر قرار داده شود و آن اين است که گزارشاتي از ساخت وسايلي براي بزرگنمايي مر بوط به زمان هاي قبل از سال 1655 نيز گزارش شده است که در آن زمان ميکروسکوپ وسيله اي براي تفريح بود ولي با گسترش علوم اين وسيله در علوم پزشکي و زيست شناسي و ... نيز جايگاه پيدا کرد. براي اطلاعات بيشتر به مرجع [6] مراجعه کنيد.

اصول کار ميکروسکوپ هاي نوري امروزي:

اصول کار يک ميکروسکوپ نوري به صورت خيلي ساده، بدين صورت است که با استفاده از دو عدسي محدب تصوير جسم، بزرگتر مي شو. در واقع پرتوهاي بازتابيده شده از جسم که به وسيله منبع نوري گسيل ميشوند، از عدسي محدب اوليه (عدسي شيئي) عبور کرده و فاصله ي کانوني عدسي دوم (عدسي چشمي) تشکيل تصوير مي دهد که اين تصوير بزرگتر و مجازي است. [7]

ساختمان ميکروسکوپ نوري:

ميکروسکوپ هاي نوري کاربردهاي گوناگوني دارند و بسته به نوع کاربرد آنها، از انوع عدسيها، صافيها، قطبشگرها و نيز دستگاه هاي کمکي براي مشاهده و ثبت تصوير استفاده مي شود. بسياري از ميکروسکوپ هاي نوري جديد به دوربينهاي CCD، کار رابطه الکترونيکي و پردازشگر رايانه اي مجهز هستند.
فناوري جديد الکترونيکي، امکان استفاده از بسته هاي نرم افزاري گوناگوني را فراهم کرده است. بدين ترتيب مي توان به کمک آنها و سخت افزارهاي مناسب، اندازه گيري هاي دقيق، محاسبه آماري و حتي مقايسه ريزساختاري مواد را با داده هاي موجود در بانک اطلاعات انجام داده و نسبت به شناسايي مواد و فازها به کمک نرم افزارهاي پردازشگر تصوير اقدام کرد. با تمام گستردگي موجود، ميکروسکوپ هاي نوري به دو گروه ميکروسکوپ هاي نوري و عبوري و ميکروسکوپ هاي نوري بازتابي دسته بندي مي کند (مطابق شکل 1). در علوم زيستي، بيشتر از ميکروسکوپ هاي عبوري و در متالوگرافي و بررسي ريزساختار مواد از ميکروسکوپ هاي بازتابي استفاده مي شود. اما اين يک دستور عمومي نيست و در عمل، روشهاي مؤثر کسب اطلاعات و آماده سازي نمونه، نوع ميکروسکوپ را تعيين مي کند. از ميکروسکوپ عبوري براي مطالعه ي نمونه هاي شفاف استفاده مي شود. در اين حالت بايد يک مقطع نازک (به ضخامت 80-10 ميکرون) از نمونه تهيه کرد. در اين ميکروسکوپ، کنتراست تصويري، به دليل اختلاف جذب نور در ناحيه هاي گوناگون نمونه به دست مي آيد. در بررسي ريزساختار مواد، از ميکروسکوپ عبوري، براي شناسايي کانيها، سنگ ها، شيشه ها، سراميک هاو پلي مرها استفاده مي شود.
ميکروسکوپ هاي نوربي بازتابي، براي مطالعه ي نمونه هاي مات و کدر به کار مي رود. در اين حالت، آماده سازي نمونه تا اندازه اي ساده تر است ولي نبايد آماده سازي سطح مورد بررسي را فراموش کرد. در بيشتر موارد، همواري سطح تا يک ميکرون يا کمتر، لازم است و در مورد سراميک ها و فلزات، عمليات سونش شيميايي مناسب براي دستيابي به اطلاعات صحيح اهميت زيادي دارد. برخي از سازندگان ميکروسکوپ ها، ميکروسکوپ هاي گوناگون ترکيبي را که حالت هاي عبوري، بازتابي و قطبيده را به طور همزمان دارد. طراحيو ساخته اند [2]

اجزاي ميکروسکوپ هاي نوري

در شکل 2 اجزاي اين ميکروسکوپ به طور شماتيک نشان داده شده است که به ترتيب زير مي باشند:

1) چشمه نوري (s)

چشمه نور بايد درخشان، پايدار و کوچک باشد. از آنجايي که در بيشتر موارد 20-25 درصد از شدت نور به عدسي چشمي انتقال نمي يابد. بنابراين بايد از يک چشمه ي نوري قوي و درخشان استفاده کرد. چشمه ي نوري بايد کوچک باشد تا بتوان به نور نقطه اي دست يافت. پايداري چشمه نور براي راحتي مشاهده، خسته نشدن چشم و تکرارپذيري تصوير لازم است. به طور معمول، چمشه نوري از رشته هاي تنگستن ساخته مي شود که شدت نور آنها کم است. تا چندي پيش، از چراغ هاي قوس کربني نيز استفاده مي شد ولي به دليل اتلاف کربن در اين نوع چراغ ها: سازوکار مناسب براي حرکت ميله هاي کربني وجود ندارد. از چراغ هاي قوس الکتريکي فشار بالاي جيوه نيز استفاده مي شود. عمر اين چراغ ها، گوناگون و غير قابل پيش بيني بوده و گران نير مي باشند. عيب ديگر آنها اين است که براي بدست آوردن شرايط بهينه ي تابش، حدود 15 دقيقه زمان لازم است و پس از گرم شدن امکان قطع و وصل کردن دوباره چراغ در حالت داغ وجود ندارد. چراغ هاي زنوني نيز امروزه بسيار شهرت يافته اند داراي اشکالهاي يکساني هستند. تنها تفاوت آنها در قطع و وصل کردن فوري است که در اين زميه چراغ هاي زنوني عملکرد مناسبي را از خود نشان داده اند. هر دو نوع چراغ کربني و زنوني، امواج فرابنفش تابش مي کنند که بايد براي حفاظت از چشم کاربر، اقدام ايمني مناسبي در اين نوع ميکروسکوپ ها با قراردادن صافي فرانبفش صورت گيرد.
در چشمه هاي متداول، براي مشاهده کيفي، از رشته هاي تنگستن استفاده مي شود اما شدت نور آنها کم است.

2) عدسي محدب C1

از اين عدسي به دو دليل استفاده مي شود اول آنکه نور پديد آمده از چمشه را موازي و جمع کند تا پرتوي با اندازه ي مورد نظر به دست آيد؛ و دوم آنکه، روشنايي يکنواختي براي نمونه پديد مي آورد. تنظيم اين عدسي براي نوردهي بحران لازم است [2]

3) ديافراگم تنظيم نور

ديافراگم تنظيم نور، ديافراگم پره اي شکل جمع شونده اي است که در کنار عدسي محدب C1 قرار داد. و وظيفه ي آن، تنظيم مقدار نور عبوري است که اين کار را با محدود نمودن قطر پرتو انجام مي دهد. بدين ترتيب مي توان از قابليت هاي عدسي شيئي بهترين استفاده را کرد، بدون آنکه نور اضافي در ميکروسکوپ وجود داشته باشد. و بازتاب هاي ناخواسته پديد آيد. در شرايط بحران، مي توان اين ديافراگم را تا اندازه اي کوچک کرد که فقط پرتو بسيار باريک از آن به دست آيد. [2]

4) ديافراگم تنظيم ميدان ديد

اين ديافراگم مانند ديافراگم تنظيم نور، به شکل پره اي است و در مکاني قرار داده مي شود که چشمه يا در بيشتر موارد عدسي محدب C1 را آنجا قرار داد. در صورت استفاده از اين نوع ديافراگم، عدسي محدب ديگري مانند C2 به کمک عدسي شيئي تصوير آن را به طور کامل بر سطح نمونه کانوني مي کند. بنابراين با تنظيم اين ديافراگم مي توان سطح مشخصي از نمونه (ميدان ديد) را بررسي کرد.

5) آينه هاي بازتابنده

در ميکروسکوپ هاي مختلف از انواع آينه هاي بازتابنده استفاده مي شود. در ساده ترين و رايج ترين شکل خود، اين آينه به صورت يک صفحه ي شيشه اي سطح است که در مسير نوري، پس از عدسي محدب C1، ديافراگم تنظيم نور، ديافراگم تنظيم ميدان ديد و عدسي C2 قرار مي گيرد، به طوري که عمود بر اين صفحه با پرتو نور، زاويه ي 45 درج مي سازد. از آنجا که صفحه شيشه اي بسيار نازک است، اعوجاج تصوير به علت بازتابهاي چندگانه کمترين مقدار خواهد بود. بنابراين پرتو نور، بازتابش 90 درجه پيدا مي کند. به به طور عمود وارد عدسي شيئي مي شود.
براي افزايش بهره اين آينه و پرهيز از بازتاب هاي ناخواسته از سطح جلويي آينه، به طور معمول سطح پيشين آن را نيمه نقره کاري مي کنند و حتي سطح جلويي آن را با لايه نازکي از يک ماده ي جاذب مي پوشانند. در هر حال، آينه شيشه اي، شدت نور دريافتي از عدسي شيئي را تا حدود 25 درصد کاهش مي دهد. در پاره اي از ميکروسکوپ هاي نوري، به جاي آينه بازتابنده از يک منشور شيشه اي عمود استفاده مي کنند. نوردهي اين دستگاه به علت بازتابش کلي مشنور بسيار بيشتر است. از آنجا که نور بازتابيده از سطح نمونه بايد بتواند به عدسي چشمي فرستاده شود، اين منشور بايد به گونه اي نصب گردد که فقط نيمي از پرتو ابتدايي را بازتاب کند. اين بدان معناست که نيمي از عدسي شيئي به صورت يک عدسي محدب جمع کننده و نيم ديگر به شکل عدسي بزرگنما عمل کند. و بايد سبب کاهش توان تفکيک آن شود. يکي ديگر از پي آمدهاي استفاده از منشور که به علت فراگيري غيرمرکزي آن پديد مي آيد آنست که نوردهي سطح نمونه، ديگر به صورت عمودي نبوده و حالت مايل است. البته اين حالت مي تواند در طراحي پاره اي از انواع ميکروسکوپ نوري مفيد و در پاره اي ديگر زيان آور باشد. در يکي از انواع ميکروسکوپ هاي نوري که کاربرد پژوهشي گسترده اي نزي دارد، از بازتابنده اي استفاده مي شود که در آن يک جفت منشور از جنس کلسيت، همه پرتوهاي نوري پديد آمده از نمونه را به داخل عدسي چشمي انتقال دهد. نور تابشي نيز به طور همزمان از قطبش صفحه اي برخوردار است. اين طراحي که به منشور Foster معروف است، فقط در اين نوع ميکروسکوپ به کار رفته است [2]

6) عدسي شيئي

عدسي شيئي، مهمترين قسمت يک ميکروسکوپ نوري است. و به عبارت ديگر خود ميکروسکوپ نوري مي باشد. و همه قسمتهاي ديگر لوازم جانبي آن به حساب مي آيند. عدسي هاي شيئي گوناگوني طراحي و ساخته شده اند ولي همه آنها يک ويژگي مشترک دارند. بيشتر آنها از چند عدسي شيشه اي گوناگون تشکيل شده اند. که گاهي با عدسيهاي فلوريت (فلوريد کلسيم طبيعي) ترکيب شده تا يک عدسي مرکب يا بزرگنمايي 2000-5 برابر به دست آيد. همانطور که پيشتر اشاره شد، تفکيک پذيري مناسب اين عدسيها، وابسته به دهانه عدسي آنها بوده که متناظر با o.2-o.9 براي عدسيهاي خشک و 1.4 براي عدسيهايي است که مشاهده نمونه در محيط روغني صورت مي گيرد. در بسياري از ميکروسکوپ ها روميزي، عدسيهاي شيئي گوناگوني که تعداد آنها 4 الي 3 عدد است، در قاب فلزي و و قابل چرخش نصب شده اند. اين قابهاي چرخان، استفاده از عدسي شيئي را آسان مي کند و در بيشتر ميکروسکوپ ها، طراحي اين قالب به گونه اي صورت گرفته که عدسيها پارفوکال باشند که به معني آنست که حتي با جابجا کردن عدسي شيئي (به کمک قاب چرخان) تصوير به صورت کانوني باقي مي ماند. اگر چه فواصل کاري آنها متفاوت است. فاصله کاري يک عدسي چنان چه از نام آن پيداست، فاصله ي بين قسمت جلويي عدسي شيئي و سطح نمونه مي باشد، هنگامي که ميکروسکوپ کانوني شده است. افزون بر تفکيک پذيري يک عدسي، ويژگي هاي ديگر نيز در عملکرد آن نقش دارند که مجموعه آنها را با نام ابيراهي معرفي مي کنند. و در هنگام ساخت عدسيها بايد به آنها توجه کرد. پاره اي از اين ويژگي ها عبارتند از: ابيراهي رنگي، ابيراهي کروي، ابيراهي آستيگماتيسم و... جهت مطالعه ي بيشتر به مرجع [2] مراجعه کنيد.

7) عدسي چشمي

پرتوهاي بازتابيده از سطح نمونه، پس از عبور از آينه بازتابنده يا منشور عمودي، به صورت کانوني درمي آنيد و به کمک يک عدسي بزرگنمايي کمکي به نام عدسي چشمي ديده مي شوند. وطيفه اين عدسي، تشکيل تصوير مجازي براي چشم است و يا تصوير ابتدايي را بر يک صفحه عکاسي متمرکز مي نمايد. در هر صورت، عدسي چشمي، بزرگنمايي ابتدايي عدسي شيئي را تقويت مي کند. از عدسي چشمي ممکن است در تصحيح ابيراهي هاي ناشي از عدسي شيئي نيز استفاده کرد. عدسيهاي چشمي به 3 گروه کلي تقسيم بندي مي شوند که در زير تنها به آنها اشاره مي شود. اطلاعات بيشتر در منبع [2].
الف) عدسي مثبت يا Ramsden
ب) عدسي منفي يا Huygenian
ج) عدسي چشمي تقويت کننده

8) سکوي جانمونه اي

اين سکو براي نگهداري نمونه در صفحه ي کانوني عدسي شيئي به کار مي رود و يکي از اجزاي اصلي ميکروسکوپ به حساب مي آيد. در ميکروسکوپ هاي نوري بزرگ، اين سکو به طور معمول به شکل معکوس است. بدين معني که عدسي شيئي در زير سکو قرار دارد و نمونه بر روي يکي از چند فضاي خالي که به شکل حلقه مي باشند قرار مي گيرد.

بدين ترتيب مي توان نمونه را از پايين، هنگامي که بر روي فضاي حلقه اي شکل است مشاهده کرد. در ميکروسکوپ هاي ديگر، سکوي جانمونه اي در زير عدسي شيئي قرار دارد و سطح صيقلي شده و جلا يافته ي نمونه رو به بالا قرار مي گيرد. به کمک گيره هاي فلزي، نمونه را از دو طرف ثابت نگه مي دارند. سکوي جانمونه اي داراي پيچ هاي تنظيم ميکرومتري ريز و درشت براي حرکت عمودي (در جهت محور z) است. و توانايي حرکت جانبي در دور محور x و y را نيز دارد. سکوي حانمونه اي مي تواند به دور محور عمود بر صفحه نيز بچرخد اين قابليت به ويژه درمشاهده ي نمونه توسط نور قطبيده بسيار مفيد است. در اين نوع ميکروسکوپ ها، عمل کانوني کردن نمونه، توسط پيچ هاي تنظيم ريز و درشت که حرکت عمودي را پديد مي آورند صورت مي گيرد

ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)
ميکروسکوپ هاي الکتروني از کجاآمده اند؟

ميکروسکوپ هاي الکتروني به خاطر محدوديت ميکروسکوپ هاي نوري توسعه پيدا کردند. همانگونه که مي دانيد ميکروسکوپ نوري بزرگنمايي ماکزيمم، 500 برابر تا 1000 برابر و رزوليشن o.2 ميکرون دارند. که اين باعث محدوديت استفاده از اين وسايل مي شود. در ابتداي دهه ي 1930، اين محدوديت از لحاظ تئوري نيز فهميده شده بود و ديدن خصوصيات ساختار داخل سلولهاي آلي (هسته، ميتوکندري و...) به عنوان يک آرزو درآمده بود. براي ديدن ساختار سلولهاي آلي نياز به بزرگنمايي 10.000 برابر بود که به وسيله ي طول موج مرئي قابل انجام نبود. اولين نوع از ميکروسکوپ هاي الکتروني، ميکروسکوپ ها عبوري (TEM) بود که دقيقاً مانند يک ميکروسکوپ عبور نوري کار مي کرد. با اين تفاوت که به جاي نوار از يک باريکه ي الکتروني استفاده شد.
Max knoll و Ernst Ruska، ميکروسکوپ الکترون عبوري (TEM) را در سال 1931 ساختند. اولين ميکروسکوپ الکتروني روبشي نيز در سال 1942 اختراع شد. در اين قسمت از مقاله با ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) آشنا مي شويم و در قسمت آينده با ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) آشنا مي شويم [9]

ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) چيست؟

ميکروسکوپ الکتروني روبشي يا SEM نوعي ميکروسکوپ الکتروني است که قابليت عکس برداري از سطوح با بزرگنمايي 10-100000 برابر و قدرت تفکيک در حد 3-100 نانومتر (بسته به نمونه) را دارد. [9]

تاريخچه ي ميکروسکوپ روبشي (SEM)

نخسيتن تلاش ها در زمينه ي توسعه ي ميکروسکوپ ها روبشي به سال 1935 باز مي گردد. که نوول و همکارانش در آلمان پژوهش هايي در زمينه ي پديده هاي الکترونيک نوري انجام دادند. آردن در سال 1938 با اضافه کردن پيچه هاي جاروب کننده به يک ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) توانست ميکروسکوپ الکتروني عبوري ـ روبشي بسازد. استفاده از SEM براي مطالعه ي نمونه هاي ضخيم اولين بار توسط ژورکين و همکاران در سال 1942 در ايالات متحده ي آمريکا گزارش شد. قدرت تفکيک ميکروسکوپ هاي اوليه در حدود 50 نانومتر بود. [9]

ساختمان ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)

در شکل 1 الف يک تصوير از ميکروسکوپ الکتروني روبشي مدل اس 4700 با مارک هيتاچي را مي بينید. ستون ميکروسکوپ، محفظه ي نمونه و سيستم خلأ در سمت چپ و کامپيوتر، صفحه نمايش و ديگر وسايل کنترل کننده در سمت راست است. به عنوان يک اپراتور شما نيازمند اين هستيد که بدانيد چه اتفاقي در داخل blackbox (ستون ميکروسکوپ) و در هنگام اعمال کنترل هاي ابزراي براي توليد يک تغيير در تصوير مانيتور، اتفاق مي افتد.

نگاهي به داخل blackbox

نگاهي به داخل blackbox، نشاندهنده ي پيچيدگي بسيار زیاد اين قطعه است. (شکل 1-ب) اما به صورت ساده اجزای اين ستون به شرح زير هستند:
1) منبع گسيل پرتو الکتروني (electron gun)
اين منبع، الکترون ها را شتاب مي دهد.
2) لنزهاي الکترومغناطيسي (condenser and objective)
اين اجزا قطر پرتو را تغييرمي دهند تا پرتو بر روي نمونه متمرکز شود.
3) تعدادي روزنه (opertures)
اين روزنه ها، سوراخ هاي ميکروني هستند که در يک فيلم فلزي نازک ايجاد شده اند. پرتو الکتروني از ميان آنها عبور مي کند که اين عمل بر خواص پرتو اثر مي گذارد.
4) کنترل کننده هاي موقعيت نمونه (Specimen Position)
اين قسمت ها موقعيت نمونه را در سه جهت فضايي z,y,x تعيين مي کند و چپ و راست شدن ها و دوران نمونه يا پرتو را کنترل مي کنند.
5) بخش اينتراکشن (intraction)
با اين قسمت مي توان چنين نوع سيگنال مختلف بوجود آورد که با انجام پروسه هايي توليد تصوير، طيف و ... مي کند.
6) محفظه خلأ (vacuum levels)

تمام قطعات 1 تا 5 در بالاي قسمت خلأ قرار دارندکه حجم ستون ميکروسکوپ از محفظه نمونه بزرگ تر است.
اگر ما نگاهي دقيق تر به پايين ستون ميکروسکوپ و محفظه نمونه بيندازيم مي توانيم لنزهاي شيئي را ببينيم که پرتو الکتروني را بر روي نمونه متمرکز مي کنند.
سينگنال توليدي بوسيله نمونه توسط حسگرها جمع آوري مي شود و پس از انجام عمليات بر روي داده ها، تصوير يا طيفي بوجود مي آيد که بر روي مانيتور نمايش داده مي شود. ما همچنين يک جفت پيچه ي منحرف کننده (deflector coils) را در تصوير شکل 1-ب مي بينيم که بوسيله ي Scan Generator کنترل مي شوند. اين پيچه ها عهده دار حرکت باريکه ي پرتو بر روي سطح نمونه هستند. که الگوي حرکت عضو اسکن کننده توسط Magnification Control کنترل مي شود. پرتوي اسکن کننده (پرتو روبش کننده) حرکت خود را از چپ به راست و از بالا به پايين ادامه مي دهد. که يک تناسب خانه به خانه بين ناحيه ي روبش شده بر روي نمونه و تصوير ايجادي بر روي مانيتور مطابق شکل 2 وجود دارد. رزوليشن انتخابي توسط کاربر به طور واضح بر روي تعداد پيکسل ها در هر سطر تأثير مي گذارد. که اين سطرها تشکيل دهنده ي ناحيه ي اسکن هستند. نقاط قرمز در داخل هر پيکسل بر روي نمونه بيان کننده ي يک ناحيه ي واکنش دهنده با پرتو از نمونه است که سيگنال هاي تشکيل دهنده ي تصوير از اين نقاط مشتق مي شوند. سيگنال هاي توليدي بوسيله ي آشکارساز (detectro) جمع مي شوند پس از پروسه اي ديگر تصوير حاصل مي شود.
پروسه ي انجام شده شدت سيگنال هاي دريافتي را به داده هاي سياه و سفيد قابل قبول براي مانیتور تبديل مي کند. تصوير مانيتور يک الگوي روبشي دو بعدی از داده هاي سياه و سفيد است.
با متمرکز شدن پرتو بر روي سطح نمونه، که نياز همه ي کاربران براي تغيير بزرگنمايي است، ابعاد ناحيه ي روبش تغيير مي کند. ابعاد تصوير توليد بر روي مانيتور همواره ثابت است. حال اگر کاربر ابعاد ناحيه ي اسکن بر روي نمونه را کاهش دهد. بزرگنمايي افزايش مي يابد. [10]
ناحيه ي اسکن شده بر روي مانيتور÷ ناحيه ي اسکن شده بر روي نمونه = بزرگنمايي
اطلاعاتي که يک اپراتور SEM بايد بداند:
1) بخش پرتو الکتروني
2) بر همکنش نمونه ـ پرتو
1) بخش پرتو الکتروني
الف) تفنگ الکترونی (Electron Gun)
هدف تفنگ الکتروني مهيا نمودن پرتوي پايداري از الکترون است که انرژي پرتو قابل تنظيم باشد. سه نوع عمده از تفنگ هاي الکتروني وجود دارند که به شرح زير هستند:
1) تفنگ هيرپين تنگستن (Tungsten hairpin)
2) تفنگ لانتانيوم هگزابورايد (Lanthanum hexaboride)
هگزابورايد فرمول شيمايي LaB6 دارد.
3) تفنگ نشر ميداني (Field emission)

براي نمونه يکي از اين انواع يعني نوع نشر ميداني، برايتان توضيح داده مي شود. اين نوع تفنگ با نام Field emission gun (با نام اختصاري (FEG)) داراي يک کاتد فلزي تيز است که شبيه يک نوک مداد مي باشد وداراي شعاعي کمتر از 100 نانومتر است که جنس آن معمولاً از تنگستن (W) است. با اعمال يک ولتاز (V1) بين قسمت نوک تيز کاتدوآند نخستين ايجاد يک ميدان الکتروني مي گردد. اين ميدان الکتروني در بخش نوک تيز مداد مانند تمرکز دارد که موجب تسهيل نشر الکتروني (نشر جريان) مي گردد. اختلاف پتانسيل ميان قسمت نوک تيز کاتدوآند پايه دوم با عنوان ولتاژ شتابدهنده (accelerating voltage) تفنگ ناميده مي شود که با علامت V0 در شکل 3 ديده مي شود. با افزايش ولتاژ شنابدهنده ي تفنگ (V0) حرکت الکترون به سمت پايين ستون سريع تر مي شود و قدرت نفوذ آن نيز افزايش مي يابد.
قسمت نوک تيز کاتد بايد تميز و عاري از هر گونه اکسيد باشد و نياز به وجود حالت خلأ بسيار بالا (Vltra High Vacuum Conditions) است که نياز به خلأي به اندازه ي 10-10-10-11تور است. از اين رو سيستم خلأ مورد نياز براي اين نوع تفنگ الکتروني (FEG) بسيار گران قيمت است. خلأ مورد نياز براي محفظه نمونه تقريباً در رنج 10-5-10-6تور است.
(هرتور=133pa
=mabar4033)
در جدول 1 اطلاعات درمورد ميزان خلأ بيان شده است که براي تصور بهتر در مورد خصوصيات ميزان خلأ بيان شده است.
جدول 1

خلأ	اتم/ 3cm	فاصله بین اتم ها	طول پویش آزاد	زمان مونولایر
1atm(760torr)	10 19	5*10-9 m	10-7 m	1-9 s
10-2 torr	1014	2*10-7 m	10-2 m	10-4 s
10-7 torr	109	1*10-5 m	103 m	10 s
10-10 torr	106	1*10-4 m	106 m	104 s

نکته ي ديگر در مورد سيستم خلأ يک ميکروسکوپ الکتروني روبشي اين است که در هنگام کار با اين وسيله بايد به آنها توجه کنيم در زير آورده شده است:
1) بايد توجه داشت که دستگاه در هنگام استفاده در حالت مناسبي از خلأ قرار داشته باشد.
2) در هنگام تعويض نمونه ها دريچه ي تفنگ الکتروني بسته باشد. اين دريچه قسمت بالايي ستون SEM را از بقيه ي قسمتها مجزا مي کند.
3) پيش از اين که ولتاژ بالا به تفنگ اعمال گردد از ايجاد خلأ مورد نظر درمحفظه تفنگ مطمئن شويم.
4) استفاده از دستکش در هنگام مانت نمونه ها و انتقال آنها بداخل ستون
5) نمونه بايد عاري از هر گونه گاز اضافي باشد و خشک نيز باشد.
ب) لنزهاي الکتروني (Electron Lenses)
لنزهاي الکتروني جهت کم کردن ضخامت پرتو استفاده مي شوند همچنين اين لنزها جهت متمرکز کردن پرتو بر روي نمونه نيز استفاده مي شوند. لنزهاي جمع کننده (condensor lenses) موجب باريک شدن پرتو مي شوند. و لنزهاي شيئي باعث تمرکز باريکه ي پرتو بر روي نمونه مي شوند. اندازه ي منبع FEG (تفنگ نشر ميداني) نسبتاً کوچک است. اين کوچکي باعث مي شود که اندازه ي قطر باريک سازي مورد نياز بسار کم باشد.البته در اين نوع تفنگ الکترونی (FEG) اندازه ي باريکه ي روشن کننده از انواع ديگر کمتر است.

مقايسه ي لنزهاي مغناطيسي با لنزهاي نوري کار مفيدي جهت يادگيري مباني لنزهاي مغناطيسي است.
در شکل 4 نمونه اي از اين لنزها را مي بينيد. البته با توجه به ساختار نسبتاً پيچيده اين لنزها از بيان قوانين آنها خودداري مي کنيم. ولي نکته ي مهم اين است که اين لنزهاي الکترومغناطيس نقش مهمي در آناليز بوسيله ي SEM دارند. براي اطلاع بيشتر از لنزهاي الکترومغناطيس به منبع [10] مراجعه کنيد.

برهم کنش پرتو ـ نمونه

باريکه ي الکتروني مي تواند هم با الکترون اتم نمونه و هم با هسته هاي اتم نمونه بر هم کنش انجام دهد. اين برهم کنش موجب پديد آمدن گروه زيادي از انواع سيگنال ها مي شود. اين سيگنال ها شامل: الکترون هاي بازگشتي، الکترون هاي ثانويه، اشعه X، الکترون هاي اوژه (Angerelectrons) و لومينانس کاتدي (cathodolumine scence) مي شوند.
در برخورد الکترون به سطح نمونه ما دو نوع رفتار داريم:
1) رفتار غير الاستيک
2) رفتار الاستيک
رفتار غيرالاستيک هنگامي رخ مي دهد که يک باريکه ي الکتروني با ميدان ابر الکتروني اتم هاي نمونه بر هم کنش انجام دهد. نييجه ي اين عمل انتقال انرژي به اتم هاي نمونه و آزاد شدن الکترون هاي ثانويه (Secondary electron(se که انرژي اين الکترون کمتر از 50ev است. اگر جاي خالي الکترون جدا شده از اتم با شرايط خاص بوسيله ي الکترون ديگر از لايه هاي بالا جايگزين شود. اشعه ي x توليد مي شود که انرژي اشعه x توليدي وابسته به فاصله ي بين ترازهاي شرکت کننده در انتقال است.
رفتار الاستيک هنگامي رخ مي دهد که باريکه ي الکتروني با ميدان الکتريکي هسته ي اتم نمونه بر هم کنش انجام دهد. و اين امکان وجود دارد که بدون تغيير مقدار انرژي الکترون پرسرعت تنها مسير حرکت آن تغيير کند. اگر هسته اتم نمونه سبب برگشتن الکترون به سمت مخالف ورود به قطعه شود. الکترون هاي برگشتي (BSE) توليد مي شوند. الکترون هاي برگشتي (BSE) مي تواند انرژي در محدوده ي 50ev و انرژي الکترون هاي ورودي داشته باشد. به هر حال بيشتر الکترون هاي بازگشتي حداقل 50 درصد انرژي الکترون هاي ورودي را دارند.
با توجه به نوع سيگنال به دست آمده، نوع دتکتور و ... مي توان تصاوير توپوگرافي خوبي به دست آوريم. از اين لحاظ بررسي کيفيت سيگنال هاي به دست آمده از برخورد الکترون هاي پرانرژي به سطح نمونه و پروسه ي بدست آوردن تصوير SEM از مسائلي است که فراگيري آنها براي کساني ک مي خواهند از SEM استفاده کند ضروري است.

ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM)
مقدمه

ميکروسکوپ الکتروني عبوري پيش از ميکروسکوپ الکتروني روبشي ساخته شد.اين وسيله به علت سختي مراحل آماده سازي نمونه گستردگي کمتري نسبت به نوع SEM خود دارد. از اين لحاظ سعي مي کنيم اطلاعات مفيد و ساده اي در مورد اين وسيله (TEM) به شما بدهيم.[11]

تعريف

ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) يک وسيله ريز بيني است که در آن با استفاده از يک تکنيک، باريکه اي از الکترون ها از ميان يک لايه فوق العاده نازک عبور مي کنند. که بر هم کنش ميان نمونه و الکترون هاي پر سرعت باعث ايجاد سيگنال هايي مي کند که با آن ريز بيني انجام مي شود. اين وسيله هم در علوم فيزيک و هم در علوم بيولوژي کاربرد فراوان دارد و اطلاعات مطلوبي از ريز ساختار مواد به ما مي دهد (شکل1تعريف يک ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) است).[11]

تاريخچه

در اصل Ernst Abbe، کسي است که اولين بار به رابطه ي بين طول موج نور استفاده شده در ريز بيني و مقدار بزرگنمايي و جزئيات قابل ديدن اشاره کرد. بنابراين محدوديت بزرگنمايي مفيد قابل حصول براي يک ميکروسکوپ نوري (optical microscope) چند ميکرون است. توسعه ي ميکروسکوپ هاي فرابنفش(UVMicroscopes) که به وسيله koehler انجام شد. باعث دو برابر شدن بزرگنمايي مفيد قابل حصول شد. به هر حال اين روش به علت نياز به اجزاي نوري کوارتزي بسيار گران قيمت بود. زيرا شيشه پرتو فرابنفش را (UV)را جذب مي کند. بنابراين در اين وسايل ما به اجبار بايد از لنزهاي و وسايل کوارتزي گران بها استفاده کنيم. در اينجا بود که اهميت الکترون هاي پر انرژي براي دانشمندان مشخص شد.
اولين نوع از ميکروسکوپ هاي الکتروني، ميکروسکوپ هاي الکتروني عبوري بود که توسط May Knoll و Ernst Ruska در آلمان و در سال 1931 ساخته شد.

اجزاي ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM)

يک (TEM) از چندين جزء مهم تشکيل شده است.که شامل
1-سيستم خلأ
2-لنزهاي الکترومغناطيس
3-محفظه نمونه
4-تفنگ الکتروني
5-روزنه ها (Apertures)
6-سيستم پردازش و نمايش تصوير 2

1)سيستم خلأ (Vacuum System)

براي کاهش جذب پرتو الکتروني بوسيله ي ملکول هاي هوا ما نياز داريم که مسير حرکت پرتو الکتروني از هوا خالي شود. که فشار آن بايد در حدود 5-10، 4-10 پاسکال باشد. همچنين در تفنگ الکتروني نيز ما نياز به خلأ داريم زيرا کاتد نوک تيز تفنگ الکتروني نبايد اکسيد شود و بايد عاري از هر گونه آلودگي باشد. براي اطلاعات بيشتر به توضيحات سيستم خلأ مربوط به قسمت قبل از اين مقاله (SEM) مراجعه کنيد. همچنين جهت اطلاع از انوع پمپ ها و سيستم هاي خلأ به منبع [11] مراجعه کنيد. [12]

2)لنزهاي الکترومغناطيس

لنزهاي الکتريکي عملکردي شبيه به لنزهاي نوري (Optical Lenses) در ميکروسکوپ هاي نوري دارند. اين اجزا باعث تمرکز پرتوهاي موازي در فاصله ي کانوني مي شوند. اين لنزها ممکن است به صورت الکتريکي و يا مغناطيسي کار کنند. در ساختار يک (TEM) عمدتاً از پيچه هاي الکترو مغناطيسي توليد کننده ي لنزهاي محدب استفاده مي شود.
استفاده از اين لنزها نيز مانند لنزهاي اپتيکي موجب ايجاد خطاهايي (eberrations) مي شود. که براي مطالعه ي بيشتر به منبع [11] مراجعه کنيد.

3)محفظه نمونه

محفظه ي نمونه مکاني است که باريکه الکتروني به نمونه برخورد مي کند.
اين بخش در انتهاي ستون ميکروسکوپ واقع است. که در هنگام کار با اين وسيله بايد مراقب باشيم که حداقل اتلاف خلأ انجام شود.
نگه دارنده هاي نمونه براي نگه داشتن يک نمونه ي استاندارد طراحي شده اند. معمولي ترين استانداردهاي مورد استفاده براي نگه دارنده ها شامل يک بخش توري مانند است که اندازه ي 3/05mm براي قطر حلقه ي برنجي است. ضخامت اين توري 100um با يک ناحيه ي سوراخ دار به قطره تقريباً 2/5mm است. که نمونه بر روي آن جاي مي گيرد. با توجه به روش تهيه نمونه، جا نمونه اي هاي مختلفي ساخته شده است.

4)تفنگ الکتروني

تفنگ الکتروني از چندين جزء تشکيل شده است. که شامل يک فيلامنت، يک جريان باياس، کلاهک و هلنت و يک آند استخراج کننده است. با اتصال پايه ي منفي برق به فيلامنت الکترون ها از تفنگ الکتروني به صفحه ي آند (سمت پايين ستون ميکروسکوپ) فرستاده مي شوند.
براي فيلامنت تفنگ بايد از مواد با نقطه ذوب بالا از جمله تنگستن يا LaB6 استفاده کنيم علت آن اين است که براي ايجاد جريان فيلامنت تفنگ الکتروني بايد گرم باشد [12]

5)روزنه ها(Apertures)

روزنه ها، يک صفحات فلزي حلقوي مانند هستند که الکترون ها از ميان آنها عبور مي کنند. اين اجزا شامل ديسک هاي فلزي کوچک هستند. که بسيار نازک هستند و از عبور الکترون ها جلوگيري مي کنند. در حالي که الکترون هاي محوري عبور مي کنند. قرار دادن روزنه ها اهدافي دارد که به شرح زير هستند:
1)روزنه ها شدت پرتو را مي کاهند و پرتو را فيلتر مي کنند.
2)اين فيلترها ازعبور الکترون هايي که با زاويه ي بسيار زياد منعکس شده اند جلوگيري مي کنند. (اين پرتوهاي منعکس شده با زاويه ي زياد باعث اتفاق افتادن فرآيند هاي نامطلوب شبيه خطا در مشاهده مي شوند.)
در شکل 2 اجزاي يک ميکروسکوپ الکتروني عبوري نشان داده شده است [12]

تهيه نمونه

تهيه ي نمونه براي (TEM) مشکل است. يک نمونه ي (TEM)، تنها 100 ها نانومتر ضخامت دارد. باريکه ي الکتروني مورد استفاده در (TEM) برخلاف پرتوهاي ايکس و يا گاما جذب اتم هاي نمونه مي شود. بنابراين براي تصوير برداري از نمونه ما نيازمند به يک لايه ي بسيار نازک از نمونه هستيم. روش آماده سازي نمونه (TEM) به نوع ماده مورد آناليز بستگي دارد. از اين لحاظ تکنيک هاي بي شماري براي تهيه يک ضخامت کم ابداع شده است. از اين لحاظ تهيه ي نمونه از برخي مواد مثل پودرها يا نانوتيوپ ها که الکترون از آنها به آساني عبور مي کند، بسرعت انجام مي ششود در برخي از نمونه ها (مثلاً نمونه هاي بيولوژيکي) به علت اينکه ممکن است نمونه در اثر مکش سيستم خلأ از بين بروند. و براي محافظت از نمونه با يک روش خاص سطح نمونه پوشش دهي مي شود.
در علم مواد ومتالوژي عمدتاً نمونه ها به صورت طبيعي نسبت به خلأ مقاوم اند. ولي بايد اين نمونه ها نيز بسيار نازک شوند و يا بوسيله ي عاملي اچ شوند تا يک ضخامت بسيار نازک حاصل شود.

مراحل تهيه نمونه براي (TEM):

1)جدا سازي تکه هاي باريک از نمونه:
با عبور نمونه از يک لبه ي تيز يا الماسه اي پس از عبور از اين مرحله يک بريده ي کوچک و نازک از قطعه اي مورد آناليز جدا مي گردد. براي جلوگيري از واکنش شيميايي سطح نمونه و يا آلوده شدن نمونه کوچک جدا شده نياز به پوشش دهي نمونه داريم. يک لايه ي در حد نانومتر مي تواند نتيجه ي (TEM) را تغيير دهد.
2)ايجاد حفره در نمونه

در نمونه ي توليد شده که معمولاً به شکل يک قرص کوچک است بوسيله ي تکه برداري مکانيکي، اچ کردن شيميايي و يا اچ يوني ايجاد يک حفره مي کنيم.
نمونه ي با قطره حدود 1mm وضخامت نيم ميلي متر است. که حفره ي بوجود آمده در آن در حدود 100 ميکرون قطر دارد. روش توليد حفره به نحوه اي است که در ديواره ي حفره ايجاد لبه هاي تيز مي گردد. که باريکه ي الکتروني به اين لبه ها برخورد مي کند.[11]

اصطلاحات:

ما مي توانيم امکانات يک ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) را به وسيله ي تغيير و اضافه کردن دتکتورها وجا نمونه اي هاي مختلف تجهيز و گسترش دهيم. که گاهي اين کار را مي توان بر روي ميکروسکوپ اوليه انجام داد. crymicroscope الکتروني يک (TEM) است که مي توان نمونه را در هنگام سرمايش در نيتروژن مايع و يا هليوم مايع مورد بررسي ريز ساختاري قرار داد. همچنين مي توان يک ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) را با يک ميکروسکوب الکتروني روبشي (SEM) ترکيب کرد و يک ميکروسکوپ الکتروني روبشي -عبوري (STEM) ساخت. در شکل 3 يکي از انواع (STEM) را مي بينيد. ميکروسکوپ هاي الکتروني عبوري پيشرفته همچنين امکان تصحيح خطاها را دارند.[

ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM)
مقدمه:

براي شروع کار با (AFM)ابتدا بايد در مورد ساختمان و اساس کار اين نوع ميکروسکوپ اطلاعات بدست آوريم. پس از آن نيز ضروري است که براي ارتقاي سطح دانش خود به فراگيري جنبه هاي مختلف نرم افزار اين ميکروسکوپ بپردازيم.[13]

معرفي

ميکروسکوپ نيروي اتمي وسيله اي است که توان آناليز و توصيف نمونه ها در مقياس ميکروسکوپي را دارا مي باشد. اين بدين معني است که ما مي توانيم خواص سطح را با دقت تفکيکي در گستره ي بينloomm
(100ميکرون)،تا 1mm مشاهده کنيم.
(AFM) بر اين اساس عمل مي کند که اجازه مي دهد يک قسمت قلم مانند که بسيار تيز است با تمايل به نمونه و يا قرار گيري در فاصله ي بسيار نزديک به نمونه تصور آن سطح را بکشد . اين قسمت قلم مانند، يک باريکه ي ميکروني است که معمولاً 100 آنگسترم قطر دارد.
قسمت قلم مانند در قسمت آزاد يک پايه ي معلق که بين 100 تا 200 ميکرون طول دارد قرار گرفته است. و نمونه در زير نوک قلم مانند پويش مي گردد.
نيروهاي مختلف نوک قلم مانند را جذب و يا دفع مي کنند. اين انحرافات (جاذبه و دافعه ها) ثبت شده و به وسيله ي نرم افزار، تصاوير مورد پردازش قرار مي گيرند. تصوير نتيجه، يک نمايش توپوگرافيک از نمونه است که تنها يک تصويرخيالي است. اگر شما بخواهيد که در مورد نمونه به جاي يک ديد از سطح آن چيزي بدانيد مدلهاي تصويري مختلفي وجود دارد. که در انواع ديگر از آناليزها استفاده مي گردد. همچنين نرم افزارهاي متفاوت يا تکنيک هاي پويش کردن ديگري مورد نياز است تا اطلاعات مورد نياز براي آناليز بدست آيد.
(AFM) مي تواند يکي از ويژگي هاي خاص نمونه را اندازه گيري کند که ديگر انواع ميکروسکوپ ها توان اين تصوير برداري را ندارند.[13]

تاريخچه:

در سال 1986، ميکروسکوپ نيروي اتمي بوسيله ي گرد بينينگ (Gerd Binning) اختراع شد. Binning اين کار را براي شکست انحصار ميکروسکوپ هاي تونلي روبشي (STM) که قبل از (AFM) مورد توجه بود، کرد. (STM) تنها مي توانست از موادي تصوير برداري کند که يک جريان تونلي را هدايت کنند. (AFM) مي توانست راهي براي تصويربرداري از ديگر مواد مانند پليمرها و نمونه هاي بيولوژيکي که توانايي هدايت جريان را ندارند باز کند. در بعضي موارد، قدرت تفکيک (STM) بهتر از (AFM) است و علت آن اينست که جريان تونلي وابستگي اکپوتسيالي با فاصله دارد. اين وابستگي نيرو-فاصله در (AFM) ، هنگامي که خواصي مانند تيزي نوک قلم مانند و نيروي برخورد مطرح مي گردد، بسيار پيچيده تر مي گردد. البته (AFM) همه کاره تر است و در مقايسه با ديگر انواع ميکروسکوپ ها، (AFM) بهتر و يا در قياس با آنهاست.[13]
براي يادگيري بهتر (AFM) را با ديگر انواع ميکروسکوپ مقايسه مي کنيم.

