علم سرامیک

سیلیسیم کاربید برای کاربردهای ساینده
 

کاربردهای سیلیسیم کاربید در صنعت دیرگداز
 

نازل های مشعل ساخته شده از سیلیسیم کاربید
 

نازل های اسپری کننده ی سیلیسیم کاربیدی
 

کاربرد سیلیسیم کاربید در الکترونیک قدرت
 

سیلیسیم کاربید برای کاربردهای ساینده
 

کاربردهای سیلیسیم کاربید در صنعت دیرگداز
 

نازل های مشعل ساخته شده از سیلیسیم کاربید
 

نازل های اسپری کننده ی سیلیسیم کاربیدی
 

کاربرد سیلیسیم کاربید در الکترونیک قدرت
 

مقدمه
 

برای افزایش بیشتر میزان دانسیته می توان از اشکال توخالی فیبر مانند استفاده نمود با استفاده از این اشکال می توان میزان دانسیته را به 900m^(2〖.m〗^(-3) ) رساند که این عدد در مقایسه با دانسیته ی 30-500m^(2〖.m〗^(-3) ) که در صفحات و قطعات لوله ای دیده می شود، بسیار زیاد است. بزرگترین چالشی که در تهیه ی اجزای فیبری توخالی تولید شده از مواد سرامیکی روبروی ماست، تردی این مواد است. این مسأله مخصولاً در کاربردهای صنعتی دمابالا نمود می یابد. اجزای فیبری توخالی در فرم های متخلخل و متراکم تهیه می شوند که فرم آنها بستگی به کاربردشان دارد. این نوع غشاءهای سرامیکی را می توان در زمینه هایی همچون مجزاکننده های گازی، رآکتورهای غشائی (membrane reactor)، بازیافت حلال و... استفاده کرد

فرآيندهاي غشائي
 

فرآيندهاي غشائي به عنوان يک واحد عملياتي براي گستره ي وسيعي از فرآيندهاي جداسازي صنعتي استفاده مي شود. اين فرآيندها بوسيله ي اختلاف فشار، غلظت و يا اعمال ميدان الکتريکي ميان غشاءها انجام مي شود. و از اين رو براساس نوع نيروي محرکه، اندازه ي مولکولي و يا نوع عمليات متفاوت هستند. برخي از فرآيندهاي غشائي معمولي در ادامه معرفي شده است:

جداسازي گازي
 

مخلوط هاي گازي را مي توان بوسيله ي غشاءهاي مولکولي متخلخل و متراکم جداسازي نمود. غشاءهاي سراميکي متراکم از مواد سراميکي کريستالي مانند پروسکايت (perovskites: مينرال معدني توليدي از اکسيد کلسيم و تيتانيم که به رنگ هاي زرد، قهوه اي يا خاکستري وجود دارد. برخي اوقات علاوه بر اين اکسيدها، اکسيد عناصر گروه خاک هاي کميابت مانند ايتريا و اسکانديم نيز در آن يافت مي شود) و فلئوريت (Fluorites) توليد مي شوند که اين نوع غشاءها تنها اجازه مي دهند اکسيژن يا هيدروژن از ميان شبکه ي کريستاليشان عبور کند. بنابراين اين غشاءها در برابر ساير گازها نفوذناپذيرند.
نفوذ اکسيژن از ميان غشاء سراميکي متراکم به خاطر وجود تعداد زيادي جاي خالي اکسيژن اتفاق مي افتد. اين جاهاي خالي اکسيژن بوسيله ي دپينگ (doping) و توليد حفره هاي الکتروني در دماي بالا پديد مي آيند. هنگامي که در دو طرف غشاء اختلاف فشار اکسيژن باشد، اکسيژن از قسمت با فشار بالاتر به سمت با فشار کمتر حرکت مي کند.

حرکت اکسيژن از ميان حفره ها در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر نفوذ بالک، نفوذ اکسيژن از ميان غشائي با رسانايي الکتروني و يوني نيز اتفاق مي افتد که در اين فرآيند واکنش هاي تبادل سطحي در دو سمت فقير و غني از اکسيژن رخ مي دهد. اين فرآيند داراي مراحلي همچون جذب سطحي اکسيژن، جدايش، جفت شدن و تبادل بار است. بنابراين فرآيند نفوذ از سمت با فشارجزئي اکسيژن بالاتر به سمت با فشار جزئي اکسيژن کمتر شامل مراحل زير است:
1) انتقال اکسيژن گازي از جريان گاز به سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
2) واکنش ميان اکسيژن ملکولي و جاهاي خالي اکسيژن در سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
3) نفوذ بالک اکسيژن از مقطع غشاء از جاهاي خالي
4) واکنش بين اکسيژن شبکه و حفره هاي الکتروني در سطح غشاء ( سمت با فشار پايين تر)
5) انتقال اکسيژن از سطح غشاء به داخل جريان گازي (در سمت با فشار پايين تر)
به هر حال مقاومت هاي موجود ميان فاز گازي و غشاء (در مراحل 5 گانه ي بالا) معمولاً اندک و بي اهميت است. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که در نفوذ اکسيژن تنها نفوذ بالک غشاء و واکنش سطحي بايد مد نظر قرار گيرد. به طور مشابه هنگامي که يک غشاء با رسانايي پروتني در معرض هيدروژن قرار گيرد و ميان دو سمت غشاء اختلاف فشار وجود داشته باشد، عمل انتقال اتفاق مي افتد. در اين فرآيند نيز نفوذ بالک غشاء و واکنش هاي سطحي مسائل مهمي هستند که بايد به آنها توجه خاصي کرد.
در غشاءهاي سراميکي ميکروپورس، رفتار نفوذي گاز ممکن است بواسطه ي نفوذ کندسن (Kundsen diffusion)، نفوذ سطحي، نفوذ چند لايه اي (diffusion multilayer)، نفوذ از ميان کانال هاي موئي و يا غربال هاي ملکولي اتفاق افتد. از اين رودر اين مواد نفوذ اتفاق افتاده به اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء، دماي کاربرد، فشار، طبيعت غشاء و نوع ملکول نفوذ کننده بستگي دارد. تسلسل رفتار نفوذي گاز که از نفوذ کندسن شروع و به غربا هاي ملکولي ختم مي شود با رويه ي افزايش نفوذگزيني ماده همراه است. براي تخلخل هايي که نسبت به اندازه ي ملکولي بزرگتر هستند. نفوذ بوسيله ي نفوذ کندسن کنترل مي گردد. در اين مورد گاز با توجه به سرعت ملکولي نفوذ مي کند و همچنين نفوذ با عکس ريشه ي دوم وزن ملکولي رابطه دارد. اگر جذب گازدرتخلخل هاي غشاء بالا باشد، نفوذ سطحي نسبت به نفوذ کندسن بيشتر مي شود. هنگامي که تخلخل ها داراي اندازه اي در حد قطر ملکولي باشند؛ در اين حالت غربال ملکولي بوجود مي آيد. مکانيزم غربال ملکولي وابستگي بيشتري به دما داشته و در هنگامي که اندازه ي ملکول گاز افزايش يابد، ميزان نفوذ بوسيله ي آن کاهش مي يابد.
پروپوراسيون ( Porevaporation )
پروپوراسيون يک فرآيند جداسازي است که در آن مخلوط مايع در تماس با يک سمت غشاء قرار دارد و سمت ديگر غشاء يک جريان بخار وجود دارد. (شکل 2).

به دليل وجود غشاء موازنه ي بين فاز بخار- مايع به صورت آسانتري مي باشد. (همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است). کاربرد اين روش در جداسازي مخلوط هاي مايع با دماي جوش يکسان و مخلوط هاي حساس به حرارت بيشتر ترجيح داده مي شود که در فرآيند پروپوراسيون از غشاءهاي سراميکي استفاده مي شود. زيرا اين نوع از غشاءها مزيت هايي مانند پايداري حرارتي و شيميايي بالاتر نسبت به نوع پليمري دارند. از اين رو غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماهاي بالاتر و در حضور حلال استفاده نمود. اين شرايط کاري ممکن است موجب شکسته شدن غشاءهاي پليمري گردد. غشاءهاي سراميکي پايداري مکانيکي بالاتري داشته و در مواجهه با حلال هاي مختلف متورم نمي شوند. از اين رو مي توان غلظت هاي متفاوتي از محلول ها را بواسطه ي اين غشاها جداسازي نمود. قابليت کاربرد غشاءهاي سراميکي در دماي بالا باعث مي شود ميزان سطح غشاء مورد نياز نسبت به غشاء پليمري کاهش يابد. عشاءهاي سراميکي تقويت شده محکم تر از غشاءهاي پليمري هستند. مزيت ديگر غشاءهاي سراميکي خنثي بودن آنهاست. از اين رو مي توان از آنها براي جداسازي ترکيبات بسيارواکنش پذير در شرايط اسيدي و بازي استفاده کرد.

با انجام کارهاي متنوعي که محققين انجام داده اند مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به غشاءهاي پليمري مشخص گشته است. مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به نوع پليمري عبارتند از:
1) دوام بالا در محيط کاري (اين دوام مي تواند تا چندين هفته باشد)
2) غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماي بالاتر نسبت به نوع پليمري استفاده نمود.(بيش از 300 درجه سانتيگراد)
3) سيا بيشتر محلول بر روي غشاءهاي سراميکي در حالي که خاصيت بهگزيني حفظ مي شود.

اسمز معکوس و نانو فيلتراسيون
 

فرآيندهاي اسمز معکوس (RO)، و نانوفيلتراسيون (NF) فرآيندهايي هستند که در طي آنها اجازه داده مي شود گونه اي از مواد (مانند حلال) به آساني عبور کند ولي اجازه ي عبور سايرگونه ها داده نمي شود. اين فرآيندها مي توانند به گونه اي باشند که عبور انتخابي به صورت کامل يا ناقص انجام شود. جداسازي و نفوذ حلال از ميان غشاء يک خاصيت منحصر به فرد اين غشاءهاست و به ساختار غشاء برمي گردد. تفاوت عمده ي ميان غشاءهاي اسمز معکوس و غشاءهاي نانوفيلتراسيون در اين است که رد فرآيند اسمز معکوس هر نوع ماده ي حل شده در حلال پس زده مي شود (يعني اجازه ي عبور هيچ گونه ماده ي حل شده داده نمي شود. حتي يون هاي تک ظرفيتي) در حالي که در غشاءهاي نانوفيلتراسيوني تنها امکان پس زدن يون هاي چندظرفيتي وجود دارد. (يون هاي تک ظرفيتي اجازه ي عبور از غشاء نانوفيلتراسيوني را دارند).

همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، فرآيند اسمزي يک پديده ي طبيعي است که در آن آب از ميان غشاء اسمزي و از مکان با غلظت مواد حل شونده ي کمتر است به جايي که غلظت بيشتر است، عبور مي کند تا جايي که موازنه ي اسمزي اتفاق افتد (شکل B . 4). براي ايجاد فرآيند اسمز معکوس بايد فشار مکانيکي به جريان اعمال گردد (شکل 4.c). اين فشار مکانيکي بايد از فشار اسمزي بيشتر باشد تا فرآيند اسمزي را در جهت عکس پيش ببرد. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که با استفاده از روش اسمز معکوس جداسازي آب از محلول امکان پذير است. اين فرآيند را اسمز معکوس مي گويند. کاربرد فرآيند اسمز معکوس عبارتست از: نمک زدائي از آب دريا، تصفيه ي فاضلاب، تصفيه و توليد آب با خلوص بسيار بالا.
اسمز معکوس (RO) يک تکنولوژي بسيار خوب براي تصفيه ي آب در بسياري از کاربردهاست امروزه، تنها غشاءهاي پليمري RO/NF براي اين فرآيند به صورت تجاري در دسترس است.
مشکلات عمده ي استفاده از غشاءهاي پليمري RO/NF عبارتست از:
1) جرم گرفتگي مفرط به دليل جريان آرام مايع موجود بر روي اين غشاءها.
2) مقاومت شيميايي پايين در برابر عوامل کلردار و ساير اکسيدان ها
3) اين فرآيند نياز به تعميرات و نگهداري فراواني دارد. و ضايعات فراواني نيز توليد مي کند.
4) نبود بار سطحي مناسب بر روي غشاء جهت کاهش احتمال جرم گرفتگي.
در اين زمينه استفاده از غشاءهاي سراميکي داراي مزاياي فراواني نسبت به نوع پليمري است. براي مثال غشاءهاي سراميکي مقاومت استثنائي در برابر عوامل کلردار، اکسيدان هاي داشته و در برابر تابش پرتو و حلال هاي مختلف نيز مقاوم اند. همچنين اين غشاءها داراي پايداري گرمايي و شيميايي بالاتري هستند و عمر مفيد آنها نيزبيشتر است. غشاءهاي سراميکي از بدو بوجود آمدن غشاءهاي پليمري وجود داشته اند ولي مسائلي همچون قيمت بالا، تراکم فشرده سازي (packing density) پايين و قابليت بهگزيني پايين انواع تجاري غشاءهاي سراميکي موجب گشته تا از آنها در کاربردهاي اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون استفاده نشود و اين نوع غشاءها از لحاظ اقتصادي براي اين کاربرد مناسب نباشند. اخيراً تحقيقات فراواني در زمينه ي ساخت غشاءهاي نانوفيلتراسيوني سراميکي انجام شده است و غشاءهايي از جنس اکسيد تيتانيم، زيرکونيا، سيليسي- زيرکونيا، اکسيد هافنيوم و آلومينايي (نوع گاما) توليد شده است. بيشتراين غشاءها براي جداسازي حلال هاي غير آبي در فرآيندهاي سل ژل استفاده مي شوند. در اين فرآيندها يک تکيه گاه سراميکي مزوپورس با لايه اي از اکسيد فلزي پوشش دهي مي شود تا اندازه ي تخلخل هاي پاياني تعيين گردد. اين مسئله پيشرفت بزرگي در زمينه ي کنترل اندازه ي قطر تخلخل ها است که بواسطه ي انتخاب يک محلول کلوئيدي مناسب امکان پذيراست

الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون
 

الترافيلتراسيون فرايندي است که در آن غشاءهاي متخلخل براي جداسازي اجزاي کلوئيدي يا مواد حل شونده ي با وزن ملکولي بالا از حلال استفاده مي سود. در الترافيلتراسيون ، مکانيزمي شبيه به اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون براي جدا سازي حلال از ذرات کلوئيدي استفاده مي شود. بنابراين در اين فرايند پس زدن مواد حل شونده از محلول بر اساس اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء و واکنش هاي سطحي ميان غشاء و حلال / حل شونده تعيين مي گردد. انتقال کامل حلال در اغلب موارد بوسيله ي مقاومت هاي مربوط به انتقال جرم مخصوصاً در مرز محلول کنترل مي شود. بنابراين وجود حتي مواد حل شونده در غلظت پايين مي تواند موجب اثرات عميقي بر روي نفوذ حلال داشته باشد.
اگر چه توصيف دقيقي در مورد تفاوت و مرز ميان الترافيلتراسيون و ميکروالترافيلتراسيون وجود ندارد، همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، ميکروالترافيلتراسيون فرآيند الترافيلتراسيون سنتي است و براي جدا سازي ذرات مجزا از محلول استفاده مي شود. همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، خط جداسازي ميان فيلتراسيون درشت و ميکروفيلتراسيون وجود ندارد اما حد بالاي اندازه ي تخلخل قابل قبول در حدود چند ميکرون مي باشد. حد اندازه ي پاييني در 0.1 ميکرون قرار دارد.

فيلتراسيون براي جدا سازي ذرات کوچک و غير قابل حل، باکتري ها و سلول هاي مخمر. از جريان هاي مايع استفاده مي شود. فيلترهاي عميق سنتي که به طور نمونه وار از ماتريکسي فيبري تشکيل شده اند را مي توان براي همين کار استفاده کرد اما مکانيزم جداسازي در اين فيلترها به دام انداختن و جذب سطحي مي باشد. براي فيلترهاي عميق اندازه ي تخلخل تعريف نمي شود. اما سوراخ هاي ميان الياف از اندازه ي کوچکترين ذره بزرگتر است. بنابراين باقي ماندن ذرات بر روي فيلترهاي عميق يک مسئله ي آماري است . به عبارت ديگر، غشاءهاي ميکروفيلتراسيوني داراي اندازه ي تخلخل معيني هستند و عمل جداسازي بر اساس اثر غربال گري انجام مي شود. به دليل آنکه اندازه ي تخلخل هاي موجود در اين غشاءها نسبتاً بزرگ هستند، انتقال حلال در آنها به وسيله ي همرفت انجام مي شود. سرعت انتقال حلال از ميان اين گونه غشاءها را مي توان بوسيله ي فشار ميان غشاء مقايسه کرد و بوسيله ي معادله ي hagen-Poiseuille آن را تعريف نمود. (اين مسئله در حالي صحيح است که تخلخل هاي غشاء را استوانه اي فرض کنيم.)
غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني از انواع متنوعي از پليمرها مانند سلولز استات ، سلولز فيترات، پلي اکريلونيتريل، پلي اميد، پلي اترسولفون، پلي ايميد، پلي سولفون، پلي وينيل الکل، پلي وينيليدن فلورايد و...ساخته مي شوند. غشاءهاي سراميکي نيز براي اهداف الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني ساخته شده اند. توسعه ي اين غشاءهاي سراميکي عمدتاً به دليل نياز به داشتن غشاءهايي با تحمل حرارتي و شيميايي بالاتر، انجام شد زيرا غشاءهاي پليمري محدوديت دماي استفاده شدن دارند.(معمولاً از اين غشاءها تنها در دماهاي زير200 درجه سانتي گراد مي توان استفاده نمود). علاوه بر اين اکثر پليمرهايي که در بالا اشاره شد، نمي توانند در برابر حلال هايي مانند بنزن و تولوئن مقاومت کنند. غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني سراميکي از موادي مانند اکسيد آلومينيوم، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيوم ساخته مي شوند. از اين رو اين مواد پايداري خوبي در برابر دماهاي بالا و محيط هاي شيميايي خورنده دارند. کاربردهاي ويژه ي فرايندهاي الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني که از غشاءهاي سراميکي استفاده مي کنند را مي توان در صنايعي همچون لبني، غذايي ، دارو سازي ، بيولوژيکي، رنگ، کاغذ و آب مشاهده کرد.
دو نوع عمليات در الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون وجود دارند که عبارتند از:
1) فيلتراسيون بن بستي (dead -end filtration)
2) فيلتراسيون کراس- فلو(cross-flow filtration)
همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است فيلتراسيون بن بستي تنها براي مخلوط هاي سوسپاپنسيوني با درصد جامد کم مناسب است. در حالي که فيلتراسيون کراس- فلو را مي توان براي مخلوط هاي با غلظت بسيار بالا استفاده کرد.