(AFM) در مقابل (SEM)

در مقايسه با ميکروسکوپ الکتروني روبشي (AFM) ،(SEM) ، کنتراست توپوگرافي بسيارعالي مهيا مي کند که ما به صورت مستقيم به اندازه ي ارتفاعات دست مي يابيم و در خواص سطحي نيز تداخل ايجاد نمي شود. (احتياج به پوشش دهي ندارد)

(AFM) در مقابل (TEM)

در مقايسه با ميکروسکوپ هاي الکتروني عبوري (TEM)، تصوير سه بعدي (AFM)، بدون نياز به آماده سازي گران قيمت نمونه، اطلاعات کامل تري از مقطع عرضي دو بعدي به ما مي دهد.

(AFM) در مقابل ميکروسکوپ نوري

در مقايسه با ميکروسکوپ هاي تداخلي نوري، (AFM) ، اندازه مبهمي از ارتفاعات پله ها، مستقل از تفاوت بازتابش بين مواد مختلف را مهيا مي کند. [13]

نيروهاي تعاملي (Interactive Forces)

تفاوت عمده ميان انواع ميکروسکوپ ها و (AFM) به نيروي ميان نمونه و قسمت پويشگر مربوط است. نيرويي که به طور عمده به ميکروسکوپ نيروي اتمي مربوط است نيروي بين اتمي است. اين نيرو به نيروي واندروالس شهرت يافته است. رابطه بين نيرو و فاصله در شکل 1 نشان داده شده است. در محل تماس پويشگر (نوک قلم مانند) و نمونه، پويشگر در فاصله ي کمتر از چند آنگسترم از سطح نمونه قرار دارد. و نيروهاي بين پايه و نمونه دافعه است. در نواحي غير تماس پايه در فاصله ي 10 - 100 آنگسترمي از سطح نمونه قرار مي گيرد. و نيروي بين اتمي پايه و نمونه جاذبه است. حالات پويش کردن در نواحي مختلف اين نمودار:
1)غير تماسي در ناحيه ي جاذبه
2)تماسي در ناحيه ي دافعه
3)حالت غير دائمي (که در بين دو حالت قبلي نوسان مي کند). يادگيري اين نمودار به آساني انجام مي شود. اگر شما تصور کنيد که بخش پويشگر مانند گروهي از اتم هاست که با سطح ماده که به صورت گروهي از اتم هاي ديگر است، فعل و انفعال مي کند.
در سمت راست نمودار، اتم ها در فاصله ي زيادي مجزا گشته اند و همين طور که اتم ها به صورت تدريجي به همديگر مي رسند، آنها ابتدا همديگر را به صورت ضعيف جذب مي کنند. اين جذب کردن کاهش يافته تا اتم ها به حدي از فاصله برسند که ابرهاي الکتروني همديگر را خنثي کنند. دافعه ي الکترو مغناطيس به طور تصاعدي نيروي جاذبه را همين طور که فاصله کاهش مي يابد ضعيف مي کند. با توجه به منحني، نيرو به سمت صفر ميل مي کند. هنگامي که فاصله بسيار زياد مي شود. هر چيزي که از اين نزديک تر شود، نيروي واندروالس کلي مثبت (دافعه)مي گردد.
اگر نيرويي موجب نزديک شدن پويشگر و نمونه شود. باعث برخورد پويشگر به سطح نمونه مي شود که نتيجه ي آن دفورمگي و خسارت نمونه يا پويشگر مي شود. دو نيروي ديگر وجود دارد که در هنگام اسکن کردن نمود مي کنند. يکي از اين نيروها، نيروي مويئن است که بوسيله يک آب ساختاري، که به طور معمول در يک محيط خنثي و در پويشگر بوجود مي آيد و نيرو به وسيله ي خود پايه بوجود مي آيد که شبيه نيرويي است که يک فنر فشرده دارد.[13]

شناسايي معيار ميکروسکوپيک

ولو اينکه، پروسه ي اسکن کردن درست باشد و با تمام دقت ممکنه انجام شده باشد، همه ي تصاوير، ارائه ي درستي از توپوگرافي واقعي نمونه نيست. پارامترهايي وجود دارد که مي توانند در هر اسکن تغيير کنند و ديگر نيروهايي که مجزا از نيروهاي بين اتمي اند که اين نيروها تصوير را دگرگون مي کنند.براي مثال در شکل 2 يک اسکن 5 ميکروني از مس است که با تترا هيدوفوران (tetrahydrofuran) اچ شده است.
اجزاي ميکروسکوپ (AFM)
(AFM) شامل اجزاي مختلفي است ولي در حالت کلي اجزاي اين ميکروسکوپ به نحوه ي زير تقسيم بندي شده اند :
1)سيستم بررسي نمونه
اين بخش شامل يک قسمت نوک تيز است که با قرار گيري نمونه در آن، آناليز سطح انجام مي شود. يعني نمونه در زير پروب حرکت مي کند و با توجه به عکس العمل هاي سطح توپوگرافي نمونه بدست مي آيد.
2)سيستم نمايش و پردازش اطلاعات
اين بخش شامل يک کامپيوتر و مانيتور است که با توجه به داده هاي بدست آمده از آناليز و بهره گيري از نرم افزارهاي خاص اين دستگاه تصاوير توپوگرافيک سطح جسم را نمايش مي دهد.

آناليز تصوير:

حال ما مي خواهيم از تفاوت تصوير خوب و بد صحبت کنيم. وقتي که من مي گويم تصويرخوب، منظورم تنها کيفيت تصوير نيست بلکه منظورم اين است که سطح با خواص واقعي ترسيم گردد. تصوير بد آن نوع تصاويري است که زروليشن پايين و خواص ناخانا دارند. اين تصاوير را نمي توان به عنوان مرجع استفاده کرد ولي مي توانند اطلاعاتي در مورد گروه هاي تشکيل دهنده ي جسم و نوع مواد شيمايي بدهند.
اگر نمونه از مواد خاصي تشکيل شده باشد و يا فازهاي تشکيل دهنده ي آن به طور نامنظم پخش شده باشند، نشاندهنده ي عدم دوام نمونه است.
تصاوير شکل 2 نشاندهنده ي مشکلات توليد است که به وسيله (AFM) نشانداده شده است.
تصوير شماره 2 -الف-نشاندهنده ي انعقاد (دلمه شدن) در يک نمونه است که تصور مي شد يک فيلم نازک است.
تصوير شماره 2 -ب-نشان مي دهد که چگونه گرد و خاک روي نمونه اسکن مناسب را تخريب مي کند. که در اين نمونه منشع خرابي، وجود گرد و خاک در فرآيند توليد است نکته ي مهم در مورد تصوير بد اين است که پارامترهاي بسياري بر روي خواص تصوير نمونه اثر مي گذارند. اين تغييرات نتيجه ي اين پارامترهاست که مي توانستند نباشند و تصوير ما يک تصوير خوب باشد.

براي مثال دفورمگي يا کند شدن پويشگر يکي از پارامترهاي مؤثر بر نوع تصوير (خوب يا بد) است. اين دفورمکي يا کند شدن به علت شکستگي و يا استفاده ي زياد بوجود آيند. در شکل 3 تصوير دو بعدي از يک نمونه ي شکستگي است در نگاه اول علامتي از اينکه تصوير، تصويري مناسب نيست وجود ندارد و اين مورد بنظر مي رسد که تنها از طريق تصوير 3 بعدي درستي و يا نادرستي تصوير فهميده مي شود. يک اپراتور جديد احتمالاً نمي تواند اين تصوير نامناسب را تشخيص دهد. ناآشنايي با نحوه اي که مواد بنظر مي رسند اين اجازه را نمي دهد، اما با آزمايش اين ممکن است که پارامترهاي ديگري که مي توانند تأثيرات اسکن را ايجاد کنند. در اختيار باشند. پارامترهاي اختياري شبيه ست پوينت (set point) که به معناي فاصله تا سطح ماده است . سرعت اسکن نه تنها مي تواند بر روي تصوير تأثير بگذارد، حتي مي تواند به نمونه آسيب برساند. تغيير ست پوينت بر نيرويي که پويشگر بين خود و نمونه احساس مي کند مؤثر است. اگر ست پوينت بسيار پايين باشد اسکن به خوبي انجام نمي شود.

زيرا نيروها به اندازه اي نمي رسند که بتوانند به وسيله ي دتکتورها پايه شناسايي شوند. اگر ست پوينت خيلي بزرگ باشد. نوک قلم مانند (پويشگر) باعث دفورمگي خود و يا نمونه مي شود مگر اينکه واقعاً سخت باشد. که در اين حالت نيز نمونه تغيير فورم مي دهد. فاکتورهاي ديگري نيز وجود دارند که باعث ايجاد تصوير بد در زمان اسکن مي شوند که قابل کنترل نيستند. از نمونه هايي از اين فاکتورها بايد به اختشاشات دردماي عادي (الاستيک و پلاستيک)اشاره شود. هنگامي که نتيجه ي اسکن خوب است اما پيک هاي مکاني رندوم يا خطي در يک اسکن وجود دارند و در نمونه ي ديگر نيست احتمال ايحاد اختشاشات وجود دارد.[

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:43 توسط مهندس ایمان رستگار |

در مورد استانداردهاي ASTM چه مي دانيد

ASTM بين المللي ( ASTM ) يک سازمان بين المللي توسعه ي استاندارد است . اين سازمان استانداردهاي فني را به صورت داوطلبانه تعريف و به چاپ مي رساند . اين استانداردها گستره ي وسيعي از مواد توليدات ، سيستم ها و وسيله ها را شامل مي شود.
ASTM مانند سازمان هاي استاندارد ديگر مانند: BSI ( استاندارد بريتانيا)، DIN (سازمان استاندارد آلمان ) و AFNOR (سازمان استاندار فرانسه ) است ولي با اين تفاوت که اين سازمان يک هيئت استاندارد ملي نيست که در آمريکا وظيفه ي توسعه ي استاندارد را داراست . در حقيقت در آمريکا ANSI ) American National Standards Institue ) وظيفه اي مانند سازمان هاي بالا را بر عهده دارد .

تصویر: استاندارد های ASTM هر ساله منتشر می شود.

به هر حال ، ASTM يک عملکرد کنترلي بين توسعه دهندگان استاندارد در آمريکا دارد و اين ادعا را دارد که بزرگترن ارگان توسعه دهنده ي استاندارد در جهان است .
بر اساس توافق نامه اي ، ASTM هزاران کميته ي فني داوطلب را پشتيباني مي کند ، که اين کميته ها اعضاي خود را در سر تا سر جهان جهت دهي کرده که جمعاً بيش از دوازده هزار استاندارد را ايجاد و تعيين کرده اند.
استانداردهاي توليدي هر ساله به صورت کتاب سال منتشر مي شود .
کتاب هاي سالانه ي ASTM شامل 77 جلد مي باشد .

تصویر : استاندارد انگلیس ( BSI )

تاريخچه ( History ) :

ASTM بين المللي در سال 1898 در ايالات متحده ي آمريکا با نام انجمن آزمايش و مواد آمريکا ( American Society Testing and Materials ) توسط گروهي متشکل از دانشمندان و مهندسان ايجاد شد . اين گروه توسط آقاي Charles Benjamin Dudley ( يک شيميدان آمريکايي که از طرفداران ابتدايي استاندارد سازي در صنعت بود . Dudley در سال 1842 در آکسفورد نيويورک متولد شد و در سال 1909 فوت کرد ) سرپرستي مي شد . هدف اين گروه پيدا کردن علت شکست مکرر خطوط ريلي که مخل رشد سريع صنايع ريلي است ، بود . اين گروه يک استاندارد براي فولادهاي مورد استفاده در ساخت خطوط ريلي تعريف کردند .

تصویر : استاندارد آلمان ( DIN )

استانداردها ( Standards ) :

استانداردهاي تعريف شده به وسيله ي ASTM بين المللي به شش گروه تقسيم مي شوند :
ـ استانداردهاي تصريح ، که بر اساس نيازهاي مردم تعريف گشته اند .
ـ استاندارد روش هاي آزمايش ، که راهي را يک آزمايش انجام مي شود را تعريف ميکند . نتايج به دست آمده از آزمون ممکن است از لحاظ درستي با استاندارد تصريح ارزيابي شود .
ـ استانداردهاي تمريني ، که عمليات ها متوالي را تعريف مي کند و موجب يک نتيجه گيري نمي شود .
ـ استاندارد راهنما ، که يک سري اطلاعات طبقه بندي شده را مهيا ميکند يا سري هايي از انتخاب هاست که به صورت يک واحد عملياتي معرفي نشده اند .
ـ استاندارد رده بندي ، که يک طبقه بندي از مواد ، توليدات ، سيستم ها يا سرويس ها را ارائه مي کند . اساس اين تقسيم بندي بنابر شباهت در اين گروه هاست . که خواص مورد بررسي که اساس تقسيم بندي اند شامل: سرچشمه ، ترکيب ، خواص و يا استفاده مي شود .
ـ استاندارد اصطلاحي ، که معناي لغات و اصطلاحات مورد استفاده در ديگر استانداردها را تعريف مي کند .
کيفيت روش هاي آزمايش استاندارد چنين است که اين استانداردها به کرار در سراسر جهان پهناور ـ حتي مکان هايي که ASTM مورد استفاده قرار نمي گيرد ، استفاده مي گردد .

تصویر : کتاب های سالانه ی ASTM به صورت الکترونیکی نیز منتشر می شوند

عضويت و سازمان ( Membership and Organization ) :

عضويت در سازمان ASTM بر روي هر کس که علاقه مند به همکاري است باز است .
استانداردها به وسيله ي کميته ها تعريف مي شوند و کميته هاي جديد هنگام نياز و به محض درخواست اعضاي علاقه مند تشکيل مي گردد . عضويت در بيشتر کميته ها داوطلبانه و به وسيله ي درخواست شخصي عضو انجام مي پذيرد . و عضويت حالت منصب گونه و دعوت کردني نيست .
اعضا به گروه هاي : استفاده کنندگان ، توليد کنندگان ، مصرف کنندگان و علاقه مندان عمومي تقسيم مي شوند . که مورد آخر شامل مشاورين و افراد با سواد مي گردد . استفاده کنندگان شامل استفاده کنندگان صنعتي مي شود و در اصل کساني هستند که ممکن است به عنوان توليد کننده در کميته هاي ديگر محسوب مي شوند . و همچنين استفاده کنندگان آخر که همان مصرف کنندگان هستند . براي رسيدن به خواسته هاي قوانين اتحاديه بزرگ صنايع ، توليد کنندگان بايد کمتر از 50 % اعضاي هر کميته يا زير کميته را تشکيل دهند . و راي ها به يک راي براي هر کمپاني محدود مي گردد . دليل اين محدوديت اين است که توليد کنندگان سعي در تغيير راي براي رسيدن به سود بيشتر را نداشته باشند و حقوق مصرف کنندگان حفظ گردد . البته شرکت کردن بدون داشتن حق راي آزاد مي باشد .
از سال 2007 بيش از 30000 اعضاء که شامل 1100 عضو سازماني هستند از 120 کشور دنيا در اين کميته ها شرکت دارند .

استفاده ي اجباري از استانداردهاي اختياري ( Mandatoryuse of Voluntary Standards ) :

ASTM بين المللي هيچ گونه قوانيني براي وادار نمودن و يا اعمال فشار براي برقراري استانداردهايش ندارد . به هر حال هنگامي اين استانداردها حالت اجباري به خود مي گيرند که بر اساس يک قرار داد ، دولت و يا يک شرکت به عنوان مرجع و منبع قرار گيرد . در ايالات متحده ي آمريکا ، ASTM مورد قبول قرار گرفته که يا به خاطر اينکه مرجع قرار گرفته يا به خاطر اينکه بعضي از شرکت ها از آن بهره گرفته اند . در بسياري از ايلات فدرال و قوانين دولتي مربوط به شهرها آمده است .
قانون عمومي ايالات متحده ي آمريکا که در مارس 1995 تصويب شد . ( اين قانون به NTTAA معروف است ) از دولت فدرال درخواست استفاده هر چه بيشتر از استانداردهاي توسعه يافته ASTM با رضايت عموم را دارد . بازتابهاي اين قانون چيزي است که به عنوان بهترين تمرين در داخل دولت فدرال توصيه گشته است . دولت هاي ديگر نيز به صورت کلي و يا محلي ASTM را به عنوان مرجع مورد استفاده قرار مي دهند . برخي از شرکت ها نيز در تجارت بين المللي از ASTM به عنوان مرجع ياري مي گيرند

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:35 توسط مهندس ایمان رستگار |

در مورد استانداردهاي ASTM چه مي دانيد

تصویر: استاندارد های ASTM هر ساله منتشر می شود.

تصویر : استاندارد انگلیس ( BSI )

تاريخچه ( History ) :

تصویر : استاندارد آلمان ( DIN )

استانداردها ( Standards ) :

تصویر : کتاب های سالانه ی ASTM به صورت الکترونیکی نیز منتشر می شوند

عضويت و سازمان ( Membership and Organization ) :

استفاده ي اجباري از استانداردهاي اختياري ( Mandatoryuse of Voluntary Standards ) :

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:34 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید آلومینیوم (Al2O3)-اصل مقاله

اکسید آلومینیوم (Al2O3) یک خانواده از ترکیبات غیرآلی با فرمول شیمیایی Al2O3 است. این اکسید یک اکسید آمفوتر مهم است. اکسید آلومینیوم نام های تجاری متنوعی مانند آلومینا، کوراندوم (corundum و.... دارد. نام های تجاری متنوع اکسید آلومینیوم نشان دهنده ی گستره ی وسیع استفاده از این ماده در صنعت است. استفاده ی عمده از اکسید آلومینیوم برای تولید فلز آلومینیوم است. اگر چه این ماده همچنین به عنوان ساینده (به خاطر سختی بالا) و به عنوان یک ماده ی دیرگداز (به خاطر دمای ذوب بالا) استفاده می شود.
کوراندوم عمده ترین فرم کریستالی اکسید آلومینیوم است که در طبیعت وجود دارد. یاقوت سرخ (Ruby) و یاقوت کبود (Sapphire) سنگ های گران بهایی هستند که از کوراندوم تشکیل شده اند. علت وجود رنگ های متنوع در اینگونه آلومینا (کوراندوم) در اثر وجود ناخالصی هاست. یاقوت سرخ، رنگ قرمز خود را به دلیل وجود ناخالصی کروم بدست آورده است. یاقوت کبود به رنگ های مختلفی در می آید. که این تنوع رنگ به خاطر ناخالصی های مختلف مانند آهن و تیتانیم بوجود می آید.

خواص

اکسید آلومینیوم یک عایق الکتریکی است. اما دارای رسانایی گرمایی به نسبت بالا (30wm-1k-1) است. البته این رسانایی گرمایی با دما تغییر می کند و عدد گزارش شده به طور میانگین بیان شده است. همچنین رسانایی گرمایی آلومینا در بین سرامیک ها بالاست. به دلیل بالا بودن نقطه ی ذوب آلومینا این ماده مقاومت و ثبات حرارتی بالایی دارد.
سختی بالای کوراندوم (فراوان ترین فرم کریستالی موجود از آن) که به آن α- آلومینا گفته می شود، باعث شده تا از این ماده به عنوان یک جزء مناسب برای کاربردهای ساینده (abrasive) و ابزار برش (cutting tools) باشد.
بوجود آمدن اکسید آلومینیوم بر روی سطح فلز آلومینیوم عامل حفاظتی در برابر هوازدگی (weathering) است. آلومینیوم فلزی یک ماده ی بسیار واکنش پذیر با اکسیژن اتمسفر است. و یک لایه ی محافظت کننده از آلومینا (به ضخامت 4 نانومتر) در مدت 100 پیکوثانیه بر روی بخش های در معرض هوا ایجاد می گردد. این لایه ی اکسیدی از اکسید شدن تمام آلومینیوم جلوگیری می کند. ضخامت و خواص این لایه ی اکسیدی را می توان بوسیله ی فرآیند آنودایزینگ (anodizing) تغییر داد. برخی از آلیاژها مانند برنزهای آلومینیومی از ویژگی آنودایزینگ استفاده می کنند تا خاصیت مقاومت به خوردگی آنها بهبود یابد. آلومینای بوجود آمده بوسیله ی فرآیند آنودایزینگ حالت آمورف دارد اما می توان بوسیله ی فرایندهایی مانند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما (Plasma electrolytic oxidation)، لایه ی کریستالی از آلومینا بوجود آورد و سختی آلومینا را بالا برد.
آلومینا استحکام دی الکتریک خوبی دارد. این ماده الکترولیت جامد نیست و از این رو مانند اکسید زیرکونیوم (zro2) عمل نمی کند و خواص دی الکتریک آن به فشار اکسیژن بستگی ندارد.
سختی آلومینا در مقیاس موس 9 است. در این طبقه بندی پس از الماس، آلومینا در رتبه ی دوم قرار دارد.

ساختار

عمده ترین فرم کریستالی آلومینا، کوراندوم است. یون های اکسیژن و آلومینیوم در ساختار کوراندوم به صورت هگزاگونال متراکم (HCP) درآمده اند. در واقع یون های اکسیژن د رحال هگزاگونال متراکم (HCP) هستند و یون های Al3+ دو سوم فضاهای خالی 8 وجهی را اشغال کرده اند. هر مرکز Al3+ به صورت یک 8 وجهی است که از لحاظ کریستالوگرافی، کوراندوم با توجه به یون های Al3+ دارای شبکه ی تریگونال است. در واقع هر سلول واحد HCP، از 2 واحد فرمولی اکسید آلومینیوم تشکیل شده است.
آلومینا همچنین به صورت فازهای دیگر وجود دارد. این فازها را براساس حروف یونانی نامگذاری می کنند. این فازها عبارتند از: θ, δ,ð, χ, η هر کدام از این فازها دارای ساختار کریستالی و ویژگی خاص خود است. البته تمام این فازها، فازهایی میانی و غیرپایدار هستند. پس از حرارت دهی آلومینا و تشکیل این فازها در نهایت فاز α تشکیل می شود.
فاز ð می تواند مقداری در آب حل شود. که حلالیت این فاز نشان دهنده ی نامناسب بودن آن در کاربرد است.
همچنین می توان از ناپایداری برخی از فازهای آلومینا استفاده کرد و از فعالیت های شیمیایی آنها در کاربردهای خاص بهره برد. مثلا می توان از آنها به عنوان پایه کاتالیست و یا حتی کاتالیزور استفاده کرد.

تولید

کانی های هیدروکسید آلومینیوم جزء عمده ی بوکسیت است. بوکسیت فراوان ترین سنگ معدن آلومیناست. مخلوطی از کانی های مختلف در سنگ بوکسیت وجود دارند. این کانی ها عبارتند از:
1)گیبسیت (Al(OH)3)
2)بوهمیت (ð -Alo(OH))
3)دیاسپور (α-Alo(OH))
4)هیدروکسید و اکسید آهن
5)کوارتز
6)کانی های رسی
بوکسیت در خاک های سرخ (Laterites) وجود دارد. بوکسیت بوسیله ی فرآیند بایر خالص سازی می شود.

روش بایر برای تولید پودر آلومینا

ماده ی اولیه ی مورد استفاده در روش بایر بوکسیت است. این بوکسیت باید خلوصی بیش از 55 درصد داشته باشد تا فرآیند بایر صرفه ی اقتصادی داشته باشد. ماده ی اولیه ی بدست آمده از معدن (بوکسیت) خردایش شده و در مخازن بزرگ و سربسته ی آب در سود حل می گردد. با حل شدن بوکسیت در آب و بوسیله ی سودسوزآور، در محلول آلومینات سدیم به صورت محلول در آب تشکیل می شود. در مرحله ی بعد ناخالصی های نامحلول مانند آهن، سیلیس وتیتان بوسیله ی فیلتراسیون جدا می گردند. این ناخالصی ها به لجن قرمز (redmad) معروفند. در مرحله ی بعد برای عکس کردن واکنس انحلال هیدروکسید، گاز دی اکسید کربن به داخل محلول دمیده می شود. و رسوب Al(OH)3 تشکیل می شود. رسوب حاصله جداسازی، خشک و کلسیناسیون می شود. آلومینای حاصله خردایش و دانه بندی می گردد.
به آلومینای بدست آمده از روش بایر، آلومینای کلسینه شده می گویند. عمل کلسیناسیون در روش بایر در کوره ی دوار صورت می پذیرد. در ابتدای کوره دما پایین است و عمل خشک شدن انجام می شود. و در ادامه عمل تجزیه صورت می پذیرد. ترکیباتی همچون کلرین ها، فلرین ها، بور می توانند دمای تجزیه ی هیدروکسید را کاهش دهند. همچنین این عوامل، عامل جوانه زا برای تشکیل α- آلومینا هستند. وعلاوه بر دمای تجزیه ی هیدروکسید، بر روی شکل ذرات نهایی اثرگذار هستند. هر چه دمای کوره (دمای تجزیه) بالاتر رود، تبدیل می تواند کامل تر صورت گیرد. در دمای 1400 درجه سانتیگراد در حدود 99-90درصد از هیدروکسید به α-آلومینا تبدیل می شود و علاوه بر α آلومینا فاز میانی ð نیز وجود دارد. از این رو برحسب دمای کوره و افزودنی های مختلف، درصد α-آلومینا متفاوت است. در روش بایر حتی می توان آلومینایی با خلوص 99.99 درصد تولید نمود.

مشکلات روش بایر

1)هزینه ی بالای روش بایر
2)روش بایر به مخازن بزرگ آب نیازمند است.
3)مصرف آب در روش بایر بالاست.
4)روش بایر انرژی بر است، (برای گرم کردن مخازن آب نیاز به انرژی زیادی داریم).
5)ضایعات، و باطله های روش بایر زیاد است.
6)ورود ناخالصی هایی همچون اکسید سدیم موجب تخریب خواص الکتریکی آلومینا شده و ما را مجبور می کند تا با اعمال فرآیندهای جانبی درصد این گونه ناخالصی ها را کاهش دهیم.
در کاربردهای الکتریکی میزان یون سدیم بسیار مهم است. یون سدیم وارد ساختار آلومینا می شود و به صورت فاز θ درمی آید. این فاز محلولی جامد از اکسید سدیم و آلومیناست که باعث تغییر خواص الکتریکی آلومینا می شود و آلومینا را به یک الکترولیت جامد تبدیل می کند. الکترولیت های جامد با افزایش دما خاصیت رسانایی پیدا می کنند. اکسید سدیم همچنین بر روی نقطه ی ذوب آلومینا تأثیر گذاشته و آن را پایین می آورد. پایین آمدن دمای ذوب آلومینا موجب این مسئله می شود که در دماهای نسبتا پایین بخش هایی از آلومینا ذوب گشته و پس از سردشدن تشکیل فاز شیشه ای می دهد. وجود فاز شیشه ای در برخی بدنه ها مانند بدنه های دیرگداز مضر بوده و باعث کاهش استحکام آنها می شود. پس توجه به خلوص آلومینا در برخی صنایع مانند صنعت دیرگداز و الکترونیک و... ضروری به نظر می رسد.

ویژگی های کلیدی آلومینا

ویژگی هایی که آلومینا دارد و باعث شده است تا بتوان از آن در کاربردهای بسیار استفاده بشود عبارتند از:
1)استحکام فشاری بالا
2)سختی بالا
3)مقاومت به سایش بالا
4)مقاومت در برابر حملات شیمیایی بوسیله ی گستره ی وسیعی از مواد شیمیایی حتی در دماهای بالا
5)رسانایی گرمایی بالا
6)مقاومت در برابر شک حرارتی
7)دیرگدازی بالا
8)مقاومت دی الکتریک بالا
9)مقاومت الکتریکی بالا حتی در دماهای بالا
10)شفافیت در برابر فرکانس های اشعه ی میکروویو
11)ماده ی اولیه ی آن بسهولت قابل دسترسی است و قیمت آن دارای نوسان شدید نیست.

هیدروکسیدهای آلومینیوم

آلومینیوم گستره ی وسیعی از هیدروکسیدها را تولید می کند. برخی از این هیدروکسیدها، ترکیباتی کریستالی و با خصوصیات شناخته شده اند. در حالی که برخی دیگر از آنها ترکیباتی آمورف و ناشناخته اند.
عمومی ترین تری هیدرات های آلومینیوم گیبسیت (gibbsite)، بایریت (bayerite) و نوردستراندیت (nordstrandite) هستند. این در حالی است که اکسید متداولتر آلومینیوم (هیدروکسید آن) بوهمیت (boehmite) و دیاسپور (diaspore) هستند.

از لحاظ تجاری مهمترین شکل هیدروکسیدهای آلومینیوم، گیبسیت است اگر چه بایریت و بوهمیت نیز در مقیاس صنعتی تولید می شوند. هیدروکسیدهای آلومینیوم دارای گستره ی کاربرد فراوانی است مثلا از آنها به عنوان افزودنی های ضد شعله در پلاستیک ها و رابرها، پرکننده های کاغذ و درزگیرها، فیلر خمیر دندان، ضد اسید، پوشش های تیتانیا و به عنوان ماده ی اولیه جهت تولید محصولات شیمیایی آلومینوم دار مانند سولفات آلومینیوم، کلریدهای الومینیوم، پلی آلومینیوم کلراید، و آلومینیوم نیترات کاربرد دارد

گریدهای تجاری آلومینا

از لحاظ تجاری گریدهای مختلفی از آلومینا وجود دار که هر تولید کننده ی شاغل در بخش سرامیک با توجه به نیازهایی که از آلومینا دارد، یکی یا چند گرید آن را استفاد می کند. در ادامه به معرفی کاملی از گریدهای مختلف آلومینا می پردازیم.

آلومینای گرید اسملتر (Smelter grade alumina)

گرید اسملتر یا گرید متالورژیکی آلومینا نامی است که به آلومینای مصرفی در تولید فلز آلومینیوم داده شده است. از لحاظ تاریخی این نوع آلومینا از هیدروکسید آلومینیوم و با استفاده از کوره های دوار تولید می شده است. اما امروزه عموما بوسیله ی کلساینرهای فلوید فلش (Fluid flash calciner) یا بستر مایع (Fluid bed) تولید می شوند. در فرآیندهای فلوید فلش آلومینیوم هیدروکسید به داخل یک جریان متقابل از هوای داغ تغذیه می شود. (این هوای داغ از سوختن نفت یا گاز به دست می آید). اولین اثری که اتفاق می افتد این است که آب آزاد ماده خارج می گردد و سپس آب ساختاری که به صورت شیمیایی در ترکیب وجود دارد، از دست می رود. این فرآیندها در گستره ی دمایی بین 180 تا 600 درجه سانتیگراد رخ می دهد. آلومینای بدون آب (dehydrated alumina) اساسا به فرم آلومینای اکتیو است و مساحت سطح آن بتدریج با افزایش دما به سمت 1000 درجه سانتیگراد کاهش می یابد. کلسیناسیون اضافی در دماهای بالاتر از 100 درجه باعث می شود تا آلومینای α تشکیل شود که از لحاظ پایداری، پایدارترین شکل آلومیناست.
به طور نمونه وار تبدیل به فرم آلومینای α می تواند در حدود 25% باشد و مساحت سطح ویژه ی آن نسبتا بالا (بالاتر از 50 متر مربع بر گرم) است. که علت این مسئله تغییرات فازی آلومیناست.

آلومینای کلسینه شده (Calcined alumina)

اگر آلومینیوم هیدروکسید در دمای بالاتر از 1100 درجه سانتیگراد حرارت داده شود و سپس تغییرات فازی آلومینا که در بالا اشاره شد، انجام شود، محصولی باقی می ماند که از آلومینای α تشکیل شده است. (البته این در شرایطی اتفاق می افتد که دما به حد کافی بالا باشد. به صورت تجاری فرآیند گفته شده در کوره های دوار اتفاق می افتد. مینرالایزرها خیلی اوقات با افزودن کاتالیزور دمای واکنش را کاهش می دهند. نمک های فلئور عمده ترین نمکی است که برای کاهش دمای تشکیل آلومینای α استفاده می شود.
آلومینای کلسینه شده در گستره ی وسیعی از کاربردهای دیرگداز و محصولات سرامیکی استفاده می شود. ناخالصی اصلی موجود در این نوع آلومینا، اکسید سدیم است. گریدهای متنوعی از این نوع آلومینا تولید می شود که از لحاظ اندازه ی کریستال ها، مورفولوژی و ناخالصی های شیمیایی متفاوت اند.
گریدهای آلومینای کلسینه شده عمدتا براساس میزان اکسید سدیم به سه گروه: دارای اکسید سدیم معمولی، دارای اکسید سدیم متوسط (میزان اکسید سدیم 0.15-0.25 درصد وزنی است) و دارای اکسید سدیم کم تقسیم بندی می شوند.

آلومینای با اکسید سدیم کم (low soda alumina)

در بسیاری از کاربردها مخصوصا کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی نیاز است تا میزان اکسید سدیم موجود در آلومینا بسیار کم باشد. یک آلومینای با اکسید سدیم کم عموما آلومینایی است که درصد اکسید سدیم آن زیر 0.1% وزنی باشد. این نوع آلومینا را می توان به روش های مختلفی مانند شستشو با اسید، افزودن کلر (chlorine addition)، افزودن بور (boron addition) و استفاده از ترکیبات جاذب سدیم، تولید کرد.

آلومینای راکتیو (reactive alumina)

«آلومینای راکتیو» واژه ای است که معمولا به آلومینای با خلوص نسبتا بالا و اندازه ی کریستالی کوچک (1mm>) اتلاق می شود. این آلومینا پس از زنیتر شدن بدنه ای با دانسیته ی بالا و در دمای پایین تشکیل می دهد.
بنابر یک تعریف دیگر آلومینای راکتیو آلومینایی است که بتواند بدنه ای را تشکیل بدهد که دانسیته ی پس از پخت آن بالا و در دمای پخت نسبتا پایین (حدود 1550-1650 درجه سانتیگراد) داشته باشد.
این بدنه ها معمولا 99.5% آلومینا دارند. این نوع آلومینا معمولا پس از پروسه ی خردایش و آسیاب کردن آلومینای کلسینه شده بدست می آید. البته کلسیناسیون این نوع آلومینا در دماهای بالاتر (1600درجه سانتیگراد و یا بالاتر) اتفاق می افتد. که در این حالت دانه ها به طور کامل به فاز α تبدیل می شوند. ضمنا درصد اکسیدسدیم موجود در این نوع آلومینا به دقت کنترل می شود و سعی می شود تا حد ممکن کم باشد.
این نوع آلومینا در جاهایی استفاده می شود که ما نیازمند: استحکام استثنایی، مقاومت به سایش، مقاومت دمایی، سطح پایانی و پایداری شیمیایی هستیم. در واقع در جاهایی که رفتار مکانیکی بدنه ی تولیدی در دمای بالا برای ما اهمیت دارد از این نوع آلومینا استفاده می کنیم. آلومینای راکتیو به خاطر ناخالصی کمتر دارای رفتار زنیترینگ مشخصی است و به خاطر کم بودن فاز شیشه ای در بدنه های استفاده کننده از آلومینای راکتیو، خزش و دفورمگی در دماهای بالا کمتر اتفاق می افتد.
علاوه بر این از این نوع آلومینا در کامپوزیت ها و دیرگدازها و... استفاده می شود.

آلومینای تابولار (Tabular alumina)

آلومینای تابولار، آلومینای α است که زنتیر شده یا تبلور مجدد یافته است. و به خاطر این تابولار نامیده می شود که مرفولوژی آن شامل کریستال های بزرگ (50-500mm)، پهن و ورقه ای شکل از کوراندوم است. این نوع آلومینا بوسیله ی رسوب دادن، اکسترود کردن و یا پرس کردن آلومینای کلسینه شده و سپس حرارت دادن اشکال بدست آمده در دمای زیر نقطه ی ذوب (1850-1700 درجه سانتیگراد) آلومینا در کوره ای محوری (Shaft kilns) تولید می شود.
پس از کلسیناسیون، اشکال کروی از آلومینای زنیتر شده را می توان در برخی کاربردها مانند بستر کاتالیزوری استفاده نمود و یا این اشکال کروی را خردایش و دانه بندی کرد. به خاطر اینکه این مواد زنیتر می شوند، در نتیجه تخلخل آنها پایین است. همچنین این نوع آلومینا داری پایداری شیمیایی خوب، دیرگدازی بالا است. با توجه به ویژگی های آن از آن در تولید انواع دیرگداز استفاده می شود. در واقع مهمترین کاربرد این نوع آلومینا در ساخت دیرگدازهای ریختنی و شکل دار است.
ذرات تابولار معمولا به صورت ذرات کشیده و دارای گوشه های تیز است. این مسأله به خاطر رشد هگزاگونال آلومیناست که باعث می شود ذرات تابولار به جای کروی بودن، سوزنی شکل بشوند.
تخلخل ذرات تابولار نزدیک به صفر است. این نوع آلومینا به افزایش استحکام بدنه کمک می کند. دلیل دیگر استفاده از این نوع آلومینا اندازه های مختلف ذرات آن است. در واقع از آلومینای تابولار مش بندی های متنوع وجود دارد. و این مسأله یکی از ویژ گی های این نوع آلومینا است.
علاوه بر کاربردهای بیان شده از آلومینای تابولار برای ساخت کامپوزیت های کربن –آلومینا استفاده می شود. این نوع کامپوزیت ها در ساخت دریچه های کشوئی تخلیه ی تاندیش کاربرد دارند.

آلومینای فیوزد (Fused alumina)

فیوزد آلومینا در کوره ی قوص الکتریکی تولید می شود. نحوه ی کار این کوره بدین صورت است که جریان بزرگی از الکتریسیته از میان الکترودهای کربنی آن عبور می کند. گرمای تولیدی در این پروسه، سبب ذوب شدن آلومینا می گردد. این نوع کوره دارای پوسته ی فولادی آبگرد است و در هر دفعه می تواند 20-3 تن ماده را در خود جای دهد. آلومینای فیوزد دارای دانسیته ی بالا، تخلخل پایین، نفوذپذیری پایین و دیرگدازی بالاست. به خاطر این خواص از این نوع آلومینا در تولید ساینده ها و دیرگدازها استفاده می شود.

آلومینای حباب دار (bubble alumina)

این نوع آلومینا دارای تخلخل زیادی است. تخلخل های این نوع آلومینا به سطح دانه ها راه ندارد. این نوع آلومینا دارای دانسیته ی پایینی است و به خاطر خاصیت سبکی و عایق بودن در ساخت بدنه های عایق مانند جرم های ریختنی عایق استفاده می شوند.
این نوع آلومینا بوسیله ی دمش هوا به داخل کوره ی قوس الکتریکی تولید می شود.

آلومینای اکتیو (active alumina)

آلومینای کلسینه شده در دمای پایین را آلومینای اکتیو می گویند. به خاطر دمای پایین کلسیناسیون درصد فازهای غیر α در آن زیاد است. به خاطر بالا بودن فعالیت شیمیایی فازهای غیر α در آلومینا، این نوع آلومینا فعالیت شیمیایی بالایی دارد و از این رو از آن در ساخت کاتالیزورها و پایه کاتالیزور استفاده می شود.

آلومینای با خلوص بالا (high purity alumina)

آلومینای با خلوص بالا عموما آن نوع آلومینایی است که خلوص آن بیش از 99.99% وزنی باشد. این نوع آلومینا را می توان بدین صورت تولید کرد که آلومینیوم هیدراته ی تولیدی در فرآیند بایر به صورت پی در پی خالص سازی و شستشو می کنیم و یا آن را در یک محیط کلردار قرار می دهیم تا به درجه ی خلوص مورد نیاز برسیم.
آلومینای با خلوص بیشتر نیز بوسیله ی کلسیناسیون آمونیوم آلومینیوم سولفات یا از آلومینیوم فلزی تولید می شود. در مورد روش کلسیناسیون آمونیوم آلومینیوم سولفات، درجه ی خلوص مورد نیاز بوسیله ی تبلور مجدد (پی در پی) به دست می آید.
آلومینای با خلوص ویژه را می توان از آلومینیوم فلزی تولید کرد. در این روش آلومینیوم با الکل واکنش می دهد سپس آلومینیوم آلکوکسید تولیدی بوسیله ی تقطیر، هیدرولیز و کلسیناسیون خالص سازی می شود. یک راه ساده تر برای تولید این است که گلوله های آلومینیومی با خلوص بالا را در زیر آب مقطر در معرض تخلیه ی الکتریکی قرار داده تا آلومینای با خلوص بالا تولید شود.
کاربرد این نوع آلومینا در تولید سنگ های زینتی مانند یاقوت سرخ و گارنت آلومینیوم – ایتریا برای لیزرها و یاقوت کبود برای کاربردهای لیزری و پنجره های ویژه است

آلومينا در زمينه هاي مختلف صنعتي کاربرد دارد. در ادامه اشاره اي به برخي از کاربردهاي آن در صنعت داريم:

1) ديرگدازها

صنعت ديرگداز وظيفه ي ساخت قطعات يا مواد ديرگداز مصرفي در ساير صنايع را بر عهده دارد. معمولاً کاربرد ديرگدازها از دماي بالاتر از 400-500 مطرح هستند. و از اين دما به بالا کم کم شرايط سخت مي شود. در شرايط کاري سخت مانند صنعت فولادسازي، توليد محصول در شرايطي همچون فرآيند کربن زدائي، کوره بلند، تانديش هاي مختلف انجام مي شود. در اين صنايع کوره هاي مختلف و پاستيل هاي فراواني استفاده مي شوند. از اين رو تنوع مواد ديرگداز مصرفي در اين بخش ها زياد است. مذاب هاي عبوري از اين ديرگدازها داراي دمايي در محدوده ي 1550-1600 درجه سانتي گراد هستند که در اين شرايط خوردگي به علت تلاطمات مذاب بالاست. بنابراين نسوزهاي مورد استفاده در اين بخش ها بسيار خاص و حساس هستند. اين ديرگدازها بايد مقاومت به خوردگي، شوک پذيري، مقاومت حرارتي و دوام مناسبي داشته باشند. اگرچه مواد ديرگداز مصرفي در برخي صنايع مانند صنعت فولاد و شيشه سازي موادي با دوام هستند ولي به خاطر شرايط سخت کاري سريعاً فرسوده مي شوند و نياز به تعمير و جايگزيني دارند.
از آلومينا مي توان در ساخت نسوزهاي شکل دار و بي شکل استفاده کرد. انواع مختلفي از نسوزها بر پايه ي آلومينا توليد مي شوند براي نمونه برخي از آنها را نام مي بريم: آجرهاي آلومينايي، کامپوزيت هاي آلومينايي، ديرگدازهاي آلومينا-مولايت، ديرگدازهاي آلومينا-اسپينل، ديرگدازهاي آلومينا- گرافيت در کنار آلومينا مي توان فازهاي ديگري مانند مولايت و اسپنيل را داشته باشيم. در واقع آلومينا مقاومت به خوردگي خوبي دارد اما در برابر مذاب و سرباره به سرعت خورده مي شود از اين رو براي افزايش مقاومت به خوردگي آن از مواد کربني استفاده مي شود. مواد کربني مانند کک، قير و گرانيت به صورت کامپوزيت با آلومينا استفاده مي شوند. نسوزهاي آلومينا-گرانيت به خاطر پديد آمدن خاصيت عدم تر شوندگي خواص مقاومتي در برابر خوردگي خوبي دارند. آلومينا شک پذيري خوبي ندارد درواقع شک پذيري آن در حد متوسط است. براي افزايش مقاومت در برابر شک حرارتي مي توانيم از فازهاي ديگر (به شکل کامپوزيت) در آلومينا استفاده کنيم. مثلاً افزودن مولايت به آلومينا باعث بهبود خواص شوک پذيري آن مي شود. براي بهبود خاصيت مقاومتي آلومينا در برابر شک پذيري ماده مکانيزم داريم. يکي آنکه ماده اي به آلومنيا اضافه کنيم که ضريب انبساط آن از ضريب انبساط حرارتي آلومينا پايين تر باشد در نتيجه کامپوزيت حاصل ضريب انبساط حرارتي پايين تر و در نتيجه مقاومت در برابر شک حرارتي بهتري داشته باشد. مکانيزم ديگر اين است که ماده اي به آلومينا اضافه کنيم که رسانايي گرمايي کامپوزيت حاصله از رسانايي گرمايي آلومينا بيشتر باشد. در نتيجه اين مسئله باعث بهبود مقاومت به شک پذيري مي شود. مثلاً افزودن کربن باعث افزايش رسانايي گرمايي کامپوزيت آلومينا- گرافيت مي شود. البته توليد کامپوزيت هاي آلومينا-گرافيت نيز مشکلات خاص خود رادارد. زيرا پخت آن ها بايد در اتمسفر خنثي انجام شود. و ازاين رو هزينه ي توليد بالا مي رود. ضمناً اين بدنه ها نيازمند بايندرهاي خاصي دارند که بتوانند اتصالي مناسب ميان آلومينا و کربن برقرار کند. از اين رو قيمت اين گونه کامپوزيت ها بالا است و براي همين مسأله در کاربردهاي ويژه از آنها استفاده مي شود. مثلاً از کامپوزيت هاي گرانيت-آلومينا در ساخت دريچه هاي کشويي پاتيل ها استفاده مي شود.