دياليز
 

دياليز در اصل يک فرايند نفوذ است که براي جدا سازي مواد موجود در محلول استفاده مي شود. در اين فرايند از عدم يکسان بودن غلظت در دو سمت غشاء متخلخل استفاده مي شود. بنابر اين دياليز بواسطه ي گراديان غلظت در مقط غشاء انجام مي شود. کاربرد خاص از اين فرايند در کليه ي مصنوعي است. که در شکل 3 شماتيک آن نشان داده شده است. واحد دياليز شامل يک قسمت غشائي است که اين بخش غشائي از الياف توخالي تشکيل شده است. خون از ميان فيبر توخالي حرکت مي کند و اين در حالي است که مايع دياليز از ميان پوسته ي بخش غشائي عبور مي کند. مايع دياليز با سرعت کافي در ميان پوسته جريان مي يابد به نحوي که حالت اشباع پيدا نکند. مواد سمي موجود در خون از ميان ديواره ي متخلخل نفوذ مي کند و بوسيله ي مايع دياليز خارج مي شود. قابليت نفوذ غشاء بوسيله ي خاصيت ذاتي غشاء و مواد حل شده در محلول تعيين مي گردد. به هر حال، طول، قطر داخلي و ضخامت غشاء در طراحي اين دستگاه مهم مي باشد. همچنين شرايط کارکرد مانند فشار تر غشائي (pressure teansmembrone) و سرعت جريان مايعات داخل فيبرها بايد بهينه باشد. اکثر موادي که براي ساخت غشاءهاي کليهي مصنوعي استفاده مي شوند، پليمري هستند(عمدتاً از مواد سلولزي هستند). اخيراًً غشاء هاي مصنوعي شامل پلي سولفون ، پلي متيل اکريلات و پلي اکريلو نيتريل نيز براي استفاده در دياليز توسعه يافته اند. اين پليمرها زيست سازگار پذيرتر هستند. اين غشاءهاي جديد همگي مصنوعي هستند و داراي قابليت سيلان بالايي هستند.

تاکنون گزارشي از استفاده از غشاءهاي سراميکي در آناليز داده نشده است. ولي دانشمندان پيشنهاد کردند که از غشاءهاي سراميکي براي زدايش اندوتوکسين (endotoxins) از آب دياليز (مايع دياليز) استفاده شود. علت اين پيشنهاد اين است که غشاءهاي سراميکي مقاومت بيشتري در برابر شرايط کاري سخت دارند.
الکترودياليز
الکترودياليز فرايندي است که در آن يون هاي حل شده بواسطه ي اعمال يک ميدان الکتريکي از ميان يک غشاء با خاصيت تبادل کنندگي يوني عبور مي کنند. اگر چه الکترودياليز در ابتدا با اصلاح فرايند دياليز (با استفاده از اضافه کردن دو الکترود به فرايند دياليز) شروع شد. اما اين فرايند ها به وضوح از هم متفاوت هستند. (جدول 1)

قوانين مربوط به الکترودياليز بواسطه ي آزمايشات strathmann بر روي يک نمونه ي آب شور انجام شد. همانگونه که در شکل 4 مشاهده مي شود، يک فرايند الکترودياليز متشکل از يک سري غشاء کاتيوني و آنيوني است که به صورت متفاوت قرار گرفته اند. و يک پتانسيل الکتريکي به انتهاي آنها متصل گشته است. اين سيستم براي نمک زدائي از آب شور استفاده شده است. هنگامي که آب شور شامل سديم کلرايد باشد و به داخل يک سلول معين وارد شود، کاتيون هاي با بار مثبت مانند يون هاي سديم بوسيله ي کاتد حرکت داده مي شوند. يون هاي سديم مي توانند از ميان غشاء کاتيوني با بار منفي نفوذ کرده اما بوسيله ي غشاء آنيوني با بار مثبت دفع مي گردند. به طور مشابه يون هاي با بار منفي مانند يون هاي کلر نيز به سمت آند حرکت کرده و از ميان غشاء آنودي عبور مي کنند اما بوسيله ي غشاء کاتدي دفع مي گردند. به عنوان يک نتيجه مي توان گفت که هر دو يون سديم و کلر از محفظه ي آبکي رقيق خارج شده و به محفظه ي کناري که داراي آب شور است مي روند. الکترودياليز مي تواند هم براي تغليظ نمک و هم براي توليد آب آشاميدنيي از آب شور استفاده شود.

غشاءهاي تبادل کننده ي يوني همچنين در صنعت سودسوزآور استفاده مي شود. اين غشاءها براي الکتروليز محلول سديم کلريد استفاده مي شود که محصول بدست آمده از اين فرايند سديم هيدورکسيد و کلر است. اين فرايند به صورت شماتيک در شکل 5 نشان داده شده است. همانگونه که ديده مي شود غشاء کاتدي از پليمر پرفلئورو کربن ساخته شده است. اين غشاء در مرکز محفظه ي الکتروليز قرار دارد. هنگامي که محلول سديم کلريد در سمت چپ غشاء کاتيوني اضافه شود، يون سديم به سمت کاتد جذب شده و به سمت راست غشاء منتقل مي شود. در سطح کاتد،آب به هيدورژن با بار مثبت و هيدروکسيد تجزيه مي شود. يون هاي پروتن (+ H) به سرعت به اتم هاي هيدوژن کاهش يافته که اين يون ها الکترون مورد نياز خود را از سطح کاتد دريافت مي کنند. دو هيدروژن اتمي ترکيب شده و يک ملکول هيدوژن پديد مي آيد. اين ملکول ها به صورت حباب تشکيل مي گردند. همچنين محلول هيدروکسيد سديم در قسمت کاتد تشکيل مي گردد. به عبارت ديگر ، يون هاي کلر به سمت آند حرکت کرده و به محض رسيدن به آند الکترون خود را به آند داده و به اتم هاي کلر تبديل مي گردند. دو اتم کلرنيز ترکيب شده و ملکول کلر تشکيل مي شود.

فرآيندهاي الکترودياليز در ابتدا بوسيله ي غشاءهاي با گزينش يوني پليمري انجام مي شد زيرا اين نوع غشاءها داراي ويژگي هاي مطلوبي مانند مقاومت الکتريکي پايين و انعطاف پذيري مکانيکي هستند. اشکال غشاءهاي با گزينش يوني پليمري ، بهگزيني نسبتاً پايين و پايداري گرمايي پايين آنهاست. غشاءهاي سراميکي با قابليت تباد ل سديم را مي توان در دماهاي بالا و بدون اينکه آسيبي به آنها وارد شود، استفاده کرد. به هر حال ، ضخامت غشاءهاي سراميکي باعث شده است تا اين غشاءها مقاومت بالايي داشته باشند و از اين رو مصرف انرژي در آنها افزايش مي يابد. در واقع ما به خاطر اين ضخامت اين غشاءها را بالا مي بريم که به آساني شکسته نشوند. مصرف زياد انرژي در اين نوع غشاءها مصرف آنها را با اشکال مواجه کرده است. البته گروهي از پژوهشگران غشاءهاي کامپوزيتي از جنس سراميک ساخته اند که اين کامپوزيت بر روي غشائي پليمري قرار داده مي شود . همچنين اين مسئله ثابت شده است که حضور اين فيلم کامپوزيتي -سراميکي باعث افزايش بازده گشته و از بوجود آمدن رسوب جلوگيري مي کند . اين گونه غشاءهاي کامپوزيتي هم داراي مزيت هاي مواد پليمري و هم مواد سراميکي هستند.