2) ساينده ها

آلومينا داراي سختي بالايي است. در مقياس موس عدد 9 به آلومينا تعلق دارد. در واقع در اين پس از الماس که سختي آن 10 است قرار دارد. به خاطر سختي بالاي اين ماده از آن در توليد ابزارهاي برنده و ساينده ها استفاده مي شود. همچنين گلوله هاي مورد استفاده در بال ميل نيز گاهاً از جنس آلومينا هستند.

3) کاربردهاي الکتريکي

آلومينا استحکام دي الکتريک بالايي دارد. و مي تواند به عنوان پايه مدار، عايق شمع اتومبيل، پوشش لامپ هاي بخار سديم از ان استفاده کرد. کاربرد آلومينا در مدارات با فرکانس بالا اهميت پيدا مي کند. در واقع گرماي پديد آمده دراين مدارات مي تواند مواد متداول مانند پلاستيک را ذوب کرده و تنها مواد سراميکي هستند که مي توانند در اين شرايط تحمل داشته باشند.

4) کاربردهاي بيومتريالي

آلومينا از لحاظ شيميايي يک اکسيد آمفوتر و خنثي است. به خاطر وجود اين ويژگي، آلومينا مقاومت به خوردگي مناسبي دارد. محيط بدن موجودات زنده محيطي خورنده است. و درصورت عدم تناسب ميان يک امپلنت و بدن، بدن آن را دفع مي کند. اين دفع کردن به همراه تحريک سيستم دفاعي بدن بر عليه ماده ي خارجي است از اين رو نوع ماده ي مورد استفاده در ساخت امپلنت و پروتز بسيار مهم مي باشد. آلومينا داراي دو ويژگي است که توانسته خود را به عنوان يک ماده ي زيست سازگار پذير مطرح کند. اين دو ويژگي عبارتند از:
1)آلومينا از لحاظ شيميايي خنثي است.
2)آلومينا با محيط بدن سازگاري دارد.
از اين رو آلومينا مي تواند کاربردهاي بيومتريالي خوبي داشته باشد. البته آلومينا نيز مانند ساير سراميک ها ماده اي ترد است. و استحکام کششي آن پايين است. از اين رو در هنگام استفاده از سراميک ها (آلومينا) در ساخت پروتزها با مشکل ابعادي روبرو هستيم. در واقع نمي توانيم هر قطعه اي با هر ابعادي را از جنس سراميکي تهيه کنيم. به صورت کلي اگر قطعه ي ما کوچک باشد مانند دندان و يا استخوان هاي کوچک ما مي توانيم از سراميک استفاده کنيم اما اگر استخوان ما برزگ
باشد استخوان ران يا ساق پا ديگر نمي توانيم از سراميک در ساخت آن استفاده کنيم.
از پوشش هاي آلومينايي براي بهبود خواص سطحي امپلنت ها و پروتزهاي فلزي استفاده مي شود. در واقع فلزات مواد زيست سازگاري نيستند که با افزوده شدن پوشش آلومينايي اين مشکل برطرف شود. به خاطر خواص سايشي مناسب آلومينا از آن در توليد مفاصل سراميکي بهره گرفته مي شود.
امروزه بسياري از افرادي که تصادف کرده اند، راه رفتن دوباره ي خود را مديون اين مفاصل سراميکي هستند.

5) کاربردهاي ويژه

علاوه بر کاربردهاي گسترده اي که در مورد آلومينا گفتيم، برخي از کاربردهاي آلومينا خاص هستند. مثلاً در سيستم هاي صنعتي که مايعات با دماي بالا در حال انتقال هستند ما نياز به واشرها و درزگيرهايي هستيم که نمي توان آنها را از جنس لاستيک تهيه کرد. اين نوع واشرها از جنس آلومينايي هستند. همچنين کاشي هاي مورد استفاده در شاتل هاي فضايي از جنس آلومينا هستند. در واقع آلومينا به خاطر خواص زير براي ساخت کاشي هاي شاتل فضايي مناسبند:
1) آلومينا نقطه ي ذوب بالايي دارد.
2) آلومينا مقاومت به سايش خوبي دارد.
3) آلومينا استحکام مناسبي دارد.
شاتل هاي فضايي در هنگام گذر از جو زمين بايد بر اصطکاک جو غلبه کنند در اين ميان علاوه بر اصطکاک، دما نيز بالاست. از اين رو نياز است تا سطح شاتل فضايي به طور مناسبي عايق کاري گردد.آلومينا گزينه ي مناسبي براي اين کاربرد است. در يک شاتل فضايي حدود 30000 کاشي استفاده شده است.

نتيجه گيري

همانگونه که قبلاً بيان شد آلومينا يکي از پرمصرف ترين مواد سراميکي است. توليد ساليانه ي آلومينا حدود 45 ميليون تن است. که 90درصد از اين ميزان براي توليد فلز آلومينا (به روش الکتروليز) مصرف مي شود. اين مسئله اهميت اين ماده ي استراتژيک را براي ما مشخص مي کند. از اين رو توجه به فرآيند توليد،کاربردها و نحوه ي فراوري آن بسيار مهم مي باشد

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:28 توسط مهندس ایمان رستگار |

مواد ديرگداز -اصل مقاله

مواد ديرگداز (Refractories Material)

مواد ديرگداز مواد داراي مقاومت حرارتي هستند که در دماهاي بالا پايدار هستند و خواص فيزيکي و شيميايي شان در اين دماها حفظ مي گردد.
مواد ديرگداز گران بها هستند و هرگونه خرابي در اين مواد باعث افزايش زمان توليد،از بين رفتن ادوات و در برخي مواقع باعث از بين رفتن محصول مي گردد. نوع ديرگداز مصرفي بر روي ميزان مصرف انرژي و کيفيت محصول تأثير مي گذارد. بنابراين انتخاب نوع ديرگداز براي کاربردهاي معين بسيار مهم مي باشد. ديرگدازها همچنين براي فرآيند ايمن در توليد مواد ضروري است. نبايد براي پرسنل خط توليد و کساني که آنها را نصب مي کنند،شرايط خطرناک ايجاد کنند. ضمناً ديرگدازها نبايد در شرايط استفاده شدن و هم پس از اينکه به صورت زباله صنعتي در مي آيند،موجب آلودگي زيست محيطي شوند.
در اين مقاله نوع و خواص ديرگدازها را مورد بررسي قرار مي دهيم.

ديرگداز چيست ؟

ديرگدازها مواد غيرآلي، غير فلزي و مقاوم در برابر حرارت هستند که اين مواد مي توانند در مقابل عوامل ساينده و يا خورنده در دماهاي بالا مقاومت کنند. اين عوامل خورنده و يا ساينده مي توانند در حالت جامد، مايع و يا گاز باشند. به خاطر وجود شرايط متنوع محيطي، انواع متنوعي از ديرگدازها با خواص متفاوت ساخته شده اند. ديرگدازها از مواد پخته شده، مواد شيميايي و انواع چسب هاي کربني(بايندرهاي کربني) تشکيل شده اند. اين مواد داراي گستره شيميايي متنوع هستند و داراي اشکال مختلفي نيز هستند. (ترکيب شيميايي و اشکال استفاده از ديرگدازها بر اساس کاربردهاي گوناگون آنها تعيين مي شود)

ساختار فازي مواد ديرگداز

ديرگدازها از مواد ناهمگون ، چند ترکيبي و داراي تخلخلي هستند. در ساختار اين مواد ، سنگ دانه هاي پايدار در برابر حرارت بوسيله ي فازهاي چسبنده و افزودني ها در کنار هم قرار گرفته اند.
مواد ديرگداز در دماهاي پايين شبه تردند و هنگامي که دما بالا مي رود از خود رفتار ويسکوز نشان مي دهند. بخاطر تغييرات نقطه به نقطه در ريزساختار ديرگدازها و انعطاف پذير نبودن آنها، استحکام در محل هاي مختلف ديرگداز متفاوت است. اين مواد به خاطر خزش در دماي بالا يا تغيير شکل پلاستيکشان شاخص هستند. تردي و مدول الاستيک بالاي اين مواد باعث شده است تا در برابر تنش هاي حرارتي و شک ها حساس بوده و در تحت اين شک ها بشکنند.

ديرگدازها براي چه کاربردهايي مصرف مي شوند؟

ديرگدازها ابتدائاً بوسيله صنعت متالوژي مورد استفاده قرار مي گرفت. در اين صنعت کوره هاي ذوب فلزات و خطوط نقل و انتقالات مذاب و سرباره بوسيله ي مواد نسوز پوشش داده مي شد.همچنين جداره هاي دودکش ها و مجاري عبور گاز نيز بوسيله مواد ديرگداز پوشش دهي مي شود. با توجه به کاربردها، ديرگدازها بايد تأثيرات مخربي همچون مواد سايش، فشار، عوامل شيميايي، شک حرارتي، ضربات فيزيکي، تجزيه هاي حرارتي، و... تحمل کند. اين عوامل مخرب معمولاً در دماي بالا اتفاق مي افتد.
از آنجايي که فرآيندهاي متالوژي نيازمند دماهاي عملياتي بالاست، مواد ديرگداز مورد استفاده در اين صنعت بايد در دماهاي بالا و پايين تر از دماي عملياتي پايدار باشند. در جدول يک دماي ذوب برخي از عناصر که در متالوژي از آنها استفاده مي شود، آورده شده است.

لازمه هاي ديرگدازي

لازمه هاي عمومي يک ماده ي ديرگداز را مي توان به صورت زير بيان کرد:
1) قابليت تحمل در دماهاي بالا
2) قابليت تحمل در برابر تغيرات ناگهاني دما
3) قابليت تحمل برخورد با فلزات مذاب، گازهاي گرم و خوردگي سايشي(erosion)و...
4) قابليت تحمل فشار در شرايط کارکرد
5) قابليت تحمل در مقابل بارگذاري و نيروهاي سايشي
6) ضريب انبساط حرارتي پايين
7) قابليت نگهداري حرارت
8) نداشتن قابليت ترشوندگي و جلوگيري از نفوذ مواد در تماس با آنها (مانند سرباره و مذاب فلزي)

ديرگدازها از چه موادي ساخته مي شوند؟

مواد خامي که عمدتاً در توليد ديرگدازهاي اساسي استفاده مي شوند عبارتند از:
منيزيم کربنات (magnesites) ، دولوميت، کاني هاي کروم دار (chrome ore)، اسپينل و کربن
آجرهاي ديرگداز اساسي مانند آجرهاي منيزيا-کروميتي و منيزيا- اسپنلي از کلينکر مصنوعي اکسيد منيزيم (synthetic magnesia clinker) يا منيزياي طبيعي پخته شده به همراه سنگ معدن کروم دار و پيش واکنش دهنده اسپنيل و يا مواد پوشش دهنده ي آلومينيايي ساخته مي شوند. اسپينل که يک ساختار مقاوم در برابر شک هاي حرارتي است. يا در آجر اوليه وجود دارد و يا در طي حرارت ديدن آجر در محيط کار توليد مي شود.

توسعه ي ديرگدازها با گذر زمان

سال 1950، تکامل و استفاده از ديرگدازهاي منيزيايي به همراه کربن. اين ديرگدازها با ديرگدازهاي دولوميتي و به صورت ترکيبي استفاده مي شوند. اين ديرگدازها در ابتدا براي کوره هاي اوليه اکسيژني (furnace basic oxygen) توسعه يافتند. تقريباً در همان سال ها خلوص منيزيا به عنوان يک فاکتور مهم مورد توجه قرار گرفت و دانه هاي منيزيايي با خلوص بالا و با درصد بورکم ( % 96 ) به صورت وسيع مورد استفاده قرار گرفت.در اين نوع ديرگدازها نسبت آهک به سيليس 1-3-2است.سال 1980 ، دير گدازهاي منيزيا گرافيتي توسعه يافتند .در ابتدا اين ديرگدازها با درصد کربن بيشتر و سپس با اضافه کردن افزودني هاي آنتي اکسيدان ميزان کربن باقي مانده در اين نوع ديرگدازها افزايش يافت. در سال هاي اخير، تمايلات به سمت استفاده از ديرگدازهاي مهندسي (engineered refractories) افزايش يافته است. اين نوع ديرگدازها داراي مکانيزم هاي سايش خاص هستند. در اين نوع ديرگدازها، افزودني هايي از جمله اکسيدآهن خالص و کربنات منيزيم فيوزد (fused magnesite) در مقادير کم اضافه مي شود تا ويژگي هاي خالص در آجرها بوجود آيد. اين افزودني ها عمدتاً کمتر از 6% کل مخلوط را تشکيل مي دهند. هنگامي که دانه هاي منيزيايي زنيته شده درشت تر شوند، ديرگدازها مقاومت خوردگي بهتري پيدا مي کند.

نقطه ذوب مواد ديرگداز در حالتي که خالص باشند در گستره 1815-3315 درجه سانتيگراد است. در جداول 2و3 نقطه ذوب چندين ترکيب ديرگداز آورده شده است. ديرگدازها در شرايط کاري تنها مي توانند مقدار کمي فاز مذاب(حدود 5-1 درصد) را در ساختارشان تحمل کنند و خواص ساختاري شان را حفظ کنند. البته بحث هاي بعدي نشان مي دهد که به هر حال استفاده از بسياري از اين مواد به دليل عواملي همچون قيمت يا ناپايداريشان در اتمسفرهاي خاص محدود شده است. همچنين وجود ناخالصي هاي ابتدايي و يا ناخالصي هايي که در محيط کاربرد به نسوز وارد مي شوند، باعث کاهش چشم گير نقطه ذوب آنها مي شود.

ويژگي هاي ديرگدازها

خواص مهم ديرگدازها که بيشتر مورد بررسي قرار مي گيرد عبارتند از : ترکيب شيميايي، دانسيته بالک (density bulk)، تخلخل ظاهري(apparent porosity)، گرانش ويژه ي نسبي (specific gravity apparent) و استحکام در دماهاي معمولي.
اين خواص اغلب از جمله خواصي است که براي کنترل توليد و فرآيند کنترل کيفيت استفاده مي شود. ترکيب شيميايي به عنوان پايداري براي طبقه بندي ديرگدازها استفاده مي شود. دانسيته، تخلخل و استحکام محصولات پخته شده از فاکتورهاي زيادي تأثير مي پذيرد. از ميان اين فاکتورهاي زياد مي توان به نوع و کيفيت مواد اوليه، اندازه و شکل ذرات، درصد رطوبت مواد در طي فرآيند پرس کردن، فشار پرس، دما و مدت پخت، اتمسفر کوره و سرعت سرد کردن اشاره کرد.
تعدادي از خواص مهم ديرگدازها در زير آورده شده است:

1) دماي ذوب (melting point)

مواد خالص در دماي معيني و در يک آن ذوب مي شوند. اکثر مواد ديرگداز داراي ذرات ديرگدازي هستند که به هم چسبيده اند. در دماي بالا، فاز شيشه اي مذاب مي شود و هنگامي که دما بالاتر رود، محلولي از اجزاي ديرگداز پديد مي آيد. اين محلول مانند يک دوغاب مي ماند. دمايي که در آن مخروط زگر به علت وزن خودش تغيير شکل دهد، دماي ذوب ديرگداز ناميده مي شود. جدول بالا نشان دهنده ي چند ترکيب خالص است که به عنوان ديرگداز از آنها استفاده مي شود.

2) اندازه (size)

اندازه و شکل ديرگداز يکي از خصوصيات طراحي است. اين مسأله يکي از مباحث مهم در طراحي بشمار مي آيد زيرا اين مسأله بر روي پايداري ساختار تأثير مي گذارد. دقت و اندازه براي جاهايي که قطعات ديرگدازها مي خواهند با هم جفت شوند، بسيار مهم مي باشد. دقت و اندازه مناسب باعث کمينه شدن ضخامت و جفت شدن بهتر ساختار مي شود.

3) دانسيته ي بالک (Bulk Density)

يک خصوصيت مفيد براي ديرگدازها دانسيته بالک است. اين خاصيت نشان دهنده ي ميزان ماده موجود در حجم معين است. افزايش دانسيته بالک يک ديرگداز باعث افزايش پايداري حجم و ظرفيت گرمايي ديرگداز مي شود. و نفوذ مذاب را در ديرگداز کاهش مي دهد.

4) تخلخل (Porosity)

تخلخل ظاهري (apparent porosity)، اندازه گيري حجم تخلخل هاي باز است. (اين تخلخل هاي باز مي توانند بوسيله ي يک مايع پر شوند)
تخلخل ظاهري بر حسب درصد نسبت به حجم نشان داده مي شود. اين خصوصيت يکي از خصوصيات مهم ديرگدازهايي است که در تماس مستقيم با مذاب و سرباره هستند. تخلخل ظاهري پايين مطلوب است. زيرا اين مسأله از نفوذ مواد ناخواسته به داخل ديرگداز جلوگيري مي کند. همچنين به هم پيوسته بودن تخلخل ها، تأثيرات مهمي بر رفتار ديرگدازها دارد. عموماً در شرايطي که تعداد تخلخل ها برابر باشد، تخلخل ها با ابعاد کوچک تر مطلوب ترند. به هر حال، اندازه گيري واقعي تخلخل واقعي که در آن حجم تخلخل هاي بسته نيز محاسبه مي شود،ايده مناسبي براي آگاهي از خصوصيات مواد مانند خواص زنيته شدن است.درحقيقت، تخلخل، دانسيته بالک و دانسيته ظاهري جامد از ويژگي هاي حياتي اشکال ديرگداز است.

5) استحکام فشاري سرد (cold Crushing Strength)

استحکام فشاري سرد نيز يکي از خواص خوبي است که به همراه ديگر خواص مورد بررسي قرار مي گيرد. اين خاصيت نشان دهنده ي قابليت تحمل بار اعمالي بر جسم است. و مي تواند به همراه ساير خواص مانند دانسيته بالک و تخلخل به عنوان نشانه اي براي ميزان پخت قطعه و يا مقاومت به سايش قطعه است.

6) نقطه نرمي (Pyrometric cone Equivalent)

دمايي که در آن يک ديرگداز بواسطه وزن خودش تغيير شکل مي دهد دماي نرم شدگي (Softening tempreture) ناميده مي شود. اين دما بوسيله ي مخروط هاي آذر سنجي اندازه گيري مي شود. ديرگدازها به خاطر داشتن ترکيب شيميايي پيچيده، به طور تدريجي ذوب مي شوند. در واقع اين مواد در يک گستره ي دمايي ذوب مي شوند. از اين رو ديرگدازي يا نقطه ي گداز اين مواد به روش مخروط هاي استاندارد تعيين مي شود. مخروط هاي استاندارد آذرسنجي براي تعيين دما، تنها دماي نرم شدگي را به ما نشان مي دهند. اما در شرايط کاري ديرگدازها، علاوه بر دما، بار نيز ديرگداز وارد مي شود که مي تواند باعث تغيير فرم ديرگداز در دماهاي بسيار پايين تر از نقطه نرم شدگي بشود. با تغيير در شرايط محيطي مانند اتمسفر کاهنده، اعداد به دست آمده از اين روش دماسنجي تغيير بسياري مي کند.

7) ديرگدازي تحت بارگذاري (refractoriness under load)

تست ديرگدازي تحت بارگذاري (the refractoriness under load) که به آن تست RUL نيز مي گويند، به ما دماي متلاشي شدن آجرها در شرايط کاري را مي دهد.
به هرحال، در شرايط کاري واقعي که تنها يک سمت آجر حرارت مي بيند،بخش سردتر آجر که حالت سبک تري دارد، مقدار بيشتري از نيروي اعمالي بر آن را تحمل مي کند. از اين رو، تست RUL نشان دهنده شاخصي از ميزان ديرگدازي است. و مي توان از آن در طراحي استفاده کرد. در شرايط کاري که ديرگداز از همه ي جهات تحت حرارت دهي است مانند شبکه ها (checkers)، تيغه ها (Partion walls) و...، داده هاي مربوط به تست RUL، کاملاً معنادارند.

8) خزش در دماي بالا (Creep at high tempreture)

خزش يک خاصيت وابسته به زمان است. که معين کننده تغيير شکل ماده ي تحت بارگذاري در زمان معين و در دماي معين است. ملاک مورد پذيرش براي مواد ديرگداز عموماً اين است که مقدار خزش فشاري در دما و بارگذاري مورد نظر بيش از 0.3 درصد در 50 ساعت اول بارگذاري نشود. اين مقدار بدين علت تعيين شده است که سرعت خزش در انتهاي منحني خزش به مقدار ناچيزي کاهش مي يابد. در صورتي که مقدار خزش فشاري ديرگدازي بيش از 0.3 درصد نرسد، اين ديرگداز مناسب است و مي توان آن را با ايمني بالا استفاده کرد.

9) پايداري حجمي (Volume Stability)، انبساط (expansion) و شرنيکيج (shrinkage)در دماي بالا

انقباض يا انبساط ديرگدازها مي تواند در طي شرايط کاري اتفاق افتد.اين تغييرات دائمي در ابعاد ممکن است به دلايل زير رخ دهد:
الف) تغيير در فرم هاي آلوتروپيک که باعث تغيير در وزن مخصوص مي شود.
ب) وقوع يک واکنش شيميايي در ديرگدازها. که باعث بوجود آمدن يک ماده ي جديد با وزن مخصوص جديد مي شود.
ج) ايجاد فاز مايع
د) واکنش هاي زينترينگ
ه) اين مسئله ممکن است اتفاق افتد که بر روي ديرگداز واکنش خاصي رخ دهد و سيليکات آلوميناي - قليايي بوجود آيد. اين ماده انبساط زيادي دارد و باعث شکستن قطعه مي شود. تشکيل سيليکات آلوميناي قليايي مثالي از تخريب و تغيير شکل ديرگدازها است که عموماً در کوره بلند رخ مي دهد.
در حالي که اين مسأله روشن شده است که تمام اين تغييرات در طي فرآيند ساخت رخ مي دهد ولي به خاطر مسائل اقتصادي برطرف کردن آن ها ممکن نيست زيرا فرآيندهاي توليد تصحيح شده زمان بر هستند. تغيير خطي دائمي (PLC) بر روي پيش گرم کردن و سرد کردن آجرها دلالتي بر پايداري حجمي محصول است. اين مسأله به طور خاص در هنگام اندازه گيري درجه ي تبديل در توليد آجرهاي سيليسي، اهميت پيدا مي کند.

10) انبساط گرمايي بازگشت پذير

هر ماده اي در هنگام حرارت ديدن، منبسط مي شود و در هنگام سرد شدن منقبض مي شود. انبساط گرمايي بازگشت پذير بازتابي است از تغييرات فازي که در هنگام گرم وسرد کردن رخ مي دهد. تغيير خطي دائمي (PLC) و انبساط گرمايي برگشت پذير براي ساخت نسوزها در نظر گرفته مي شود. تا قطعات به هم متصل دچار مشکل نشوند. به عنوان نمونه يک قانون کلي،احتمال خرد شدن و از هم پاشيدن آن دسته از موادي که ضريب انبساط حرارتي کمتري دارند، کمتر است.

11) رسانش گرمايي (Thermal Conductivity)

رسانش گرمايي به ترکيب شيميايي و مينرالي ماده، دماي کاربرد و فاز شيشه اي موجود در ديرگداز وابسته است. اگرچه اين خاصيت يکي از خاصيت هاي کم اهميت در بررسي ديرگدازهاست ولي اين خاصيت مشخص کننده ضخامت آجر کاري است. رسانش معمولاً با افزايش دما تغيير مي کند. در مواردي که نياز به انتقال حرارت از بين ديواره باشد براي مثال در تقويت کننده ها و بخش هاي بازيافت انرژي، ديرگداز بايد رسانش گرمايي بالايي داشته باشد. رسانش گرمايي پايين براي صرفه جويي در مصرف انرژي مناسب مي باشند. در اين حالت ديرگداز مانند يک عايق عمل مي کند. براي بدست آوردن خاصيت عايق کاري بايد از هدر رفت گرما جلوگيري کند اما اين خاصيت موجب افزايش دماي سطح مي گردد و از اين دو بايد از ديرگداز با کيفيت بالايي استفاده کنيم. با توجه به اين مسأله، معمولاً عايق کاري در سقف کوره ي فولادسازي دهانه باز (Open- hearth furnaces) انجام نمي شود. به عبارت ديگر اين مسأله باعث مي گردد که عايق به دليل ايجاد چکه هايي برروي سطحش ، بشکند. بسته به خواص ديرگداز از مصرفي در بخش ارتباط با حرارت مانند ظرفيت تحمل بار در دماي بالا (Capacity high temperature load bearing)، اين مسئله ممکن است نياز باشد که کيفيت آجر مصرفي را بالا ببريم که علت آن بالا رفتن دما به خاطر خاصيت عايق کاري آنهاست.
ديرگدازهاي سبک با رسانش گرمايي پايين در کوره هايي کاربرد دارند که در آنها با استفاده از دماهاي نسبتاً پايين کار عمل آوري گرمايي صورت مي گيرد. در اين کاربردها، عملکرد ثانويه ي ديرگداز معمولاً صرفه جويي در مصرف انرژي است. مصرف اين نوع ديرگدازها در کوره هاي نوع منقطع (furnaces batch type) بيشتر است. در اين کوره ها ظرفيت گرمايي پايين ساختار ديرگداز باعث مي شود تا گرماي ذخيره شده در طي فرآيند سردو گرم کردن سيکلي کمينه شود

ديرگدازها چگونه دسته بندي مي شوند؟

ديرگدازها را مي توان براساس ترکيب شيميايي وروش توليد يا شکل فيزيکيشان دسته بندي کرد.علاوه براين تقسيم بندي ها، ديرگدازها را براساس کاربرد نيز مي توان طبقه بندي کرد مثلاً ديرگدازهاي کوره بلند (blast furnace refractories) . اين ديرگدازها به طور مداوم مورد تجديد نظر قرار مي گيرند وتغيير مي کنند.
درزير برخي از طبقه بندي هاي ديرگداز آورده شده است :

طبقه بندي ديرگدازها براساس ترکيب شيميايي

از نقطه نظر شيميايي ، مواد ديرگداز به سه دسته تقسيم بندي مي شوند که عباتنداز:
1)ديرگدازهاي اسيدي
2)ديرگدازهاي بازي
3)ديرگدازهاي خنثي
ديرگدازهاي اسيدي :
اين ديرگدازها درمحل هايي استفاده مي شوند که اتمسفر و سرباره اسيدي هستند.اين ديرگدازها دربرابر اسيدي ها مقاوم اند ولي دربرابر حمله ي مواد قليايي ضعيف هستند.ماده ي اوليّه ي عمده ي اين گروه از ديرگدازها برگروه RO2 (مانند سيليس) (Sio2)، زير کونيا (Zro) و رس آلومينا سيليکاتي (Al2o3. 2zio2.2H2o) متعلق هستند.
ديرگدازهاي خنثي :
اين ديرگدازها درمحل هايي استفاده مي شوند که سرباره و اتمسفر وضعيت معيني ندارند و گاهاً بازي يا اسيدي است. اين ديرگدازها در مقابل عوامل اسيدي و بازي پايدارند. مواد اوليّه ي عمده ي اين ديرگدازها به گروه R2O3 تعلق دارد. البته ترکيب شيميايي ديرگدازهاي خنثي تنها به گروه R2O3 محدود نمي شود ، مثال هاي معمولي از اين مواد عبارتند از : آلومينا (Al2o3) اکسيد کروم (cr2o3) و کربن (c)
ديرگدازهاي بازي :
اين ديرگدازها درمحل هايي استفاده مي شوند که اتمسفر و سرباره هستند. اين ديرگدازها در برابر بازها مقاومند ولي با اسيد واکنش مي دهند. مواد اوليّه ي عمده دراين گروه از ديرگدازها به گروه RO متعلق هستند. اکسيد منيزيم (Mgo) متداولترين مثال از اين ديرگدازهاست. مثال هاي ديگر از اين ديرگدازها عبارتند از : ديرگدازهاي دولوميتي و ديرگدازهاي منيزيا-کروميتي (chrome - magnesite) .
ديرگدازهاي بازي بسيار مشهورند زيرا اين ديرگدازها مقاومت به خوردگي خوبي دربرابر سرباره هاي بازي وگرد وغبار شيميايي در دماهاي بالا دارند.برخي از گروه هاي ديرگدازهاي بازي توسعه يافته اند که داراي مقاومت عالي دربرابر سرباره هاي اسيدي نيز هستند.
الف) اکسيد منيزيم (mgo) يک اکسيد فلزي دوتايي از منيزيم است .اين اکسيد درهنگامي که خلوص بالايي داشته باشد داراي دماي ديرگدازي بالايي است .مينرال اکسيد منيزيم پريکلاژ (periclase) ناميده مي شود.ناخالصي هايي که در اکسيد منيزيم طبيعي وسنگ معدن کرم دار وجود دارد موجب مي شود تا ترکيبي با دماي ذوب پايين ايجاد شود،که ديرگدازي را بسيار کاهش مي دهد.
ب) ترکيبات منيزيا-کروميت داراي استحکام مکانيکي خوبي است ودر دماي بسيار بالا، پايداري ابعادي خوبي نيز دارد. ديرگدازهاي منيزيا-کروميتي مقاومت به خوردگي خوبي در برابر سرباره هاي بازي دارند وبراي صنايع فولاد ومس مناسب مي باشند.
ترکيبات منيزيا-کروميت داراي انبساط حرارتي پايين تري نسبت به ترکيبات داراي مقادير بالاي اکسيد منيزيم هستند.
ج) ترکيبات با خلوص بالا و بدون کروم از اکسيد منيزيم که از آب درياها وآب شور بدست مي آيند داراي بيشترين ديرگدازي هستند ودر مقابل اکسيد آهن نيز از خود مقاومت نشان مي دهند
د) ترکيبات کربن -منيزيا داراي 5-35% کربن هستند.کربن افزوده شده به اين ديرگدازها از افزودن گرافيت ورقه اي طبيعي حاصل مي شود ديرگدازهاي کربن -منيزيايي مقاومت بسيار بالايي دربرابر سرباره هاي فولاد سازي دارند.
از لحاظ تئوري ، ديرگدازهاي اسيدي نبايد درتماس مستقيم با سرباره هاي بازي، گازها ويا گرد وغبار بازي قرارگيرد.درحالي که ديرگدازهاي بازي بهترين گزينه براي استفاده شدن درمحيط هاي بازي هستند.در واقع به خاطر دلايل مختلف، اين قوانين تئوريک اغلباً شکسته مي شوند .از اين رو، طبقه بندي شيميايي ديرگدازها عمدتاً تقسيم بندي آکادميک است وتنها به ما کمک مي کند تا کاربردهاي واقعي ديرگدازها را بفهميم.همچنين وجود ديرگدازي که واقعاً خنثي باشد، ممکن است شک برانگيز باشد.
طبقه بندي براساس روش توليد
ديرگدازها مي توانند به يکي از روش هاي زير توليد شوند.
1) روش پرس خشک (Dry Dress Process)
2) ريخته گري مذاب (fused Cast)
3) قالبگيري دستي (hand Moldes)
4) شکل دهي پخته شده ، خام و يا بايندر شيميايي
5) بي شکل(مونوليتيک -پلاستيک-جرم هاي کوبيدني -تزريقي - قابل قالب گيري و اسپري شونده)

طبقه بندي براساس شکل فيزيکي

ديرگدازها را بر اساس شکل فيزيکشان نيز مي توان طبقه بندي کرد.اين مواد مي توانند ديرگدازهاي شکل داده شده و يا بي شکل باشند.ديرگدازهاي شکل داده شده عموماً به عنوان آجرهاي ديرگدازه وديرگدازهاي بي شکل به عنوان ديرگدازهاي مونوليتيک معروفند. ديرگدازهاي شکل داده شده (Shaped refractones)
ديرگدازهاي شکل داده شده آنهايي هستند که در هنگام تحويل به مصرف کننده داراي شکل معيني هستند ما اين ديرگدازها را آجر مي ناميم
شکل آجرها ممکن است به دو حالت تقسيم بندي شوند.يکي از آنها اشکال استاندارد است وديگري اشکال خاص.اشکال استاندارد داراي ابعادي هستند که بوسيله ي اکثر توليد کنندگان ديرگدازها مورد قبول است.واين توليد کننده ها از اين ابعاد پيروي مي کنند.اين ديرگدازها عموماًٌ در کوره هاي همسان قابل کاربرد هستند.
ديرگدازهاي شکل داده شده عمدتاً بوسيله ي ماشين پرس توليد مي شود .بنابراين انتظار مي رود که خواص آنها هموژن باشد.البته برخي از ديرگدازهاي شکل داده شده که بوسيله ي قالب گيري دستي توليد مي شوند داراي خواص غير هموژني هستند.

ديرگدازهاي بي شکل (unshped Refractones)

ديرگدازهاي بي شکل داراي هندسي معيني نيستند و در حين کاربرد شکل داده مي شود.اين دير گدازها بيشتر با نام ديرگدازها مونوليتيک شناخته مي شود.اين ديرگدازها به صورت زيرطبقه بندي مي شود.

الف) ديرگدازهاي پلاستيک (pbstic refractories)

ديرگدازهاي پلاستيک، مخلوط هايي هستند که در حالت پلاستيک وسفت آماده مي شوند.واين نوع ديرگدازها به صورت توده هايي که در لفاف پلي اتيلن پيچيده شده اند،به مصرف کننده تحويل داده مي شوند .درحين استفاده توده ي بزرگ از اين نوع ديرگداز به قطعات کوچک تر بريده مي شود وبدون هيچ عمل ديگر برروي آن، درمکان مورد نظر پاشيده ويا کوبيده مي شود.اين کار بوسيله ي يک کوبنده ي بادي انجام مي شود.اين ماده ي پلاستيک به راحتي به هر شکل وفرم مورد نظر تبديل مي شود.

ب) مخلوط هاي کوبيدني (Ramming Mixes)

مواد ديرگداز کوبيدني آنهايي هستند که از اندازه ي ذرات شان به دقت درجه بندي شده است تا بتوان آنها را راحت تر اعمال کرد.اين مواد عموما به صورت خشک به مصرف کننده تحويل داده مي شوند. مصرف کننده درهنگام نياز اين ديرگدازها را با مقدارکمي آب مخلوط مي کند وسپس از آنها استفاده مي کند.مخلوط هاي کوبيدني نيز وجود دارند که به صورت مرطوب به مصرف کننده تحويل داده مي شوند. ودرهمان زمان قابل استفاده هستند.استفاده از آنها بوسيله ي کوبنده هاي بادي انجام مي شود.

ج) مخلوط هاي قابل ريختن (Castable)

قابل ريختن براين مسئله دلالت دارد که اين مواد به طور طبيعي قابليت گيرش هيدورليک دارند.اين ديرگدازها موادي هستند که داراي درصدي با يندر سيماني(معمولا سيمان آلوميناتي)هستند.اين ديرگدازها وقتي با آب مخلوط شوند قابليت گيرش هيدروليک دارند. مواد چسبنده ي کلسيم آلوميناتي بايد به خوبي دراين ديرگدازها پيوند ايجاد کنند تا از جذب رطوبت به داخل ديرگدازها جلوگيري شود. علاوه براين مسئله استحکام اين بايندر پس از 6 تا 12 ماه شروع به کاهش مي کند اين مواد به صورت ريختگي اعمال مي شوند.وهمچنين به نام بتن هاي ديرگدازها معروفند.

د) مخلوط هاي پاشيدني (Gunning Mixes)

مخلوط هاي پاشيدني مواد ديرگدازي هستند که به صورت گرانول تهيه مي شوند .اين گرانول ها بر روي سطح مورد نظر اسپري مي شوند .براي پاشيدن اين مواد از تفنگ هاي پاشنه ي بادي (Guns air plocement)متنوعي استفاده مي شود.اين ديرگدازها بوسيله ي حرارت استحکام مي يابند وبراي کارهاي ترميمي و اصلاحي درکوره ها و پاتيل ها استفاده مي شوند.

ه) مخلوط هاي محافظ (Fettling Mixes)

مخلوط هاي محافظ مواد ديرگدازي به شکل گرانول هستند که عملکرد آنها شبيه به مخلوط هاي پاشيدني است.امّا اين مخلوط هاي بوسيله ي پارو به داخل کوره ريخته مي شوند تا نواحي آسيب ديده ي کوره ترميم شوند.

و) ملات ها (Mortars)

ملات ها گروهي از ديرگدازها هستندکه نه جزء گروه آجرهاي ديرگداز هستند نه جزء گروه ديرگدازهاي مونوليتيک .اين ديرگدازها مواد نسوز نرمي هستند که به خاطر ترکيبشان درحين مخلوط شدن با آب خاصيت پلاستيک پيدا مي کنند.اين مواد براي ايجاد پيوند بين آجرها در فرآيند آجر کاري استفاده مي شوند ودر بين آجرها ايجاد مي کنند تا سطوح نامنظم آجرها به هم متصل گردند.همچنين لايه ي بوجود آمده دربين آجرها فضاهاي بوجود آمده دربين آجرها را نپذير مي کنند.واز نفوذ سرباره وعوامل خورنده به داخل ساختار ديرگداز جلوگيري مي کنند.

ديرگدازهاي خاص دراستفاده هاي صنعتي

ديرگدازهاي خاک نسوز (Fireclay refractories)
ديرگدازهاي تشکيل شده از خاک نسوز مانند آجرهاي نسوز، خاک نسوز سيليسي (Fireclay siliceous) وديرگدازهاي متشکل از رس آلومينايي (aluminous clay refractories)از سيليکات آلوميناي با مقادير متنوع از سيليس(که درصد اين مقادير درکل بيش از 78 درصد نمي شود)تشکيل شده اند.اين ديرگدازها داراي مقادير کمتر از 44 درصد آلومينا هستند.در اصل ديرگدازهاي خاک نسوز داراي سيليکات آلوميناي هيدراته با مقادير بسيار ناچيز از ديگر مينرال ها هستند.
به خاطر قيمت نسبتاً پايين اين ديرگدازها ، اين مواد کاربرد فراواني در کوره ها ، پاتيل ها و گرم کن ها پيدا کرده اند.آجر نسوز معمولي ترين شکل از اين مواد ديرگداز است.اين آجرها به طور گسترده درصنعت فولاد وآهن، متالورژي فلزات غير آهني، صنعت شيشه، کوره هاي پخت سفال ( pottery kilns)، صنعت سيمان و...کار برد دارند.
براي آجرهاي نسوز چندين استاندارد وجود دارند که عبارتند از :
1) با کارايي عالي (Suoer duty)
2) با کارايي بالا (high - duty)
3) با کارايي متوسط (Medium duty)
4) با کارايي پايين (Low - duty)

5) شبه سيليسي (Semi - Silica)

1) با کارايي عالي (Suoer duty)

اين آجرها داراي استحکام و پايداري حجمي خوبي در دماي بالا هستند.و داراي 40- 44 درصد آلومينا هستند.برخي از انواع آجرهاي با کارايي آلي هنگامي که با تغييرات سريع دما مواجه شوند، مقاومت بسيار خوب دربرابر ترک خوردن وخرد شدن دارند.

2) با کارايي بالا (high - duty)

اين نوع آجرها به مقدار زيادي مصرف مي شوند و داراي کاربرد زيادي در صنعت هستند.به خاطر مقاومت به شک حرارتي بالا اين نوع آجرها مصرف آنها درکوره هايي با دماي متوسط نسبت به نوع با کارايي متوسط، اقتصادي تر است.همچنين اين آجرها براي کوره هايي مناسب است که به طور مداوم خاموش وروشن مي شوند.

3) با کارايي متوسط (Medium duty)

اين آجرها براي کاربردهايي مناسب هستند که با شرايط متعادل محيطي روبرو هستند.آجرهاي با کارايي متوسط درگستره ي دماي مخصوص به خود مي توانند بهتر از بسياري از آجرهاي گروه با کارايي بالا دربرابرسايش مقاومت کنند.

4) با کارايي پايين (Low - duty)

اين آجرها به عنوان پشتيبان براي ديگر آجرهاي نسوز استفاده مي شوند.درمحل هايي که اين آجرها وظيفه ي پشتيباني از آجرهاي ديرگداز ديگر را برعهده دارند عمدتاً دما در گستره ي دماهاي پايين است.

جدول يک : نشاندهنده ي رابطه ي ميان خلوص مواد اوليّه و افزايش مقدار آلومينا (Al2o3) و نقطه ذوب آجرهاي توليدي از خاک نسوز است.