کنتاکتورهاي غشائي
در طي فرآيندهاي غشائي مرسوم حضور غشاء با خاصيت گزينشي باعث جداسازي مايع مي شود. ولي در کنتاکتورهاي غشائي اين مسئله وجود ندارد. غشاءهاي مورد استفاده در کنتاکتورهاي غشائي خاصيت گزينشي ندارند. بنابراين در اين غشاءها جدايش عمدتاً بر اساس قوانين موجود براي تماس مواد (مثلاً تعادل فازي) انجام مي شود. شکل 1 قوانين حاکم بر اين فرآيند را نشان مي دهد . همانگونه که ديده مي شود غشاءهاي متخلخل دو سيال (گاز يا مايع) را از همديگر جداسازي مي کنند که در اين فرآيند نفوذ بوسيله ي انتقال جرم اتفاق افتاده است. بر اساي نوع ماده ي مورد استفاده در ساخن غشاء، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار اعمالي در فرآيند، تخلخل هاي غشاء مي توانند بوسيله ي سيال پر شوند که اين مسئله باعث ايجاد تفاوت زيادي در مقاومت انتقال جرم و غشاء مورد استفاده مي شود.

کنتاکتورهاي غشائي يک تکنولوژي است که در آن غشاءهاي متخلخل به عنوان مواد بسته بندي در انتقال جرم بين فازها استفاده مي شود. بنابراين تمام فرآيندهاي جداسازي مرسوم گازي و فرآيندهاي جذبي ، تقطير ، عصاره گيري مايع- مايع ، امولسيون سازي ،کريستاليزاسيون و کاتاليزورهاي انتقال فاز (PHASE TRANSFER CATALYSIS) بوسيله ي کنتاکتورهاي غشائي انجام مي شود.
عملکرد کنتاکتورهاي غشائي به طور زيادي به خواص غشاء ، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار بکار برده شده در عمليات بستگي دارد. عموماً يک غشاء با اندازه ي تخلخل هاي نسبتاً يکسان که سطح آب گزيز دارند و براي اين فرآيند مناسب است. اين غشاء به خاطر اين بايد آبگريز باشد که از تر شدن و امتزاج ميان فازي جلوگيري شود. غشاءها با اندازه ي تخلخل بزرگ، تخلخل هاي زياد و ساختار نامتقارن باعث ايجاد جريان نفوذي بالايي مي شود اما ممکن است باعث تشکيل حباب هاي گازي در فرآيند گاز -مايع شوند. بنابراين فشارهاي عملياتي در فاز مايع بايد کاملاً کنترل شود. به خاطر آنکه از مشکلات بوجود آمده در انتخاب غشاء فرار کنيم و پيچيدگي هاي عملياتي را کاهش دهيم، بايد از کنتاکتورهاي غشائي در واحدهاي جداسازي استفاده کنيم. اين کنتاکتورهاي غشائي داراي مزيت هايي همچون، مسافت سطح بيشتر بر واحد حجم، کنترل مستقل سرعت جريان مايع و گاز بدون غرقه سازي، ايجاد کف و هواگرفتگي هستند . عيوب اين گونه کنتاکتورها عمدتاً مربوط مي شود به وجود مقاومت عبور در برابر ماده و محدوديت هاي فشاري موجود مي باشد. کنتاکتورهاي غشائي امروزي عمدتاً از غشاءهاي پليمري ساخته شده اند زيرا قيمت آنها نسبت به نوع سراميکي پايين تر است و اين مسئله يکي از مزاياي غشاءهاي پليمري است. به هرحال اخيراً غشاءهاي فيبري توخالي که از جنس سراميک ساخته مي شوند بر اي ساخت کنتاکتورهاي غشائي استفاده شده است. اين جايگزيني باعث افزايش طول عمر کنتاکتور غشائي مي شود که يکي از مزاياي غشاءهاي سراميکي است.

گروهي از محققين از کنتاکتورهاي غشائي فيبري توخالي استفاده کرده اند تا سرعت تقطير را بالا ببرند . براساس همين مسئله سيستمي براي تقطير ابداع شده است. که در شکل 2 ديده مي شود. همانگونه که ديده مي شود اين سيستم از يک ستون يک کمک گرم کن (REBOILER) و يک کنوانسور تشکيل شده است. تنها تفاوت اين کنتاکتور اين است که ستون بوسيله ي ماده اي پر نشده است بلکه از الياف توخالي ساخته شده است. اين مسئله کاملاً واضح است که يک ستون فيبري توخالي داراي چندين مزيت نسبت به ستون هاي تقطير سنتي است. اول آنکه اين نوع ستون ها داراي سطح تماس به حجم زيادي هستند. کل اين ناحيه به صورت فعال در انتقال جرم ميان بخار و مايع شرکت مي کند. به دليل اينکه سيال همواره الياف توخالي را پر کرده اند، اين سطح تماس پايدار باقي مي ماند (حتي در جريان بسيار کم) . سوماً به دليل آنکه فاز بخار و مايع در تماس با هم نيستند هيچ گونه غرقه سازي (FLOODING) ناشي از حضور دو فاز بخار و مايع در کنار هم رخ نمي دهد. البته هنوز استفاده از الياف سراميکي توخالي متداول نشده است ولي به خاطر مزاياي سراميک نسبت به پليمر احتمال رواج اين گونه الياف توخالي سراميکي زياد است.
رآکتورهاي غشائي
يک رآکتور غشائي وسيله اي است که از ترکيب يک جداساز غشائي به همراه يک رآکتور شيميايي تشکيل شده است. البته به جاي جدا ساز غشائي مي توان از يک فرآيند توزيع نيز استفاده کرد. به دليل آنکه در رآکتورهاي غشائي واکنش شيميايي و عمليات جداسازي /توزيع در يک بخش انجام مي شود ، قيمت فرآيند توليد بسيار کاهش مي يابد . علاوه بر اين، رآکتورهاي غشائي قابليت ارتقاء فرآيند شيميايي را بوسيله ي راه کارهاي زير دارند.
1) عبور گزينشي حداقل يکي از محصولات از نقطه ي واکنش و از طريق غشاء. اين مسئله باعث مي شود تا تعادل واکنش به سمت مورد نظر حرکت کند. ( اصل لوشاتليه )
2) رساندن تنها يک واکنش دهنده ي خاص به منطقه ي واکنش باعث بهينه سازي نسبت اشباع مي شود. در واقع فرآيند شيميايي بهينه سازي گشته و اين مسئله باعث مي شود مصرف مواد اوليه(مخصوصاً مواد خاص) کاهش يابد.
همچنين در اين نوع رآکتورها کنترل ميزان محصولات فرعي نيز آسانتر است. شکل 3 دو عملکرد عمده ي رآکتورهاي غشائي نشان داده شده است.

استفاده از رآکتورهاي غشائي باعث مي شود که واکنش به صورت مورد نظر حرکت کند. اين فرآيند برگشت پذير عمدتاً براي واکنش هاي هيدروژن زدائي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي مثال هنگامي که هيدروژن در يک واکنش هيدروژن زدائي توليد مي شود، به طور مداوم از ميان غشاء نفوذگزين خارج مي گردد. با خروج مداوم هيدروژن تعادل به سمت توليد هيدروژن حرکت مي کند. اين مسئله داراي مزاياي زيادي همچون استفاده از دماي پايين تر در واکنش و افزايش طول عمر کاتاليزورها است.
استفاده از غشاءها در کنترل افزودني هاي واکنش و توزيع مناسب واکنش دهنده ها در زمينه ي واکنش هاي اکسيداسيون جزئي هيدروکربن ها انجام شده است. در اين واکنش ها با کنترل ميزان اکسيژن بوسيله ي غشاء ، از حضور مستقيم فاز گازي (اکسيژن) در واکنش جلوگيري مي شود. همچنين از رآکتورهاي غشائي در کنترل ميزان حرارت واکنش هاي گرماده نيز مي توان استفاده نمود.

در رآکتورهاي غشائي -کاتاليستي، جفت شدگي غشاء با کاتاليزور بوسيله ي سه راه انجام مي شود. همانگونه که در شکل 4 ديده مي شود اين سه راه عبارتند از:
1) همانگونه که در شکل a. 4 ديده مي شود غشاء به همراه کاتاليت مرسوم جفت شده است. غشاء به عنوان ديواره ي خنثي رآکتور استوانه اي است. اين مسئله بايد مورد توجه قرار گيرد که لايه ي بالايي غشاء که باعث تسهيل فرآيند جداسازي مي شود تنها يک بخش کوچک از ضخامت غشاء را تشکيل مي دهد و لايه ي نگهدارنده بخش اعظم لايه را تشکيل مي دهد. اين پيکر بندي عمدتاً در رآکتورهاي هيدروژن زدائي استفاده مي شوند. برخي اوقات ، کاتاليزور به صورت خمير توليد شده و بر روي بخش بالايي غشاء پوشش داده مي شود. البته در صورتي که کاتاليزور کروي نيز مصرف شود عملکرد يکسان است.
2) در اين حالت از قرارگيري، غشاء خودش از لحاظ کاتاليزوري فعال است. (همانگونه که در شکل b.4ديده مي شود) کاتاليزور فعال يک لايه ي غشائي نازک و متراکم است که بر روي تکيه گاه متخلخل رسوب داده مي شود . يک مشکل بالقوه ي اين نوع قرار گيري اين است که همه ي بخش هاي سطحي اين کاتاليزور فعال نيستند.
3) آخرين نحوه ي قرارگيري در شکل 4.c نشان داده شده است. در اين قرارگيري کاتاليزور به صورت اشباع در داخل تخلخل هاي ماده ي ميکروپورس اضافه گشته است. (حالت کاتاليزور لايه ي يا ذره اي) اين روش يکي از روش هاي مرسوم براي اضافه کردن کاتاليزور به غشاء است و براي واکنش هاي هيدروژن زدائي استفاده مي شود

مقدمه
 

برای افزایش بیشتر میزان دانسیته می توان از اشکال توخالی فیبر مانند استفاده نمود با استفاده از این اشکال می توان میزان دانسیته را به 900m^(2〖.m〗^(-3) ) رساند که این عدد در مقایسه با دانسیته ی 30-500m^(2〖.m〗^(-3) ) که در صفحات و قطعات لوله ای دیده می شود، بسیار زیاد است. بزرگترین چالشی که در تهیه ی اجزای فیبری توخالی تولید شده از مواد سرامیکی روبروی ماست، تردی این مواد است. این مسأله مخصولاً در کاربردهای صنعتی دمابالا نمود می یابد. اجزای فیبری توخالی در فرم های متخلخل و متراکم تهیه می شوند که فرم آنها بستگی به کاربردشان دارد. این نوع غشاءهای سرامیکی را می توان در زمینه هایی همچون مجزاکننده های گازی، رآکتورهای غشائی (membrane reactor)، بازیافت حلال و... استفاده کرد

فرآيندهاي غشائي
 

فرآيندهاي غشائي به عنوان يک واحد عملياتي براي گستره ي وسيعي از فرآيندهاي جداسازي صنعتي استفاده مي شود. اين فرآيندها بوسيله ي اختلاف فشار، غلظت و يا اعمال ميدان الکتريکي ميان غشاءها انجام مي شود. و از اين رو براساس نوع نيروي محرکه، اندازه ي مولکولي و يا نوع عمليات متفاوت هستند. برخي از فرآيندهاي غشائي معمولي در ادامه معرفي شده است:

جداسازي گازي
 

مخلوط هاي گازي را مي توان بوسيله ي غشاءهاي مولکولي متخلخل و متراکم جداسازي نمود. غشاءهاي سراميکي متراکم از مواد سراميکي کريستالي مانند پروسکايت (perovskites: مينرال معدني توليدي از اکسيد کلسيم و تيتانيم که به رنگ هاي زرد، قهوه اي يا خاکستري وجود دارد. برخي اوقات علاوه بر اين اکسيدها، اکسيد عناصر گروه خاک هاي کميابت مانند ايتريا و اسکانديم نيز در آن يافت مي شود) و فلئوريت (Fluorites) توليد مي شوند که اين نوع غشاءها تنها اجازه مي دهند اکسيژن يا هيدروژن از ميان شبکه ي کريستاليشان عبور کند. بنابراين اين غشاءها در برابر ساير گازها نفوذناپذيرند.
نفوذ اکسيژن از ميان غشاء سراميکي متراکم به خاطر وجود تعداد زيادي جاي خالي اکسيژن اتفاق مي افتد. اين جاهاي خالي اکسيژن بوسيله ي دپينگ (doping) و توليد حفره هاي الکتروني در دماي بالا پديد مي آيند. هنگامي که در دو طرف غشاء اختلاف فشار اکسيژن باشد، اکسيژن از قسمت با فشار بالاتر به سمت با فشار کمتر حرکت مي کند.

حرکت اکسيژن از ميان حفره ها در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر نفوذ بالک، نفوذ اکسيژن از ميان غشائي با رسانايي الکتروني و يوني نيز اتفاق مي افتد که در اين فرآيند واکنش هاي تبادل سطحي در دو سمت فقير و غني از اکسيژن رخ مي دهد. اين فرآيند داراي مراحلي همچون جذب سطحي اکسيژن، جدايش، جفت شدن و تبادل بار است. بنابراين فرآيند نفوذ از سمت با فشارجزئي اکسيژن بالاتر به سمت با فشار جزئي اکسيژن کمتر شامل مراحل زير است:
1) انتقال اکسيژن گازي از جريان گاز به سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
2) واکنش ميان اکسيژن ملکولي و جاهاي خالي اکسيژن در سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
3) نفوذ بالک اکسيژن از مقطع غشاء از جاهاي خالي
4) واکنش بين اکسيژن شبکه و حفره هاي الکتروني در سطح غشاء ( سمت با فشار پايين تر)
5) انتقال اکسيژن از سطح غشاء به داخل جريان گازي (در سمت با فشار پايين تر)
به هر حال مقاومت هاي موجود ميان فاز گازي و غشاء (در مراحل 5 گانه ي بالا) معمولاً اندک و بي اهميت است. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که در نفوذ اکسيژن تنها نفوذ بالک غشاء و واکنش سطحي بايد مد نظر قرار گيرد. به طور مشابه هنگامي که يک غشاء با رسانايي پروتني در معرض هيدروژن قرار گيرد و ميان دو سمت غشاء اختلاف فشار وجود داشته باشد، عمل انتقال اتفاق مي افتد. در اين فرآيند نيز نفوذ بالک غشاء و واکنش هاي سطحي مسائل مهمي هستند که بايد به آنها توجه خاصي کرد.
در غشاءهاي سراميکي ميکروپورس، رفتار نفوذي گاز ممکن است بواسطه ي نفوذ کندسن (Kundsen diffusion)، نفوذ سطحي، نفوذ چند لايه اي (diffusion multilayer)، نفوذ از ميان کانال هاي موئي و يا غربال هاي ملکولي اتفاق افتد. از اين رودر اين مواد نفوذ اتفاق افتاده به اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء، دماي کاربرد، فشار، طبيعت غشاء و نوع ملکول نفوذ کننده بستگي دارد. تسلسل رفتار نفوذي گاز که از نفوذ کندسن شروع و به غربا هاي ملکولي ختم مي شود با رويه ي افزايش نفوذگزيني ماده همراه است. براي تخلخل هايي که نسبت به اندازه ي ملکولي بزرگتر هستند. نفوذ بوسيله ي نفوذ کندسن کنترل مي گردد. در اين مورد گاز با توجه به سرعت ملکولي نفوذ مي کند و همچنين نفوذ با عکس ريشه ي دوم وزن ملکولي رابطه دارد. اگر جذب گازدرتخلخل هاي غشاء بالا باشد، نفوذ سطحي نسبت به نفوذ کندسن بيشتر مي شود. هنگامي که تخلخل ها داراي اندازه اي در حد قطر ملکولي باشند؛ در اين حالت غربال ملکولي بوجود مي آيد. مکانيزم غربال ملکولي وابستگي بيشتري به دما داشته و در هنگامي که اندازه ي ملکول گاز افزايش يابد، ميزان نفوذ بوسيله ي آن کاهش مي يابد.
پروپوراسيون ( Porevaporation )
پروپوراسيون يک فرآيند جداسازي است که در آن مخلوط مايع در تماس با يک سمت غشاء قرار دارد و سمت ديگر غشاء يک جريان بخار وجود دارد. (شکل 2).

به دليل وجود غشاء موازنه ي بين فاز بخار- مايع به صورت آسانتري مي باشد. (همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است). کاربرد اين روش در جداسازي مخلوط هاي مايع با دماي جوش يکسان و مخلوط هاي حساس به حرارت بيشتر ترجيح داده مي شود که در فرآيند پروپوراسيون از غشاءهاي سراميکي استفاده مي شود. زيرا اين نوع از غشاءها مزيت هايي مانند پايداري حرارتي و شيميايي بالاتر نسبت به نوع پليمري دارند. از اين رو غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماهاي بالاتر و در حضور حلال استفاده نمود. اين شرايط کاري ممکن است موجب شکسته شدن غشاءهاي پليمري گردد. غشاءهاي سراميکي پايداري مکانيکي بالاتري داشته و در مواجهه با حلال هاي مختلف متورم نمي شوند. از اين رو مي توان غلظت هاي متفاوتي از محلول ها را بواسطه ي اين غشاها جداسازي نمود. قابليت کاربرد غشاءهاي سراميکي در دماي بالا باعث مي شود ميزان سطح غشاء مورد نياز نسبت به غشاء پليمري کاهش يابد. عشاءهاي سراميکي تقويت شده محکم تر از غشاءهاي پليمري هستند. مزيت ديگر غشاءهاي سراميکي خنثي بودن آنهاست. از اين رو مي توان از آنها براي جداسازي ترکيبات بسيارواکنش پذير در شرايط اسيدي و بازي استفاده کرد.