ديرگدازهاي پرآلومينا (high Alumina Refractories)

واژه ي آجرهاي پرآلومينا به آجرهاي ديرگدازي گفته مي شود که درآن ها درصد آلومينا47.5%يا بيشتر باشد.گسترده ي درصد آلومينا دراين آجرهاي بين 54-100 درصد است.خاصيت ديرگدازي اين ديرگدازهاي پرآلومينا با افزايش درصد آلومينا افزايش مي يابد.درصد آلومينا ي موجود در ديرگدازهاي پر آلومينا معمولا 5 .2% + -از مقدار اسمي خود انحراف دارند مثلا ديرگدازي که به صورت تجاري داراي 70% آلوميناست معمولا مقدار آلومينا 5 .2%از مقدار گزارش شده کم يا زيادتر است .ديرگدازهاي پرآلومينا معمولا براساس درصد آلومينا يشان طبقه بندي مي شوند اين طبقه بندي که براساس استاندارد ASTM است به صورت زير مي باشد.

a. آجر مولايتي ( Mullite Brick)

اين آجر معمولا داراي درصد بسيار بالايي فاز مولايت هستند.

b. آجرهاي با بايندر شيميايي (chemically - bonded Bricks)

اين نوع آجرها معمولا داراي بايندر فسفاتي است و معمولا داراي 75 - 85 در صد آلومينا ست

c. آجر آلومينا -کروميتي (alumina - chrom brick)

اين آجر به طور نمونه وار از مواد داراي درصد بالاي آلومينا و اکسيد کروم (با خلوص بالا) تشکيل شده اند. در دماهاي بالا، آلومينا واکسيد کروم يک محلول جامد تشکيل مي دهند که اين محلول جامد ديرگدازي خوب است.

d. آجر کربن –آلومينايي (Alumina - Carbon Brick)

آجرهاي پرآلومينا معمولا داراي بايندر رزيني است اين رزين ها داراي ترکيبات کربن دار مانند گرافيت هستند.
کاربردهاي ديرگدازهاي پرآلومينا شامل مواد زيرمي شوند.
بخش هاي خاصي از کوره ي بلند، کوره هاي سراميکي (Ceramic kilns) ، محفظه هاي نگهداري شيشه مذاب (glass tonks) و بوته هاي ذوب بسياري از فلزات

آجر سيليسي (Silica brick)

آجر سيليسي (يا ديناز (Dinas)) جرم هاي ديرگدازي هستند که حداقل داراي 93% سيليس (Sio2) هستند. مواد اوليّه براي ساخت اين ديرگدازها سنگ هاي با کيفيت بالاست.گريدهاي متنوعي از آجرهاي سيليسي،استفاده ي وسيعي درصنعت ساخت کوره هاي ذوب آهن وفولاد دارند. علاوه برنقطه ي گداز (fusion point) بالا، اين آجرها داراي خصوصيات مهم ديگري مانند مقاومت بالا دربرابر شک حرارتي (خردشدن) و خاصيت ديرگدازي بالا هستند. اين مسئله باعث شده است تا از اين آجرها در صنعت شيشه و فولاد استفاده شود.
خاصيّت برجسته ي آجرهاي سيليسي اين است که اين آجرها (در زير بارگدازي) تا هنگامي که به نقطه ي گداز خود نرسند، نرم نمي شوند. اين رفتار آجر سيليسي دربسياري از انواع ديگر ديرگدازها ديده نمي شود. براي مثال ، مواد آلومينو سيليکاتي (alumino Silicate M aterials) که در دماهاي بسيار پايين نسبت به نقطه ي گدازشان شروع به روان شدن مي کنند وخزش آنها در دماهاي پاييني اتفاق مي افتد.
ديرگدازهاي سيليسي با شرايط دما بالا سازگاري دارند زيرا اين ديرگدازها ، ديرگدازي بالا، استحکام مکانيکي بالا وسختي بالا دردماهاي نزديک به نقطه ذوب شدن ،دارند.علاوه براين خصوصيات اين ديرگدازها دربرار گرد وغبار و دودهاي اسيدي و سرباره هاي اسيدي نيز مقاومت مي کنند.آجرسيليسي براساس فاکتور سياليت آجر(flux factor bricks)به دو نوع A و B طبقه بندي مي شوند.پيشرفت هاي انجام شده منجر به توليد آجرهاي سيليسي مقاوم دربرابر سرباره وفلاکس، با ثبات ابعادي خوب ومقاوم دربرابر خرد شدن شده است.

کربنات منيزيم (Magnesite)

ديرگدازهاي کربنات منيزيمي از لحاظ شيميايي موادي هستند که داراي حداقل 85%اکسيد منيزيم هستند.واين ديرگدازها از کربنات منيزيم ايجاد شده در طبيعت، ساخته شده اند .خواص دير گدازهاي کربنات منيزيمي به غلظت پيوند سيليکات در دماي کاربرد، بستگي دارد. کربنات منيزيم مناسب معمولا هنگامي حاصل مي شود که نسبت کلسيم اکسيد (Cao) به سيليس (Sio2) کمتر از 2 باشد . همچنين بايد درصد فريت آن درحد مينيمم باشد. اين ديرگداز مخصوصا درشرايط محيطي اکسايش ، کاهش بسيار خوب عمل مي کنند . مقاومت به سه باره ي اين ديرگدازها مخصوصا براي سرباره هايي که در صد آهن وآهک کمي دارند، بسيار بالاست. اين ديرگدازها مهم ترين گروه از ديرگدازها براي فراينده هاي توليد فولاد است.
کربنات منيزيم خام (Mgco3) عموماً به صورت کلسينه شده يا شکل هاي پخته شده (for ms dead burned) مصرف مي شود.کربنات منيزيم کلسينه شده ي سوز آور (Magnesite coustic Calcined) به عنوان دارو، کود شيميايي وماده ي خام براي صنايع شيميايي مورد مصرف قرار مي گيرد.شکل هاي پخته ي اين ماده حالت خام است که به طور گسترده درصنعت هنوز مورد استفاده قرار مي گيرد . اخيراً دانه هاي کربنات منيزيم گداخته براي بهبود مقاومت به خوردگي مورد مصرف قرار گرفته است.اين دانه ها از منيز پاي زنيتر شده با اندازه ي کريستال هاي بزرگ وخلوص بالا تشکيل شده است.

جدول مقايسه اي يک : نشان دهنده ي تفاوت کربنات منيزيم مختلف است .

اکسيد منيزيم چگونه توليد مي شود؟

اکسيد منيزيم با خلوص بالا بوسيله ي فرآيند هاي کنترل شده بدست مي آيد .منبع ماده ي اوليّه در توليد اکسيد منيزيم آب شور (غالباً از چاه هاي عميق) و آب درياهاست. و هيدرو کسيد منيزيم ( 2(OH) Mg) موجود در اين منابع بوسيله ي واکنش دادن آن با دولوميت کلسينه شده ويا آهک رسوب مي کند. دوغاب هيدورکسيد منيزيم حاصل فيلتر مي شود تا درصد اجزاي جامد موجود در داخل آن افزايش يابد.
ماده ي بيرون آمده از دستگاه فيلتر، کيک فيلتر (Filter Coke) ناميده مي شود. اين کيک را مي توان به صورت مستقيم به داخل کوره ي دوار شارژ کرد تا منيزياي گويد ديرگداز توليد شود امّا عمدتاً اين کيک در دماي 900-1000 درجه سانتيگراد در داخل کوره ي دهانه چند گانه (multiple- hearth furnace) کلسينه مي شود .در طي فرآيند کلسيناسيون کيک فيلتر هيدورکسيد منيزيم به اکسيد منيزيم اکتيو تبديل مي شود. اکسيد مينزياي کلسينه شده سپس دريک کوره ي شافت (Shaft kiln) حرارت داده مي شود تا دانسيته ي اکسيد منيزيم بالا رود. دماي زينتر ينگ در اين مرحله تا 2000 درجه سانتيگراد نيز مي رسد . محصول نهايي اين فرآيند اکسيد منيزيم زينتر شده ( Sintered Magnesite) است.
منيزياي فيوزد (اکسيد منيزيم گداخته) بوسيله ي ذوب منيزياي ديرگداز يا ديگر انواع منيزيا در يک کوره ي قوس الکتريکي توليد مي شود .پس از توليد مذاب منيزيا در داخل اين کوره، مذاب از داخل کوره خارج شده وسرد مي شود .کوره ي سرد شده ي حاصل به اندازه ي مورد نظر خرد مي شود وبراي مصارف ديرگداز مصرف مي شود.
ناخالصي هاي بوجود آمده در منيزيا بوسيله ي کنترل ترکيب منبع اصلي منيزيا (آب شور ويا آب دريا) ترکيب دولوميت کلسينه شده يا آهک وفرآيند توليد، کنترل مي شود.مخصوصاً مقدار ونسبت اکسيد کلسيم (cao) و سيليس (Sio2) به طور مداوم کنترل مي شود. با کنترل ناخالصي ها وکنترل فرايند توليد، منيزيايي توليد مي شود که براي توليد محصولات دير گداز مناسب است.
خصوصيات عمومي در مورد ترکيب ديرگداز هاي منيزيايي نپخته (dead Burned Magnesite) و منيزياي فيوزد در جدول دو آمده است. اين اعداد بوسيله ي توليد کنندگان اين ديرگداز ها ارائه شده است.

ديرگدازهاي پايه منيزيايي مهمترين گروه از ديرگداز هاي مورد مصرف براي توليد فولاد است.ديرگدازهاي منيزيايي ممکن است بوسيله ي بايندرهاي قيري، رزيني و ...به صورت آجر درآيند. به علاوه سه نوع آجر کربن -منيزيايي درسطح بازار وجود دارند. اين سه نوع عبارتند از:
1)اولين نوع از اين آجر ها از منيزياي زينتر شده ي منظم (regular Sintered Magnesia) با خلوص 97% Mgo تشکيل شده اند.گرافيت مورد استفاده در اين آجر ها داراي کيفيتي متوسط (95%C) است.
2)نوع دوّم اين آجرها از منيزياي زينتر شده ي با خلوص بالا (Mgo 99%) تشکيل شده است.همچنين گرافيت مورد استفاده در اين نوع نيز خلوص بالايي (c%99)دارند.
3)نوع سوّم اين آجرها از منيزياي زينتر شده وگرافيت با خلوص بالا تشکيل شده اند.وعلاوه براين مواد افزودني هاي آنتي اکسيدان نيز وجود دارند.
آجرهاي منيزيا -گرافيتي در ابتدا براي ساخت کوره هاي الکتريکي سرد شونده بوسيله ي آب استفاده مي شدند امّا بعدها مصرف آنها گسترش يافت واز اين آجرها براي عايق کاري پاروهاي سرباره ( laddle slag lines)، گاز زداها ( degassers) و ... استفاده مي شود.

دولوميت (Dolomite)

کربنات طبيعي دوگانه از منيزيم وکلسيم (CaCo3 0 MgCo3)که به آن دولوميت گفته مي شود را مي توان بوسيله ي پخت در دماي بالا به ديرگداز دو لوميتي (refractory dolomite)تبديل کرد .تعداد محدودي از دولوميت ها در جهان وجود دارند که داراي يکنواختي مناسب،خلوص ورفتار کلسيناسيون در دماي بالا مناسب هستند ومي توان از آنها ديرگدازهاي دولوميتي باقيمت مناسب تهيه کرد.دولوميت با خلوص بالا داراي بيش از 97 درصد Mgo و CaO هستند. ديرگدازهاي دولوميتي سازگار ترين مواد براي استفاده جهت پوشش دهي کوره هاي دوارسيمان هستند واين مواد بدليل خواصّشان باعث بوجود آمدن کوتينگ پايدار در کوره هاي دوار سيمان مي شوند. همچنين مقاومت به شک حرارتي بسيار خوبي داشته ودر شرايط مختلف کار کوره در مقابل عوامل قليايي مقاومت مي کنند.اين ديرگدازها از زير کونياي فرآوري شده استفاده مي شوند وتا از رشد ترک در آنها جلوگيري شود.
ديرگدازهاي کروميتي (Chromite Refrac tories)
در اينجا بايد بايد تفاوتي ميان ديرگدازهاي منيزيا-کروميتي ( magnesite Refravtories chrome) ودير گدازهاي کروميتي -منيزيايي (magnesite - chrome Refractories) قائل شويم. مواد منيزيا - کروميتي معمولا داراي 15- 35 درصد اکسيدکروم (Cr2O3 ) و 50-42 درصد اکسيد منيزيم (Mgo) هستند.در حالي که ديرگدازهاي کروميتي -منيزيايي حداقل 60درصد اکسيد منيزيم (Mgo) و 8-18 درصد اکسيد کروم (cr2 o3) دارند. ديرگدازهاي منيزيا -کروميتي داراي گستره ي وسيعي از ويژگي هاي ثابت است. اين ديرگدازها براي ساخت مجاري عبوري درکوره هاي دما بالا استفاده مي شود. اين مواد را مي توانند در برابر گازها وسرباره هاي خورنده مقاومت کنند. محصولات ديرگداز توليدي از مواد کروميتي -منيزيايي نيز براي استفاده در مکان هاي با دماي بسيار بالا و در تماس با سرباره هاي خورنده ي بازي بوجود آمده در فرآيند ذوب فولاد، مناسب هستند. ديرگدازهاي کروميتي -منيزيايي معمولا مقاومت در برابر خردشدنشان از ديرگدازهاي منيزيا - کروميتي بهتر است.
ديرگدازه هاي زيرکونيا (Zirconia Refractories)
اکسيد زيرکونيم (Zro2) يک ماده ي پلي مورف (Polymorphic material). است از اين رو استفاده از اين ماده به عنوان ديرگداز داراي مشکلاتي است. و اين مسئله ضروري است که قبل از بکار بردن آن به عنوان ديرگداز، آن را پايدار کرد. پايدار نمودن اکسيد زيرکونيوم با افزودن مقادير کم از کلسيم، منيزيم و سزيم اکسيد و... انجام مي شود. خواص زير کونياي پايدار شده به طور عمده به درجه ي تثبيت و کيفيت ماده ي تثبيت کننده و کيفيت مواد اوليّه (اکسيد زيرکونيا) بستگي دارد. ديرگدازهاي زيرکونيا دارا استحکام بسيار بالايي در دماي اتاق هستند . و اين استحکام را تا بالاتر از 1500C حفظ مي کنند بنابراين اين ديرگدازها براي استفاده شدن در کوره ها و پاتيل ها مناسب هستند.رسانايي گرمايي اکسيد زيرکونيا نسبت به اغلب ديرگدازها بسيار کمتر است. از اين رو اين ماده به عنوان ديرگداز عايق براي دماهاي بالا مورد استفاده قرار مي گيرد. بدليل اينکه اتلاف گرمايي اکسيد زير کونيا بسيار پايين است و همچنين اين ماده به آساني با فلزات مذاب واکنش نمي دهد. بنابراين اين ديرگداز به طور خاص مي تواند در بوته هاي ذوب فلزات استفاده شوند. زير کونيا ماده ي ديرگداز مناسب براي کوره هاي ذوب شيشه است. زيرا اين ماده به آسماني با شيشه مذاب تر نمي شود و از اين رو به آساني با شيشه واکنش نمي دهد.

ديرگدازهاي اکسيدي

غالباًٌ مواد ديرگداز آلومينايي که داراي اکسيد آلومينيم و مقادير ناچيز از ناخالصي هستند، به عنوان آلوميناي خالص شناخته مي شوند.
آلومينا يکي از پايدارترين اکسيد هاي شناخته شده است.اين ماده استحکام مکانيکي بسيار خوبي دارد. اين اکسيد در آب، بخار آب، بسياري از اسيدهاي غير آلي ومواد قليايي حل نمي شود. اين خواص باعث شده است تا آلومينا ماده ي مناسب براي ساخت بوته هاي ذوب سديم کربنات، سديم هيدروکسيد وسديم پراکسيدباشد.
اين ماده مقاومت بسيار خوبي در برابر اتمسفرهاي اکسيدي واحياي دارد. آلومينا به طور فراوان فرآيندهاي حرارت دهي صنعتي استفاده مي شود. آلوميناي بسيار متخلخل نيز براي عايق بندي کوره هاي استفاده مي شوند که در دماهاي بالا تر از 1850C کار مي کنند.

ديرگدازهاي مونو ليتيک (Monolitic Refractories)

ديرگدازهاي مونوليتيک مخلوط هايي از گرانول هاي خشک يا مواد پلاستيک هستند که براي عايق کاري به بخش هاي مورد نظر متصل مي شوند. ديرگدازهاي مونوليتيک شامل ديرگدازهاي پلاستيک (plastic nefractories) ، مخلوط هاي کوبيدني (ramning Mixes) ، مخلوط هاي پاشيدني (gunning Mixes) ، وريختي ها ( Castable) مي شوند.
درگدازهاي مونوليتيک با سرعت بالايي درحال جايگزيني با ديرگدازهاي نپختني هستند.اين جايگزيني بيشتر در پاتيل هاي صنعتي اتفاق مي افتد.ويژگي هاي مهم اين ديرگدازها عبارتند از:
1)کم شدن محل اتصال دوقطعه ديرگداز.در واقع اين شکاف ها ، نقاط ضعيف ذاتي در محصولات ديرگداز هستند.
2)نصب واجراي اين ديرگدازها سريعتر است و نياز به مهارت کمتري دارد.
3)خواص اين ديرگدازها از آجرهاي پرسي بهتر است.
4)حمل ونقل اين نوع دير گدازها آسان تر است.
5)زمان تعميرات براي دستگاه هايي که بوسيله ي اين نوع ديرگدازها آستر کاري مي شوند،کوتاهتر است.
6)اين نوع ديرگدازها محدوديت شکلي ديرگدازهاي ديگر را ندارند.
7)اين ديرگدازهاي مقاومت بهتري در برابر تخريب شدن دارند.
8)اين ديرگدازها ثبات ابعادي بهتري دارند.
9)روش هاي نصب واجراي اين ديرگدازها قابل بهبود هستند.
10)اين ديرگدازها را حتي زماني که کوره ي خاموش گرم است نيز مي توان تعمير نمود.
11)کاربردهاي اين نوع ديرگدازها متعدد است.

مواد عايق کننده (Insulating materials)

مواد عايق کننده اتلاف گرمايي زيادي را که از ميان ديوارها اتفاق مي افتد،کاهش مي دهد.عايق کاري هنگامي مؤثر است که يک لايه از مواد داراي رسانش گرمايي پايين بين محل گرم وسرد،ايجاد گردد. وجود اين لايه باعث مي شود تا دماي سطح سرد کاهش يابد.
رسانايي گرمايي پايين مواد عايق بخاطر وجود تخلخل دراين مواد ايجاد مي شود.اين درحالي است که ظرفيت گرمايي اين مواد به دانسيته ي بالک وگرماي ويژه (Specific heat) بستگي دارد. ساختار اين گونه مواد عايق بدين صورت است که در آنها تخلخل هاي بسيار ريز وجود دارد. و در داخل اين تخلخل ها پر از هواست. در واقع خود هوا نيز داراي رسانايي گرمايي بسيار اندک است. گرماي زياد بر روي مواد عايق اثرات مضر دارد. امّا دمايي که در آن دما مواد عايق مختلف اين اثرات نامطلوب را نشان مي دهند، متفاوت است. از اين رو انتخاب يک عايق مناسب بايد با توجه به دماي کاربري و خصوصيات رسانشي آن انجام شود.

يکي از پرمصرف ترين مواد عايق دياتوميت (diatomite) است . اين عايق با نام kieselguhr نيز معروف است .ساختار دياتوميت بدين صورت است که در آن توده اي اسکلت مانند از گياهان آبزي بسيار ريز وجود دارد.اين گياهان هزاران سال پيش در کف درياها ودرياچه ها دفن شده اند.از لحاظ شيميايي اين ماده از سيليس مخلوط شده با رس ومواد آلي تشکيل شده است.امروزه گستره ي وسيعي از ديرگدازهاي عايق وجود دارند که اين ديرگدازهاي عايق داراي خواص متنوعي هستند. خواص فيزيکي مهم برخي از ديرگدازهاي عايق در جدول سه آورده شده است.
چيدمان عايق ها (attaching Insulation)
روش چيدمان آجرهاي عايق در شکل يک آورده شده است. درشکل يک ، يک آجر 115 ميلي متري در بخش بيروني جداره ي داخلي قرار دارد. همچنين فضاي خالي به اندازه ي 76 ميلي متر بين ديواره هاي قديمي وجديد رها مي شود که ممکن است اين فضا با آجرهاي عايق پر شود .براي اينکه صلبيت جداره حفظ گردد اين مسئله ضروري است که ديواره بوسيله ي يک تير T شکل 600 ميلي متري مهارگردد.

الياف سراميکي (Ceramic Fibers)

الياف سراميکي نيز يکي از گروه هاي مواد عايق هستند.الياف سراميکي بوسيله ي وزش يک گاز با سرعت بالا به باريکه اي از مذاب ماده اي آلومينو سيليکاتي توليد مي گردد .مذاب داراي ترکيب شيميايي مشخص است و بنابراين سرعت وزش باد وترکيبش معين مي گردد.پس از سرد شدن سريع مذاب، موادي کرک مانند حاصل مي گردد.اين مواد که شبيه به الياف پنبه هستند را مي توان با استفاده از فرآيندهاي ريسندگي به پارچه،پتو، بلوک و... تبديل کرد.
اين محصولات داراي خصوصيات زير هستند.
1) رسانايي گرمايي پاييني دارند.
2) حجم حرارتي (heat Storage)بسيار پاييني دارند.
3) بسيار سبک هستند.
4) در مقابل شک هاي حرارتي ايمن هستند.
5) از لحاظ شيميايي پايدار هستند.
6) مقاومت به ترشدن در برابر فلزات غير آهني مانند آلومينيوم - روي وآلياژهايشان را دارند.

انتخاب ديرگدازها (Selection of refractories)

فاکتورهاي اساسي که بر روي عملکرد ديرگدازها اثر مي گذارد عبارتند از:
دما، ترکيب شيميايي، ترکيب شيميايي گاز يا سرباره، سرعت حرکت سرباره (حالت آرام يا توربلانت)، تنش هاي ترمومکانيکي. علاوه براين، انتخاب نوع ديرگداز به نوع کوره و يا واحد حرارتي و شرايط غالب در حين کاربرد بستگي دارد. شرايط غالب در حين کاربرد عبارت است از:
اتمسفر گازي ، حضور سرباره ، نوع فلز شارژ شده به کوره و ... .
دماي کاربرد ممکن است مهمترين عامل باشد اما قطعً تنها عامل قطعي براي انتخاب ديرگدازها نيست. انتخاب صحيح ديرگدازها براي کاربردي خاص باعث مي گردد تا عملکرد آن فرآيند به خاطر خواص آن ديرگداز تحت تأثير قرار گيرد. و بهبود يابد. هر طراح کوره بايد اطلاعات کافي در مورد وضعيتي که ديرگدازهاي يک کوره با آنها روبرو مي شوند، داشته باشد. سازندگان و استفاده کنندگان از ديرگدازها بايد قبل از انتخاب ديرگداز به نکات زير توجه کنند.
1) ناحيه ي مورد استفاده
2) دماي کارکرد
3) ميزان سايش و ضربات اعمالي
4) نيروهاي ساختاري وارد بر کوره
5) استرسهاي اعمالي به خاطر گراديان دما در ساختار و نوسان دمايي
6) سازگاري شيميايي با محيط کوره
7) انتقال حرارت و صرفه جويي در مصرف انرژي
8) صرفه جويي اقتصادي
از ميان فاکتورهاي بالا بايد ارزيابي هدفمند صورت گيرد. تخمين مناسب از ويژگي هاي مورد نياز بايد به عنوان خطوط راهنما براي انتخاب مواد ديرگداز در نظر گرفته شود.
مسئله ي حفاظت از انرژي مسئله ي بسيار مهمي است که مورد توجه توليد کنندگان و مصرف کنندگان کوره ها است. مصرف سوخت را مي توان به دو روش کاهش داد. يکي با عايق کاري و دومي با افزايش سرعت فرآيند توليد. هر دو روش گفته شده باعث کاهش مصرف انرژي براي هر تن محصول توليدي مي شوند.
- واقعيات در مورد ديرگدازهاي انتخابي
1) واکنش ها و سايش به صورت اکسپنانسيلي با افزايش دما، افزايش مي يابد.
2) سيکل هاي گرمايي باعث پديد آمدن ترک، کاهش استحکام و خردشدن مواد مي شود.
3) فعل و انفعالات در ديرگدازها عادي است.
4) محکم تر همواره بهتر نيست.
) عمر مفيد آستر ديرگداز بوسيله ي ضعيف ترين بخش آن تعيين مي شود.
6) عمر مفيد کوتاه تر مي تواند ارزش افزوده ي بيشتري داشته باشد.
7) ساخت ديرگدازها بايد با استفاده از مواد خالص تر و بسيار ظريف توليد شود.
8) طراحي ريزساختار-کنترل شکل دانه ها
اجزاي تشکيل دهنده ي آستر هاي دير گداز
جداره هاي پوشش داده شده با ديرگداز از يک غشاء فولادي در بيرون و چندين غشاء ديرگداز در داخل تشکيل شده است.
آسترهاي ديرگداز ممکن است از مواد مونوليتيک ريختني يا آجرچيني (با ملات يا بدون ملات) تشکيل شده باشد.
در اکثر موارد، آستري ها از چندين لايه ديرگداز با خواص متفاوت تشکيل شده اند:
- لايه ي داخلي آستر ديرگداز که با فرآيند (مذاب فلز، سرباره و گازهاي خورنده) در تماس است.
- لايه هاي بين پوسته و لايه ي داخلي که در اغلب موارد براي ايجاد ايمني و عايق کاري استفاده مي شوند. لايه هاي عايق براي جلوگيري از هدررفتن انرژي و نگه داشتن دماي پوسته در سطح مناسب، استفاده مي شود.
ديرگدازها در هنگام حرارت ديدن داراي انبساط معناداري هستند. در شرايط کاري، تحت شرايط محدود کننده ي مکانيکي و گرمايي، آسترهاي ديرگداز بواسطه ي گراديان دمايي و نيروهاي گرمايي تغيير ضخامت پيدا مي کنند.
انبساط گرمايي آزاد آستر نسوز بوسيله ي ساختار فولادي بيروني (پوسته) کنترل مي شود. در اکثر موارد،تنش هاي گرمايي بوجود آمده به دليل وجود موانع حرارتي بسيار بيشتر از تنش هاي بوجود آمده بوسيله ي وزن کوره است. (تنش هاي حاصل از وزن به عنوان مثال در گستره ي 0.2 تا 1 مگاپاسکال است در حالي که تنش هاي حاصل از انبساط گرمايي مي تواند در گستره ي 15-100 مگاپاسکال باشد.) از ميان تمام شکل هاي مورد استفاده در ساخت ديواره هاي صنعتي، به نظر مي رسد که ساختارهاي ديرگداز مسطح و استوانه اي بهترين هندسه را داشته باشند. ديواره هاي عايق کاري شده با نسوزها عموماً به دو صورت ساخته مي شوند: يکي به صورت استوانه اي و يکي مسطح.
- آسترهاي استوانه اي که به خاطر انبساط حرارتي و فشار هيدرواستاتيک (حاصل از مذاب فلزي) در تماس کامل با پوسته ي فولادي است. بنابراين هر دو نيروي وارده بر بدنه ي ديرگداز به صورت يکنواخت بر بدنه ي استوانه اي وارد مي شود.
-رفتار آسترهاي ديرگداز مسطح به طور قابل ملاحظه اي از آسترهاي استوانه اي متفاوت است. آسترهاي مسطح ديرگداز در معرض جابجايي به سمت بيرون و داخل است. اين جابجايي ها ممکن است موجب پيچش آستر ديرگداز شوند. اين پيچش ها که در هنگام ايجاد فشارهاي سيکلي و نيروهاي انبساطي ايجاد مي شوند ممکن است به آستر آسيب برساند.
براي جلوگيري از ايجاد شکست هاي قابل توجه و آسيب ديدن آستر ديرگداز بوسيله ي نيروهاي حرارتي در مرحله ي ساخت اين آسترها بايد به مسائل زير توجه کرد:
1) انتخاب مواد ديرگداز سازگار براي ساخت آسترهاي ديرگداز
2) آناليز ترمومکانيکي منطقي و طراحي درست جهت توزيع مناسب تنش-کرنش
3) محاسبه ي شرايط عملياتي بهينه (مخصوصا دياگرام حرارت دهي)

ديرگدازها در کوره ها و پاتيل ها

کوره ها و پاتيل ها به طور خاص به عمليات حرارتي و کاربردهاي ذوب کردن مربوط مي شوند. که معمولاً اين فرآيندها در دماهاي بسيار بالا انجام مي شود. آجرهاي ديرگداز براي آسترکاري داخلي کوره ها مورد استفاده قرار مي گيرد. هنگامي که يک کوره از دماي پايين حرارت مي بيند و گرم مي شود، در مرحله ي اوليه اين حرارت صرف مي شود تا دماي آستر به دماي بالا برسد. انرژي حرارتي مورد نياز براي افزايش دماي کوره به زمان سيکل کاري کوره بستگي دارد. مصرف انرژي در مورد کوره هاي با سيکل هفتگي زياد است زيرا اين کوره ها معمولاً در آخر هفته مورد استفاده قرار نمي گيرند. در مورد کوره هاي با سيکل روزانه نيز مصرف انرژي بالاست. در واقع اين کوره ها در طي شب خاموش هستند. در نهايت در کوره هايي که در هر بار استفاده (در هنگام شارژ بدنه) روشن و در پايان عمليات خاموش مي شوند، مصرف انرژي بوسيله ي آستر آجرکاري شده مناسب است.
حرارت ذخيره شده در داخل کوره به وزن، ظرفيت حرارتي و دماي اجزاي کوره بستگي دارد.
بدون توجه به دو نوع کوره ي مورد استفاده اتلاف گرمايي نتيجه اي از:
1) اتلاف گرما از ديواره هاي کوره بوسيله ي فرآيند رسانش، تابش و همرفت
2) اتلاف گرمايي که حاصل از ذخيره شدن گرما در بخش هاي غيرضروري است.
به هرحال تفاوت هايي در مقادير اين اتلاف وجود دارد. در کوره هايي که به صورت مداوم در دماي کارشان، کار مي کنند، مقدار اتلاف انرژي از ديواره ها بسيار بيشتر از مقدار اتلاف گرمايي است که در بدنه ي کوره ذخيره مي شود. در کوره هايي که به طور متناوب روشن و خاموش مي شوند، ممکن است مقدار اتلاف حاصل از ذخيره ي گرما در بدنه ي کوره بيشتر باشد (در واقع در هر بار گرم شدن و سرد شدن کوره اين اتلاف اتفاق مي افتد).
برخي اوقات عايق هاي خارجي براي کاهش اتلاف گرمايي استفاده مي شود. در کوره هاي مداوم و يا آنهايي که داراي سيکل گرمايي طولاني مدت هستند، عايق کاري از اتلاف گرما از ديواره ها و سقف جلوگيري مي کند. در کوره هاي با سيکل گرمايي کوتاه مدت (کوره هاي متناوب)، عايق کاري سبب کاهش اتلاف گرمايي مي شود ولي با اين حال اين مسئله هنوز هم مورد توجه قرار نگرفته است.
مزيت هاي برجسته ي استفاده از عايق کاري در کوره ها را مي توان بوسيله ي مثال زير بيان کرد:
يک کوره ي آجرکاري شده ي ديرگداز با ضخامت عايق کاري 4 اينچ و دماي جداره ي داخلي 2000F، داراي اتلاف گرمايي برابر BTU 145 (واحد بريتانيايي گرما) بر فوت مربع است. هنگامي که ضخامت به 8 اينچ برسد، اتلاف گرما کاهش مي يابد و به BTU 32 بر فوت مربع مي رسد. و هنگامي که ضخامت به 9 اينچ برسد، اين اتلاف دوباره کاهش يافته و به BTU 18 بر فوت مربع مي رسد.
اتلاف گرمايي را همچنين مي توان با افزايش صخامت آجر ديرگداز به مقدار قابل قبولي کاهش دهيم اما اين روش، روش مؤثري نيست، زيرا باعث افزايش هزينه ي ساخت کوره مي شود. البته اين روش از روش عايق کاري بهتر است.

اثرعايق کاري بر روي دماي ديرگدازها

هنگامي که ديواره ي خارجي يک کوره عايق کاري شود، اتلاف گرمايي بايستي کاهش يابد و يا گرماي توليدي در داخل کوره بهتر نگهداري مي شود. اين بدين معناست که در عمل، دماي ميانگين ديواره هاي ديرگداز حتي هنگامي که مصرف سوخت کاسته مي شود، همچنان افزايش يافته و اين مسئله مي تواند باعث گردد که ديرگداز و يا عايق گداخته شود بنابراين:
1) ديرگداز ممکن است ذوب شود و کوره متلاشي شود.
2) عايق ممکن است آسيب ببيند و غيرفعال شود.
اتلاف گرمايي از ديواره هاي کوره
اتلاف گرمايي از جداره هاي پاتيل و کوره مي تواند به طور اساسي بر مقدار مصرف سوخت و هزينه ي صرف شده براي توليد محصولات اثر بگذارد. مقدار اتلاف گرمايي از ديواره ها به موارد زير وابسته است:
1) قابليت نشر (emissivity) ديواره
2) رسانش ديرگداز
3) صخامت ديواره
4) مداوم بودن يا متناوب بودن کوره
مواد مختلف قابليت نشر متفاوتي دارند مثلاً قابليت نشر ديواره هاي پوشش داده شده با دوغاب آلومينيومي کمتر از آجرهاست.

شکل يک نشان دهنده ي ضريب اتلاف گرمايي براي شرايط زير است :

1) سطح معمولي
2) سطح پوشش داده شده با دوغاب آلومينيومي
نمودار رسانش گرمايي مواد ديرگداز متنوعي مانند آجر سيليس، آجر ساخته شده از رس نسوز و آجر عايق (Insulation) نسبت به دما در شکل دو آورده شده است.

بنابراين در دماي 600 درجه سانتيگراد که دمايي متوسط محسوب مي شود، رسانش آجر عايق تنها 20% آجر ساخته شده با رس نسوز است.
اتلاف گرمايي را مي توان با افزايش ضخامت جداره و يا استفاده از آجرهاي عايق کاهش دهيم. دماي جداره ي بيروني و اتلاف گرمايي براي يک ديواره ي مرکب از آجر عايق و آجر ساخته شده بارس نسوز بسيار پايين تر است زيرا رسانايي آجر عايق در مقايسه با آجرهاي ديرگداز کمتر است.
اگر ضخامت ديواره ي کوره کم باشد و همچنين در ساخت آن از آجر عايق استفاده نشده باشد، اتلاف گرمايي در اين ديواره افزايش مي يابد. اين مسأله بوسيله ي شکل سه نشان داده شده است.

بنابراين اتلاف گرمايي براي ديواره ي کوره اي با ضخامت 115 ميلي متر در دماي 650 درجه سانتيگراد، 2650 کيلوکالري بر متر مربع بر ساعت [kcol/m2.hr] است که در صورتي که از عايق استفاده شود اين مقدار به 850 کيلوکالري بر مترمربع بر ساعت کاهش مي يابد.

اتلاف گرمايي از جداره ي کوره به عوامل زير بستگي دارد :

1) دماي داخل کوره
2) دماي هواي بيرون
3) سرعت جريان هواي بيرون
4) پيکربندي ديواره هاي کوره
5) قابليت نشر ديواره ها
6) ضخامت ديواره ها
7) رسانايي گرمايي ديواره ها
دو مورد آخر که در بالا اشاره شد به راحتي بوسيله ي توليدکنندگان کوره قابل کنترل است. از بحث انجام شده مي توان موارد زير را نتيجه گرفت :
1) هنگامي که ضخامت ديواره افزايش يابد،اتلاف گرما کاهش مي يابد.
2) هنگامي که ضخامت عايق افزايش يابد، اتلاف گرما کاهش مي يابد.
3) تأثير عايق کاري در کاهش اتلاف گرما از افزايش ضخامت ديرگداز بيشتر است (تقريباً يک سانتيمتر از يک آجر عايق تأثيري برابر با 5-8سانتيمتر آجر ساخته شده از رس را دارد.)
4) در کوره هاي غيرمداوم، جداره ي عايق کاري شده ي نازک نسبت به جداره هاي ضخيم تر ترجيح داده مي شود زيرا در جداره هاي نازک تر انرژي کمتري ذخيره مي گردد.
5) يکي از روش هايي که مي تواند استفاده گردد تا گرماي ذخيره شده را کاهش دهيم اين است که ديرگدازهاي بخش داخلي آستر نسوز را از نوع مواد عايق استفاده کنيم.

ديرگدازهاي مناسب با استحکام خوب و مقاوم در برابر خردشدن را مي توان در گستره ي دمايي 1300 درجه سانتيگرد استفاده کرد. اين ديرگدازها که از جمله مواد عايق محسوب مي شوند را عايق هاي هات فيس (hot face insulation) ناميده مي شوند.
6) آجرهاي ساخته شده از عايق هاي هات فيس از ديرگدازهاي معمولي سبک ترند. اين آجرها معمولاً وزني معادل يک سوم يا يک دوم آجرهاي ديرگداز معمولي دارند. بنابراين گرماي ذخيره شده در داخل اين آجرها بسيار کم است.

کاربرد مواد ديرگداز

مواد ديرگداز به عنوان محافظ براي پوسته ي کوره و پاتيل استفاده مي شوند.اين مواد بدنه ي کوره و پاتيل را در برابر دماهاي بسيار بالا محافظت مي کنند.در واقع ديرگدازها براي آسترکاري کوره هاي دما بالا، رآکتورها و ديگر واحدهاي توليد استفاده مي شوند.
ديرگدازها به دليل برخورد با مواد شيميايي و تحمّل فشارهاي مکانيکي، سايش پيدا مي کند و تخريب مي شوند.اين فشارهاي مکانيکي باعث پديد آمدن ترک هاي زيادي در ديرگداز مي شود که در نهايت ديرگداز تخريب مي شود.اين ترک ها معمولا به دلايل زير رخ مي دهد:
1)بوجود آمدن و رشد ترک
2)تخريب ماده
3)خزش
4)و...
وسايل مورد استفاده در متالوژي بايد توانايي مقاومت در برابر حملات سرباره، ايروژن حاصل از اجزاي مايع، شک حرارتي و ديگر نيروهاي تخريبي را داشته باشند.انتخاب ديرگداز براي آسترکاري اين وسايل همواره از ميان ترکيب هاي متنوعي از مواد با کيفيت بالا انجام مي شود.همچنين توجه به ابعاد اين آسترها نيز مهم است زيرا ابعاد بزرگ باعث کاهش کارايي وسيله مي شود.
به دليل افزايش رقابت هاي صنعتي، توسعه ي ديرگدازها با سرعت زياد در حال انجام است.اين سرعت در توسعه به خاطر فشارهاي وارده براي بهبود خواص ديرگدازها پديد آمده است.نتايج حاصل از تحقيقات در اين زمينه باعث مي شود فرآيندهاي متالوژي عالي عملي گردد.اين تحقيقات عمدتا بر روي دو مسئله تأکيد دارد؛ يکي افزايش طول عمر ديرگدازها و ديگري افزايش قابليت اطمينان به اين مواد.

فولاد و آهن

صنعت فولاد و ذوب آهن مصرف کننده ي عمده ي مواد ديرگداز است.تقريبا 70 درصد ديرگداز توليدي در اين صنعت مصرف مي شوند.
در بخش هاي مختلف پروسه ي توليد فولاد شرايط متفاوتي از لحاظ دما،وجود يا عدم وجود سرباره و گازهاي سولفوردار وجود دارد. به دليل اينکه هر بخشي از اين صنايع داراي شرايط کاري خاصي است بنابراين ديرگدازهايي با گريدهاي مختلف براي اين بخش ها تهيه شده است.
انتخاب ديرگدازها براي آسترکاري يک کوره همواره براساس ترکيبي معين از ماده ي ديرگداز انجام مي شود.در واقع علاوه بر ترکيب ديرگداز، اندازه ي آجرهاي توليدي از اين ديرگدازها نيز به گونه اي است که ماکزيمم کاربري از آنها گرفته شود.
سايش گزينشي در مواضع خاص رخ مي دهد.اين سايش در آسترهاي در تماس با سرباره اتفاق مي افتد که براي جلوگيري از اين نوع خوردگي انتخاب مواد با دقت فراواني انجام مي شود.همچنين علاوه بر انتخاب صحيح نوع ديرگداز نحوه ي اعمال آن نيز مهم مي باشد.
صنعت فولاد ديرگدازها را براي کاربردهاي متنوعي استفاده مي کند.که اين کاربردها عبارتند از:
1)کوره بلند (blast furnace)
2)کوره ي ذغالي (Coke owen)
3)پاروهاي تورپدو (Tor pedo ladles)
4)کوره ي اکسيژن دهي فولاد (Basic oxygen Furnace)
5)کوره ي قوس الکتريکي (electric arc Furnace)
6)کوره ي دوقلوي فولاد سازي (Twin Hearth Furnace)
7)کوره ي بهينه سازي انرژي (onergy Optimizing Furnace)
8)پاروهاي تصفيه ي ثانويه (Secon dory Rifining Ladles)
9)جدارهاي ساخته شده از فولاد زنگ نزن (Stanless Steel Vessles)
10)دريچه هاي تنظيمي ساخته شده از ديرگدازها (Slide gate Refractories)
11)ديرگدازهاي بکارفته در تانديش ها (Tandish Refractories)
12)کوره ي القايي (Induction Rurnace)
گستره ي وسيعي از ديرگدازها مورد استفاده در کوره ي اکسيژن دهي فولاد از جنس منيزيا- گرافيتي هستند.ديرگدازهاي منيزيا- گرافيتي از منيزياي زنيتر شده يا فيوزد ساخته مي شوند.که در آن از بايندرهاي قيري يا زرين استفاده مي شود.
يک محصول ديرگداز با کيفيت بالا هنگامي که به همراه ساپورت فلزي مناسب استفاده شود مي تواند محصولاتي با کارايي بالا پديد آورد. به طور نمونه وار، عناصر عمده اي که به همراهي ديرگدازها در خطوط توليد فولاد کاربرد دارند را در زير بيان مي کنيم.

1) زير اجاقي (Sub bearth)

زيراجاقي کوره داراي عمري طولاني در مقايسه با ديگر اجزاي خط توليد فولاد است.اين قطعه تنها در مواقعي عوض مي شود که نشت آب از آن زياد باشد.و يا آستر آن بشدّت آسيب ديده باشد.آستر زيراجاقي معمولا از آجرهاي منيزيايي با کيفيت بالا ساخته مي شود.

2) بخش اصلي کوره (Working hearth)

بخش اصلي کوره را بايد به گونه اي آسترکاري کرد که بتواند در مقابل دماهاي بالا، سيکل هاي دمايي و برخورد قطعات بزرگ شارژ کوره، مقاومت کند.کوره هاي امروزي از انواع ديرگدازهاي مونوليتيک ساخته مي شوند.در اين نوع ديرگدازها، پودر مواد ديرگداز (معمولا ديرگدازها بر پايه ي MgD)به صورت يک مخلوط درآورده مي شود.و بر روي جداره ي ديوار اعمال مي شود.البته در برخي از کوره ها ترجيح داده مي شود که از آجرهاي عايق استفاده شود.اين نوع آجرها عمدتا از نوع منيزياي پخته شده و اشباع شده با قير است.

ديواره هاي کناري

در ناحيه ي ديوار کناري 3 نقطه ي مهم وجود دارد.اين سه نقطه عبارتند از:
1) خط سرباره
2) نقاط داغ
3) مکان قرارگيري و فرود آمدن مواد شارژ شده به کوره
خوردگي متعادل و متوازن آستر نسوز يکي از معيارهاي انتخاب نوع ديرگداز مصرفي براي يک نقطه ي معني است از اين رو براي حفظ اين عمل ما نيازمند اين هستيم که نوع ديرگداز و ضخامت آن را با توجه به مکان قرارگيري آن در کوره انتخاب کنيم.در اکثر کوره هاي از محصولات منيزيا-گرافيتي براي آسترکاري ديواره ها استفاده مي شود.همچنين عملکرد اين کوره ها تحت تأثير ميزان بازي بودن مواد اوليّه و درصد گرافيت است.عملکرد اين کوره ها به طور محسوس با افزايش اندازه ي کريستال هاي منيزيا افزايش مي يابد.و حد نهايي آن استفاده از منيزياي فيوزد است.افزايش درصد گرافيت نيز همين اثر را دارد.اگر چه فقط کربن در ساختار بسيار مهم مي باشد.

ديواره ي کناري اصلي

اين مکان ها در ميان نقاط داغ واقع شده است.دماي اين مکان هاي بسيار بالاست.
فاکتورهاي عمده ي تأثيرگذار بر روي کاربرد ديرگدازها عبارتند از: دما، نفوذ سرباره است.
در کوره هايي که با آب سرد و خنک سازي مي شوند، ديرگدازهاي منيزيا-گرافيتي با حداقل مقدار کربن 10 درصد مناسب است.

نقاط داغ

سايش اتفاق افتاده در نقاط داغ مانند سايشي است که در ديواره ي کناري اصلي اتفاق مي افتد.امّا به خاطر دماي بالاي بوجود آمده بوسيله ي شعله ي مستقيم،اين سايش تشديد مي شود.در اين مکان ها ديرگدازهاي منيزيا-گرافيتي با کيفيت بالا و درصد گرافيت 20 درصد ترجيح داده مي شوند.در اين ديرگدازها هم از کريستال هاي با سايز بزرگ و هم از منيزياي فيوزد استفاده مي شود.در مکان هاي قرارگيري مشعل هاي سوخت -اکسيژن (oxy-fuel Burners)،اکسيداسيون کربن اين نوع ديرگدازها رخ مي دهد (محيط هاي اکسايشي)و اين مسئله ممکن است با استفاده از پودر نرم فلزات کاهش يابد.