با انجام کارهاي متنوعي که محققين انجام داده اند مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به غشاءهاي پليمري مشخص گشته است. مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به نوع پليمري عبارتند از:
1) دوام بالا در محيط کاري (اين دوام مي تواند تا چندين هفته باشد)
2) غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماي بالاتر نسبت به نوع پليمري استفاده نمود.(بيش از 300 درجه سانتيگراد)
3) سيا بيشتر محلول بر روي غشاءهاي سراميکي در حالي که خاصيت بهگزيني حفظ مي شود.

اسمز معکوس و نانو فيلتراسيون
 

فرآيندهاي اسمز معکوس (RO)، و نانوفيلتراسيون (NF) فرآيندهايي هستند که در طي آنها اجازه داده مي شود گونه اي از مواد (مانند حلال) به آساني عبور کند ولي اجازه ي عبور سايرگونه ها داده نمي شود. اين فرآيندها مي توانند به گونه اي باشند که عبور انتخابي به صورت کامل يا ناقص انجام شود. جداسازي و نفوذ حلال از ميان غشاء يک خاصيت منحصر به فرد اين غشاءهاست و به ساختار غشاء برمي گردد. تفاوت عمده ي ميان غشاءهاي اسمز معکوس و غشاءهاي نانوفيلتراسيون در اين است که رد فرآيند اسمز معکوس هر نوع ماده ي حل شده در حلال پس زده مي شود (يعني اجازه ي عبور هيچ گونه ماده ي حل شده داده نمي شود. حتي يون هاي تک ظرفيتي) در حالي که در غشاءهاي نانوفيلتراسيوني تنها امکان پس زدن يون هاي چندظرفيتي وجود دارد. (يون هاي تک ظرفيتي اجازه ي عبور از غشاء نانوفيلتراسيوني را دارند).

همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، فرآيند اسمزي يک پديده ي طبيعي است که در آن آب از ميان غشاء اسمزي و از مکان با غلظت مواد حل شونده ي کمتر است به جايي که غلظت بيشتر است، عبور مي کند تا جايي که موازنه ي اسمزي اتفاق افتد (شکل B . 4). براي ايجاد فرآيند اسمز معکوس بايد فشار مکانيکي به جريان اعمال گردد (شکل 4.c). اين فشار مکانيکي بايد از فشار اسمزي بيشتر باشد تا فرآيند اسمزي را در جهت عکس پيش ببرد. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که با استفاده از روش اسمز معکوس جداسازي آب از محلول امکان پذير است. اين فرآيند را اسمز معکوس مي گويند. کاربرد فرآيند اسمز معکوس عبارتست از: نمک زدائي از آب دريا، تصفيه ي فاضلاب، تصفيه و توليد آب با خلوص بسيار بالا.
اسمز معکوس (RO) يک تکنولوژي بسيار خوب براي تصفيه ي آب در بسياري از کاربردهاست امروزه، تنها غشاءهاي پليمري RO/NF براي اين فرآيند به صورت تجاري در دسترس است.
مشکلات عمده ي استفاده از غشاءهاي پليمري RO/NF عبارتست از:
1) جرم گرفتگي مفرط به دليل جريان آرام مايع موجود بر روي اين غشاءها.
2) مقاومت شيميايي پايين در برابر عوامل کلردار و ساير اکسيدان ها
3) اين فرآيند نياز به تعميرات و نگهداري فراواني دارد. و ضايعات فراواني نيز توليد مي کند.
4) نبود بار سطحي مناسب بر روي غشاء جهت کاهش احتمال جرم گرفتگي.
در اين زمينه استفاده از غشاءهاي سراميکي داراي مزاياي فراواني نسبت به نوع پليمري است. براي مثال غشاءهاي سراميکي مقاومت استثنائي در برابر عوامل کلردار، اکسيدان هاي داشته و در برابر تابش پرتو و حلال هاي مختلف نيز مقاوم اند. همچنين اين غشاءها داراي پايداري گرمايي و شيميايي بالاتري هستند و عمر مفيد آنها نيزبيشتر است. غشاءهاي سراميکي از بدو بوجود آمدن غشاءهاي پليمري وجود داشته اند ولي مسائلي همچون قيمت بالا، تراکم فشرده سازي (packing density) پايين و قابليت بهگزيني پايين انواع تجاري غشاءهاي سراميکي موجب گشته تا از آنها در کاربردهاي اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون استفاده نشود و اين نوع غشاءها از لحاظ اقتصادي براي اين کاربرد مناسب نباشند. اخيراً تحقيقات فراواني در زمينه ي ساخت غشاءهاي نانوفيلتراسيوني سراميکي انجام شده است و غشاءهايي از جنس اکسيد تيتانيم، زيرکونيا، سيليسي- زيرکونيا، اکسيد هافنيوم و آلومينايي (نوع گاما) توليد شده است. بيشتراين غشاءها براي جداسازي حلال هاي غير آبي در فرآيندهاي سل ژل استفاده مي شوند. در اين فرآيندها يک تکيه گاه سراميکي مزوپورس با لايه اي از اکسيد فلزي پوشش دهي مي شود تا اندازه ي تخلخل هاي پاياني تعيين گردد. اين مسئله پيشرفت بزرگي در زمينه ي کنترل اندازه ي قطر تخلخل ها است که بواسطه ي انتخاب يک محلول کلوئيدي مناسب امکان پذيراست

الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون
 

الترافيلتراسيون فرايندي است که در آن غشاءهاي متخلخل براي جداسازي اجزاي کلوئيدي يا مواد حل شونده ي با وزن ملکولي بالا از حلال استفاده مي سود. در الترافيلتراسيون ، مکانيزمي شبيه به اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون براي جدا سازي حلال از ذرات کلوئيدي استفاده مي شود. بنابراين در اين فرايند پس زدن مواد حل شونده از محلول بر اساس اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء و واکنش هاي سطحي ميان غشاء و حلال / حل شونده تعيين مي گردد. انتقال کامل حلال در اغلب موارد بوسيله ي مقاومت هاي مربوط به انتقال جرم مخصوصاً در مرز محلول کنترل مي شود. بنابراين وجود حتي مواد حل شونده در غلظت پايين مي تواند موجب اثرات عميقي بر روي نفوذ حلال داشته باشد.
اگر چه توصيف دقيقي در مورد تفاوت و مرز ميان الترافيلتراسيون و ميکروالترافيلتراسيون وجود ندارد، همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، ميکروالترافيلتراسيون فرآيند الترافيلتراسيون سنتي است و براي جدا سازي ذرات مجزا از محلول استفاده مي شود. همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، خط جداسازي ميان فيلتراسيون درشت و ميکروفيلتراسيون وجود ندارد اما حد بالاي اندازه ي تخلخل قابل قبول در حدود چند ميکرون مي باشد. حد اندازه ي پاييني در 0.1 ميکرون قرار دارد.

فيلتراسيون براي جدا سازي ذرات کوچک و غير قابل حل، باکتري ها و سلول هاي مخمر. از جريان هاي مايع استفاده مي شود. فيلترهاي عميق سنتي که به طور نمونه وار از ماتريکسي فيبري تشکيل شده اند را مي توان براي همين کار استفاده کرد اما مکانيزم جداسازي در اين فيلترها به دام انداختن و جذب سطحي مي باشد. براي فيلترهاي عميق اندازه ي تخلخل تعريف نمي شود. اما سوراخ هاي ميان الياف از اندازه ي کوچکترين ذره بزرگتر است. بنابراين باقي ماندن ذرات بر روي فيلترهاي عميق يک مسئله ي آماري است . به عبارت ديگر، غشاءهاي ميکروفيلتراسيوني داراي اندازه ي تخلخل معيني هستند و عمل جداسازي بر اساس اثر غربال گري انجام مي شود. به دليل آنکه اندازه ي تخلخل هاي موجود در اين غشاءها نسبتاً بزرگ هستند، انتقال حلال در آنها به وسيله ي همرفت انجام مي شود. سرعت انتقال حلال از ميان اين گونه غشاءها را مي توان بوسيله ي فشار ميان غشاء مقايسه کرد و بوسيله ي معادله ي hagen-Poiseuille آن را تعريف نمود. (اين مسئله در حالي صحيح است که تخلخل هاي غشاء را استوانه اي فرض کنيم.)
غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني از انواع متنوعي از پليمرها مانند سلولز استات ، سلولز فيترات، پلي اکريلونيتريل، پلي اميد، پلي اترسولفون، پلي ايميد، پلي سولفون، پلي وينيل الکل، پلي وينيليدن فلورايد و...ساخته مي شوند. غشاءهاي سراميکي نيز براي اهداف الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني ساخته شده اند. توسعه ي اين غشاءهاي سراميکي عمدتاً به دليل نياز به داشتن غشاءهايي با تحمل حرارتي و شيميايي بالاتر، انجام شد زيرا غشاءهاي پليمري محدوديت دماي استفاده شدن دارند.(معمولاً از اين غشاءها تنها در دماهاي زير200 درجه سانتي گراد مي توان استفاده نمود). علاوه بر اين اکثر پليمرهايي که در بالا اشاره شد، نمي توانند در برابر حلال هايي مانند بنزن و تولوئن مقاومت کنند. غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني سراميکي از موادي مانند اکسيد آلومينيوم، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيوم ساخته مي شوند. از اين رو اين مواد پايداري خوبي در برابر دماهاي بالا و محيط هاي شيميايي خورنده دارند. کاربردهاي ويژه ي فرايندهاي الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني که از غشاءهاي سراميکي استفاده مي کنند را مي توان در صنايعي همچون لبني، غذايي ، دارو سازي ، بيولوژيکي، رنگ، کاغذ و آب مشاهده کرد.
دو نوع عمليات در الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون وجود دارند که عبارتند از:
1) فيلتراسيون بن بستي (dead -end filtration)
2) فيلتراسيون کراس- فلو(cross-flow filtration)
همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است فيلتراسيون بن بستي تنها براي مخلوط هاي سوسپاپنسيوني با درصد جامد کم مناسب است. در حالي که فيلتراسيون کراس- فلو را مي توان براي مخلوط هاي با غلظت بسيار بالا استفاده کرد.