خط سرباره

طبيعت خورنده ي گداز آورهايي چون فلئوريت داراي اثر نامطلوبي در بخش خط سرباره دارد.در اين مکان ها، ديرگدازهاي با منيزياي با کيفيت استفاده مي شود که اين ديرگدازها معمولا داراي کريستال هاي درشت هستند يا از منيزياي فيوزد در آنها استفاده شده است. در مکان هايي که سرباره داراي مقادير بالايي اکسيد آهن باشد، منيزيا-گرافيتي را با استفاده از افزودن، افزودني هاي فلزي محافظت مي کنند.

دريچه هاي مشعل و خروجي سرباره

در اين مناطق از کوره سايش بوسيله ي اکسيداسيون و برخورد سرباره اتفاق مي افتد.در اين مناطق نيز ار ديرگدازهاي منيزيا-گرافيتي با افزودني هاي فلزي استفاده مي شود.

سقف

سقف کوره ي قوس الکتريکي داراي سيستم آب گرد است.و از اين رو در اين مکان ها نياز به استفاده از ديرگدازهاي با کيفيت بالا نيست.فاصله ي ميان الکترودها در اين کوره بوسيله ي مواد مونوليتيک يا اشکال پيش ساخته پر مي شود براي ساختن ورودي الکترودها معمولا از آجرهاي نسوز استفاده مي شود.مواد مورد استفاده در اين مکان ها نيازمند تحمل شک حرارتي بالا هستند.و همچنين بايد مقاومت به سايش خوبي داشته باشند.ديده شده است که ديرگدازهاي آلومينايي در اين مکان ها داراي عملکرد خوبي هستند.
در جاهايي که سقف کوره آجرچيني مي شود، بار گرمايي بالايي بر آن وارد مي شود و همچنين نفوذ سرباره و مواد مذاب در آن بيشتر است.مواد عمليات حرارتي شده ي با بايندر فسفاتي به خاطر مقاومت خوب در برابر تکّه تکّه شدن و نفوذ سرباره و مواد مذاب، براي سقف مناسب مي باشند.

نازل ها

گستره ي وسيعي از نازل هاي بر پايه ي زيرکون (سيليکات زيرکونيوم)و زيرکونيايي پايدار شده وجود د ارد.اين نازل ها در اندازه و شکل هاي متنوع ساخته شده اند.

صنعت مس

در صنعت مس آجرهاي کروميتي-منيزيايي با پيوند مستقيم (Chrom Brick Direct Bonded) متداولترين نوع ديرگدازي است که رد سراسر دنيا استفاده مي شود.
توده ي مذاب مس با استفاده از ذوب کننده هاي تابشي (Flash Smelters) و کوره ي انعکاسي (reverberatory Furnaces: کوره هايي که گرما را از سقف به سوي مواد در حال گداختن منعکس مي کند)
کوره هاي تابشي (Flash Furnace) داراي مزاياي بيشتري نسبت به کوره هاي انعکاسي است.مخصوصاً اين کوره ها مصرف سوخت کمتري دارند و محصول بيشتري توليد مي کنند.
انواع ديگر از ذوب کننده ها و ادوات مورد استفاده در صنعت مس عبارتند از:
1)کوره ي ايسا (Isa Furnace)
2)کنورتورهاي اسميت پير (Pieree smith Convertors)
3)کوره هاي پالايش آنودي (Anode refining Furnaces)
4)کوره هاي دوّار نگهدارنده (Rotary Holding Furnace)
5)کوره هاي قوس الکتريکي تميز کننده ي سرباره (Cleaning electric Arc Furnace Slag)
6)و...
فرآيند تولدي مس يا به صورت سنتّي و يا به صورت پيشرفته انجام مي شود که در هر دو نوع از اين فرآيندها ديرگدازهاي کروميتي-منيزيايي استفاده مي شوند.اين مواد به همراه مواد آلومينوسيليکاتي براي آسترکاري خطوط توليد استفاده مي شوند.همچنين براي استرکاري اين بخش هاي گستره ي وسيعي از ملات ها (mortars)و مواد مونوليتيک وجود دارد.

فرآيند ذوب (Smelting Proces)

جداره هاي اوليّه که براي ذوب کردن از آنها استفاده مي شود، کوره هاي تابشي، کوره هاي انعکاسي و يا کوره هاي قوس الکتريکي هستند.آستر اين کوره ها عمدتاً تحت حمله ي سرباره و گازهاي گوگرد دار قرار مي گيرند.سرباره ي موجود در اين فرآيند مقادير بالايي اکسيد آهن و سيليس دارد که هر دوي اين مواد با ديرگدازهاي منيزيايي واکنش مي دهند و منيزيوفريت (Magnesio-Ferrite)و فورستريت تشکيل مي شود.همچنين سولفور موجود در اتمسفر گازي نيز با منيزيا واکنش مي دهد و سولفات منيزيم تشکيل مي شود.همه ي واکنش هاي اتفاق اتفاده در اين نوع ديرگدازها با انبساط حجمي همراه است و همين امر موجب ترک خوردن بخش پشتي سطح در حال برخورد با سرباره مي شود. ترک هاي بوجود آمده نهايتاً موجب آسيب ديدن آستر ديرگداز مي شوند.
ديرگداز از کروميت-منيزيايي با پيوند مستقيم (Magnesite chrome refractories direct bonded)براي استفاده در مکان هايي که در برخورد با سرباره ي مس است، ترجيح داده مي شود.اين نوع ديرگداز تحمل بيشتري در برابر سرباره هاي اسيدي دارد.

کنورتور:

کنورتور مورد استفاده در صنعت مس نيز مانند کوره ي فرآيند ذوب بايد توانايي استقامت در برابر سرباره و گازهاي سولفوردار را داشته باشد.بنابراين شرايط محيطي ديرگدازهاي مورد استفاده در اين صنعت نيز مانند ديرگدازهاي مورد استفاده در کوره است.در اين محل نيز بايد از ديرگدازهاي منيزيا-کروميتي با استحکام، در دماهاي بالا و مقاوم در برابر شک هاي حرارتي، استفاده شود.
کوره ي آندي (Anode Furnace)
سرباره ي کمي در کوره ي آندي وجود دارد.امّا آستر ديرگداز موجود در اين کوره در تماس با مذاب مس و اکسيد مس است.(مس مذاب نفوذپذيري بالايي دارد).نفوذ مذاب مس در ديرگدازهاي اين بخش موجب پديد آمدن ترک هايي مي شود که در نهايت اين ترک ها باعث تخريب ديرگداز مي شوند.
کوره پالايش سرباره (Slag cleaning Furnace)
اين کوره به خاطر کار با سرباره، نيازمند داشتن ويژگي هاي خاصّي است.ديرگدازهاي مورد استفاده در اين بخش بايد رسانايي گرمايي مناسبي داشته باشند (رسانايي گرمايي بالا).مواد کروميتي-منيزيايي با بايندر مستقيم ديرگدازي است که براي آسترکاري اين بخش مصرف مي شود.در واقع اين ديرگدازها به خاطر نفوذپذيري کم سرباره در آنها و مقاومت خوب در برابر سرباره استفاده مي شوند.

صنعت آلومينيوم

ديرگدازهاي مورد استفاده در صنعت آلومينيوم عموماً در چندين وسيله مورد استفاده قرار مي گيرند اين وسايل عبارتند از:
1)کوره هاي پخت آنودي (Anode Beking Furnace)
2)کوره هاي نگهدارنده/ذوب (Melting/Holding Furnace)
3)کوره هاي القايي (Induction Furnace)
4)پاروها (ladles)و مجاري پالايش (launders)
معمولي ترين ديرگدازهاي مورد استفاده در صنعت آلومينيوم عبارتند از:
1)خاک نسوز با کارايي بالا (Super duty Fire cly)و آجرهاي پرآلومينا
2)آجرهاي پرآلوميناي با بايندر فسفاتي
ويژگي هاي خاص مورد نياز براي ديرگدازهاي صنعت آلومينيوم عبارتند از:
1)مقاومت در برابر نفوذ آلومينيوم
2)استحکام بالا
3)مقاومت به خوردگي بالا
گستره ي وسيعي از محصولات ديرگداز براي برطرف شدن نيازهاي مختلف صنعت آلومينيوم به خدمت گرفته مي شود.ديرگدازهايي که در تماس با آلومينيوم هستند از نوع ديرگدازهاي ريختني با سيمان کم و يا بسيار کم هستند.اين ديرگدازها داراي خاصيت عايق کاري هستند.و به صورت محصولاتي با دانسيته ي بالا توليد مي شوند. اين محصولات نه تنها با آلومينا واکنش نمي دهند بلکه با مذاب آلومينا ترشوندگي ندارند.

صنعت سيمان

سيمان توليدي از مجموعه اي از کوره ها و خشک کن ها عبور مي کند.اين ادوات از کوره ي پخت کلينکر گرفته تا کوره هاي کلسينه کننده نيازمند به آسترکاري هستند.ديرگدازهاي مورد استفاده در صنعت سيمان در قسمت هاي زير مصرف مي شوند:
1)پيش کلسينه کننده ها (Per Calciners)
2)کوره ي دوار (rotary kiln)
3)سرد کننده ها (Coolers)
4)مجراها (Ducts)
کوره ي دوّار موجود در يک کارخانه ي سيمان به عنوان قلب آن کارخانه تلقّي مي شود.اين بخش به صورت مستقيم بر روي توليد کارخانه تأثير دارد.با توجه به محل احداث کارخانه و کيفيت مواد اوليّه، نوع ديرگدازهاي مصرفي در صنعت سيمان تغيير مي کند.
ديرگدازهايي که عموما در اين صنعت مصرف دارند عبارتند از:
1)دولوميت
2)اسپينل کروميت-منيزيايي (Magnesia-chrome Spinel)
3)اسپينل آلومينا-منيزيايي (Magnasia-Alumina Spinel)
4)خاک نسوز
5)پرآلومين
نواحي از کوره ي پخت که با کلينکر سروکار دارد را معمولا از ديرگدازهايي دولوميتي آسترکاري مي کنند.که در واقع مزاياي ديرگدازهاي دولوميتي در سراسر جهان مورد تأييد قرار گرفته است.اين مسئله آشکار شده است که سازگارترين ماده براي کوره ي کلينکر، دولوميت است.و همچنين اين ماده کوتينگ مناسبي ايجاد مي کند.اين ديرگدازها را با افزودن مقادير زياد از زيرکونيا در مقابل رشد ترک محافظت مي کنند.
بخش هاي مختلف کوره ي دوار از آجرهاي اسپينلي منيزيا-آلومينايي و آجرهاي پرآلومينا (45%-80Al2O3)آسترکاري مي شوند.آجرهاي اسپنلي منيزيا-آلومينايي داراي خواص ترمومکانيکي و ترموالاستيکي بالا هستند و آجرهاي پرآلومين نيز استحکام بالايي دارند.

صنعت شيشه

کوره هاي صنعت شيشه داراي شرايط کاري زير هستند:
1)دماي کاري بالا
2)نياز به عايق بودن
3)سرعت کشش بالا و سرعت ذوب پايين
4)بخارات خورنده و غبارت مواد اوليّه
ديرگدازهاي مورد مصرف در کوره هاي ذوب شيشه معمولا در نواحي زير مصرف مي شوند:
1)ذوب کننده (melter)
2)پالايش دهنده (refiner)
3)داگ هوس (Dog house)
4)خروجي هاي کوره
مواد ديرگداز زيرکونيايي براي استفاده شدن در کوره هاي ذوب شيشه مناسب هستند.زيرا اين ديرگدازها به آساني با شيشه مذاب ترشوندگي ندارند و همچنين واکنش کمي با مذاب شيشه دارند.
ذوب کننده / پالايش دهنده
ديرگدازهاي مورد نياز براي ساخت اين بخش ها بايد خواصي از جمله ي خواص زير داشته باشند:
1)مقاومت بالا در برابر بخارات قليايي
2)استحکام بالا در دماهاي بالا
3)مقاومت بالا در برابر خوردگي

سقف :

سقف کوره هاي ذوب شيشه از مواد ديرگداز عايق ساخته مي شوند تا ميزان اتلاف گرمايي کاهش يابد.
خواص مهم ديرگدازهاي مورد استفاده در اين بخش عبارتست از:
1)فاکتور سيلان (Flux Factor)بسيار پايين در دماهاي بالا(0.5>)
2)کوارتز باقيمانده ي بسيار پايين (0.5%>).اين مسئله باعث مي شود تا پايداري حجمي در دماي کاربري بالا رود.
3)مقاومت بالا در برابر بخارت قليايي

ريژنراتورها (Regenerators)

ريژنراتورها گذرگاه هاي تکي يا چندگانه اي است که براي بازيابي انرژي از آنها استفاده مي شود.
احتياج اساسي توليد کننده ي شيشه از يک ريژنراتور، ماکزيمم کردن گرماي بازيابي از گازهاي خروجي کوره و پيش گرم کردن هواي ورودي به کوره است.
براي اپتيم کردن بازيافت انرژي و افزايش طول عمر ديرگدازهاي مصرفي در اين ناحيه بايد ديرگدازهايي را انتخاب کنيم که خواص زيرا را دارند:
1)مقاومت بالا در برابر شک حرارتي
2)استحکام بالا در دماهاي بالا
3)مقاومت در برابر خزش در دماي کاربرد
4)انتقال گرماي بالا

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:27 توسط مهندس ایمان رستگار |

شاخه هاي علم سراميک

دو گروه عمده از سراميک ها و شيشه ها وجود دارند که اين دو گروه عبارتند از:
1- سراميک هاي سنتي (Traditional ceramics)
2- سراميک هاي پيشرفته (Advanced ceramics)
کاربردهاي سراميک هاي سنتي در توليداتي مانند چيني آلات غذاخوري (dinner ware)، ظروف با قابليت استفاده شدن در اجاق غذاپزي (ovenware) و محصولات ساختماني شبيه به کاشي يا پنجره است. اکثر اين کاربردها مدت هاست که استفاده مي شوند و بنابراين مراکز و موقعيت هاي توليد و فروش اين محصولات به حد کمال رشد کرده اند. و نياز به رشد بيشترين اين مراکز انگشت شمار است.
سراميک هاي پيشرفته از مواد سراميکي و شيشه هايي ساخته شده اند که خواص مکانيکي، الکتريکي، اپتيکي، شيميايي و بيومديکالي آنها بهبود يافته است. اين مواد در چند دهه ي گذشته چشم انداز و پيشرفت خوبي داشته اند. که از اين رو زمينه هاي توليد و فروش برخي از اين محصولات مي تواند رشدي دو برابر داشته باشند.
دو گروه عمده در تقسيم بندي مواد سراميکي را مي توان دوباره به بخش هاي ديگر تقسيم کرد. که اين تقسيم بندي بر اساس توليدات خاص يا بخش هاي فروش انجام مي شود. (جداول 1و2)

در بين اين گروه ها توصيف برخي مشکل تر است مثلاً محصولات نسوز (refractories) داراي گروه گسترده اي مي باشد که تقسيم بندي آن مشکل تر مي شود. توليد بسياري از مواد وابسته به مواد نسوز است همانگونه که مي دانيد فلزات در خطوطي توليد و شکل دهي مي شوند که بوسيله ي مواد سراميکي عايق کاري شده اند. مواد نسوز مواد مهمي هستند که در برابر محيط هاي خورنده مقاومت نشان مي دهند. اين محيط هاي خورنده گاهاً داراي دماي بيش از 3200 درجه فارنهايت (1760 درجه سانتيگراد) هستند و همچنين علاوه بر دماي بالا حمله ي عوامل بازي و اسيدي، ضربات مکانيکي و ... نيز وجود دارد.
از اين رو سراميک هاي نسوز کمتر شناخته شده اند ولي موادي کاربردي هستند که نقش تعيين کننده اي در ارتقاء توانايي هاي توليد کننده ها براي صرفه جويي در مصرف انرژي و افزايش کيفيت مواد توليديشان دارند. که نتيجه ي اين مسأله پيشرفت اقتصادي در کل جهان مي شود. اگرچه مواد نسوز جزء گروه سراميک هاي سنتي هستند و اين تصور وجود دارد که زمينه هاي رشد اين نوع مواد به حد کمال رسيده ولي کاربرد و مصرف زياد اين مواد باعث شده است که به مواد پيشرفته تبديل شوند.
در حقيقت يک زمينه ي جهاني فروش براي سراميک هاي پيشرفته، کوره ها هستند که تخمين زده مي شود که فروشي معادل 211 ميليون دلار داشته باشند

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:27 توسط مهندس ایمان رستگار |

صنايع توليد شيشه

صنايع توليد شيشه يکي از پايه هاي اصلي اقتصاد آمريکا مي باشد. اين صنعت بيش از 150/000شغل تخصصي ايجاد نموده است؛ که بيش از 21 ميليون تن محصولات مصرفي با ارزش تخميني 22 ميليارد دلار در سال توليد مي کند.
توليد شيشه نياز به انرژي زياد دارد که 12 درصد ازکل قيمت فروش را شامل مي شود. از لحاظ تئوري براي ذوب کردن يک تن شيشه 2/2 ميليون Btu (واحد بريتانيايي براي گرما) انرژي لازم است؛ در حقيقت مقدار انرژي مورد نياز به خاطر پايين بودن بازده و اتلاف انرژي به ميزان دو برابر افزايش مي يابد. صنايع شيشه شامل 4 بخش عمده مي شود:

1) ظروف شيشه اي (container glass)

اين گروه شامل بطري ها(Bottles) ، شيشه هاي دهنه گشاد(Jars) و... مي شود.

2) شيشه هاي فلوت(flat glass)

اين گروه شامل شيشه هاي پنجره، آينه ها و شيشه هاي اتومبيل و... مي شود.

3) الياف شيشه (fibre galss)

اين گروه الياف شيشه اي اند که به صورت عايق هاي ساختماني و الياف بافته شده توليد مي شوند.

4) شيشه هاي ويژه (specialty glass)

اين گروه شامل وسايل آشپزخانه (cook ware)، تابلوهاي نمايشگر سطح (displays flat panel)، حباب لامپ ها(light bulbs)، الياف نوري(fiber optics)، وسايل پزشکي(medical equipment) و... مي باشد.
شيشه هاي فلوت 17%توليد شيشه ي ايالات متحده آمريکا از لحاظ وزن را شامل مي شود. همچنين ظروف شيشه اي 60درصد، الياف شيشه و9 درصد و شيشه هاي ويژه 4 درصد از توليدات شيشه اي ايالات متحده را شامل مي شوند.
درحالي که صنايع ظروف شيشه اي، الياف و شيشه هاي فلوت که سهم بسيار بالايي در فروش دارند بر پايه ي شيشه هاي سودالايم(soda-lime glass) پايه گذاري شده اند؛ صنعت شيشه هاي ويژه بر روي شيشه هاي مقاوم در دماهاي بالاتر تمرکز دارد و بيش از 60/000نوع محصول مختلف توليد مي کند. مثالهايي از توليدات شيشه اي که بوسيله ي صنعت شيشه سازي توليد مي شوند در شکل 1 ديده مي شوند. حالت مطلوبي از صنعت شيشه درطول 20 سال فرمول بندي شده است؛ که اين با مشارکت DOE (دپارتمان انرژي آمريکا) انجام شده است.

و چالشهاي تکنولوژي در آينده و فرصت هاي تحقيقاتي با مقايسه ديد آينده و حالت کنوني صنعت شيشه تعريف شده است. چالشهاي تکنولوژي به طور عمومي به چهار دسته تقسيم بندي مي شوند:
1)پيشرفت ها در زمينه ي ذوب و پالايش و در زمينه ي ساخت (شکل دهي)
2)پيشرفت تکنولوژي، تکنيک هاي ساخت شيشه، کنترل پروژه ها (Processing controls) و شبيه سازي مدل براي پروسه هاي جديد با کامپيوتر
3)بهبود سيستم هاي کنترل خروج، روشهاي بازيافت و مديريت مواد جامد باطله و...
4)توسعه ي توليدات ابداعي براي استفاده هاي جديد از شيشه
بخش هاي بالا پروسه هاي توليد شيشه هاي کنوني و چگونگي رسيدن به ديد صنعتي در زمينه ي شيشه از مواد پايه سراميکي را تعريف مي کند.
موادي که معمولاً در وسايل تهيه شده بوسيله ي شيشه استفاده مي شود شامل: فيوزد سيليکا (fusedsilica)، گرانيت، فلزات گران بها، آلياژهاي آهني سرد شده در آب مي باشند. مواد سراميکي ابتدا به عنوان مواد نسوز(refractories) و اکنون نيز به صورت هرچه بيشتر و در زمينه ي پوشش هاي مقاوم به سايش کاربرد دارد. همچنين مواد سراميکي پيشرفته به ندرت در اين صنعت استفاده مي شود که علت آن قيمت بالاي اين مواد است. بعلاوه به خاطر نبود مواد مقاوم در محيط هاي بادماي بالا جهت فرآيندهاي شيشه سازي، فلاکس ها به مواد شيشه اي اضافه مي شوند تا بتوان با کاهش دماي فرآيند شيشه سازي، اجازه ي استفاده از مواد مرسوم را داشته باشيم.
بحث ما بر طبق 4 عمليات عمده در توليد شيشه متمرکز شده است که به شرح زير مي باشند:
1)مرحله ي تهيه مخلوط(Batching)
2)مرحله ي ذوب (melting)
3)مرحله تصفيه و پالايش (refining)
4)مرحله شکل دهي (forming)
همچنين در بخش هاي بعدي اين مقاله در مورد 4 بخش از صنعت شيشه سازي صحبت کرده و در بخش آخر اين مقاله در مورد مشعل ها و وسايل توليد حرارت درکوره هاي توليد مذاب شيشه صحبت مي کنيم.
عمليات تهيه ي مخلوط، ذوب و پالايش در همه ي روش هاي توليد شيشه با اندک تفاوت در نوع کوره يکسان است. پس به بررسي جداگانه ي 4 مرحله ي شيشه سازي مي پردازيم:

1) مرحله ي تهيه ي مخلوط (Batching)

انتخاب مواد خام با توجه به ترکيب شيميايي، يکنواختي و اندازه ي ذرات انجام مي شود. مواد افزودني آلي و فلزي و سراميکي از بين مراحل حمل ونقل، انبار کردن، مخلوط کردن و دانه بندي عبور مي کند. اين مراحل شبيه مراحلي است که شيشه هاي بازيافتي عبور مي کنند. به علت اثرات مواد افزودني و با توجه به کيفيت محصول توليد شده، مقدار شيشه ي بازيافتي تغيير مي کند.
صنعت توليد شيشه هاي فلوت 39درصد از شيشه هاي شکسته ي خود را باز يافت مي کند. مواد ناخالصي سراميکي واکنش کمي با مذاب شيشه دارند و ذوب نمي شوند بنابراين به صورت سنگ ريزه هايي در محصول نهايي ديده مي شوند. ناخالصي هاي فلزي و آلي باعث بوجود آمدن ناپايداري در طي پروسه ي شيشه سازي مي شوند(از طريق واکنش هاي اکسايش -کاهش). که اين مواد موجب کاهش کيفيت شيشه مي شوند. مواد آلي موجود در بچ، منبعي مناسب جهت افزايش گازهاي خروجي هستند و موجب افزايش ارزش تميزکنندگي گازهاي خروجي مي شوند(اين مواد موجب افزايش گازهاي خروجي مي گردد و خروج گاز را از مذاب آسانتر مي کنند)
پروسه هاي نقل و انتقال، مخلوط کردن و دانه بندي موجب ساييده شدن وسايل وادوات مورد استفاده مي شوند بنابراين معمولاً ابزار آلات اين بخش داراي سطوح پوشش داده شده با سراميک هستند؛ و يا خطوط انتقال بوسيله ي سراميک هايي مانند آلومينا، سيلسيم کاربيد و يا تنگستن کاربيد ساخته مي شوند.
درحالي که به طورعمومي اثر قيمت و عملکرد مناسب و کافي براي انتخاب مواد در اين مکان ها بسيار مهم است ولي به دليل ريسک امکان آلودگي مذاب شيشه، استفاده از مواد ارزان قيمت تر ريسک بزرگي به حساب مي آيد.

2) مرحله ذوب(melting):

تقريباً 600 کوره ي ذوب شيشه در آمريکاي شمالي وجود دارد. توزيع نوع اين کوره ها به شرح زير است.
210کوره در زمينه صنعت بطري هاي سازي، 110 کوره مربوط به الياف شيشه، 45 کوره در صنعت شيشه ي فلوت و 235کوره مربوط به شيشه هاي ويژه است. عمر يک کوره مذاب شيشه با توجه به نحوه ي ساخت آن متفاوت است اما براي کوره هاي اين صنعت عمر 7 تا 8 سال غير معمولي نيست. البته هزينه ي بازسازي يک کوره به آساني از يک ميليون دلار تجاوز مي کند و همين امر نشاندهنده ي اهميت نحوه ي بازسازي کوره هاي شيشه سازي است. کوره ها را مي توان به دو گروه، کوره هاي گرم شونده با الکتريسته و کوره هاي گرم شونده با سوخت تقسيم کرد، که معمولاً گرمايش الکتريکي مذاب با آتش حاصل از سوختن مواد نفتي توأم است. اين عمل موجب بهبود يکنواختي گرما دهي، مهيا نمودن افزايش متناوب در ظرفيت ذوب با کم ترين هزينه، افزايش بازده مذاب، کاهش مصرف انرژي و دماي پايين تر (در بالاي نقطه ي ذوب) براي کاهش خروج انرژي مي گردد.

3) مرحله پالايش(refining):

مرحله ي اصلاح شيشه در کوره ي مقدماتي اتفاق مي افتد و موجب يکسان شدن دماي مذاب مي گردد. کوره ي مقدماتي معمولاً با گاز طبيعي کار مي کند. همچنين ازتقويت کننده هاي الکتريکي نيز براي افزايش بازده و بهبود يکساني دما، مي توان بهره برد. مبدلهاي گرمايي سرد شده با آب (water-cooled metal heat exchangers) براي کمک به ايجاد دماي يکنواخت مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين ممکن است از سراميک هاي پيشرفته نيز استفاده شود. تغييرات دمايي در کوره ي مقدماتي بسيار حياتي است و موجب ايجاد مشکلاتي شبيه به آنهايي که در مرحله ي ذوب با آنها روبرو بوديم، مي شود.پيستون ها(plungers) و نازل هاي (nozzles) مورد استفاده براي حرکت دادن و پخش کردن مذاب شيشه از سراميک هاي نسوز و يا موليبدن ساخته شده اند. ولي اين اجزا به علت رويا رويي و مواجهه با سايش بالا و ايروژن (erosion )نوعي خوردگي است که به واسطه ي حرکت سيال بر روي يک سطح اتفاق مي افتد). براي شيشه هاي با دماي ذوب پايين تر Inconel600 استفاده شده است که در اين مورد نيز شبيه به مورد بالا خوردگي شديد گزارش شده است. در دماهاي بالاتر خنک سازي با آب نيز مي تواند براي کاهش دماي اجزا مورد استفاده قرار گيرد. تعداد زيادي از مواد مناسب (مواد سراميکي پيشرفته) مورد استفاده در مراحل پالايش و ذوب شيشه وجود دارد که بسياري از اين مواد مناسب، براي ساخت کوره هاي سوخت -اکسيژن fired oxy-fuel استفاده مي شوند. سيکل هاي متناوب احتراق نيز بهبود يافته که گفته مي شود مواد سراميکي پيشرفته توانايي مقاومت در برابر اين سيکل هاي احتراقي را دارند.

4)شکل دهي(forming):

با توجه به اينکه محصول نهايي، چه نوع محصولي باشد نوع و نحوه ي فرم دهي نيز متفاوت است.
روش هاي شکل دهي انواع مختلف شيشه از جمله شيشه هاي فلوت، ظروف شيشه اي، الياف شيشه و شيشه هاي ويژه معمولاً بسيار متفاوت اند. در قسمت هاي بعدي اين مقاله در مورد هر يک از اين زمينه هاي توليد شيشه صحبت کرده و درقسمت پاياني نيز در مورد مشعل ها و سيستم هاي گرمايشي مورد استفاده دراين صنعت صحبت مي کنيم. ديدگاه اين مقاله بيشتر بررسي موقعيت هاي کاربردي در زمينه ي مواد ساختاري مورد استفاده در صنعت توليد شيشه است.

شيشه هاي فلوت (flat)

صنايع شيشه ي فلوت ايالات متحده آمريکا شامل 6 توليد کننده ي عمده است؛ که با 28 کوره در 16 ايالت کار مي کنند در اين کارخانه ها، که 12/000 نيروي کار ماهر را به کار گرفته اند سالانه 2/9 ميليون تن شيشه توليد مي شود که اين مقدار توليد، فروشي برابر 2/1 ميليارد دلار را به خود اختصاص مي دهد. کارخانه هاي توليدي در اين بخش عمدتاً در کنار منابع ارزان قيمت انرژي قرار دارند. در سال 1991، اين صنعت 55/2 تريليون Btu انرژي مصرف کرده است که اين مقدار انرژي در درجه اول از گاز طبيعي و در درجه ي دوم از برق بدست آمده است. به دليل فشارهاي رقابتي حاصله از کشورهاي درحال توسعه، افزايش بازده توليد و راندمان انرژي به طور مداوم و مصرانه مورد توجه قرار گرفته است.
در طي 25 سال گذشته راندمان انرژي به بيش از 50% ارتقاء داده شده است؛ که اين صرفه جويي در انرژي به خاطراستفاده از مواد نسوز بهبود يافته ميسر گشته است. يک کارخانه ي توليد شيشه فلوت هزينه اي برابر 100ميليون دلار براي ساخت لازم دارد عمر مفيدي برابر 12 سال دارد.
يک کارخانه ي توليد شيشه هاي فلوت نمونه وار شامل يک سري عمليات هاي بالادستي (upstream operations) است که شامل عمليات هاي، تهيه ي مواد اوليه (Batching)، پالايش(refining)، شکل دهي (forming) و اينلينگ(annealing) است. همچنين يک سري عمليات پايين دستي شامل حرارت دهي ثانويه(reheating)، شکل دهي ثانويه(reforming)، پوشش دهي (coating)،تنپر کردن(tempering) و لايه نشاني.
عمليات هاي پايين دستي را مي توان در کارخانه ي مبدأ و يا در جاهاي ديگر انجام داد. عمليات هاي بالا دستي در همه ي کارخانه هاي توليدي يکسان است. که علت آن اين است که همه ي آنها از پروسه ي مسطح سازي براي شکل دهي شيشه ي سيليسي سودالايم به صورت ورقه هاي نازک استفاده مي کنند. برخلاف کوره هاي مورد استفاده در ساخت انواع ديگر شيشه ها، کوره هاي مورد استفاده در صنعت شيشه هاي فلوت عمدتاً بسيار بزرگ هستند. قسمت پالايش دهنده شيشه در کوره هاي توليد شيشه ي فلوت نيز به تناسب بزرگ است؛ که علت آن احتياج به زدودن عوامل مخرب ناشي از جوشش گازها و ديگرعوامل ناخالصي است. اين عوامل ناخالصي و يا گاز موجب کاهش شفافيت نوري شيشه ي توليدي مي شوند.
دو نوع روش براي شکل دهي شيشه ي فلوت استفاده مي شود که يکي از آنها به وسيله ي برادران (PB) pikington وديگري بوسيله صنايع PPG ابداع شد.
تفاوت هاي عمده بين اين دو روش نحوه خروج شيشه از کوره است. اجزاي اصلي روش PPG در شکل 1 نشان داده شده است.

يک کوره ي نمونه وار فلوت – زون (furnace float Zone ) ، 49متر طول و 9متر عرض دارد و مي تواند909 تن شيشه را در خود جاي دهد. در روش PPG، شيشه ي پالايش يافته به طور پيوسته و به صورت يک نوار با پهناي ثابت از روي يک حمام قلع مذاب عبور کرده و با عبور از يک بخش که شامل غلطک هاي فولادي آسترشده با مواد نسوز است، در هواخنک مي شود.
در روش PB، شيشه ي مذاب وارد يک ناحيه بسيار باريک مي شود و سپس به سمت يک حمام قلع مذاب حرکت مي کند و قبل از رسيدن به پهناي مناسب، يک مسير پيچيده را طي مي کند. در هر دو روش، شيشه با دماي 1040درجه سانتي گراد وارد مي شود و با دماي 600درجه سانتي گراد خارج مي شود. حمام قلع در يک دماي معين (815درجه سانتيگراد) نگه داشته مي شود و اين درحالي است که مسير فولادي دماي شيشه را به 100درجه سانتي گراد مي رساند. يک محيط شامل گاز نيتروژن 5-8 درصد گاز هيدروژن براي جلوگيري از اکسيد شدن قلع استفاده مي شود. مواد ديگري که توانايي جايگزيني با فولاد آسترشده با مواد نسوز و حمام قلع مذاب (براي مثال تنگستن و گرافيت) مورد بررسي قرار گرفته است؛ که البته اين مواد گران قيمت هستند و داراي مشکلاتي ناشي از سختي بسيار آنها (مثلاً در فرآيند شکل دهي آنها) هستند. يکي ديگر از مشکلات و عيوب هاي اين مواد مقاومت به اکسيداسيون ضعيف آنهاست. براي انتخاب مواد براي وسايلي که با قلع ارتباط دارند گزينه هاي بسيار کمي داريم که علت آن طبيعت بسيار خورنده ي قلع است.
جريان شيشه از کوره ي زون -فلوت و در بخش انتهايي پالايش دهنده بوسيله ي يک خروجي که tweel ناميده مي شود به طورمنظم خارج مي شود. جنس tweel از فيوزد سيليکا (fused silica)است. tweel، شيشه ي مذاب خروجي از کوره ي ذوب شيشه را شکل دهي مي کند که بدين وسيله کمک به کنترل اندازه ي ضخامت نهايي محصول توليدي مي شود. ضخامت پاياني شيشه ي توليدي همچنين به عواملي چون:ويسکوزيته ي شيشه، کشش سطحي و از همه مهمتر، نيروهاي انقباضي وارده به لبه هاي نوار شيشه اي (اين نيروها بوسيله ي سيستم کشش وارد مي شود) بستگي دارد. شيشه هاي نازک تر را مي توان با جريان دادن شيشه و ايجاد موانعي گرافيتي تهيه کرد در حقيقت اين موانع گرافيتي که به صورت خشک کار مي کنند به لبه هاي شيشه اعمال نيرو مي کنند. به علت کوتاهي عمر tweel که تنها 2 ماه مي باشد، مواد ديگري نيز که عمر مفيد بيشتري دارند مورد توجه قرار گرفته است. يک نکته ي مهم در مورد مواد استفاده شده در ساخت tweel اين است که جنس مواد مورد استفاده شده بايد با جنس شيشه سازگار باشند همچنين بايد مقاومت به شک بالا و قابليت تحمل نيرو در دماي ذوب شيشه را داشته باشند.
جايگزيني مواد نيازمند به سيستم خنک سازي با مواد بدون نياز به اين سيستم، به خاطر هزينه ي بالاي نگهداري و خوردگي شديدتر اين قطعات مورد توجه و پژوهش قرار گرفته است. از اين رو استفاده از آلياژهاي فلزي (مثلاً فولادها) مورد توجه قرار گرفته که به علت وجود نيکل در شيشه هاي بازيافتي و تبديل شدن آن به سولفيد نيکل در هنگام قرار گرفتن در دماي بالا، اين کار نيز مطلوب نمي باشد.
معمولاً براي کاهش خوردگي در کارخانه هاي شيشه سازي، آب مورد استفاده براي خنک سازي اجزا تصفيه شده و برخي از يون هاي مضر بوجود آمده در آب دفع مي شود.
دماي شيشه و قلع مذاب بوسيله ي هزاران بخش سيلسيم کاربيدي تعبير شده در طول کوره تنظيم مي شود. و همين طور که شيشه به سمت پايين حمام قلع حرکت مي کند، سرد شده و ويسکوزيته اش افزايش مي يابد، بنابراين مي توان بوسيله ي غلتک هايي شيشه ي سرد شده را از حمام حرکت داد. غلتک هاي جابجا کننده ي شيشه در کره آنيلينگ، که در امتداد کوره ي ذوب قرار گرفته، به گونه اي طراحي شده اند که موجب دفورمگي حاصل از وزن خود شيشه در حال سرد شدن، نشوند. اين غلتک ها تقريباً 30 سانتيمتر قطره و 4/3متر طول دارند که از فلزات سرد شده در آب يا پوشش هاي آزبستي (پنبه ي نسوز) ساخته شده اند.
يکي ديگر از وسايل مورد استفاده در پروسه ي شيشه سازي و بررسي آن، آذرسنج هاي نوري هستند اين وسايل براي اندازه گيري دماي سطح شيشه و حمام قلع مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين ترموکويل هاي غلاف دارمورداستفاده در اندازه گيري دماي زير سطح حمام قلع نيز يکي ديگر از اين وسايل است.
وسايل سرد کننده تعبيه شده در سقف کوره ي آينلينگ يکي از منابع عمده ي ايجاد کننده ي عيوب شيشه هستند. بخارات سولفيد بر روي اين وسايل سرد کننده چگالش مي يابد و موجب افتادن اين بخارات چگالش يافته بر سطح شيشه مي شود.
البته از منابع ديگر ايجاد عيوب در شيشه سطح ناصاف غلتک هاي آسيب ديده نيز مي تواند باشد. که اين مشکل نيز قابل حل است.
ورقه ي شيشه اي خارج شده از کوره زون -فلوت وارد کوره ي آنيلينگ مي شود. اين کوره هاي آنيلينگ عموماً lehr ناميده مي شوند. کوره ي lehrموجب از بين رفتن تنش هاي ناشي از شيب گرمايي مي شوند که اين شيب گرمايي ناشي از عملياتي است که در پروسه ي شکل دهي اتفاق افتاده است.
کوره ي lehr در دماي 200درجه سانتي گراد کار مي کند. اين کوره با احتراق گاز و يا الکتريسته گرم مي شود. اتمسفر يک کوره ي lehrالکتريکي، هوا و اتمسفر يک کوره ي lehr گازي، عموماً گازهاي ناشي از پروسه ي احتراق است.
شيشه ي توليدي از ميان کوره ي lehr و بر روي يک سري غلتک از جنس فولاد سرد شده با آب، فيوزد سيليکا و يا ماده اي با پوشش آزبست عبور مي کند که اين غلتک ها 5 سانتي متر قطر و 2/5متر طول دارند. (همان گونه که در شکل 2 نشان داده شده است.)

مشکلاتي که در طي حرکت صفحه ي شيشه اي در کوره lehr اتفاق مي افتد شامل:
1)آسيب رسيدن به سطح غلتک ها
2)ايجاد خط و علامات ناشي از غلتک ها برروي سطح شيشه
3)خم شدن شيشه در بين فاصله ي دو غلتک بر اثر نيروي وزن شيشه
4)موج دار شدن غلتک ها
5)تغيير فاز بر اثر گرما در غلتک ها
اندازه و سرعت يکسان غلتک ها، عوامل مهمي در جهت جلوگيري از خط دار شدن سطح شيشه است. مشعل هاي تشعشعي در بسياري از کوره هاي lehr استفاده مي شود و به عنوان يک وسيله ي مناسب و حفاظتي در برابر خط هاي ناشي از عوامل مختلف است. بمحض سرد شدن شيشه و رسيدن دماي شيشه به دماي محيط، شيشه بريده شده و براي پروسه هاي پايين دستي بسته بندي مي شوند.
عمليات هاي پايين دستي مي تواند از تعدادي مرحله شامل: حرارت دهي دوباره (reheating)، شکل دهي دوباره(reforming)، تنپرکردن(tempering) و پوشش دهي تشکيل شده باشند. مراحل حرارت دهي دوباره و تنپرينگ در کوره اي شبيه به کوره ي lehr اتفاق مي افتد و تنها، دماي کوره متفاوت است. حجم زيادي از هواي گرم شده در کوره ي lehr و براي کاهش شيب گرمايي استفاده مي شود. فن هاي مورداستفاده از فولاد دما بالا ساخته شده اند که اين فن ها همراه درايورهاي سرد شده در آب تشکيل شده اند. اعوجاج حاصل از دماي کاربرد بالا موجب کاهش طول عمر اين قطعات مي شود.
پس ازاينکه شيشه دوباره گرم شود، قابليت شکل دهي دوباره و خم کردن آن در قالب هاي فيوزد سيليکايي وجود دارد.

به خاطر خواص ساختاري ضعيف و ظريف، قالب ها به آساني آسيب مي بينند. در حالي که قالب ها قابل تعميرند ولي به خاطر صرفه جويي در وقت و هزينه اين کار انجام نمي شود. پوشش هاي رهاسازي يا موانع سراميکي يا ورقه هاي نازک فلزي براي جلوگيري از چسبيدن قالب به شيشه مورد استفاده قرار مي گيرند. به دليل اينکه شيشه ي قالب گيري شده بايد يک دوره ي زماني را بدون حرکت قرار گيرد و توان جداسازي سريع قالب از شيشه وجود ندارد، نياز به قالب هاي زيادي در اين پروسه است که بسيار پر هزينه مي باشد

شيشه ي مخصوص ظروف ( Container glass) :

صنعت شيشه ي مخصوص ظروف که شامل 64 کارخانه در 25 ايالت آمريکاست ، با اشتغال 30000 کارگر ماهر ، توليد کننده ي 1203 ميليون تن شيشه در سال است . اين صنعت سالانه 5 ميليارد دلار فروش دارد .
کارخانه هاي مرتبط با اين صنعت به طور عمده در نزديک مراکز فروش کالا قرار دارند . در سال 1992 ، اين صنعت 119 تريليون Btu انرژي مصرف کرده است که 79 درصد از اين انرژي به وسيله ي گاز طبيعي تامين شده است .
فشارهاي رقابتي حاصله از سليقه ي مشتري ها و بازار به سمت استفاده از مواد سبک تر (مانند آلومينيوم و پلاستيک ) براي ظروف است . همچنين عواملي مانند قيمت بالاي توزيع و پخش محصولات شيشه اي به خاطر وزن بالاي شيشه ، ارزان بودن قيمت کارگر در کشورهاي در حال توسعه ، بر روي اين صنعت تاثير مي گذارد . قيمت توزيع و پخش ظروف شيشه اي با توسعه ي شيشه هاي با استقامت کششي بالاتر و بهبود روش هاي توليد ، کاهش مي يابد . اين بهبود روش هاي توليد و افزايش مقاومت کششي شيشه موجب توليد شيشه هاي با جداره ي نازک تر مي شود . افزايش توليد و بهره وري بيشتر از انرژي باعث ايجاد توان رقابتي بالا در برابر کشورهاي در حال توسعه است .
براي ساخت يک کارخانه ي توليد شيشه هاي مخصوص ظروف هزينه اي برابر 70 ميليون دلار نياز است . که آخرين کارخانه ي توليد اين محصولات در سال 1981 ساخته شد . به دليل به کمال رسيدن روش هاي توليد ، روشهاي توليد در همه ي کارخانه ها يکسان است .
يک کارخانه ي توليد شيشه هاي مخصوص ظروف نمونه وار شامل عمليات هاي بالا دستي :
تهيه ي بچ اوليه ، ذوب کردن شيشه ، اصلاح و پالايش شيشه ( conditioning ) و شکل دهي است . همچنين عمليات هاي پايين دستي شامل : پوشش دهي و آنيلينگ مي شود . که البته عمليات هاي پايين دستي را مي توان در داخل کارخانه و يا بيرون از آن انجام داد . عمليات هاي مربوط به تهيه بچ اوليه ، ذوب ، اصلاح و آنيلينگ شيشه هاي توليدي شبيه به آنهايي است که در قسمت قبل گفته شد . در اينجا در مورد شکل دهي شيشه هاي ظروف صحبت مي کنيم .