دياليز
 

دياليز در اصل يک فرايند نفوذ است که براي جدا سازي مواد موجود در محلول استفاده مي شود. در اين فرايند از عدم يکسان بودن غلظت در دو سمت غشاء متخلخل استفاده مي شود. بنابر اين دياليز بواسطه ي گراديان غلظت در مقط غشاء انجام مي شود. کاربرد خاص از اين فرايند در کليه ي مصنوعي است. که در شکل 3 شماتيک آن نشان داده شده است. واحد دياليز شامل يک قسمت غشائي است که اين بخش غشائي از الياف توخالي تشکيل شده است. خون از ميان فيبر توخالي حرکت مي کند و اين در حالي است که مايع دياليز از ميان پوسته ي بخش غشائي عبور مي کند. مايع دياليز با سرعت کافي در ميان پوسته جريان مي يابد به نحوي که حالت اشباع پيدا نکند. مواد سمي موجود در خون از ميان ديواره ي متخلخل نفوذ مي کند و بوسيله ي مايع دياليز خارج مي شود. قابليت نفوذ غشاء بوسيله ي خاصيت ذاتي غشاء و مواد حل شده در محلول تعيين مي گردد. به هر حال، طول، قطر داخلي و ضخامت غشاء در طراحي اين دستگاه مهم مي باشد. همچنين شرايط کارکرد مانند فشار تر غشائي (pressure teansmembrone) و سرعت جريان مايعات داخل فيبرها بايد بهينه باشد. اکثر موادي که براي ساخت غشاءهاي کليهي مصنوعي استفاده مي شوند، پليمري هستند(عمدتاً از مواد سلولزي هستند). اخيراًً غشاء هاي مصنوعي شامل پلي سولفون ، پلي متيل اکريلات و پلي اکريلو نيتريل نيز براي استفاده در دياليز توسعه يافته اند. اين پليمرها زيست سازگار پذيرتر هستند. اين غشاءهاي جديد همگي مصنوعي هستند و داراي قابليت سيلان بالايي هستند.

تاکنون گزارشي از استفاده از غشاءهاي سراميکي در آناليز داده نشده است. ولي دانشمندان پيشنهاد کردند که از غشاءهاي سراميکي براي زدايش اندوتوکسين (endotoxins) از آب دياليز (مايع دياليز) استفاده شود. علت اين پيشنهاد اين است که غشاءهاي سراميکي مقاومت بيشتري در برابر شرايط کاري سخت دارند.
الکترودياليز
الکترودياليز فرايندي است که در آن يون هاي حل شده بواسطه ي اعمال يک ميدان الکتريکي از ميان يک غشاء با خاصيت تبادل کنندگي يوني عبور مي کنند. اگر چه الکترودياليز در ابتدا با اصلاح فرايند دياليز (با استفاده از اضافه کردن دو الکترود به فرايند دياليز) شروع شد. اما اين فرايند ها به وضوح از هم متفاوت هستند. (جدول 1)

قوانين مربوط به الکترودياليز بواسطه ي آزمايشات strathmann بر روي يک نمونه ي آب شور انجام شد. همانگونه که در شکل 4 مشاهده مي شود، يک فرايند الکترودياليز متشکل از يک سري غشاء کاتيوني و آنيوني است که به صورت متفاوت قرار گرفته اند. و يک پتانسيل الکتريکي به انتهاي آنها متصل گشته است. اين سيستم براي نمک زدائي از آب شور استفاده شده است. هنگامي که آب شور شامل سديم کلرايد باشد و به داخل يک سلول معين وارد شود، کاتيون هاي با بار مثبت مانند يون هاي سديم بوسيله ي کاتد حرکت داده مي شوند. يون هاي سديم مي توانند از ميان غشاء کاتيوني با بار منفي نفوذ کرده اما بوسيله ي غشاء آنيوني با بار مثبت دفع مي گردند. به طور مشابه يون هاي با بار منفي مانند يون هاي کلر نيز به سمت آند حرکت کرده و از ميان غشاء آنودي عبور مي کنند اما بوسيله ي غشاء کاتدي دفع مي گردند. به عنوان يک نتيجه مي توان گفت که هر دو يون سديم و کلر از محفظه ي آبکي رقيق خارج شده و به محفظه ي کناري که داراي آب شور است مي روند. الکترودياليز مي تواند هم براي تغليظ نمک و هم براي توليد آب آشاميدنيي از آب شور استفاده شود.

غشاءهاي تبادل کننده ي يوني همچنين در صنعت سودسوزآور استفاده مي شود. اين غشاءها براي الکتروليز محلول سديم کلريد استفاده مي شود که محصول بدست آمده از اين فرايند سديم هيدورکسيد و کلر است. اين فرايند به صورت شماتيک در شکل 5 نشان داده شده است. همانگونه که ديده مي شود غشاء کاتدي از پليمر پرفلئورو کربن ساخته شده است. اين غشاء در مرکز محفظه ي الکتروليز قرار دارد. هنگامي که محلول سديم کلريد در سمت چپ غشاء کاتيوني اضافه شود، يون سديم به سمت کاتد جذب شده و به سمت راست غشاء منتقل مي شود. در سطح کاتد،آب به هيدورژن با بار مثبت و هيدروکسيد تجزيه مي شود. يون هاي پروتن (+ H) به سرعت به اتم هاي هيدوژن کاهش يافته که اين يون ها الکترون مورد نياز خود را از سطح کاتد دريافت مي کنند. دو هيدروژن اتمي ترکيب شده و يک ملکول هيدوژن پديد مي آيد. اين ملکول ها به صورت حباب تشکيل مي گردند. همچنين محلول هيدروکسيد سديم در قسمت کاتد تشکيل مي گردد. به عبارت ديگر ، يون هاي کلر به سمت آند حرکت کرده و به محض رسيدن به آند الکترون خود را به آند داده و به اتم هاي کلر تبديل مي گردند. دو اتم کلرنيز ترکيب شده و ملکول کلر تشکيل مي شود.

فرآيندهاي الکترودياليز در ابتدا بوسيله ي غشاءهاي با گزينش يوني پليمري انجام مي شد زيرا اين نوع غشاءها داراي ويژگي هاي مطلوبي مانند مقاومت الکتريکي پايين و انعطاف پذيري مکانيکي هستند. اشکال غشاءهاي با گزينش يوني پليمري ، بهگزيني نسبتاً پايين و پايداري گرمايي پايين آنهاست. غشاءهاي سراميکي با قابليت تباد ل سديم را مي توان در دماهاي بالا و بدون اينکه آسيبي به آنها وارد شود، استفاده کرد. به هر حال ، ضخامت غشاءهاي سراميکي باعث شده است تا اين غشاءها مقاومت بالايي داشته باشند و از اين رو مصرف انرژي در آنها افزايش مي يابد. در واقع ما به خاطر اين ضخامت اين غشاءها را بالا مي بريم که به آساني شکسته نشوند. مصرف زياد انرژي در اين نوع غشاءها مصرف آنها را با اشکال مواجه کرده است. البته گروهي از پژوهشگران غشاءهاي کامپوزيتي از جنس سراميک ساخته اند که اين کامپوزيت بر روي غشائي پليمري قرار داده مي شود . همچنين اين مسئله ثابت شده است که حضور اين فيلم کامپوزيتي -سراميکي باعث افزايش بازده گشته و از بوجود آمدن رسوب جلوگيري مي کند . اين گونه غشاءهاي کامپوزيتي هم داراي مزيت هاي مواد پليمري و هم مواد سراميکي هستند.