شکل دهي شيشه هاي مخصوص ظروف :

پس از اصلاح دما و يکنواختي : شيشه مذاب به عمليات شکل دهي منتقل مي شود .
gob feeder يک قسمت کوچک از کوره ي مقدماتي است که شامل يک ميکسر ، پيستون ، خروجي و جرثقيل است که در شکل (1) نشان داده شده است . gob feeder وزن ، دما و شکل تکه هاي شيشه را کنترل مي کند . که همه ي اين فاکتورها بر روي کيفيت ظروف توليدي موثر است .سرعت شکل دهي تکه هاي شيشه را مي توان تا 300 تکه بر دقيقه افزايش داد . مواد ساختاري مورد استفاده براي gob feeder شامل : فلزات سرد شده در آب (پره هاي برش دهنده ) ، فلزات گران بها ( هم وزن ) ، مواد نسوز ( پيستون ) مي شود که در طي پروسه دماي تکه هاي شيشه به 1100 درجه سانتيگراد مي رسد . تکه هاي شيشه سپس وارد عمليات شکل دهي مي شوند . در طي پروسه ي شکل دهي گرما از شيشه گرفته شده که اين از دست دادن حرارت بر اساس روش کنترل شده اي انجام مي شود . چندين روش براي شکل دهي تکه هاي شيشه وجود دارد ؛ که انتخاب نوع روش به عواملي چون ترکيب ، شکل ظرف ، اندازه و سرعت توليد بستگي دارد . روش پرس ـ دمش معمولاً براي تهيه ي ظروف دهان گشاد استفاده مي شود . شکل (2)

در عمليات شکل دهي به روش پرس ـ دمش ، تکه هاي شيشه وارد قالب شده و ابتدا پرس مي شوند . درطي عمليات پرس کردن ، دماي پيستون به 550 درجه سانتيگراد مي رسد . به دليل اينکه مواد مورد استفاده در ساخت پيستون ، سختي مناسبي در اين دما ندارند معمولاً سطح پيستون به واسطه ي شيشه ي سرد شده خراشيده مي شوند .
قطعه ي شيشه ي پرس شده که Blank نام دارد از قالب خارج شده و دوباره گرم مي شود و در قالب ثانويه که قالب دمش نام دارد ، قرار مي گيرد و با دمش به شکل ظرف مورد نظر در مي آيد . هنگامي که شيشه ي فرم داده شده از قالب دمش خارج مي شود ، دماي آن به 78 درجه سانتيگراد کاهش مي يابد .
سرعت توليد به سرعت خروج حرارت وابسته است که مي توان سرعت توليد را به 100 ظرف در دقيقه رساند (اين سرعت توليد هنگامي اتفاق مي افتد که از قالب هاي چند برابر براي يک سيستم تغذيه ي تکه هاي شيشه بهره برده شود )عمليات شکل دهي سهم زيادي در هزينه و کيفيت ظروف شيشه اي پاياني دارد که مقدار زيادي از اين سهم مربوط به قالب هاي شکل دهي مي شود.
مواد مورد نياز براي توليد قالب هاي مناسب بايد خصوصياتي از جمله : ارزان بودن ، توانايي توليد شکل هاي پيچيده ، پيچش کم در هنگام استفاده ، توانايي ايجاد سطح پاياني مطلوب براي شيشه ، انبساط گرمايي پايين ، خواص ساختاري پايدار در دماي بالا ، ضريب انتقال گرمايي بالا و مقاومت بالا در برابر سيکل هاي گرمايي را داشته باشند . مواد قالب هاي اوليه از چدن است .سرمايش به وسيله ي فشار کم هوا براي تسريع در عمليات انتقال گرما و بهبود کنترل گرمايي انجام مي شود . به هر حال به دليل اينکه سيستم خنک سازي با هوا ايجاد سر و صدا مي کند ، سيستم سرد کردن با آب ، به عنوان يک راهکار ممکن است انتخاب شود . البته يکي از نقايص سيستم هاي خنک سازي با آب ، ايجاد نشست آب و خوردگي است .
براي کاهش زمان قالب گيري در هر سيکل ، مي توان دماي قالب را به وسيله ي هوا يا آب کاهش داد . مواد مورد استفاده براي قالب ها که انتقال حرارت بهتري دارند نيز مي تواند به عنوان يک راهکار باشد . (مثلاً آلياژهاي پايه مس ).
براي جلوگيري از چسبيدن قالب به شيشه ، ايجاد خطوط نامطلوب بر روي شيشه و يا اکسيداسيون فلز قالب ، قالب در هر سيکل به مواد روانساز آغشته مي شود . به خاطر اينکه دماي قالب به 500 درجه سانتيگراد مي رسد؛ مواد روانساز مورد استفاده در قالب ، ايجاد بخار يا دود مي کنند و در برخي موارد به طور خود به خود آتش مي گيرند . روش هاي ديگر جهت رفع اين مشکل وجود دارد که شامل استفاده از روانسازهاي جامد غير فلزي فيلم مانند و يا وارد کردن گاز استيلن به داخل قالب گرم در هر دوره ، مي شود.(وارد کردن گاز استيلن موجب شکسته شدن گاز استيلن و ايجاد يک لايه ي کربني در بخش داخلي قالب مي گردد ).
مواد ديگري که اخيراً جهت ساخت قالب ها مورد استفاده قرار مي گيرند شامل سوپر آلياژهاي پايه نيکل ، گرافيت و پوشش هاي سراميکي مي شوند . موادي که شامل آزبست (پنبه ي نسوز ) بودند نيزبراي مدتي استفاده مي شد ولي به خاطر سرطان زايي و مسائلي با گرافيت جايگزين شد . سوپر آلياژهاي پايه نيکل در جاهايي مورد استفاده قرار مي گيرد که نياز به سختي و مقاومت کششي بالاتر باشد ( مثلاً در پيستون ها ، وسايل تنظيم جريان ( baffles ) ، قيف ها ، سري هاي دمش ، صفحات زيري و قطعات مسدود کننده ( plugs ) .
مانند شيشه ي فلوت ، آلودگي ناشي از نيکل مي تواند در پروسه ي شکل دهي ايجاد مشکل کند . گرافيت ماده ي ترجيح داده شده براي استفاده است زيرا اين ماده خيس نمي شود و موجب ايجاد خط يا چسبندگي نيز نمي شود . همچنين خود گرافيت خاصيت روانسازي دارد . اين ماده در دماي بالا مقاومت کششي خود را از دست نداده و ابعاد آن نيز ثابت مي ماند گرافيت ماده اي ارزان ، با قابليت ماشين کاري آسان و از لحاظ محيط زيست نيز ماده اي خنثي است . کاربرد گرافيت شامل لايي هاي سري دمش ( blow-head inserts ) ، لايي هاي دهانه ي خروجي ( take - out - tongue ) ، ميلرهاي باربر کوره ي (lehr-loading bars)lehr ، دفلکتورهاي تکه هاي شيشه ( gob deflectors ) ، جهت دهنده هاي بالابر ( conveyor guides ) ، مي شود . نمره و گريد گرافيت مورد استفاده بر اساس کاربردش تعيين مي شود .
مثلاً گرافيت متخلخل براي کوره ي lehr مطلوب است زيرا اين نوع گرافيت از واکنشهاي گرمايي که موجب انتقال سريع گرما در انتقال ظروف جلوگيري مي کند . گرافيت هاي با دانسيته ي بالاتر براي قالب ها ، که نيازمند استحکام و سختي بيشتري هستند ، مورد استفاده قرار مي گيرد . در حالي که گرافيت به خاطر بسياري از ويژگي هايش ترجيح داده مي شود ، اشکال کليدي آن عمر کوتاه آن به خاطر مقاومت در برابر اکسيداسيون و خواص کششي نامناسب آن است . همچنين استفاده از سراميک نيزموجب افزايش عيوب شيشه مي شود . همين طور که ظروف نازک تر مي شوند ، مواد با سختي بالاتر نيزبراي سطح قالب مطلوب تر مي شوند . که علت آن اين است که مواد سخت تر در سطح قالب ها به خاطر کاهش دادن ميزان آلودگي و ايجاد سطح پاياني تميزتر و کاهش اندازه ي بحراني ، بيشتر مورد توجه اند .
مواد با سختي بالاتر موجب کاهش ميزان سايش قالب نيز مي شوند . يکي از راه کارهاي مورد استفاده براي سخت کاري سطح قالب ، استفاده از پوشش هاي سخت (مانند : کاربيد تنگستن و کاربيد تيتانيم ) است . اين مواد در سطوحي که با دماي بالا سر و کار دارند (مخصوصاً در پيستون ها ) ، مورد استفاده قرار مي گيرند . در حالي که قطعات پوشش داده شده گران ترند و ماشين کاري آنها سخت تر است؛ مقاومت به سايش و اکسيداسيون ، و حفظ ابعاد اوليه در دماي بالا ، هنگامي که اين پوشش ها بر روي چدن و يا گرافيت ايجاد شود ، بسيار خوب است .
پس از انجام عمليات قالب گيري ، ظروف توليدي به داخل کوره ي lehr (براي از بين بردن تنش هاي داخلي ) برده مي شوند . ساختار کوره ي lehr مانند همان حالتي است که در مورد شيشه هاي فلوت گفته شد ؛ تنها تفاوت اوليه ي آنها در اين است که در توليد شيشه هاي ظروف از نوار نقاله براي حرکت دادن مواد اوليه از ميان نقطه ي گرم به وسيله ي يک روش کنترل شده که نوار نقاله کاملاً در داخل کوره قرار دارد .که اين کار موجب کاهش پرت حرارتي و افزايش بازده مي شود . به جز پوشش هاي مورد استفاده در برخي از قالب ها ، هيچ گواهي از استفاده ي مواد پيشرفته ي سراميکي در فرآيند شکل دهي شيشه هاي مخصوص ظروف نيست .
فرصت هاي خاص براي استفاده از مواد جايگزين با گرافيت در مکان هاي بسيار گرم وجود دارد که اين مواد جايگزين بايد خواصي از جمله تا فنس بهتر ، سختي بالاتر ، پايداري در برابر اکسيداسيون بهتر داشته باشند .
همچنين مواد ارزان تر جهت جايگزيني با فلزات گران بهاي مورد استفاده در gob feeder و کوره ي مقدماتي مورد تحقيق قرار گرفته است .
مواد با انتقال حرارت بيشتر و سختي بالاتر در دماي بالا براي ساخت قالب ها مورد استفاده قرار گرفته که موجب افزايش طول عمر قالب ، کاهش زمان انجام يک قالب گيري (بدون نياز به سرمايش داخلي ) شده است . مواد با مقاومت گرمايي بالاتر را همچنين مي توان در ساخت قطعات ديگر ماشين قالب گيري استفاده کرد . که اين امر موجب کاهش هزينه هاي نگهداري و بهبود کيفيت مي شود .
سنسورها جديد و غلاف سنسورهايي براي اندازه گيري دماي تکه هاي شيشه مورد استفاده قرار مي گيرند . اين سنسورها همچنين يکنواختي دما ، خروج حرارت در طي فورم دهي را اندازه گيري مي کنند که در همه ي موارد ، سراميک هاي پيشرفته در مرکز حل مشکلات قرار دارند . به دليل اينکه سازگاري سراميک هاي پيشرفته با مواد مذاب شيشه اي زياد است ؛ اين مواد که عمدتاً برپايه ي اکسيدها هستند ، انتخاب خوبي هم به صورت خالص و هم به صورت کامپوزيت با مواد ديگر هستند که در دماهاي بالا فازهاي پايدار نيزدارند .براي مثال مواد ممتاز در اين زمينه شامل : آلومينا ، مولايت ، کامپوزيت هاي سيلسيم کاربيد با آلومينا هستند . کامپوزيت هاي پايه موليبدن سيليسيد نيز از جمله مواد مناسب براي بسياري از اين کاربردهاست .

سراميک هاي پايه سيلسيم يک انتخاب خوب براي کاربردهاي با دماي بالاست که در اين کاربردها بهينه سازي خواص ساختاري مدنظر است و تماسي ميان شيشه مذاب و نسوز وجود ندارد

الياف شيشه و شيشه هاي ويژه

الياف شيشه ( fiber glass) :

صنعت الياف شيشه از دو بخش فروش عمده تشکيل شده است ؛ يکي مواد عايق با الياف کوتاه ( wool insulation) و ديگري الياف نساجي .
مواد عايق ، اليافي با اندازه ي کوتاه هستند که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار مي گيرند و الياف نساجي يک سري الياف مداوم هستند که به طور کلي به عنوان يک تقويت کننده در کامپوزيت هاي زمينه پليمري مورد استفاده قرار مي گيرند . به علاوه چهار توليد کننده ي عمده ي الياف کوتاه و 6 توليد کننده ي عمده ي الياف نساجي ، 16000 کارگر ماهر را به کار گرفته اند ؛ که بر فرض مثال يک توليد کننده مي تواند 27 کوره ي ذوب شيشه را به کار بگيرد . در سال 1991 الياف شيشه 9% کل توليد شيشه را تشکيل مي دادند . و اين مقدار 21 درصد از کل فروش را تشکيل مي داد . در سال 1981 ، 71 درصد وزني از الياف شيشه اي فروخته شده به صورت الياف کوتاه مخصوص مواد عايق بود .
مصرف انرژي در صنعت الياف شيشه در سال 1991 ، 59/9 تريليون Btu بوده ، که تنها مصرف انرژي در بخش ظروف شيشه اي از اين مقدار مصرف بالاتر بوده است . بر خلاف صنايع شيشه فلوت و ظروف شيشه اي ، مقدار زيادي انرژي مصرف شده در صنعت الياف شيشه صرف توليد الياف از شيشه ي مذاب مي شود . در حالي که هر دو بخش در زمينه ي صنعت الياف شيشه سرمايه بر هستند ، صنعت اليام مداوم نساجي سرمايه برتر است زيرا اين صنعت محتاج فلزات گران بهاست . کيفيت شيشه ي مورد استفاده نيز متفاوت است ، اما محصولات الياف نساجي نيازمند مواد اوليه ي با کيفيت بيشتري اند . همچنين اين صنعت نيازمند استفاده از کنترل فرآيند بهتري هستند . کليدهاي محرک براي استفاده از تکنولوژي هاي جديد در صنعت الياف شيشه شامل کاهش قيمت ، افزايش توان عملياتي و موقعيت هاي رقابتي مي شود . فشارهاي رقابتي عمدتاً از سوي محصولات با پايه ي آلي است. روش استفاده شده براي توليد الياف شيشه را مي توان به مراحل زير تقسيم کرد :
1 ـ تهيه ي مواد اوليه ( Bat ching )
2 ـ ذوب ( Melting )
3 ـ توليد الياف ( Fiberzation )
در هر يک از اين مراحل فرصت هايي براي استفاده از سراميک هاي پيشرفته وجود دارد .

1 ـ تهيه ي مواد اوليه ( Batching ) :

مرحله تهيه ي مواد اوليه در صنعت الياف شيشه شبيه به همان هايي است که در توليد ديگر انواع شيشه مورد استفاده قرار مي گيرد ؛ با اين تفاوت که ترکيب شيشه و اندازه ي ذرات مواد اوليه متفاوت است . به دليل اينکه اندازه ي ذرات مواد اوليه مورد نياز بايد ريزتر باشد ، کنترل انتشارات ( emissions control ) و ناخالصي هاي سراميکي ، فلزي ، آلي و يا آلياژي بيشتر است و يک مسئله ي مورد توجه است .
يک جزء کليدي براي توليد الياف شيشه عنصر بور است . اين عنصر ويسکوزيته ي مذاب را کاهش داده و دوام شيشه را بهبود مي دهد ولي بور عنصري فرار است و به خاطر همين در مکان هاي نامطلوب رسوب مي کند . عنصر بور درشيشه در يک رنج 5 ـ 10 درصد وزني دارد که 50 ـ 75 درصد از قيمت کلي را به خود اختصاص مي دهد .
براي توليد الياف کوتاه مخصوص عايق کاري از درصد زيادي شيشه خورده ي بازيافتي که از شيشه هاي ظروف و شيشه هاي فلوت تشکيل شده اند ، استفاده مي شود (علت آن اين است که براي الياف کوتاه عايق ، مواد اوليه ي با کيفيت کمتر نياز است ) الياف شيشه ي بازيافتي هم اکنون به علت وجود عنصر بور در آنها مورد استفاده قرار نمي گيرند .

2 ـ ذوب ( Melting ) :

عمليات ذوب کردن شيشه در صنعت الياف شيشه شبيه عمليات ذوب کردن شيشه در ديگر صنايع توليد شيشه است . (مانند تهيه ي مواد اوليه ) . تفاوت هاي موجود بين ذوب کردن شيشه در صنعت الياف شيشه با ديگر صنايع محدود به چالش هاي عملياتي نتيجه شده از ترکيب شيميايي شيشه و اندازه کوچکتر کوره ي ذوب ، مي شود . به علت وجود درصد کمي مواد قليايي در الياف نساجي ، نياز به دماي بالاتر ذوب کردن و اندازه ي الياف بزرگتر براي رسيدن به حالت يکنواختي بدون نياز به استفاده از افزودني هاي ( فلاکس ها ) ، است .
هر دو صنعت ( هم الياف نساجي و هم الياف کوتاه مخصوص عايق بندي ) از بور استفاده مي کنند که اين بور استفاده شده مي تواند فلز آلات کوره را آلوده کند و موجب افزايش انتقالات گرمايي ذره به ذره شود .
ذوب کننده هاي شيشه شامل مولد ، جهت دهنده ي آتش و کوره ي بهبود دهنده مي شوند .
در حقيقت کوره ي بهبود دهنده ي گازي به طور عمده منبع ذوب کننده ي شيشه است .
عمر مفيد يک کوره ي 7 تا 10 سال است و بازسازي آن هزينه بر و وقت گير است . تعدادي کوره ي مبدل الکتريکي و تقويت کننده هاي الکتريکي گاز ، براي کاهش مصرف گاز ، افزايش بازده مذاب و کاهش انتشار گازهايي مانند NOx و SOx ساخته شده است .
کوره هاي الکتريکي از الکترودهايي استفاده مي کنند که اين الکترودها از کف يا بالا به مذاب وارد شده اند . البته نوع تعبيه شده در بالا با سهولت بيشتري تعمير و نگهداري مي شوند . عمر مفيد کوره هاي الکتريکي 6 ماه است . و براي ساخت مجدد يک کوره ي الکتريکي نمونه دار دو روز وقت لازم است . يک مثال از ديواره هاي فلزي سرد شده با آب و دستگاه ذوب کننده ي از کف در شکل 1 نشان داده شده است .

مذاب از بين يک گلويي مانند شناور خارج مي شود و به بخش داخلي يکنواخت کننده وارد مي شود اين بخش يکنواخت کننده به وسيله ي يک اجاق دنبال مي شود که اين کار براي توزيع شيشه به دستگاه هاي شکل دهي مختلف انجام مي شود . با تبديل اجاق به شعله اي که از احتراق سوخت با اکسيژن تغذيه مي شود بازده مصرف انرژي و گازهاي انتشار يافته بهبود مي يابند .
تعدادي از فرصت هاي استفاده از مواد سراميکي پيشرفته در داخل ذوب کننده موجود است . دماي بالاتر مذاب که به دليل ترکيب شيميايي شيشه ( وجود درصد کمتر از عناصر قليايي ) به وجود مي آيد باعث ايجاد اجبار در استفاده از نسوزهاي حاوي کروم مي گردد . اين نسوزها حاوي کروم موادي خطرناک براي محيط زيست هستند . نسوزهاي کروم دار همچنين از لحاظ الکتريکي رسانا هستند که اين امر موجب خروج جريانات گرمايي از داخل شيشه مي گردد و باعث کاهش عمر نسوز مي شوند .
با توليد احتراق و دماي بالاتر به وسيله ي شعله ي سوخت با اکسيژن ، عمر مفيد اين نسوزها نيز کاهش مي يابد . نسوزهاي ثابت کننده ي شيشه نيز براي کاهش تعميرات و نگهداري مورد توجه قرار گرفته اند .
فلزات گران بها (پلاتين و روديم ) در سر تا سر دستگاه ذوب کننده مورد استفاده قرار مي گيرد ؛ که بخش هاي دستگاه ذوب کننده شامل خروجي هاي گاز ( gas bubblers ) ، پيستون ها ( plungers ) و غلاف هاي ترموکوپل مي شود . مصرف فلزات گران بها در هر کوره مبلغ تقريبي 10 ميليون را به خود اختصاص مي دهد . پلاتين و روديم به خاطر سازگاري دماي بالايشان و پايداري در زمان برخورد با مذاب با دماي بالاتر از 1371 درجه سانتيگراد ، استفاده مي شوند . اشکالات اين مواد ( پلاتين و روديم ) شامل قيمت بالا ، استحکام خزش پايين و منابع تهيه ي نامطمئن ، مي شود .
مواد جايگزين براي پلاتين و يا روديم نيزمورد پژوهش قرار گرفته و موادي پيش بيني شده که شامل موليبدن سيليسيد دوپ شده با ژرمانيم و Inconel بوده که استفاده از آنها موفقيت آميز نبوده است . انتخاب مواد پايه سراميکي مثل ترکيب هاي داراي آلومينا يا زيرکونيا با خلوص و دانسيته ي بالا ، انجام شده است . اکسيدهاي با فاز سه گانه نيز مي توانند مورد استفاده قرار گيرند اما پايداري فازي آنها هنوز مورد توجه است . انتخاب ديگر ترکيب هاي غيراکسيداني داراي مقاومت به خزش بالاست ( مانند سيليسيم کاربيد باپوشش پلاتين يا روديم براي سازگاري با مذاب شيشه ) موليبدن نيز يک ماده ي عمده استفاده شده در ذوب کننده هاي ( melters ) الياف شيشه است که کاربردهايش شامل الکترودها و وسايل کنترل جريان شيشه مي شود . براي کاربردهاي با دماي پايين تر ( دماي کمتر از 1315 درجه سانتيگراد ) ، 1600 Incone استفاده مي شود .
در هر دو مورد بالا (موليبدن ، Inconel600 ) شکستگي نا به هنگام به خاطر خوردگي و سايش مفرط ، انجام مي شود . مواد پيشرفته ي سراميکي ساخته شده اند که مي توانند بدون سرد شدن و در زير يا روي خط مذاب کار کنند (اين مواد مقاومت به خزش بسيار خوبي در دماي بالا دارند ).موقعيت ها و فرصت هاي استفاده از سراميک هاي پيشرفته در مشعل هاي سوخت اکسيژن و غلاف سنسورها وجود دارد . اين سنسورها براي تامين سايش در نسوزها استفاده شده است .

3 ـ توليد الياف ( Fiberization ) :

شيشه ي مذاب پس از عبور از کوره ، وارد پروسه ي توليد الياف مي شود که اين کار يا به طور مستقيم يا بعد از پروسه ي ماربليزينگ مياني ( Intermediate Marblizing ) انجام مي شود .
ماربليزينگ معمولاً در توليد الياف نساجي و در هنگامي که پروسه ي شکل دهي در کنار ذوب کننده قرار ندارد ، مورد استفاده قرار مي گيرد .
توليد ليف با نازک کردن باريکه اي از شيشه مذاب با هوا ، بخار و يا گازهاي احتراقي ( براي الياف کوتاه عايق بندي ) يا به وسيله ي کشيدن شيشه ي مذاب از ميان بوشينک هايي با جنس فلزات گران بها ( Precious metal bushing ) انجام مي شود . براي توليد الياف کوتاه مثالي درشکل 2 مي بينيد . که در آن يک تکه رشته از شيشه ي مذاب به داخل يک سيلندر چرخنده ي سريع ، مي افتد ( سانتريفيوژ ) . اين سيلندر از آلياژهاي پايه فلزي دما بالا ساخته شده اند که داراي 12 ـ 32 سانتيمتر قطر هستند و شامل 10000 ـ 30000 کنترل کننده ي ليزري مي شود که قطر رشته ي شيشه را بين 0/1 تا 0/015 سانتيمتر کنترل مي کنند .

شرايط عملياتي شامل شرايط پايداري ( Steady state ) و دماي 2000 درجه فارنهايت در حالي که در معرض هوا قرار دارد ،
مي شود .
آلياژهاي پايه فلزي استفاده شده عمدتاً به طور اختصاصي و براي کاهش هزينه ي سرمايه گذاري بازيافت مي شوند . همچنين مواد ديگري که مقاومت به خزش بهتر ، مقاومت به خوردگي ( سولفيد شدن ) و اکسيداسيون بهتري دارند ، نيز مورد تحقيق قرار گرفته اند . همين طور که شيشه ي مذاب از ميان سيلندر شکل دهي به سمت پايين مي آيد ( از بالا به پايين ) جت هاي گازي با سرعت بالا باعث نازک شدن جريان و افزايش طول الياف مي شوند . الياف به وسيله ي بيندرهاي ( binders ) آلي اسپري شده و به حالت يک کمربند متحرک جمع مي شوند و در آنجا به آون عمل آوري برده مي شوند . درپروسه ي شکل دهي الياف پيوسته که درشکل 3 نشان داده شده است .

شيشه ماربيل شده و از ميان سوراخ هايي به داخل بوشينگ هاي از جنس آلياژ پلاتين تغذيه مي شوند . يک بوشينگ نمونه وار داراي يک برش کناري با ابعاد 25 ـ 50 سانتيمتر و 18 ـ 20 سانتيمتري است که عمقي برابر 5 سانتيمتر دارد . تقريباً 100 دستگاه شکل دهي براي هر ذوب کننده مورد استفاده قرار مي گيرد و يک کارخانه ي توليدي به صورت نمونه وار ، 4 ذوب کننده دارد . هر واحد توليدي مي تواند 400 تا 3000 فيلامنت با قطر بين 3/5 الي 20 ميکرون توليد کند . عمر بوشينگ ها تقريباً 6 ماه است . بوشينگ هاي فرسوده به علت گراني مواد اوليه ي آن بازيافت مي شود . عمر اين قطعات با سايش سوراخ يا کج شدن آنها کم مي شود . شرايط عملياتي شامل شرايط پايداري ( steady state ) (با دماي 1200 ) در هوا مي باشد . سرد کردن به وسيله ي هوا با جريان اجباري ، پيش از آهار زدن براي افزايش فرآوري مورد استفاده قرار مي گيرد .
يک پيچه ي استوانه اي شکل ، فيلامنت ها را جمع آوري مي کند و يک نيروي کششي براي کشيدن الياف اعمال مي کند . در حين اعمال اين نيروي کششي ، الياف از ميان يک وسيله ي مکانيکي عبور کرده که با آهار زدن و ايجاد تاب در چندين فيلامنت به هم نزديک شده ، ايجاد يک تکه نخ مي شود . با توجه به نوع کاربرد ، پروسه هاي اضافي بر روي تک نخ هاي به وجود آمده اعمال مي شود . موادي که عمدتاً براي هدايت فيلامنت هاي گرم مورد استفاده قرار مي گيرند ، موادي باپايه ي کربن هستند . هدايت کننده هاي سيلسيم نيتريدي و آلومينايي براي کاربردهايي که نياز به آهار زدن و تاب دادن دارند ، مورد استفاده قرار مي گيرند . ( در اين مکان ها سايش بسيار زياد است ) . يک هدايت کننده ي الياف در شکل 4 نشان داده شده است .

مواد ديگري نيز براي مکان هايي که الياف حرکت مي کنند (مکان هايي که الياف با آنها در تماس هستند )مورد جستجو قرار گرفته است که مواد سراميکي يکي از اين مواد هستند ( به خاطر خواص يکپارچه ي مواد سراميکي ) ولي بايد اين مواد را از لحاظ چقرمگي بهبود داد . راه حل هاي کم هزينه تر نيز براي بوشينگ ها و غربال هاي مورد استفاده ، جستجو شده است . در اين ميان اکسيدهاي حاوي تقويت کننده هاي پراکنده شده از ايتريا ( yttria ) نيزمورد ارزيابي قرار گرفته ، که اين ارزيابيها توان جايگزيني اين مواد با فلزات گران بها مورد ارزيابي قرار گرفته که نتايج آن اميد بخش بوده است .
استفاده از پلاتين پوشش داده شده با موليبدن نيز مطرح شده است ولي اين ماده نيز درطي آزمايش شکسته شده است .
موقعيت هاي موجود در مرحله ي تهيه ي مواد اوليه ( Batching ) شبيه آنهايي است که در بحث ظروف شيشه اي و شيشه هاي فلوت مورد بررسي قرار گرفت .

شيشه هاي ويژه (Specialty glass ) :

قسمت هاي فروش و تنوع فروش اين نوع شيشه بسيار گسترده تز از شيشه هاي فلوت ، ظروف شيشه اي و الياف شيشه اي است . يک تفاوت عمده اين است که توليد کنندگان اين بخش بر خلاف توليد کنندگان انواع ديگر شيشه که با شيشه هاي سود الايم کار مي کنند ، با شيشه هاي با دماي ذوب بالاتر ( آلومينو سيليکاتي و بروسيليکاتي ) کار مي کنند . در حالي که ترکيب شيشه هاي توليدي در صنعت شيشه هاي ويژه با ديگر صنايع توليدي شيشه متفاوت است ، روشهاي توليد شبيه به همان هايي است که قبلاً مورد بحث قرار گرفت .
محصولات توليدي در اين بخش بسيار گسترده هستند . که 60000 نوع مختلف از محصولات را شامل مي شوند ولي حجم اين محصولات کم است . تعداد زيادي از توليد کنندگان شيشه هاي ويژه وجود دارند که بسيار کوچکند . اين کارخانه ها توسط مالک هايشان اداره مي شوند و نيازمند نيروي انساني زيادي مي باشند .
به دليل طبيعت اين حرفه ، تکنولوژي هاي مورد استفاده در آن مکرراً توسعه يافته و همچنين به صورت اختصاصي مانده است .
شيشه هاي ويژه ترکيب هاي شيميايي متنوع دارند و داراي خواص فيزيکي و شيميايي کاملاً واضح و تعريف شده اي هستند . کوره هاي مورد استفاده در اين صنعت معمولاً طراحي خاصي دارند و اساساً به وسيله ي احتراق سوخت ـ اکسيژن گرم مي شوند .
براي افزايش بازده انرژي ، پيش گرم کردن خرده شيشه ها ( مواد اوليه ) مورد ارزيابي قرار گرفته است . ظرفيت ذوب 45 تن در مورد اين صنعت يک رقم بزرگ در نظر گرفته مي شود .
به دليل دماي ذوب بالاتر ، استفاده از نسوزها و غلاف هاي ترموکوپل معمولي يک مشکل تلقي مي شود . از اين رو خيلي اوقات از دوربين هاي مادون قرمز به جاي ترموکوپل هاي با عمر کوتاه براي کنترل دما استفاده مي شود . همچنين سيستم هاي با الياف نوري براي اين موارد توسعه يافته است . به دليل اندازه ي کوچک ، جريان هاي همرفتي به جاي استفاده از دمنده هاي گاز ، براي يکنواخت سازي شيشه مورد استفاده قرار مي گيرد .

رنج وسيعي از آلياژهاي پايه فلزي و فلزات گران بها در بخش ذوب و مرحله ي مشکل دهي استفاده مي شود ( مانند پاروهاي پلاتيني مورد استفاده در ذوب کننده ها که وظيفه ي يکنواخت سازي را بر عهده دارند ) پس از پروسه ي ذوب ، شيشه به چندين خروجي مختلف ( با توجه به محصول نهايي ) تقسيم مي شود ، قالب هاي مورد استفاده درطي فرايند شکل دهي عمدتاً از سوپر آلياژها ساخته شده اند . قالب هاي سراميکي نيزمورد استفاده قرار مي گيرند ولي معلوم شده است که باعث افزايش سنگ ريزه هاي به وجود آمده در محصول شيشه اي نهايي مي شوند .
مشعل هاي تشعشعي فلزي با سوخت گاز طبيعي وجود دارند که از آنها در طي فرآيند شکل دهي و آنيلينگ استفاده مي شود اما اين مشعل ها نياز به تعمير و نگهداري زيادي دارند

گرمايش کوره هاي ذوب شيشه و مسائل مربوط به آن :

وسايل و ادوات متنوعي براي گرم کردن کوره ها وجود دارد که معمولاً انرژي اين فرآيند از گاز طبيعي ، برق و يا هر دوي آنها و ديگر انواع سوخت ها به دست مي آيد در زير به بررسي کوره هاي ذوب فلز مي پردازيم .

کوره هاي احتراقي ( Combustion Heated Furnaces ) :

کوره هاي احتراقي را مي توان مجدداً و با توجه به روش استفاده شده در آن براي بازيافت گرماي تلف شده به وسيله ي گاز خروجي و يا روش آتش گرفتن سوخت (به وسيله ي احتراق به همراه هوا يا اکسيژن )طبقه بندي کرد .بازيافت گرما بسيار مهم است زيرا تنها 10 درصد از گرماي توليدي به وسيله ي مذاب شيشه جذب مي گردد و 67 درصد از اين مقدار به وسيله ي گازهاي خروجي تخليه مي شود .
بازيافت گرماي تلف شده به وسيله ي گازهاي خروجي ، توسط يک مولد يا ريکلاپتور ( recuperatr ) انجام مي شود .
کوره ي مولد ( Regeneratorfurnace ) يکي از قديمي ترين و فراگيرترين وسايل براي صرفه جويي در صنعت شيشه است .
يک مثال از اين کوره هاي مولد درشکل 1 نشان داده شده است .

بچ (مواد اوليه ) از يک انتهاي کوره به داخل آن ريخته مي شوند و به سرعت شروع به ذوب شدن مي کنند . همين طور که شيشه مذاب از سمت ديگر کوره خارج مي شود ، شيشه هاي جامد جديد وارد مي شوند وپس از ذوب ، يکنواخت شده و حباب هاي هواي درون آن نيز به بيرون هدايت مي شوند . پس از گذر از نقطه ي ذوب ، شيشه ي ذوب شده وارد مکان شيشه ي مذاب از لحاظ حرارتي يکنواخت (Homogeneous ) مي شود .پس از عبور از مرحله ي پالايش ، شيشه وارد کوره ي مقدماتي مي شود .اين کوره ي مقدماتي جايي است که شيشه ي مذاب به يک يا چند ماشين شکل دهي تزريق مي شود .
مواد نسوزي که معمولاً در کوره هاي مولد شيشه مذاب استفاده مي شوند در شکل 2 آمده است . مواد AZS ( آلومينا ، زيرکونيا ، سيليکا ) ، موادي هستند که براي ديوارهاي کناري انتخاب مي شوند که درصد زيرکونياي موجود در آنها از 33 تا 41 درصد متغير است .

نسوزهاي کروم دار متنوعي معمولاً در صنعت الياف شيشه استفاده مي شوند که علت آن مقاومت به ايروژن بسيار خوب اين نوع نسوزهاست ؛ ولي به علت مشکلات زيست محيطي کروم ، اين آجرها به تدريج جايگزين پيدا کرده اند . به هر حال بدون توجه به عملکرد نسوزهاي کروم دار ، اين نسوزها ، استفاده ي وسيعي در صنايع شيشه فلوت ، ظروف شيشه اي و شيشه هاي ويژه ندارند که علت آن ، اين است که ناخالصي هاي کروم باعث به وجود آمدن رنگ نامناسب درشيشه مي شوند .
در جلوي کوره ، جايي که مواد اوليه به کوره شارژ مي شوند ، ايروژن و خسارت هاي ناشي از گرما ، مهمترين عوامل کاهش عمر کوره است . موادي که مقاومت به خوردگي خوبي دارند براي ديواره هاي کناري مورد نياز هستند . نسوزهاي روکش دار ( CLADDING REFRACTORIES ) باپلاتين يا موليبدن نيز در مورد اين قسمت ها مورد استفاده قرار گرفته اند ولي بسيار گران قيمت هستند . الکترود AZS و بلوک هاي قسمت دمنده ي آتش در روي ديوار کناري و در زير خط مذاب قرار دارند که نشان داده نشده اند . اين بلوک ها ، تقويت کننده هاي الکتريکي ، الکترودهاي گرمايي و نازل هاي آتش را نگه مي دارند . در اين مکان ها هم دما بالاست و هم تنش هاي گرمايي اتفاق مي افتد . و موجب کاهش عمر آنها مي شود .
اصلي ترين منبع مشکل ساز در بالاي مذاب شيشه (در جايي که دماي بالاتر را تجربه مي کند ) قرار دارد . در اين مکان احتراق اتفاق مي افتد .
نسوزهاي با ساختار بالا ( Superstructure refractories ) مي توانند دماي 1600 درجه سانتيگراد را در هنگامي که سوخت + هوا براي احتراق انتخاب شده ، تحمل کنند . و اين دماي قابل تحمل برايشان در هنگامي که سوخت انتخابي همراه اکسيژن ، سوزانده شود حتي بيشتر از اين مقدار نيز مي شود .
سيليکا (سيليس ) به علت ارزان بودنش و همچنين قابليت حل نشدن در مذاب در صورت جدا شدن از سقف براي سقف کوره ها در نظر گرفته شده است . البته سيليکا عملکرد مناسبي در محيط ناملايم سوختن مواد نفتي با اکسيژن را ندارد .
مولايت ( Mullite ) درپروسه هاي داراي دماي بالاتر جايگزيني مناسب براي سيليکاي سقف کوره است اما اين ماده موجب ايجاد ناخالصي در شيشه مي شود .
AZS نيز براي سقف کوره مطلوب است اما قيمت آن بسيار بيشتر است و وزن آن نيز بيشتر است . به علت ناهمگوني ميان سيليکا و نسوزهاي AZS ديواره ها ، يک لايه ي خنثي از زيرکون ( Zrsio4 ) در ميان آنها قرار داده مي شود .
مشعل هاي فولادي ضد زنگ در ديواره هاي کوره و در بالاي مذاب قرار دارند .در کوره هاي مولد عمل دميدن آتش به صورت متناوب از سمتي به سمت ديگر تغيير مي کند . و در هنگام روشن بودن مشعل هاي يک سمت ، هواي ورودي به اين مشعل ها به واسطه ي عبور از يک ساختار آجر چيني گرم مي شود و گازهاي خروجي از سمت ديگر به داخل اين ساختارهاي آجرچيني وارد مي شوند تا انرژي از بين نرود و صرف پيش گرم شدن هواي مورد نياز جهت پروسه ي احتراق شود . دهنه ي مشعل هاي که از جنس فولاد ضد زنگ هستند همچنين مي توانند به وسيله ي آب و هواي خنک شده ، سرد شوند البته هنگامي که مشعل در حال سوختن است ، دهنه ي آن به طور مداوم با مخلوط هوا و سوخت نيز خنک مي شود . در هنگامي که خاموش بودن مشعل هاي يک طرف از کوره (در هنگامي که مشعل هاي سمت مقابل در حال حرارت دهي هستند ) ، دهنه ي مشعل ها با هوايي که دماي تقريبي 1040 درجه سانتيگراد دارند ، خنک سازي مي شوند .
اندازه و هندسه ي نازل هاي مشعل متنوع است اما يک نوع از آنها به طور نمونه وار داراي قطر 3/17 cm 10/16cm است . دهنه هاي سراميکي با طول عمر بيشتر نيز توليد شده اند اما اين نوع دهنه براي باقي ماندن در رقابت با نوع فلزي خود بيشتر از 200 دلار نمي تواند قيمت داشته باشد ( نوع فلزي دهنه ها 150 دلار قيمت دارد ) .
کوره اي به طور نمونه شامل 20 مشعل مي شود . يک مثال از مشعل هاي گازي ( gas - fired burner ) با يک نازل مستطيلي شکل در شکل (3) آمده است .

همزن ها و دهنده ها براي بهبود يکنواختي در نقطه ذوب استفاده مي شوند . همزن ها به طور نمونه وار از فولاد زنگ نزن سرد شده در آب و پاروها از پلاتين ساخته مي شوند که در مذاب شيشه با دماي 1425 درجه ي سانتيگراد کار مي کنند . طول عمر پاروهاي مجهز به سيستم خنک سازي بيکران است .در حالي که در مورد پاروهاي پلاتيني نياز به هيچگونه خنک سازي وجود ندارد ، اين پاروها گران قيمت و کم دوام اند . عمليات دمش نيز به وسيله ي نازل هاي فولاد پرکربني سرد شده در آب ، که در کف تعبيه شده اند ، انجام مي شود . عمز نازل هاي شيشه مذاب چندين سال است ؛ به هر حال هر وقت که جايگزين کردن يک دمنده ي نو به جاي قبلي مدنظر باشد ، اين کار با سوراخ کردن ديواره ي کناري ، مسدود کردن آرام سوراخ و سوراخ کردن مجدد براي جا انداختن خروجي شيشه ي مذاب که نازل به آن متصل مي شود ، انجام مي شود .
اخيراً خروجي هاي مذاب از جنس دي سيليسيد موليبدن ( Molybdenum disilicide ) ساخته شده که طول عمرشان بيشتر است . اگر چه مواد پر کننده شيشه براي محدود کردن مدت تعميرات کافي است ، موادي براي تعميرات توليد شده ، که عمر و ماندگاري بيشتري دارند .
پروسه ي ذوب کردن با ترموکوپل هاي تعبيه شده در بالا و پايين مذاب و همچنين مشاهدات بصري از عملکرد مشعل هاي بالاي مذاب تحت نظارت قرار مي گيرد .
تقريباً 8 ترموکوپل در طول سقف کوره تعبيه شده است . يک غلاف از جنس آلومينا ، مولايت و يا آلوميناي پوشش داده شده باپلاتين براي محافظت از ترموکوپل تعبيه شده است . به هر حال شکست پس از دو ماه رخ مي دهد . يک عامل بسيار معمول در شکست اين قطعات ، شک هاي حرارتي يا زيان هاي ناشي از فشار است که موجب کاهش عمر ترموکوپل از 12 ماه به 2 ماه مي شود . البته در ترموکوپل هاي بلندتر ، خزش نيز يکي از اين عوامل است .
يک غلاف نمونه وار ، 0/063 ـ 1/27 سانتيمتر قطر و 92 ـ 30 سانتيمتر طول دارد .
پس از جا گذاري ترموکوپل به داخل غلاف ، ابتدا آن آزمايش مي شود و سپس در داخل کوره توليد نصب مي شود . البته کاوشگرهاي الياف اپتيکي ( Fibre optis probes ) نيز به منظور ثبت دما ، در جاهاي مختلف مذاب مورد استفاده قرار مي گيرد . مشاهدات بصري از عملکرد مشعل با يک دوربين انجام مي شود که داراي زواياي وسيعي است . يک نوع دوربين مخصوص کوره وجود دارد که داراي يک تيوپ فولادي داخلي است که اين تيوپ داخلي شامل مجموعه اي از لنزهاي خنک شونده با هوا است .همچنين اين دوربين داراي يک تيوپ فولادي خارجي است که به وسيله ي آب خنک مي شود . شکست پيش از موعد پوسته ي حاوي آب به علت بسته شدن بخشي از سيستم خنک کننده ، اتفاق مي افتد . شکست در سيستم خنک کننده ي اين نوع دوربين سرانجام باعث شکست کل سيستم تصوير برداري مي شود که موجب از دست رفتن کنترل دماي کوره مي شود . از اين رو احتياج به جايگزيني يک ماده ي مناسب براي ماده ي استفاده شده در اين تيوپ خارجي داريم که نياز به خنک سازي نداشته باشد . اين بخش سراميکي بايد خواص زير را داشته باشد :
1 ـ مقاومت در برابر شک حرارتي ( از دماي 1650 درجه سانتيگراد به دماي اتاق در چند ثانيه )
2 ـ استقامت کافي در هنگام بيرون آوردن آن از ديواره ي با ضخامت 30 سانتيمتر
3 ـ سازگاري با نسوزهاي ديواره ي کناري کوره
4 ـ قابليت اتصال به يک تيوپ فولادي که در دماي 427 درجه سانتيگراد کار مي کند .
5 ـ قيمت مناسب (قيمت مناسب براي يک تيوپ با قطر 6/4 سانتيمتر و طول 15/2 سانتميتر و ضخامت 1/3 سانتيمتر 400 دلار است )
علاوه بر اين مطالبي که در مورد دماي کوره گفتيم ، سنسورهايي براي اندازه گيري ضخامت ديواره ي نسوز کوره تعبيه شده است . اين سنسورها بر اساس جريان مخالف ـ صوتي ( acoustic , eddy current ) يا اندازه گيري ظرفيت الکتريکي که با زمان تغيير مي کند ، کار مي کنند . سنسورها مستقيماً در داخل نسوز و به طور محکم قرار مي گيرند و تغييرات را اندازه گيري مي کنند . يک غلاف سراميکي جهت محافظت از سنسورها از محيط نامناسب بر روي سنسور قرار مي گيرد .
ماکزيمم توليد خروجي شيشه از کوره به وسيله ي مقدار انرژي که مي توان به داخل کوره ي ذوب فرستاد محدود مي گردد . محدوديت در هنگامي مشخص مي گردد که مشعل ها در حالت ماکزيمم گرمادهي باشند . و تقويت کننده هاي الکتريکي نيز با حداکثر توان کار کنند .افزايش هاي ديگر در گرمايي که به داخل کوره ي ذوب مواد وارد مي شود به وسيله ي ظرفيت دمايي مواد مورد استفاده در ساخت کوره و تابش فزاينده اي که توليد مي شود محدود مي شود .
يکي از روش هايي که براي غلبه بر اين محدوديت ها به دست آمده است ، اين است که مخلوط شيشه خورده و مواد اوليه ( بچ اوليه ) را پيشگرم کنيم . همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است . گاز گرم دودکش از يک قسمت مبدل حرارتي عبور کرده در حالي که پودر بچ در جهت مخالف مسير گاز دودکش فرو مي ريزد . پيش گرم کردن مواد اوليه با استفاده از مشعل مجزا نيز مي تواند انجام شود . در هر دو حالت يک فن براي کشاندن گازهاي داغ از بين مبدل حرارتي مورد استفاده قرار مي گيرد . حالات عملياتي پيش گرم شامل دماي گاز ورودي است که دمايي بالاتر از 982 درجه سانتيگراد دارد .

همچنين در معرض قرار گرفتن به وسيله ي محصولات احتراق است که اين گاز خروجي از دودکش مقدار زيادي رطوبت و گازهاي خورنده دارند .
مبدل هاي فلزي اخيراً مورد استفاده قرار گرفته که نيازمند نگهداري و تعمير مداوم هستند .
و محدوديت دمايي نيز دارند که با استفاده از مبدل هاي سراميکي عمرشان طولاني ، وزن شان کاهش و ظرفيت گرمايي افزايش مي يابد . همچنين اين مزايا در مورد استفاده از فن هاي سراميکي نيز صادق است . يکي ديگر از مزاياي اين روش سهولت ارتقاء قطعات جديد در کوره مورد نظر است . يکي ديگر از روش هاي افزايش راندمان کوره ي شيشه ي مذاب ، ورود اکسيژن در عمل احتراق به جاي هوا است . بهبود راندمان کوره نتيجه اي از دماي بالاتر کوره و کاهش گازهاي خروجي است که به علت کاهش نيتروژن از سيستم احتراق ، انجام مي شود . اکسيژن احتراقي را مي توان يا به طور محلي به داخل مذاب و به وسيله ي يک تيوپ وارد کرد و يا با هواي مورد استفاده براي احتراق جايگزين کرد . تيوپ ورود اکسيژن از فلزات سرد شده با آب ، فلزات گران بها و اخيراً نيز از سيليسيد موليبدن ساخته شده است . در حالي که ارزانترين و ساده ترين روش انجام اين کار ، تزريق اکسيژن در مکان هاي گرم است ولي اين کار موجب آسيب ديدن ديواره هاي کوره و مشعل ها و ... مي شود . احتراق برپايه ي اکسيژن خالص با استقبال روبروست که اخيراً از 87 کوره از اين نوع که عمدتاً در بخش شيشه هاي ويژه و الياف شيشه اي است ، مورد استفاده قرار گرفته است . مزاياي اين نوع احتراق شامل پايداري شعله اي بيشتر ، توان عملياتي بيشتر ، کاهش مصرف سوخت ، کاهش قيمت کوره ، کاهش گازهاي NOx ، تابش هاي ذره به ذره و افزايش بازده بدون استفاده از مولدها ، ريکلاپچرها و تقويت کننده هاي الکتريکي گران قيمت است . يک اشکال مهم در اين روش تغيير خواص گازهاي خروجي است . به عنوان مثال يک کوره ي مولد معين داراي يک خروجي گاز با دماي 315 ـ 482 و رطوبت 8 ـ 10 درصد است در حالي که کوره هاي بهبود يافته هم دما و هم رطوبت بيشتري دارند . در کوره هاي با سوخت اکسيژن گاز خروجي ، دماي 1204 ـ 1426 و رطوبت 55 ـ 67 درصد دارند .
به علت دماي بالا و وجود بخارات خورنده( مانند بخارات بور )در گازهاي خروجي از کوره ي گرم شده با سوخت + اکسيژن ، فرصت مناسبي براي استفاده از مواد سراميکي در اين کوره ها ، مهيا گشته است .

کوره هاي گرم شونده با الکتريسته :

حرارت دهي الکتريکي در بسياري از محصولات کم اهميت و کوره هاي ذوب الياف شيشه اي کاربرد دارد که علت آن قيمت ابتدايي کمتر و انتشار گاز کمتر است ، اگر چه قيمت برق مصرفي بسيار بالاست . اشکالات کليدي تمام کوره هاي الکتريکي ، هزينه ي انرژي مصرفي بالا و عمر کوتاه آنها است . کوره هاي الکتريکي را معمولاً هر 6 ماه يک بار بازسازي مي کنند اما به علت اندازه ي کوچک ، زمان بازسازي تنها 2 روز است . يک مثال از کوره هاي الکتريکي با مجراي خروجي در کف در شکل (5) نشان داده شده است .

الکترودهاي مورد استفاده معمولاً براي آسان بودن تعويض و نگهداري بدين نحوه (در بالاي کوره ) قرار گرفته اند که به خاطر عمر کوتاه مواد مورد استفاده در ساختار اين کوره ها ايجاد رخنه در کف و ديواره هاي کوره مطلوب نمي باشد . اجزاي تقويت کننده (دمنده ها و قطعات الکتريکي ) در بالاي طرفين مخزن کوره قرار داده شده اند . اين مکان هاي قرارگيري دسترسي به اجزاي حرارتي را براي اپراتور آسان تر مي کند . در کوره ي مثال زده در شکل (5) مذاب در ميان يک بخش مجزا قرار گرفته که اين بخش مذاب را از لحاظ دمايي تنظيم مي کند . سيلندرها و همزن ها در کاربردهاي مختلف استفاده مي شود که هدف همه ي آنها يکنواخت سازي دماي شيشه ي مذاب است ؛ همچنين اين قطعات موجب کم شدن حباب هاي گاز موجود در مذاب مي شوند . مواد مورد استفاده در ساخت کوره هاي الياف شيشه و توليدات شيشه اي کوچک شامل فلزات گران بها ( براي سيلندرها ، همزن ها و پيستون ها ) و موليبدن (براي ساخت الکترودها و بخش هاي مکانيکي کنترل سيال ) مي شود .

مواد جايگزين که داراي قيمت ارزان تر نسبت به اين مواد هستند ، نيز مورد جستجو قرار گرفته اند . که اين مواد حتي عمر مفيد بالاتري دارند . مواد جايگزين براي نگهدارنده هاي الکترودها نيز توليد شده است که نياز به سرد شدن با آب ندارند

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:27 توسط مهندس ایمان رستگار |

صنايع توليد شيشه

1) ظروف شيشه اي (container glass)

اين گروه شامل بطري ها(Bottles) ، شيشه هاي دهنه گشاد(Jars) و... مي شود.

2) شيشه هاي فلوت(flat glass)

اين گروه شامل شيشه هاي پنجره، آينه ها و شيشه هاي اتومبيل و... مي شود.

3) الياف شيشه (fibre galss)

اين گروه الياف شيشه اي اند که به صورت عايق هاي ساختماني و الياف بافته شده توليد مي شوند.

4) شيشه هاي ويژه (specialty glass)

1) مرحله ي تهيه ي مخلوط (Batching)

2) مرحله ذوب(melting):

3) مرحله پالايش(refining):

4)شکل دهي(forming):

شيشه هاي فلوت (flat)

شيشه ي مخصوص ظروف ( Container glass) :

شکل دهي شيشه هاي مخصوص ظروف :

الياف شيشه و شيشه هاي ويژه

الياف شيشه ( fiber glass) :

1 ـ تهيه ي مواد اوليه ( Batching ) :

2 ـ ذوب ( Melting ) :

3 ـ توليد الياف ( Fiberization ) :

شيشه هاي ويژه (Specialty glass ) :

گرمايش کوره هاي ذوب شيشه و مسائل مربوط به آن :

کوره هاي احتراقي ( Combustion Heated Furnaces ) :

کوره هاي گرم شونده با الکتريسته :

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:26 توسط مهندس ایمان رستگار |

نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

مقدمه :

نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر بهبود فوق‌العاده‌اي در بسياري از خواص فيزيکي و مهندسي پليمرهايي که در آنها از مقدار کمي پرکننده استفاده مي‌شود، ايجاد مي‌کند. اين تکنولوژي که امروزه مي‌تواند کاربرد تجاري نيز پيدا کند، توجه زيادي را طي سالهاي اخير به خود جلب کرده است. عمدة پيشرفت‌هايي که در اين زمينه بوقوع پيوسته، طي پانزده سال اخير بوده و در اين مقاله به اين پيشرفتها و همچنين مزيتها، محدوديتها و برخي مسايل و مشکلات آن خواهيم پرداخت.
هر چند اخيراً پيشرفتهاي عمده‌اي در توسعة روشهاي سنتزي و کاربرد آنها در پليمرهاي مهندسي صورت گرفته و تحقيقاتي نيز در مورد خيلي از خواص مهندسي آنها صورت گرفته، ولي با اينحال، براي فهميدن مکانيزم‌هايي که باعث افزايش کارايي در نانوکامپوزيتهاي مرسوم به الياف تقويت مي‌شوند، مزيتها و امتيازاتي دارد، ولي هنوز نتوانسته تاثيري در بازار کامپوزيتهايي که در آنها جزء اليافي درصد بالايي دارد، ايجاد کند.
موضوع فناوري نانو طي سالهاي اخير بطور فزاينده‌اي مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌اي بين ابعاد ميکرو و ابعاد مولکولي است و اين محدوده‌اي است که دانشمندان مواد و شيميدان‌ها در آن به مطالعاتي پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نيز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولي تکنولوژي که توسط علوم مواد و شيمي توسعه يافته و به نانومقياس معروف است، نبايد به عنوان نانوتکنولوژي تلقي شود. هدف اصلي در نانوتکنولوژي ايجاد کاربردهاي انقلابي و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهي و جنبش آنها و همچنين طراحي ابزار در مقياس نانو مي‌باشد.

تعريف

نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس - پليمر يک مثال موردي از نانوتکنولوژي هستند. در اين نوع مواد، از خاک رس‌هاي نوع اسمکتيت ( Smectite-type ) از قبيل هکتوريت، مونت موريلونيت و ميکاي سنتزي، به عنوان پرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک رس‌هاي نوع اسمکتيت، ساختاري لايه‌اي دارند و هر لايه، از اتمهاي سيليسيم کوئورانيه شده بصورت چهار وجهي که به يک صفحه هشت وجهي با لبه‌هاي مشترک از Al(OH) 3 يا Mg(OH) 2 متصل شده، تشکيل شده است. با توجه به طبيعت پيوند بين اين اتمها، انتظار مي‌رود اين مواد خواص مکانيکي فوق‌العاده‌اي را در جهت موازي اين لايه‌ها نشان دهند ولي خواص مکانيکي دقيق اين لايه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخيراً با استفاده از روشهاي مدل‌سازي تخمين زده شده که ضريب يانگ در راستاي لايه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بيشتر از يک پليمر عادي است. لايه‌ها نسبت صفحه‌اي ( aspect ratio ) بالايي دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد، در حاليکه شعاع آن از سي نانومتر تا چند ميکرون، متفاوت مي‌باشد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها بوسيله يک نيروي واندروالسي ضعيف، روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب اين امکان وجود دراد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهاي گوناگوني، درون يک پليمر، به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم.
در گذشته، عمدتاً به اين شکل از دانه‌هاي رسي براي افزايش کارايي پليمر استفاده مي‌شود که آنها را در حد ميکروني خرد مي‌کردند تا از آنها در توليد پليمرهاي تقويت شده بوسيله پرکننده‌هاي در اندازه ميکرون، استفاده کنند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده.
مي‌توان تصور کرد که خواص مکانيکي فوق‌العاده لايه‌هاي منفرد در اجزاي خاک رس نتوانند در يک سيستم به طرز موثري عمل کنند و پيوندهاي ضعيف بين دو لايه منشاء ايراد در اين کار مي‌باشد. معمول است که از ميزان بالايي از خاک رس استفاده شود تا به بهبود کافي هر ضرايب دست يابيم، در حاليکه اين کار باعث کاهش استحکام و سختي پليمر مي‌شود.

شکل 1: اصول کاربردي متفاوت در ساخت ميکرو و نانوکامپوزيت‌هاي رايج

اصلي که در نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس - پليمر رعايت مي‌شود، اين است که نه تنها دانه‌هاي رسي را از هم جدا مي‌کنند، بلکه لايه‌هاي هر دانه را نيز از هم جدا مي‌کنند (همانطور که در شکل 1 بصورت شماتيک نشان داده شده است) با انجام اين عمل، خواص مکانيکي فوق‌العاده هر لايه نيز بطور موثر بکار مي‌آيد و اين در حالي است که در اجزاي تقويت شده نيز بطور چشمگيري افزايش پيدا مي‌کند، زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزارات لايه تشکيل شده است.

ويژگي ها نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

يکي از دستاوردهاي تحقيقات اين است که مشخص شده که بسياري از خواص مهندسي هنگاميکه از ميزان کمي معمولاً چيزي کمتر از 5% وزني، پرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد. در پليمرهايي چون نايلون ( nylon-6) 6 هرگاه از چنين ميزان کمي پرکننده استفاده شود، يک افزايش 103 درصدي در ضريب يانگ، 49 درصدي در قدرت کشساني و 146 درصدي در مقاومت در برابر تغيير شکل بر اثر گرما، از خود نشان مي‌دهد. ساير خواص فيزيکي بهبود يافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت بارير ( barrier resistance ) و هدايت يوني.
امتياز ديگر نانوکامپوزيتهاي خاک رس - پليمر اين است که تاثير قابل توجهي بر خواص اپتيکي پليمر ندارند. ضخامت يک لايه رس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است، بنابراين نانوکامپوزيت‌هاي خاک رس - پليمر که خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتيکي شفاف مي‌باشد. ميکرو نانوکامپوزيت‌هايي که تصويرشان در شکل 1 نشان داده شده، از ترکيب خاک رس و پلي پروپيلن و با استفاده از روش سرد کردن سريع جهت به حداقل رساندن اثر کريستاليزاسيون، ساخته شده‌اند. ميکروکامپوزيت‌هاي مرسوم، قهوه‌اي و مات به نظر مي‌رسند، در حاليکه نانوکامپوزيت‌ها تقريباً شفاف و بيرنگند. با اين دلايل، نتيجه مي‌گيريم که نانوکامپوزيتهاي خاك رس/ پليمر نمايش خوبي از نانوتکنولوژي مي‌باشد. با سازماندهي و چينش ساختار کلي در پليمرها در مقياس نانومتر، مواد جديد با خواص نو يافت شده‌اند. نکته ديگر در توسعه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر اين است که اين تکنولوژي، فوراً مي‌تواند کاربرد تجاري پيدا کند، در حاليکه بيشتر نانوتکنولوژي‌هاي ديگر، هنوز در مرحله مفاهيم و اثبات هستند.
كاربردهاي نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر
اولين کاربرد تجاري اين مواد با استفاده از نانوکامپوزيت خاك رس / نايلون 6 بعنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشينهاي تويوتا در همکاري با ube در سال 1991 بود. به فاصله کمي بعد از آن Unikita نانوکامپوزيت نايلون6 را بعنوان محافظ روي موتورهاي GDI شرکت ميتسوبيشي معرفي کرد. در آگوست 2001، ژنرال موتورز و باسل، کاربرد نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر را بعنوان جزء مکمل COMC ساخاري و شورلت اکستروژن‌ها به همگان اعلام کرد. اين امر با کاربرد اين نانوکامپوزيت‌ها در درب‌هاي شورلت ايمپالاز ( Impalas ) صورت گرفت.
اخيراً شرکت نوبل پليمرز ( Noble/Polymers ) نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس / پلي‌پروپيلن را براي استفاده در صندلي‌هاي هندا آکورد ساخته است و اين در حالي است که Ube دارد نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس / نايلون12 ( clay/nylon-12 ) را براي استفاده در اجزاي سيستم سوخت‌رساني، توليد مي‌کند.
علاوه بر کاربرد در صنعت خودرو، نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر، به صنايع نوشيدني‌ها نيز راه يافته‌اند. Alcos CSZ نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر چندلايه را در کاربردهاي جديد خود (بعنوان مواد خطي – سدي) ( barrier liner materials ) بکار مي‌برد. شرکت Honey well محصولات نانوکامپوزيت خاك رس - پليمري Aegis TM NC resin را در بسته‌بندي نوشيدني‌ها بکار مي‌برد و اخيراً شرکت‌هاي Mitsubishi Gas Chemical و Nano car ، نانوکامپوزيتهاي Nylon-MXD6 را براي ساخت بطري‌هاي چند لايه ( polyethylene terephtalate) PET ساخته است.

تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر

اگرچه تحقيقات در مورد ترکيب خاك رس/ پليمر به قبل از 1980 برمي‌گردد، ولي کارهايي که در آن زمان صورت گرفت را نبايد در تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر به حساب آورد، چرا که هيچگاه به نتيجه چشمگيري براي بهبود خواص فيزيکي و مهندس آنها ختم نشد. در حقيقت مي‌توان منشاء نانوتکنولوژي خاك رس - پليمر را کارهاي شرکت تويوتا که تلاش براي لايه‌لايه کردن دانه‌هاي رسي در نايلون6 شروع شد، دانست. آنها فاش ساختند که توانسته‌اند بهبود قابل توجهي در خواص پليمرها، با تقويتشان بوسيله خاک رس در مقياس نانومتر، ايجاد کنند. از آن موقع به بعد تحقيقات وسيعي در اين زمينه در سطح جهان انجام شده است. در حال حاضر اين بهبودها به ساير پليمرهاي مهندسي از جمله پلي پروپيلن ( PP ) ، پلي اتيلن، پلي استايرن، پلي وينيل کلريد، آکريلونيتريل، پليمرهاي بوتا اي ان اسنايرن ( ABS ) ، پلي متيل متاکريلات، PET ، کوپليمرهاي اتيلن سوينيل استات، پلي اکريلونيتريل، پلي کربنات، پلي اتيلن اکسيد ( PEO ) ، اپوکسي رزين، پلي اميد، پلي لاکتيد، پلي کاپرولاکتون، فنوليک رزين، پلي-پي فنيلن وينيلن، پلي پيرول، لاستيک، استارک (آهار)، پلي اوراتان، پلي وينيل پيريدين، سرايت کرده.

تکنولوژي ساخت نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

مرحله نهايي در ساخت نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر، جدا جدا کردن لايه‌هاي رسي و پخش آن در پليمر مي‌باشد. استراتژي کار بستگي دارد به سازگاري و همگون بودن رس و پليمري که استفاده مي‌شود. اين تعيين مي‌کند که آيا نياز به عمليات مقدماتي روي خاك رس يا پليمر قبل از مخلوط کردن هست يا نه. اگر سطح لايه‌هاي سيليکاتي با پليمر، سازگار و همگون باشد، اختلاط مستقيم بين اين دو مي‌تواند اتفاق بيفتد، بدون اينکه نياز به عمليات مقدماتي باشد. چنين مواردي بيشتر وقتي اتفاق مي‌افتد که پليمر قابل حل در آب، مانند PEO يا PVP استفاده کنيم، چرا که اين پليمرها و سطح لايه‌هاي سيليکات، هر دو آبدوست هستند و نيروهاي دوقطبي يا وان‌دروالسي بين لايه‌هاي سيليکات، باعث سهولت جذب مولکولهاي آبدوست و ايجاد فشارهاي عمودي روي لايه مي‌شود که در نتيجه باعث جداکردن تک‌تک لايه‌هاي رسي در اين پليمرها مي‌گردد.
اما به هر حال، بيشتر پليمرها آب گريز و در نتيجه با دانه‌هاي رسي آبدوست، ناسازگار هستند. در اين موارد نياز به يکسري عمليات مقدماتي روي خاک رس يا پليمر داريم. پرکاربردترين روش‌هاي براي اصلاح دانه‌هاي رسي، استفاده از آمينواسيدها، نمکهاي آمونيم آلي و يا فسفونيم تترا ارگانيک‌هاست تا سطح آبدوست رس‌ها را به آب گريز تبديل کنيم. دانه‌هاي رسي که به اين روش اصلاح مي‌شوند، ارگانوکلي ناميده مي‌شوند. در مورد پليمرهايي که فاقد هرگونه گروه عاملي مي‌باشند، مانند پلي پروپيلن ( PP ) ، معمولاً از تکنيک هاي افزودن گروه عاملي قطبي روي زنجيره پليمري استفاده مي‌شود و يا اينکه در طي فرآيند ساخت، پليمرهاي پيوند خورده را بصورت مستقيم وارد مي‌کنند. مثلاً در نانوکامپوزيت هاي رسي / پلي پروپيلن ( clay PP ) از مالئيک اسيد پيوند خورده به پلي پروپيلن، بصورت مستقيم استفاده شده است. در طي پيشرفتهاي اخير، از مخلوطي که پلي پروپيلن، پروپيلن پيوند خورده با مالئيک ايندريد و ارگانوکلي استفاده شده است.
روشهاي زيادي در توليد نانوکامپوزيتها استفاده شده، ولي سه روشي که از ابتداي کار توسعه بيشتري يافته‌اند عباراند از: پليمريزاسيون in situ ، ترکيب محلول القاشدن و فرآيند ذوبي .
روش اينسيتو عبارت است از وارد نمودن يک پيش ماده پليمري بين لايه‌هاي رسي و آنگاه پهن کردن و سپس پاشيدن لايه‌هاي رسي درون ماده زمينه ( matrix ) با پليمريزاسيون. ابتکار اين روش بوسيله گروه تحقيقاتي شرکت تويوتا بود و زماني رخ داد که مي‌خواستند نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر6 را بسازند. اين روش قابليت و توانايي توليد نانوکامپوزيتهايي با لايه لايه شدگي خوب را دارد و در محدوده وسيعي از سيستم هاي پليمري، کاربرد دارد. اين روش براي کارخانه‌هاي پليمر خام مناسب است تا در فرآيندهاي سنتزي پليمر، نانوکامپوزيت‌هاي رسي - پليمر بسازند و مخصوصاً براي پليمرهاي ترموستينگ (پليمرهايي که در برابر گرما مستحکم‌تر مي‌شوند) بسيار مفيد است.
روش ترکيب محلول القا شده ( solution induced interceletion ) از يک حلال براي بارگيري و پخش رس‌ها در محلول پليمري استفاده مي‌شود. اين روش هنوز مشکلات و موانع زيادي را در راه توليد تجاري نانوکامپوزيت‌ها پيش رو دارد. قيمت بالاي حلالهاي مورد نياز و همچنين مشکل جداسازي فاز حلال از فاز محلول توليد شده، از جمله اين موانع هستند. همينطور در اين روش، نگرانيهايي از نظر امنيت و سلامتي وجود دارد . با اين وجود اين روش در مورد پليمرهاي محلول در آب قابل بعنوان حلال استفاده مي‌شود و همچنين امنيت بيشتر و خطر اجرا و مقرون به صرفه است، بخاطر قيمت پايين آب که کمتر آن براي سلامتي.
در روش فرآيند ذوبي، ترکيب خاك رس و پليمر در حين ذوب شدن انجام مي‌شود. بازده و کارآيي اين روش به اندازه روش اينسيتو نيست و کامپوزيتهاي توليد شده، ورقه‌ورقه شدگي کمي دارند. به هر حال اين روش مي‌تواند در صنايع توليد پليمر قديمي که در آنها از روشهاي قديمي مانند قالبگيري و تزريق ( Extrution and injection molding ) استفاده مي‌شود، بکار رود و اتفاقاً نقش مهمي در افزايش سرعت پيشرفت توليد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي رس - پليمر ايفا کرده است.
علاوه بر اين سه روش با روش‌هاي ديگر نيز در حال توسعه هستند که عبارتند از: ترکيب جامد، کوولکانيزاسيون و روش سل-ژل. اين روشها بعضاً در مراحل ابتدايي توسعه هستند و هنوز کاربرد وسيع پيدا نکرده‌اند.

رقابت نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر با کامپوزيتهاي اليافي

با پيدا شدن سروکله تکنولوژي نانوکامپوزيت، جهشي در زمينه تقويت پليمرها بوجود آمده، و معقول به نظر مي‌رسد که فکر کنيم نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر، بتوانند جاي کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف مرسوم را بگيرند.
از نظر تئوري، تقويت پليمرها در مقياس نانويي، امتيازات برتري نسبت به کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف دارند. ضعف کامپوزيت-هاي تقويت شده با الياف، در واقع يک شکست در راه استفاده مفيد از خواص ذاتي و طبيعي مواد است. مثلاً سعي مي‌کنيم که با بکارگيري پيوندهاي قوي کووالانسي و استفاده از صفحه‌هاي آروماتيک ساختار گرافيتي، مواد کربني را مستحکم‌تر کنيم. در حاليکه الياف کربني که امروزه استفاده مي‌شود، تنها 3 تا 4 درصد استحکام نظري صفحات آروماتيک را به دست مي‌دهند. عدم اتصال داخلي بين صفحات آروماتيک در ساختار الياف کربني، مانع دستيابي به استحکام مطلوب مواد مي‌شود، در حاليکه اين مشکل در مورد نانوکامپوزيتهاي تقويت شده با پرکننده‌هاي لايه‌اي وجود ندارد. هنگاميکه از پرکننده‌هاي لايه‌اي و ورقه‌اي در زمينه پليمري استفاده مي‌شود، اتصالات و پيوندهاي داخلي بوجود آيد و بنابراين حداکثر استفاده از خواص ذاتي و طبيعي لايه‌هاي منفرد مي‌شود.
در حقيقت خواص مکانيکي بدست آمده، در بهترين نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر بسيار کمتر از کامپوزيتهايي است که از درصد بالايي الياف، براي تقويت استفاده مي‌کنند. در حال حاضر بيشترين پيشرفتها و بهبودها در خواص مکانيکي نانوکامپوزيتهاي خاك رس / نايلون6 بدست آمده که در آنها 4 درصد وزني از خاك رس بارگذاري شده است. شکل 2 ضريب و قدرت کشساني اين نانوکامپوزيت را با نايلون 60 و نايلون 60 تقويت شده با 48 درصد وزني، الياف خرده شيشه‌اي نشان مي‌دهد. مشاهده مي‌شود که بهترين نانوکامپوزيت خاك رس - پليمري، هنگاميکه حجم بالايي از جز را تقويت‌کننده اليافي مطرح باشد، نمي‌تواند با کامپوزيتهاي اليافي همساني و رقابت کند. به منظور دستيابي به خواص مکانيکي بهتر عناصر تقويت‌کننده بيشتري در نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر مورد نياز است، در حاليکه چنين کاري غيرممکن است. زيرا هنگاميکه عمل لايه لايه شدن اتفاق مي‌افتد، سطح تماس لايه‌هاي رسي صدها و بلکه هزاران برابر مي‌شود و اين باعث مي‌شود که مولکولهاي پليمر کاني، براي خيس کردن تمام سطح تقويت‌کننده‌هاي رسي نداشته باشيم.

شکل 2

در هر حال، هنگاميکه بحث استفاده از درصد پايين پرکننده مطرح باشد، در اين حالت نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر را با کامپوزيتهاي تقويت شده بوسيله الياف، مقايسه کنيم، مي‌بينيم که نانوکامپوزيتها تقويت بهتري را نسبت به کامپوزيتهاي اليافي مرسوم، نشان مي‌دهند. اطلاعات بدست آمده بوسيله تحقيقات Fornes و Panl در مورد ضريب يانگ نانوکامپوزيتهاي خاك رس / نايلون6 و کامپوزيت هاي نايلون6 تقويت شده با الياف شيشه‌اي در محدوده استفاده از 10 درصد وزني پرکننده، در شکل 3 رسم شده است. مي‌توان مشاهده نمود که نانوکامپوزيتها کارآيي بيشتري را در بهبود ضريب يانگ نسبت به کامپوزيتهاي اليافي نشان مي‌دهند.

] شکل 3

از مقايسه بالا مشهود مي‌گردد نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر در محدوده بارگذاري درصد پايين از الياف، امتيازاتي نسبت به کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف دارند و مطمئناً بازار کامپوزيتهاي اليافي مرسوم با حجم پايين از جزء اليافي، با پيشرفت نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمري تحت تاثير قرار خواهد گرفت، ولي فعلاً تابحال، پيشرفت در نانوکامپوزيت ها تاثير کمي روي بازار کامپوزيتهاي تقويت شده با الياف گذاشته است.

مشكلات توسعه نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

علاوه بر پرکننده‌ها، عمده مشکلات پيش روي پيشرفت نانوتکنولوژي خاك رس - پليمر عبارتنداز: عدم شناخت مکانيزمهاي موثر در افزايش کارايي، به کاربردي پليمرهاي ترموستينگ و عدم پايداري ارگانوکلي‌ها در برابر حرارت.
اگرچه مدل‌سازي‌هاي زيادي در جهت پيشبرد درک از مکانيزم افزايش کارايي عمده خواص فيزيکي و مهندسي در استفاده از نانوکامپوزيت‌هاي خاك رس - پليمر انجام شده، ولي هنوز مسافت زيادي را پيش رو داريم. به عنوان مثال، هنوز خواص فيزيکي مهندسي لايه‌هاي منفرد سيليکات، دقيقا شناخته نشده‌اند. از اين رو مشکل است که يک مکانيزم تقويت‌کننده ايجاد کنيم، و از طرفي، ساختار ذغال باقيمانده ناشي از احتراق نانوکامپوزيت خاك رس - پليمر هنوز روشن نيست. بدون آن ممکن نيست مکانيزمي براي ايجاد مقاومت در برابر آتش، براي آن طراحي کنيم. مدل‌سازيها و تحقيقات تجربي اساسي، بايد در جهتي هدايت شود که در آينده اين موانع برطرف شوند.
به کاربردن پليمرهاي ترموستينگ، مشکل عمده ديگري در توسعه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر مي‌باشد. ترکيب خاک رس با يک پيش ماده پليمر ترموستينگ مي‌تواند عامليت يک پليمر را تغيير دهد. تغيير در عامليت بر ميزان اتصالات عرضي تاثير مي‌گذارد و بخوبي مشخص است که عمده خواص مهندسي پليمر‌هاي ترموستينگ، تابعي از ميزان تعداد اتصالات عرضي است. با اين وجود گزارش‌هايي هم وجود داشته مبني بر بهبود خواص مکانيکي سيستمهاي پليمري تروستينگي که ميزان اتصالات عرضي آن پايين بوده است، از جمله اپوکسي رزين با T g پايين و پلي اوراتان‌ها. آخرين مسئله مستقيماً بر مي‌گردد به نگراني در مورد تجاري‌سازي نانوتکنولوژي خاك رس - پليمر، کمبود ارگانوکلي‌هاي پايدار در برابر گرما و نيز از نظر تجاري در دسترس، از موانع ثبت شده در اين مسير هستند. بيشتر ارگانوکلي‌هاي در دسترس، از جايگزيني کاتيون فلزي درون ساختار رس، با نمکهاي آمونياک آلي تهيه مي‌شوند. اين نمکهاي آمونيم در مقابل گرما ناپايدارند و حتي در دماهاي کمتر از 170 درجه سانتيگراد از بين مي‌روند. مسلماً چنين مواد فعال سطعي (سورفکتنت) براي بيشتر پلاستيکهاي مهندسي هنگاميکه از تکنولوژي فرآيند ذوب شدن براي ساختن نانوکامپوزيت‌ها استفاده شود، صاحب نيستند و ساخت نانوکامپوزيتهايي که در آن از ارگانوکلي‌هاي اصلاح شده بوسيله نمکهاي آمونيم بکار رفته، با استفاده از تکنيک‌هاي ديگر، به يک معضل تبديل شده است. اگرچه تعداد زيادي سورفکتنت پايدار در برابر گرما، مثل فسفونيم شناخته شده‌اند، ولي اين سورفکتنت‌ها براي کاربرد تجاري، مقرون به صرفه نيستند. نوآوري‌هايي در جهت اصلاح رس‌هاي آبدوست با استفاده از پليمرها و اليکومرهاي چند عاملي انجام شده تا ارگانوکلي‌هاي پايدار در برابر گرما براي توليد نانوکامپوزيتهاي رس - پليمر بسازند.

خلاصه و نتيجه‌گيري:

پيشرفت‌هاي عمده در توسعه نانوکامپوزيت هاي خاك رس - پليمر به پانزده ساله اخير بر مي‌گردد و مزيتها و محدوديتهاي اين تکنولوژي روشن شده است. با اين حال، تا شناخت مکانيزم‌هاي افزايش کارايي و بهبود خواص مهندسي آنها و اينکه بتوانيم ريزساختارهاي آنها را سازماندهي و چينش کنيم تا به خواص مهندسي ويژه دست پيداي کنيم، راه طولاني در پيش رو داريم. در مواقعي که از درصد پايين پرکننده استفاده شود، نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر اين پتانسيل را دارند تا جايگزين کامپوزيتهاي مرسوم تقويت شده با الياف شوند

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:20 توسط مهندس ایمان رستگار |

نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

مقدمه :

تعريف

شکل 1: اصول کاربردي متفاوت در ساخت ميکرو و نانوکامپوزيت‌هاي رايج

ويژگي ها نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

تاريخچه نانوکامپوزيتهاي خاك رس - پليمر

تکنولوژي ساخت نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

رقابت نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر با کامپوزيتهاي اليافي

شکل 2

] شکل 3

مشكلات توسعه نانوکامپوزيت هاي خاک رس - پليمر

خلاصه و نتيجه‌گيري:

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:20 توسط مهندس ایمان رستگار |

شاخه هاي علم سراميک

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:19 توسط مهندس ایمان رستگار |

مواد ديرگداز -اصل مقاله

مواد ديرگداز (Refractories Material)

ديرگداز چيست ؟

ساختار فازي مواد ديرگداز

ديرگدازها براي چه کاربردهايي مصرف مي شوند؟

لازمه هاي ديرگدازي

ديرگدازها از چه موادي ساخته مي شوند؟

توسعه ي ديرگدازها با گذر زمان

ويژگي هاي ديرگدازها

1) دماي ذوب (melting point)

2) اندازه (size)

3) دانسيته ي بالک (Bulk Density)

4) تخلخل (Porosity)

5) استحکام فشاري سرد (cold Crushing Strength)

6) نقطه نرمي (Pyrometric cone Equivalent)

7) ديرگدازي تحت بارگذاري (refractoriness under load)

8) خزش در دماي بالا (Creep at high tempreture)

9) پايداري حجمي (Volume Stability)، انبساط (expansion) و شرنيکيج (shrinkage)در دماي بالا

10) انبساط گرمايي بازگشت پذير

11) رسانش گرمايي (Thermal Conductivity)

ديرگدازها چگونه دسته بندي مي شوند؟

طبقه بندي ديرگدازها براساس ترکيب شيميايي

طبقه بندي براساس شکل فيزيکي

ديرگدازهاي بي شکل (unshped Refractones)

الف) ديرگدازهاي پلاستيک (pbstic refractories)

ب) مخلوط هاي کوبيدني (Ramming Mixes)

ج) مخلوط هاي قابل ريختن (Castable)

د) مخلوط هاي پاشيدني (Gunning Mixes)

ه) مخلوط هاي محافظ (Fettling Mixes)

و) ملات ها (Mortars)

ديرگدازهاي خاص دراستفاده هاي صنعتي

5) شبه سيليسي (Semi - Silica)

1) با کارايي عالي (Suoer duty)

2) با کارايي بالا (high - duty)

3) با کارايي متوسط (Medium duty)

4) با کارايي پايين (Low - duty)

ديرگدازهاي پرآلومينا (high Alumina Refractories)

a. آجر مولايتي ( Mullite Brick)

اين آجر معمولا داراي درصد بسيار بالايي فاز مولايت هستند.

b. آجرهاي با بايندر شيميايي (chemically - bonded Bricks)

اين نوع آجرها معمولا داراي بايندر فسفاتي است و معمولا داراي 75 - 85 در صد آلومينا ست

c. آجر آلومينا -کروميتي (alumina - chrom brick)

d. آجر کربن –آلومينايي (Alumina - Carbon Brick)

آجر سيليسي (Silica brick)

کربنات منيزيم (Magnesite)

جدول مقايسه اي يک : نشان دهنده ي تفاوت کربنات منيزيم مختلف است .

اکسيد منيزيم چگونه توليد مي شود؟

دولوميت (Dolomite)

ديرگدازهاي اکسيدي

ديرگدازهاي مونو ليتيک (Monolitic Refractories)

مواد عايق کننده (Insulating materials)

الياف سراميکي (Ceramic Fibers)

انتخاب ديرگدازها (Selection of refractories)

ديرگدازها در کوره ها و پاتيل ها

اثرعايق کاري بر روي دماي ديرگدازها

شکل يک نشان دهنده ي ضريب اتلاف گرمايي براي شرايط زير است :

اتلاف گرمايي از جداره ي کوره به عوامل زير بستگي دارد :

کاربرد مواد ديرگداز

فولاد و آهن

1) زير اجاقي (Sub bearth)

2) بخش اصلي کوره (Working hearth)

ديواره هاي کناري

ديواره ي کناري اصلي

نقاط داغ

خط سرباره

دريچه هاي مشعل و خروجي سرباره

سقف

نازل ها

صنعت مس

فرآيند ذوب (Smelting Proces)

کنورتور:

صنعت آلومينيوم

صنعت سيمان

صنعت شيشه

سقف :

ريژنراتورها (Regenerators)

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:18 توسط مهندس ایمان رستگار |

مواد ديرگداز -اصل مقاله

مواد ديرگداز (Refractories Material)

ديرگداز چيست ؟

ساختار فازي مواد ديرگداز

ديرگدازها براي چه کاربردهايي مصرف مي شوند؟

لازمه هاي ديرگدازي

ديرگدازها از چه موادي ساخته مي شوند؟

توسعه ي ديرگدازها با گذر زمان

ويژگي هاي ديرگدازها

1) دماي ذوب (melting point)

2) اندازه (size)

3) دانسيته ي بالک (Bulk Density)

4) تخلخل (Porosity)

5) استحکام فشاري سرد (cold Crushing Strength)

6) نقطه نرمي (Pyrometric cone Equivalent)

7) ديرگدازي تحت بارگذاري (refractoriness under load)

8) خزش در دماي بالا (Creep at high tempreture)

9) پايداري حجمي (Volume Stability)، انبساط (expansion) و شرنيکيج (shrinkage)در دماي بالا

10) انبساط گرمايي بازگشت پذير

11) رسانش گرمايي (Thermal Conductivity)

ديرگدازها چگونه دسته بندي مي شوند؟

طبقه بندي ديرگدازها براساس ترکيب شيميايي

طبقه بندي براساس شکل فيزيکي

ديرگدازهاي بي شکل (unshped Refractones)

الف) ديرگدازهاي پلاستيک (pbstic refractories)

ب) مخلوط هاي کوبيدني (Ramming Mixes)

ج) مخلوط هاي قابل ريختن (Castable)

د) مخلوط هاي پاشيدني (Gunning Mixes)

ه) مخلوط هاي محافظ (Fettling Mixes)

و) ملات ها (Mortars)

ديرگدازهاي خاص دراستفاده هاي صنعتي

5) شبه سيليسي (Semi - Silica)

1) با کارايي عالي (Suoer duty)

2) با کارايي بالا (high - duty)

3) با کارايي متوسط (Medium duty)

4) با کارايي پايين (Low - duty)

ديرگدازهاي پرآلومينا (high Alumina Refractories)

a. آجر مولايتي ( Mullite Brick)

اين آجر معمولا داراي درصد بسيار بالايي فاز مولايت هستند.

b. آجرهاي با بايندر شيميايي (chemically - bonded Bricks)

اين نوع آجرها معمولا داراي بايندر فسفاتي است و معمولا داراي 75 - 85 در صد آلومينا ست

c. آجر آلومينا -کروميتي (alumina - chrom brick)

d. آجر کربن –آلومينايي (Alumina - Carbon Brick)

آجر سيليسي (Silica brick)

کربنات منيزيم (Magnesite)

جدول مقايسه اي يک : نشان دهنده ي تفاوت کربنات منيزيم مختلف است .

اکسيد منيزيم چگونه توليد مي شود؟

دولوميت (Dolomite)

ديرگدازهاي اکسيدي

ديرگدازهاي مونو ليتيک (Monolitic Refractories)

مواد عايق کننده (Insulating materials)

الياف سراميکي (Ceramic Fibers)

انتخاب ديرگدازها (Selection of refractories)

ديرگدازها در کوره ها و پاتيل ها

اثرعايق کاري بر روي دماي ديرگدازها

شکل يک نشان دهنده ي ضريب اتلاف گرمايي براي شرايط زير است :

اتلاف گرمايي از جداره ي کوره به عوامل زير بستگي دارد :

کاربرد مواد ديرگداز

فولاد و آهن

1) زير اجاقي (Sub bearth)

2) بخش اصلي کوره (Working hearth)

ديواره هاي کناري

ديواره ي کناري اصلي

نقاط داغ

خط سرباره

دريچه هاي مشعل و خروجي سرباره

سقف

نازل ها

صنعت مس

فرآيند ذوب (Smelting Proces)

کنورتور:

صنعت آلومينيوم

صنعت سيمان

صنعت شيشه

سقف :

ريژنراتورها (Regenerators)

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:17 توسط مهندس ایمان رستگار |

مواد ديرگداز -اصل مقاله

مواد ديرگداز (Refractories Material)

ديرگداز چيست ؟

ساختار فازي مواد ديرگداز

ديرگدازها براي چه کاربردهايي مصرف مي شوند؟

لازمه هاي ديرگدازي

ديرگدازها از چه موادي ساخته مي شوند؟

توسعه ي ديرگدازها با گذر زمان

ويژگي هاي ديرگدازها

1) دماي ذوب (melting point)

2) اندازه (size)

3) دانسيته ي بالک (Bulk Density)

4) تخلخل (Porosity)

5) استحکام فشاري سرد (cold Crushing Strength)

6) نقطه نرمي (Pyrometric cone Equivalent)

7) ديرگدازي تحت بارگذاري (refractoriness under load)

8) خزش در دماي بالا (Creep at high tempreture)

9) پايداري حجمي (Volume Stability)، انبساط (expansion) و شرنيکيج (shrinkage)در دماي بالا

10) انبساط گرمايي بازگشت پذير

11) رسانش گرمايي (Thermal Conductivity)

ديرگدازها چگونه دسته بندي مي شوند؟

طبقه بندي ديرگدازها براساس ترکيب شيميايي

طبقه بندي براساس شکل فيزيکي

ديرگدازهاي بي شکل (unshped Refractones)

الف) ديرگدازهاي پلاستيک (pbstic refractories)

ب) مخلوط هاي کوبيدني (Ramming Mixes)

ج) مخلوط هاي قابل ريختن (Castable)

د) مخلوط هاي پاشيدني (Gunning Mixes)

ه) مخلوط هاي محافظ (Fettling Mixes)

و) ملات ها (Mortars)

ديرگدازهاي خاص دراستفاده هاي صنعتي

5) شبه سيليسي (Semi - Silica)

1) با کارايي عالي (Suoer duty)

2) با کارايي بالا (high - duty)

3) با کارايي متوسط (Medium duty)

4) با کارايي پايين (Low - duty)

ديرگدازهاي پرآلومينا (high Alumina Refractories)

a. آجر مولايتي ( Mullite Brick)

اين آجر معمولا داراي درصد بسيار بالايي فاز مولايت هستند.

b. آجرهاي با بايندر شيميايي (chemically - bonded Bricks)

اين نوع آجرها معمولا داراي بايندر فسفاتي است و معمولا داراي 75 - 85 در صد آلومينا ست

c. آجر آلومينا -کروميتي (alumina - chrom brick)

d. آجر کربن –آلومينايي (Alumina - Carbon Brick)

آجر سيليسي (Silica brick)

کربنات منيزيم (Magnesite)

جدول مقايسه اي يک : نشان دهنده ي تفاوت کربنات منيزيم مختلف است .

اکسيد منيزيم چگونه توليد مي شود؟

دولوميت (Dolomite)

ديرگدازهاي اکسيدي

ديرگدازهاي مونو ليتيک (Monolitic Refractories)

مواد عايق کننده (Insulating materials)

الياف سراميکي (Ceramic Fibers)

انتخاب ديرگدازها (Selection of refractories)

ديرگدازها در کوره ها و پاتيل ها

اثرعايق کاري بر روي دماي ديرگدازها

شکل يک نشان دهنده ي ضريب اتلاف گرمايي براي شرايط زير است :

اتلاف گرمايي از جداره ي کوره به عوامل زير بستگي دارد :

کاربرد مواد ديرگداز

فولاد و آهن

1) زير اجاقي (Sub bearth)

2) بخش اصلي کوره (Working hearth)

ديواره هاي کناري

ديواره ي کناري اصلي

نقاط داغ

خط سرباره

دريچه هاي مشعل و خروجي سرباره

سقف

نازل ها

صنعت مس

فرآيند ذوب (Smelting Proces)

کنورتور:

صنعت آلومينيوم

صنعت سيمان

صنعت شيشه

سقف :

ريژنراتورها (Regenerators)

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:14 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید آلومینیوم (Al2O3)-اصل مقاله

خواص

ساختار

تولید

روش بایر برای تولید پودر آلومینا

مشکلات روش بایر

ویژگی های کلیدی آلومینا

هیدروکسیدهای آلومینیوم

گریدهای تجاری آلومینا

آلومینای گرید اسملتر (Smelter grade alumina)

آلومینای کلسینه شده (Calcined alumina)

آلومینای با اکسید سدیم کم (low soda alumina)

آلومینای راکتیو (reactive alumina)

آلومینای تابولار (Tabular alumina)

آلومینای فیوزد (Fused alumina)

آلومینای حباب دار (bubble alumina)

آلومینای اکتیو (active alumina)

آلومینای با خلوص بالا (high purity alumina)

آلومينا در زمينه هاي مختلف صنعتي کاربرد دارد. در ادامه اشاره اي به برخي از کاربردهاي آن در صنعت داريم:

1) ديرگدازها

2) ساينده ها

3) کاربردهاي الکتريکي

4) کاربردهاي بيومتريالي

5) کاربردهاي ويژه

نتيجه گيري

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:6 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید آلومینیوم (Al2O3)-اصل مقاله

خواص

ساختار

تولید

روش بایر برای تولید پودر آلومینا

مشکلات روش بایر

ویژگی های کلیدی آلومینا

هیدروکسیدهای آلومینیوم

گریدهای تجاری آلومینا

آلومینای گرید اسملتر (Smelter grade alumina)

آلومینای کلسینه شده (Calcined alumina)

آلومینای با اکسید سدیم کم (low soda alumina)

آلومینای راکتیو (reactive alumina)

آلومینای تابولار (Tabular alumina)

آلومینای فیوزد (Fused alumina)

آلومینای حباب دار (bubble alumina)

آلومینای اکتیو (active alumina)

آلومینای با خلوص بالا (high purity alumina)

آلومينا در زمينه هاي مختلف صنعتي کاربرد دارد. در ادامه اشاره اي به برخي از کاربردهاي آن در صنعت داريم:

1) ديرگدازها

2) ساينده ها

3) کاربردهاي الکتريکي

4) کاربردهاي بيومتريالي

5) کاربردهاي ويژه

نتيجه گيري

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:6 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید آلومینیوم (Al2O3)-اصل مقاله

خواص

ساختار

تولید

روش بایر برای تولید پودر آلومینا

مشکلات روش بایر

ویژگی های کلیدی آلومینا

هیدروکسیدهای آلومینیوم

گریدهای تجاری آلومینا

آلومینای گرید اسملتر (Smelter grade alumina)

آلومینای کلسینه شده (Calcined alumina)

آلومینای با اکسید سدیم کم (low soda alumina)

آلومینای راکتیو (reactive alumina)

آلومینای تابولار (Tabular alumina)

آلومینای فیوزد (Fused alumina)

آلومینای حباب دار (bubble alumina)

آلومینای اکتیو (active alumina)

آلومینای با خلوص بالا (high purity alumina)

آلومينا در زمينه هاي مختلف صنعتي کاربرد دارد. در ادامه اشاره اي به برخي از کاربردهاي آن در صنعت داريم:

1) ديرگدازها

2) ساينده ها

3) کاربردهاي الکتريکي

4) کاربردهاي بيومتريالي

5) کاربردهاي ويژه

نتيجه گيري

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:6 توسط مهندس ایمان رستگار |

آلومينا-قسمت اول

خواص

ساختار

تولید

روش بایر برای تولید پودر آلومینا

مشکلات روش بایر

ویژگی های کلیدی آلومینا

هیدروکسیدهای آلومینیوم

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:3 توسط مهندس ایمان رستگار |

آلومينا-قسمت دوم

گریدهای تجاری آلومینا

آلومینای گرید اسملتر (Smelter grade alumina)

آلومینای کلسینه شده (Calcined alumina)

آلومینای با اکسید سدیم کم (low soda alumina)

آلومینای راکتیو (reactive alumina)

آلومینای تابولار (Tabular alumina)

آلومینای فیوزد (Fused alumina)

آلومینای حباب دار (bubble alumina)

آلومینای اکتیو (active alumina)

آلومینای با خلوص بالا (high purity alumina)

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:2 توسط مهندس ایمان رستگار |

آلومينا-قسمت سوم

آلومينا در زمينه هاي مختلف صنعتي کاربرد دارد. در ادامه اشاره اي به برخي از کاربردهاي آن در صنعت داريم:

1) ديرگدازها

2) ساينده ها

3) کاربردهاي الکتريکي

4) کاربردهاي بيومتريالي

5) کاربردهاي ويژه

نتيجه گيري

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 17:1 توسط مهندس ایمان رستگار |

ديرگدازهاي زيرکونيايي

مقدمه

مواد سراميکي با دانسیته ي پايين، کامپوزيت هاي سراميکي و الياف به طور گسترده اي درکاربردهاي دما بالا استفاده مي شوند. اين مواد به خاطر خواص ديرگدازيشان شناخته مي شوند. همچنين اين مواد رسانايي گرمايي پاييني داشته و مقاومت بالايي دربرابر حملات شميايي دارند. نقطه ذوب بالا و خواص شيميايي استثنايي زيرکونيا نشاندهنده ي کاربردآن به عنوان دير گداز است. به هر حال استعاله فازي تتراگونال - مونوکلينيک و تغيير ناشي از آن مانع از استفاده از زيرکونياي پايدار نشده به صورت بالک است. (شکل 1)

ديرگدازهاي زيرکونيايي

- زيرکونيا به عنوان يک افزودني ديرگداز و افزايش مقاومت به شک حرارتي

اين مسئله متداول است که پودر نرم زيرکونيا را براي افزايش مقاومت به شک حرارتي به ساير سراميک ها اضافه کنيم. اين ماده به آلومينا اضافه مي شود و از آن والوهاي لغزنده ي تنظيم کننده ساخته مي شود که اين والوها در بخش اصلي فرآيند ريخته گري مدام فولاد استفاده مي شوند. همچنين از اين ترکيبات کامپوزيتي در ساخت نازل ها و استاپرهاي انتقال دهنده و نگهدارنده ي قطعات فولادي گرم استفاده مي شود. اين قطعات هم تحت تأثير شک حرارتي و هم ايروژن قرار مي گيرند و استفاده از ساير مواد در اين مکان ها امکان پذير نيست زيرا امکان شکست آنها بالاست.

- نحوه ي عملکرد ديرگدازهاي تافنس يافته بوسيله ي زيرکونيا

اين تصور وجود دارد که ويژگي هاي فوق العاده ي ديرگدازهاي تافنس يافته بوسيله ي زيرکونيا به خاطر بوجود آمدن ميکروترک ها در نزديک ذرات زيرکونيا بوجود مي آيد. اين ميکروترک ها باعث جلوگيري از گسترش ترک هاي بوجود آمده از تنش هاي گرمايي مي شوند. بنابراين اين ديرگدازها اگر چه استحکام بسيار بالايي ندارند ولي قابليت جلوگيري از گسترش ترک را دارا مي باشند. و از اين رو کاربردهاي فراواني در بخش هاي مهم صنعتي يافته اند.

- محصولات ديرگداز زيرکونيايي

زيرکونياي مورد استفاده در صنعت ديرگداز بوسيله ي دو روش توليد مي شود. يک اکسيد پايدار کننده مثلا Mog به ميزان مطلوب (مثلا 6% مولي) به زيرکونيا افزوده مي شود. نمونه به صورت خشت د رآمده و در دماي بالاتر از1600درجه سانتیگراد سوزانده مي شود. اين عمل باعث مي شود بخش عمده اي از زيرکونيا به فاز کيوبيک تبديل شود.
خشت سوزانده شده سپس در يک بال ميل خردايش يافته تا اندازه ي ذرات آن به زير 10 ميلي متر برسد. (محيط خردايش از جنس فولاد است). پودر حاصله سپس بوسيله ي محلول آبي اسيد کلريدريک (HCI) شسته مي شود تا ناخالصي هاي آن جداسازي گردد. پودر حاصله بوسيله ي فرآيند ريخته گري استفاده مي شود. محصول خشک شده به اندازه ي 2-4 درصد سرينکيج پيدا مي کند همچنين فرآيند پخت آن که به طور نمونه وار در دماي 1900C°انجام مي شود باعث انقباضي 15% در نمونه مي شود.

- زيرکونياي پايدار شده ي فيوزد

زيرکونياي پايدار شده ي فيوزد مي تواند با استفاده از فرآيند قوس الکتريکي توليد شود. محصول حاصله بيش از 90% فاز کيوبيک دارد بنابراين اين محصول مي تواند در برابر سيکل هاي حرارتي تکرار شونده مقاومت کند. ودماي 2400درجه سانتیگراد را تحت اتمسفر اکسيدي تحمل کند. گرانول هايي از جنس اين ماده را مي توان به عنوان ديرگدازهاي عايق حرارتي (درکوره هاي با دماي بسيار بالا) استفاده کرد. اين گرانول ها را همچنين مي توان آسياب کرد و به صورت ديرگدازهاي بالک زينتر نمود.

- ناپايدار شدن ديرگدازهاي پايدار شده

زيرکونياي پايدار شده در دماهاي بالا خاصيت آمفوتري خود را حفظ کرده ودر برابر سرباره هاي بازي و اسيدي و شيشه هاي مذاب مقاوم است ولي اين ماده در تماس طولاني مدت با ديرگدازهاي سيليسي و آلومينا سيليکاتي ناپايدار مي گردد.(در دماهاي بالاي 1400C° درجه)
بهترين ماده ي پخته شده ي ديرگداز براي کاربردهاي با دماي بسيار بالا و ديواره هاي ديرگداز ، آجرهاي زير کونيا پايدار شده هستند که به صورت موادي متخلخل به مصرف مي رسند.

- الياف ديرگداز زيرکونيايي

اخيرا ً مواد عايقی در دسترس است که اين مواد عايق داراي دانسيته ي پايين، رسانايي گرمايي پايين هستند و در اشکال مختلفي مانند فيبر، کاغذ ، نمد (felt) ، مقوا (board) و... توليد مي شوند. زيرکونياي مورد استفاده در اين کاربردهاي محلول جامد زيرکونياي کيوبيک به همراه افزودني اکسيد ايتريا است. نمونه ي با خلوص بالا از اين نوع زيرکونيا را مي توان تا دماي بالاتراز 2100C° استفاده کرد.
مواد ديگري مانند زيرکونيا با بايندر زيرکن نيز در اين کاربردها استفاده مي شوند. اما اين مواد دماي کاربري بين 1650C° -1700دارند.

- توليد الياف زيرکونيايي

فرآيند توليد الياف زيرکونيايي فرآيندي انحصاري است. اگر چه جزئياتي از آن انتشار داده شده است که اين جزئيات حالتي کلي از فرآيند توليد است.
تکنيک هاي ابداعي توليد از يک ماده ي اوليه ي آلي و در حالت فيبر (مانند نايلون) شروع مي شود. فيبر آلي با يک محلول از زيرکونيوم کلرايد و ايتريم کلرايد تلقيح مي شود. (اين ماده در يک شابلن (نخ) قرار مي گيرد). پس از خشک شدن نمک هاي فلزي در داخل فيبر آلي رسوب کرده که مي توان بخش آلي را سوزاند. فيبر جديد پس از اين فرآيند در دماي مناسب ( C°1300 800-) درجه پخت مي گردد.
در طي فرآيند پخت عمل کريستا ليزاسيون انجام مي شود و در نهايت ذرات سراميکي زنیتر گشته و پيوند سراميکي پديد مي آيد.

- خواص و شکل هاي موجود از ديرگدازهاي فيبري زيرکونيا

اين مواد را مي توان به صورت اشکال مرسوم توليد نمود در واقع مي توان اين مواد را به صورت فيلامنت هاي تکي يا به صورت صفحات صلب و يا اشکال تهيه نمود. اين مواد داراي ويژگي هاي برجسته اي مانند پايداري بالا در دماهاي نزيک به نقطه ي ذوب آن (c∘ 2600 ≃)، مقاومت به خوردگی در برابر قلیایی ها و بسیاری از مواد شیمیایی و تر نشدن در برابر طیف گسترده ای از فلزات مذاب هستند.

- کاربردهای دیرگدازهای فیبری زیرکونیا و عایق کاری

کاربران این نوع از زیرکونیا بسیار متنوع و گسترده است. این مواد در عایق های گرمایی با راندمان بالا گرفته تا در جدا کننده های باطری هواپیما، فیلترهای گاز داغ و دیافراگم های الکترولیز کاربرد دارند. یک کاربرد خاص از این مواد که هنوز در مرحله ی آزمایشی است، استفاده از آنها در بخش تحتانی رآکتور اتمی است. این فرم از زیرکونیا در رآکتور اتمی مانند یک پوشش حرارتی شیمیایی عمل می کند.

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:59 توسط مهندس ایمان رستگار |

ديرگدازهاي زيرکونيايي

مقدمه

ديرگدازهاي زيرکونيايي

- زيرکونيا به عنوان يک افزودني ديرگداز و افزايش مقاومت به شک حرارتي

- نحوه ي عملکرد ديرگدازهاي تافنس يافته بوسيله ي زيرکونيا

- محصولات ديرگداز زيرکونيايي

- زيرکونياي پايدار شده ي فيوزد

- ناپايدار شدن ديرگدازهاي پايدار شده

- الياف ديرگداز زيرکونيايي

- توليد الياف زيرکونيايي

- خواص و شکل هاي موجود از ديرگدازهاي فيبري زيرکونيا

- کاربردهای دیرگدازهای فیبری زیرکونیا و عایق کاری

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:58 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیر کونیوم -اصل مقاله

اکسید زیر کونیوم((zrO_2 که گاهی مواقع به آن زیر کونیا گفته می شود اکسیدی سفید رنگ از فلز زیرکونیوم است. زیر کونیا به صورت اکسید خالص در طبیعت وجود ندارد. این ماده در کافی های با دولیت (baddelyite) وزیر کن (zircon) (Zrsio_4 ) وجود دارد. این دوکانی طبیعی منابع عمده ی تأمین کننده ی زیرکونیا هستند. گستردگی منابع زیر کن بسیار زیاد است اما این کانی خلوص کمتری داشته وازاین رواستفاده از آن نیاز به فرایندهای آماده سازی زیادی است.
فراوری زیر کونیا نیازمند جدا سازی مواد ناخاسته وخالص سازی آن است. ناخالصی های مختلفی به همراه کانی های زیرکونیا دار وجود دارد. مثلاً یکی از ناخالصی های زیرکن سیلیس است.اکسید ها فنیوم نیز یکی از ناخالصی های زیر کونیا محسوب می شود. کانی با دولیت نیز دارای ناخالصی هایی همچون آهن واکسید تیتانیم می باشد. رسوبات زیرکونیا در برزیل و آفریقای جنوبی بیشتر است. ولی مقدار آن خیلی ناچیز است وارزش استخراج آن پایین است. به همین علت برای تولید اکسید زیرکونیوم باید به سراغ ترکیباتی که حاوی این اکسید است برویم. درواقع زیرکن به عنوان منبع تأمین کننده ی زیرکونیا است.زیرکن درکشورهایی مثل استرالیا، آمریکا ، هند ، سریلانکلا وجود دارد. البته زیر کن علاوه بر استفاده در تولید زیرکونیا درلعاب و... نیز کاربرد دارد. برای فراوری واستخراج زیرکونیا از زیرکن چندین روش وجود دارد که عبارتند از :
1) کلریناسیون
2) تجزیه به کمک هیدوکسیدهای قلیایی
3) ذوب قلیایی
4) تجزیه ی پلاسمایی
5) روش هم رسوبی شیمیایی
6) سایر روش ها (CVDو ...)

فازهای زیر کونیا

زیرکونیا دارای سه فاز مونوکلینیک ، تتراگونال وکیوبیک است.فازمونو کلینیک در درمای 1170C° به فاز تتراگونال و فاز تتراگونال در دمای 2370C° به فاز کیوبیک تبدیل می شود. (شکل 1)

اکسید زیر کونیوم (1)

عمده ترین فرم این ماده که در طبیعت وجود دارد مونو کلینیک است. فرم دما بالای آن (کیوبیک) به ندرت در طبیعت وجود دارد .منیرال تاز هرانیت (tazheranite) با فرمول Zr,Ti,Ca)o_2 ) یکی از مینرال هایی است که به صورت فاز کیوبیک است. از زیر کونیای کیوبیک که به صورت مصنوعی سنتز می شود به طور گسترده ای درساخت سنگ های تزئینی استفاده می شود. زیرکونیای کیوبیک شبیه ترین ماده به الماس است (شکل 2)

اکسید زیر کونیوم (1)

همانگونه که گفتیم زیرکونیا در دمای 1170C° از فاز مونوکلینک به تتراگونال تغییر فاز می دهد. این تغییر فاز با تغییر زیادی در پارامتر شبکه همراه است.یکی از پیامدهای این تغییر فاز، انبساط حجمی بزرگی است که درهنگام سرد کردن رخ می دهد وباعث می شود تولید قطعات زیرکونیای خالص امکان پذیر نباشد. (سرد کردن زیرکونیا در دمای1170C° باعث انبساط 5-3% می شود.)
برای تولید اجزای زیرکونیایی، این مسئله ضروری است که همه یا بخشی از زیرکونیا را به صورت کیوبیک یا تتراگونال تثبیت کنیم. این فرآیند تثبیت کردن بوسیله ی افزودن عوامل تثبیت کننده ایجاد می شود. افزودن مقادیر متنوعی از تثبیت کننده های فاز کیوبیک مانندMgo,CaO،O_3 Y_2 موجب تشکیل زیرکونیای تاحدی تثبیت شده (partially Stanlized Zirconia) می شود.
دربین سه فاز زیر کونیا فاز کیوبیک به لحاظ داشتن خواص ویژه از همه ی فازها شرایط بهتری دارد.
ونسبت به فازهای دیگر ترجیح داده می شود ازاین روتلاش می شود تا این فاز در بدنه حفظ گردد. بعد از فاز کیوبیک فازتتراگونال شرایط بهتری نسبت به فاز مونو کلینیک دارد.استفاده از اکسیدهای تثبیت کننده باعث باقی ماندن فازهای دما بالا دردمای اتاق وتولید قطعات با خواص ممتاز می شود.
اگردر دمای پایین ما تنها فاز کیوبیک یا تتراگونال داشته باشیم به آن زیرکونیای به طور کامل پایدار شده (Fully Stablized zirconia) می گوییم.
با استفاده از زیرکونیلی به طور کامل پایدار شده (FSZ) یا زیر کونیای تا حدی پایدار شده ( PSZ ) را می توان بدنه های پایدار تهیه کرد. این بدنه ها خواص ممتازی دارند که در ادامه به آنها می پردازیم.
افزوده شدن اکسیدهای تثبیت کننده سبب تشکیل محلول جامد می شود که در این حالت توجه به حد حلالیت اکسید در زیر کونیا یکی از مسائل مهم می باشد. لازم به ذکر است که افزایش Ca و Co می تواند سختی زیرکونیا را به طور قابل توجهی افزایش دهد. همچنین Mg می تواند چقرمگی را افزایش دهد ( KIC را افزایش می دهد)

ویژگی های کلیدی

ویژگی های خاص زیرکونیا که موجب استفاده از آن درکاربردهای متنوعی می شود عبارتند از:
1) استحکام بالا
2) تافنس شکست بالا
3) مقاومت سایشی استثنائی
4) سختی بالا
5) مقاومت شیمیایی استثنایی
6) تافنس بالا
7) دیرگدازی بالا
8) رسانایی یونی (یون اکسیژن)خوب
ویژگی های مهم سرامیک های زیرکونیایی به درجه تثبیت شدن ونوع تثبیت کننده وفرآیند تولید آن بستگی دارد.در جدول 1 ویژگی های چند نمونه از زیر کونیا آورده شده است.

اکسید زیر کونیوم (1)

علاوه برخصوصیات بیان شده در بالا برخی از ویژگی های زیرکونیا وجود دارد که باعث شده است این ماده یکی از مواد مهندسی پرکاربرد باشد. این ویژگی ها عبارتند از :
1) رفتار اصطلاکی مناسب
2) نداشتن خاصیت مغناطیسی
3) عایق الکتریکی بودن
4) رسانایی گرمایی پایین

انواع زیرکونیا

انواع مختلفی از زیر کونیا وجود دارد. این نوع های مختلف از زیر کونیا بوسیله ی محققین وتولید کنندگان ارائه گشته است.در واقع محققین برای بدست آوردن خواص مختلف، انواع مختلفی از زیر کونیا با فازهای مختلف تولید کرده اند. برخی از این فازها تنها در دماهای بالا پایدارند وبایدبه نحوه ای آنها را سرد کرد که بتوان این فازها را در دمای اتاق داشته باشیم. برخی از انواع زیر کونیا بوسیله ی مکانیزم های تافنینگ زیر کونیا تولید می گردند . برخی از آنها درجدول 2 به صورت لیست وار آورده شده است. اکسید های پایدار کننده مورد استفاده دراین مواد معمولاً به صورت پیشوند به حروف اختصاری جدول 2 افزوده می شود. برخی اوقات درصد ماده ی تثبیت کننده نیز ذکر می شود. مثال هایی از حروف اختصاری که به همراه انواع مختلف زیر کونیا استفاده می شوند عبارتند از A,Mg,Ce,Y که به ترتیب بدین معنا هستند . (Y_2 O_3،MgO,〖CeO〗_2، 〖AI〗_2 O_3 )
عبارت زیر 3Y-TZP بدین معنا ست که این محصول زیرکونیای تتراگونال و پلی کریستالی است که 3 درصد مولی (Y_2 O_3 ) دارد.

اکسید زیر کونیوم (1)

مقایسه ی خواص
درجدول 3 خواص گریدهای مختلف زیر کونیا آورده شده است.که این اطلاعات از منابع مختلفی گرد آوری وترکیب شده اند.

اکسید زیر کونیوم (1)

به هر حال همانند اکثر سرامیک ها، خواص مواد زیرکونیای نیزتابع فاکتورهای بسیاری مانند پودر اولیه و روش تولید و... است اکثر روش های تولید سرامیک ها برای زیرکونیا استفاده می شود مثلاً این روش ها عبارتند از : پرس خشک، پرس ایزو استاتیک، قالب گیری تزریقی، اکستروژن وریخته گری نواری در طی فرآیند تولید ممکن است ناخالصی هایی به بدنه افزوده شود که این ناخالصی ها خواص بدنه را کاهش می دهند.

کاربردها

همانگونه که پیش از این گفته شد زیرکونیای خالص به خاطر استحکام پایین کاربرد ندارد. ولی افزوده شدن برخی ازاکسیدها باعث بهبود خواص مکانیکی آن می گردد.
دربرخی موارد، فاز تتراگونال می تواند فازی نیمه پایدار باشد. اگر میزان کافی از فاز تتراگونال نیمه پایدار در بدنه وجود داشته باشد وتنشی برآن اعمال شود، با افزایش میزان تنش درنوک ترک تبدیل فازی تتراگونال به مونوکلینیک رخ می دهد وافزایش حجم اتفاق می افتد. این افزایش حجم موجب می شود ترک تحت فشار قرار گرفته شود واز رشد آن جلوگیری شود. این مسئله موجب افزایش تافنس شکست می شود. این مکانیزم، مکانیزم افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیر کونیا نامیده می شود. و می تواند موجب افزایش قابلیت اطمینان وعمر مفید محصولات تولیدی بوسیله ی زیر کونیای پایدار شده بشود.
یک نمونه ی خاص از زیر کونیا، زیر کونیای تتراگونال و پلی کریستال (zirconia polycrystalline tetragonal) نامیده می شود که به اختصارTZP نامیده می شود همانگونه که از اسم این نوع زیر کونیا معلوم است TZP ، زیر کونیایی است که به صورت پلی کریستال بوده وتنها از فاز نیمه پایدار تتراگونال تشکیل شده است.
فاز کپوبیک زیرکونیا همچنین دارای رسانایی گرمایی بسیار پایینی است. این مسئله منجر می شود تا از این ماده به عنوان پوشش مانع در برابر حرارت (TBC) در جت وموتورهای دیزل استفاه شود.استفاده از زیرکونیای کیوبیک دراین کاربردها اجازه می دهد تا دمای کاربری این وسایل را افزایش دهیم و بازده موتور را بالا ببریم (این مسأله از لحاظ ترمودینامیکی ثابت گشته است) در سال 2004 ، یک گروه تحقیقاتی بزرگ مشغول بهبود کیفیت و دوام این پوشش ها شدند. این نوع پوشش ها به عنوان ماده دیرگداز ، عایق، ساینده وبه عنوان لعاب فلزی وسرامیکی مصرف می شود. زیرکونیای پایدار شده در سنسورهای اکسیژن وغشاء های سلول سوختی استفاده می شوند. علت استفاده از آن دراین کاربردها این است که این ماده اجازه ی عبور آسان یون های اکسیژن را از میان ساختارش ( در دمای بالا) می دهد. این رسانایی یونی بالا (و رسانایی الکتریکی پایین) باعث می شود تا این ماده به عنوان یک الکتروسرامیک مهم مطرح گردد.
گاف انرژی زیرکونیا به نوع فاز (کیوبیک ، تتراگونال ، مونوکلینیک یا آمورف) و روش تولید بستگی دارد. مقدار این گا فسا بین7-5ev است.
این ماده همچنین درتولید زیر ساختارهای مورد استفاده درساخت و ترمیم دندان ها مانند تاج دندان واتصالات دندانی مصرف می شود. این زیرساختارها معمولاً بوسیله ی پرسلان های فلرسپاتی مرسوم پوشش دهی می شوند.
دی اکسید زیرکونیوم می تواند به صورت یک پودر سفید رنگ باشد که دارای خواص آمفوتری است. با توجه به نقطه ذوب بالا وخاصیت درخشان بودن، این ماده در تولید اجزای چراغ استفاده می شود. زیرکونیا یک ماده ی مهم دی الکتریک مهم می باشد. در واقع زیرکونیا یک دی الکتریک بالای بالاست .
(high-k-dielectric). این پیش بینی می شود که بتوان از آن به عنوان عایق ترانسیستور در وسایل نانوالکتریکی استفاده کرد.
درادامه به بیان برخی از کاربردهای زیرکونیا می پردازیم.

چاقو و قیچی ها

یکی از مشکلات عمده چاقو ها و قیچی های فلزی هنگامی ایجاد می شود که بخواهیم با یک چاقوی فلزی یک ماده ی با تافنس بالا مانند یک تکه پارچه ی کولار را ببریم. ویا بخواهیم تعداد زیادی برگه ی کاغذی را ببریم. دراین موارد معمولاً وسیله ی برش به سرعت کند می شود وکارایی خود را از دست می دهد.
چاقوها وقیچی های زیرکونیایی یک ماده ی مناسب برای این کاربردها هستند. این وسایل دیرتر کند می شوند. وزمان زیادتری تند باقی می مانند.
ویژگی های کلیدی که باعث می شود که زیرکونیا یک ماده ی مناسب برای این کاربردها باشد عبارتند از :
1) استحکام وتافنس شکست بالا به همراه سختی بالا (این سختی معمولاً بیشتر از موادی است که می خواهیم آنها را ببریم.)
2) اندازه ی دانه های ریز(ریزساختار مناسب) که باعث می شود بتوانیم گوشه های تیز بوجود آوریم
3) اثر افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا در لبه های ماشین کاری شده ی وسایل که موجب افزایش تافنس می شود.
کاربر دهای مشابه برای زیر کونیا عبارتند از تیغه های برنده ی فیلم های پلاستیکی ونوارهای مغناطیسی وسایر مواد ساینده
زیرکونیا همچنین در ساخت وسایل برنده ی کامپوزیتی وچرخ ها ساینده کاربرد دارد.

درزگیر و قطعات پمپ و واشرها

انتقال دوغاب ومواد شیمیایی خورنده یکی از مشکلاتی است که صنایع با آن روبرو هستند. دما وفشار بالای این محلول ها موجب پدید آمدن شرایط بسیار خورنده وفعال می شود. ویژگی های کلیدی که باعث می شود زیرکونیا یک ماده ی مناسب برای این کاربردها باشد عبارتند از:
1) مقاومت شیمیایی بالا
2) سختی بالا و مقاومت به سایش
3) سطح پایانی مناسب ومقاوم در برابر ایجاد رسوب که باعث می شود اصطکاک محلول با بدنه به حداقل برسد.
4) تافنس بالا که موجب جلوگیری از خسارت در هنگام برخورد قطعات جامد درحین کارمی شود.
5) ایمپلنت های ارتوپدی
زیرکونیا د رمفصل گوی و کاسه ای ران وبه عنوان گوی استفاده می شود. استحکام بالا وتافنس بالا اجازه می دهد تا اندازه ی امپلنت مفصل ران کوچکتر شود.این کوچکترشدن نیز باعث افزایش کارایی مفصل می شود . قابلیت پولیش خوردن این نوع امپلنت ها باعث می شود تا اصطکاک ناخواسته ی بوجود آمده در بخش های مختلف امپلنت کاهش یابد.
خنثی بودن شیمیایی این ماده دربرابر محیط های فیزیولوژیکی احتمال پدید آمدن عفونت ها را در این امپلنت ها کاهش می دهد.به خاطر همین مسئله تنها از ماده ی اولیه ی با رادیو اکتیوتیدی پایین می توان در تولید این گونه امپلنت ها استفاده کرد.

کاربردهای دیرگداز

پودر زیر کونیا (مونوکلینیک و نسبتاً پایدار شده ) درکامپوزیت های دیرگداز استفاده می شود. تا مقاومت به شک حرارتی ومقاومت به سایش افزایش یابد. این مواد درکاربردهای ویژه مانند صفحات لغزشی خروجی فولاد مذاب، قطعات غوطه ور در فولاد مذاب مانند میله ی مسدود کننده و به عنوان اجزای فازهای غوطه وری کاربرد دارند.

کاربردهای الکتریکی

کاربردهای الکتریکی والکترونیکی زیرکونیا بر پایه ی رسانایی الکتریکی نسبتاً پایین آن و رسانایی یونی بالای (رسانایی یون اکسیژن) زیرکونیای کاملاً پایدار شده قرار دارد. این ویژگی ها باعث می شوند که از زیر کونیا برای کاربردهای زیر استفاده شود:
1) المنت های حرارتی که می توانند در اتمسفر هوا و در رنج گسترده ای از دما کار کند.
2) سنسورهای اکسیژن که براساس قانون سلول نرنست کار می کنند.
3) الکترولیت در سلولهای سوختنی اکسید جامد.

سنگ های تزئینی مصنوعی

با ذوب زیرکونیا و پالایش و کریستالیزاسیون مجدد آن ، سنگ جواهر پدید می آید. این نوع سنگ جواهر به الماس ، یاقوت سرخ و زرد و زمرد سبز شبیه است. از این نوع زیرکونیا درساخت مشعل های پلاسما استفاده می شود. کاربرد دیگر این زیرکونیا استفاده از آن به عنوان عوامل جوانه زا درشیشه سرامیک هاست.

زیر کونیا جایگزین فولاد

جایگزینی زیرکونیا به جای فولاد سبب بهبود وسایل برش، مفاصل و وسایل پزشکی می شود. زیرکونیا سرامیکی است که استحکامی شبیه به فولاد دارد وسختی و مقاومت بالایی به خوردگی دارد . با توجه به ویژگی های گفته شده زیر کونیا پتانسیل بسیار خوبی برای استفاده شدن در صنعت و پزشکی را دارد. پره های توربین آبی که از زیر کونیا ساخته شده اند مثالی از این کاربردهاست. این نوع پره ها را می توان تر وبهتر شکل دهی کرد. همچنین آنها سطحی صاف تر از نوع فولادی دارند.
تاکنون استفاده های زیر کونیا به خاطر استحکام پایین آن و پدید آمدن ترک در هنگام قراگیری آن در دمای ( 600c° -100) ودر حضور آب، محدود بوده است. در واقع زیرکونیا به خاطر پدید آمدن فرایند تخریب هیدروترمال کاربرد کمی داشته است. با ترکیب شدن تکنیک های هندی وکار در مقیاس نانو، از پدیدآمدن این فرایند جلوگیری گشته است. در واقع با افزودن درصد کمی از موادی همچون آلومینا به زیر کونیا از پدید آمدن تخریب هیدروترمال جلوگیری می شود.
در ادامه به بیان روش های افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا می پردازیم

افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا

در ابتدای این مقاله توضیحات کاملی در مورد تغییرات فازی زیرکونیا با دما صحبت کردیم. در ادامه به بیان روش های استفاده از این مکانیزم ها در افزایش تافنس می پردازیم.
برای افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا روش هایی وجود دارد که سه روش از آنها عبارتست از
1) ایجاد ترک های مویی (Micro cracking)
2) القاء و ایجاد تنش (Stress induced)
3) تحت فشار قرار دادن لایه های سطحی (Compressive Surface Layers)

1) ایجاد ترک های مویی

دراین روش از ذرات زیرکونیای تثبیت نشده درفازی سرامیکی استفاده می کنیم. در واقع ذرات تثبیت نشده در زمینه ای از یک سرامیک پایدار مانند آلومینا قرار می گیرد. ذرات زیرکونیای مورد استفاده قابلیت تغییر فاز دارند. که در هنگام سرد شدن بدنه ی اصلی، تغیر فاز تتراگونال به مونو کلینیک رخ می دهد. این تغییر فاز باعث پدید آمدن انبساطی می شود که این انبساط ترک های بسیار ریزی در زمینه بوجودمی آورد. البته اندازه ی این ترک ها درحدی نیست که قطعه بشکند. عوامل مؤثر در هنگام پدیدآمدن این ترک های ریز عبارتند از :
الف) درصد زیرکونیای پودری
ب) اندازه ی ذرات زیرکونیایی
و.....
استحکام قطعه ی تولیدی به روش بالا افزایش می یابد. در واقع اگر در بدنه ی دارای ترک های مویی ایجاد ترکی بزرگ شود، با پخش شدن نیروی ترک درهنگام برخورد با ترک های مویی، استحکام بالا می رود.
برای آنکه بدنه ی تولیدی با این استحکام مناسب را داشته باشد باید توزیع ذرات نیز درست انجام شود. توزیع نامناسب باعث رسیدن میکروترک ها به همدیگر وشکسته شدن قطعه می شوند.
همچنین اندازه ی ذرات نیز باید در حدی معین باشند. اگر ذرات ما از یک حدی بزرگتر باشند. تنش های بیشتری ایجاد می شود. وترک ها دیگر ریز نخواهند بود. که این ترک ها بسیار خطرناک هستند. اگرذرات ما از یک حدی کوچکتر باشند نیروی وارده از طرف زمینه برذرات بیشتر بوده وتغییر فاز اتفاق نمی افتد.

2) القا وایجاد تنش

این روش نیز شباهت بسیار زیادی به روش بالا دارد. در واقع روش القا و ایجاد تنش حالتی خاص از روش ایجاد تنش های مویی است. ذرات به کار برده در روش القاوایجاد تنش از حد بحرانی کوچکترند وازاین رو درحین سردکردن قطعه نمی توانند تغییر فاز دهند. ساختار بدنه ی تولیدی به روش القا و ایجاد تنش از زمینه ای سرامیکی به همراه ذرات زیر کونیایی هستند که در فاز تتراگونال قرار دارند.علت عدم تبدیلی شدن آنها به فاز مونوکلینیک این است که این ذرات نتوانسته اند. بر نیروی وارد برآنها از طرف زمینه غلبه کرده وزمینه را ترک دهند. اما هر لحظه که نیروی وارده برآنها برداشته شود فرایند تغییر فازی اتفاق می افتد. درهنگام پدید آمدن یک ترک توسط نیروی خارجی نیز همین مسئله اتفاق می افتد وتغییر فازی اتفاق می افتد . ذره با تغییر فازی انبساط یافته ونوک ترک را می بندد ورشد ترک متوقف می شود. استحاله ی اتفاق افتاده دراین فرایند از نوع استحاله های مارتنزیتی است.

3) تحت فشار قرار دادن لایه های سطحی

این روش نیز شبیه به فرآیند القا وایجاد تنش است. با این تفاوت که با انجام عملیاتی تغییر فاز تتراگونال به مونوکلینک تنها در سطح قطعه اتفاق می افتد. یعنی ذرات زیرکونیا در بدنه وارد می شوند. ودرتمام بدنه توزیع می شوند. وپس از شکل دهی بدنه عملیات زینترینگ انجام می شود. وبه خاطر اینکه اندازه ی ذرات زیر کونیا ازحد بحرانی کوچکتر است. درحالت سردکردن تبدیل تتراگونال به مونوکلینیک اتفاق نمی افتد. پس از این مرحله با انجام فرآیندی مانند پولیش کردن این تغییر فاز در لایه های سطحی انجام می شود. عمق این لایه ها می تواند از 10 الی 100 میکرون باشد.دراین حالت ریز ساختار بدین صورت است . که یک زمینه ی سرامیکی پایدار داریم که توزیعی از ذرات زیرکونیای تتراگونال درعمق قرار دارند. ودرسطح نیز به خاطر پدید آمدن استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک ترک هایی مویی پدید آمده است. این مکانیزم ترک های بوجود آمده در سطح را کنترل کرده و از گسترش سریع ترک در ساختار جلوگیری می کنند (بیشتر ترک ها در بدنه ی سرامیکی که باعث شکستن قطعه می شود از سطح شروع می شوند.
از روش های اشاره شده در بالا ، روش ایجاد ترک های مویی روشی ساده وعملی است. در واقع دو روش بعدی روش هایی ساده نیستند ودستیابی به آنها به فاکتورهای متنوعی بستگی دارد.

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:57 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیر کونیوم -اصل مقاله

فازهای زیر کونیا

اکسید زیر کونیوم (1)

ویژگی های کلیدی

اکسید زیر کونیوم (1)

انواع زیرکونیا

اکسید زیر کونیوم (1)

کاربردها

چاقو و قیچی ها

درزگیر و قطعات پمپ و واشرها

کاربردهای دیرگداز

کاربردهای الکتریکی

سنگ های تزئینی مصنوعی

زیر کونیا جایگزین فولاد

افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا

1) ایجاد ترک های مویی

2) القا وایجاد تنش

3) تحت فشار قرار دادن لایه های سطحی

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:57 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیر کونیوم (1)

فازهای زیر کونیا

اکسید زیر کونیوم (1)

ویژگی های کلیدی

اکسید زیر کونیوم (1)

انواع زیرکونیا

اکسید زیر کونیوم (1)

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:56 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیر کونیوم (1)

فازهای زیر کونیا

اکسید زیر کونیوم (1)

ویژگی های کلیدی

اکسید زیر کونیوم (1)

انواع زیرکونیا

اکسید زیر کونیوم (1)

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:55 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیر کونیوم (2)

کاربردها

چاقو و قیچی ها

درزگیر و قطعات پمپ و واشرها

کاربردهای دیرگداز

کاربردهای الکتریکی

سنگ های تزئینی مصنوعی

زیر کونیا جایگزین فولاد

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:54 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیر کونیوم (2)

کاربردها

چاقو و قیچی ها

درزگیر و قطعات پمپ و واشرها

کاربردهای دیرگداز

کاربردهای الکتریکی

سنگ های تزئینی مصنوعی

زیر کونیا جایگزین فولاد

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:54 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیرکونیوم (3)

افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا

1) ایجاد ترک های مویی

2) القا وایجاد تنش

3) تحت فشار قرار دادن لایه های سطحی

دراین حالت ریز ساختار بدین صورت است . که یک زمینه ی سرامیکی پایدار داریم که توزیعی از ذرات زیرکونیای تتراگونال درعمق قرار دارند. ودرسطح نیز به خاطر پدید آمدن استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک ترک هایی مویی پدید آمده است. این مکانیزم ترک های بوجود آمده در سطح را کنترل کرده و از گسترش سریع ترک در ساختار جلوگیری می کنند (بیشتر ترک ها در بدنه ی سرامیکی که باعث شکستن قطعه می شود از سطح شروع می شوند.
از روش های اشاره شده در بالا ، روش ایجاد ترک های مویی روشی ساده وعملی است. در واقع دو روش بعدی روش هایی ساده نیستند ودستیابی به آنها به فاکتورهای متنوعی بستگی دارد

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:54 توسط مهندس ایمان رستگار |

اکسید زیرکونیوم (3)

افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا

1) ایجاد ترک های مویی

2) القا وایجاد تنش

3) تحت فشار قرار دادن لایه های سطحی

+ نوشته شده در شنبه بیست و دوم بهمن ۱۳۹۰ ساعت 16:53 توسط مهندس ایمان رستگار |

مطالب جدیدتر مطالب قدیمی‌تر