کنتاکتورهاي غشائي
در طي فرآيندهاي غشائي مرسوم حضور غشاء با خاصيت گزينشي باعث جداسازي مايع مي شود. ولي در کنتاکتورهاي غشائي اين مسئله وجود ندارد. غشاءهاي مورد استفاده در کنتاکتورهاي غشائي خاصيت گزينشي ندارند. بنابراين در اين غشاءها جدايش عمدتاً بر اساس قوانين موجود براي تماس مواد (مثلاً تعادل فازي) انجام مي شود. شکل 1 قوانين حاکم بر اين فرآيند را نشان مي دهد . همانگونه که ديده مي شود غشاءهاي متخلخل دو سيال (گاز يا مايع) را از همديگر جداسازي مي کنند که در اين فرآيند نفوذ بوسيله ي انتقال جرم اتفاق افتاده است. بر اساي نوع ماده ي مورد استفاده در ساخن غشاء، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار اعمالي در فرآيند، تخلخل هاي غشاء مي توانند بوسيله ي سيال پر شوند که اين مسئله باعث ايجاد تفاوت زيادي در مقاومت انتقال جرم و غشاء مورد استفاده مي شود.

کنتاکتورهاي غشائي يک تکنولوژي است که در آن غشاءهاي متخلخل به عنوان مواد بسته بندي در انتقال جرم بين فازها استفاده مي شود. بنابراين تمام فرآيندهاي جداسازي مرسوم گازي و فرآيندهاي جذبي ، تقطير ، عصاره گيري مايع- مايع ، امولسيون سازي ،کريستاليزاسيون و کاتاليزورهاي انتقال فاز (PHASE TRANSFER CATALYSIS) بوسيله ي کنتاکتورهاي غشائي انجام مي شود.
عملکرد کنتاکتورهاي غشائي به طور زيادي به خواص غشاء ، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار بکار برده شده در عمليات بستگي دارد. عموماً يک غشاء با اندازه ي تخلخل هاي نسبتاً يکسان که سطح آب گزيز دارند و براي اين فرآيند مناسب است. اين غشاء به خاطر اين بايد آبگريز باشد که از تر شدن و امتزاج ميان فازي جلوگيري شود. غشاءها با اندازه ي تخلخل بزرگ، تخلخل هاي زياد و ساختار نامتقارن باعث ايجاد جريان نفوذي بالايي مي شود اما ممکن است باعث تشکيل حباب هاي گازي در فرآيند گاز -مايع شوند. بنابراين فشارهاي عملياتي در فاز مايع بايد کاملاً کنترل شود. به خاطر آنکه از مشکلات بوجود آمده در انتخاب غشاء فرار کنيم و پيچيدگي هاي عملياتي را کاهش دهيم، بايد از کنتاکتورهاي غشائي در واحدهاي جداسازي استفاده کنيم. اين کنتاکتورهاي غشائي داراي مزيت هايي همچون، مسافت سطح بيشتر بر واحد حجم، کنترل مستقل سرعت جريان مايع و گاز بدون غرقه سازي، ايجاد کف و هواگرفتگي هستند . عيوب اين گونه کنتاکتورها عمدتاً مربوط مي شود به وجود مقاومت عبور در برابر ماده و محدوديت هاي فشاري موجود مي باشد. کنتاکتورهاي غشائي امروزي عمدتاً از غشاءهاي پليمري ساخته شده اند زيرا قيمت آنها نسبت به نوع سراميکي پايين تر است و اين مسئله يکي از مزاياي غشاءهاي پليمري است. به هرحال اخيراً غشاءهاي فيبري توخالي که از جنس سراميک ساخته مي شوند بر اي ساخت کنتاکتورهاي غشائي استفاده شده است. اين جايگزيني باعث افزايش طول عمر کنتاکتور غشائي مي شود که يکي از مزاياي غشاءهاي سراميکي است.

گروهي از محققين از کنتاکتورهاي غشائي فيبري توخالي استفاده کرده اند تا سرعت تقطير را بالا ببرند . براساس همين مسئله سيستمي براي تقطير ابداع شده است. که در شکل 2 ديده مي شود. همانگونه که ديده مي شود اين سيستم از يک ستون يک کمک گرم کن (REBOILER) و يک کنوانسور تشکيل شده است. تنها تفاوت اين کنتاکتور اين است که ستون بوسيله ي ماده اي پر نشده است بلکه از الياف توخالي ساخته شده است. اين مسئله کاملاً واضح است که يک ستون فيبري توخالي داراي چندين مزيت نسبت به ستون هاي تقطير سنتي است. اول آنکه اين نوع ستون ها داراي سطح تماس به حجم زيادي هستند. کل اين ناحيه به صورت فعال در انتقال جرم ميان بخار و مايع شرکت مي کند. به دليل اينکه سيال همواره الياف توخالي را پر کرده اند، اين سطح تماس پايدار باقي مي ماند (حتي در جريان بسيار کم) . سوماً به دليل آنکه فاز بخار و مايع در تماس با هم نيستند هيچ گونه غرقه سازي (FLOODING) ناشي از حضور دو فاز بخار و مايع در کنار هم رخ نمي دهد. البته هنوز استفاده از الياف سراميکي توخالي متداول نشده است ولي به خاطر مزاياي سراميک نسبت به پليمر احتمال رواج اين گونه الياف توخالي سراميکي زياد است.
رآکتورهاي غشائي
يک رآکتور غشائي وسيله اي است که از ترکيب يک جداساز غشائي به همراه يک رآکتور شيميايي تشکيل شده است. البته به جاي جدا ساز غشائي مي توان از يک فرآيند توزيع نيز استفاده کرد. به دليل آنکه در رآکتورهاي غشائي واکنش شيميايي و عمليات جداسازي /توزيع در يک بخش انجام مي شود ، قيمت فرآيند توليد بسيار کاهش مي يابد . علاوه بر اين، رآکتورهاي غشائي قابليت ارتقاء فرآيند شيميايي را بوسيله ي راه کارهاي زير دارند.
1) عبور گزينشي حداقل يکي از محصولات از نقطه ي واکنش و از طريق غشاء. اين مسئله باعث مي شود تا تعادل واکنش به سمت مورد نظر حرکت کند. ( اصل لوشاتليه )
2) رساندن تنها يک واکنش دهنده ي خاص به منطقه ي واکنش باعث بهينه سازي نسبت اشباع مي شود. در واقع فرآيند شيميايي بهينه سازي گشته و اين مسئله باعث مي شود مصرف مواد اوليه(مخصوصاً مواد خاص) کاهش يابد.
همچنين در اين نوع رآکتورها کنترل ميزان محصولات فرعي نيز آسانتر است. شکل 3 دو عملکرد عمده ي رآکتورهاي غشائي نشان داده شده است.

استفاده از رآکتورهاي غشائي باعث مي شود که واکنش به صورت مورد نظر حرکت کند. اين فرآيند برگشت پذير عمدتاً براي واکنش هاي هيدروژن زدائي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي مثال هنگامي که هيدروژن در يک واکنش هيدروژن زدائي توليد مي شود، به طور مداوم از ميان غشاء نفوذگزين خارج مي گردد. با خروج مداوم هيدروژن تعادل به سمت توليد هيدروژن حرکت مي کند. اين مسئله داراي مزاياي زيادي همچون استفاده از دماي پايين تر در واکنش و افزايش طول عمر کاتاليزورها است.
استفاده از غشاءها در کنترل افزودني هاي واکنش و توزيع مناسب واکنش دهنده ها در زمينه ي واکنش هاي اکسيداسيون جزئي هيدروکربن ها انجام شده است. در اين واکنش ها با کنترل ميزان اکسيژن بوسيله ي غشاء ، از حضور مستقيم فاز گازي (اکسيژن) در واکنش جلوگيري مي شود. همچنين از رآکتورهاي غشائي در کنترل ميزان حرارت واکنش هاي گرماده نيز مي توان استفاده نمود.

در رآکتورهاي غشائي -کاتاليستي، جفت شدگي غشاء با کاتاليزور بوسيله ي سه راه انجام مي شود. همانگونه که در شکل 4 ديده مي شود اين سه راه عبارتند از:
1) همانگونه که در شکل a. 4 ديده مي شود غشاء به همراه کاتاليت مرسوم جفت شده است. غشاء به عنوان ديواره ي خنثي رآکتور استوانه اي است. اين مسئله بايد مورد توجه قرار گيرد که لايه ي بالايي غشاء که باعث تسهيل فرآيند جداسازي مي شود تنها يک بخش کوچک از ضخامت غشاء را تشکيل مي دهد و لايه ي نگهدارنده بخش اعظم لايه را تشکيل مي دهد. اين پيکر بندي عمدتاً در رآکتورهاي هيدروژن زدائي استفاده مي شوند. برخي اوقات ، کاتاليزور به صورت خمير توليد شده و بر روي بخش بالايي غشاء پوشش داده مي شود. البته در صورتي که کاتاليزور کروي نيز مصرف شود عملکرد يکسان است.
2) در اين حالت از قرارگيري، غشاء خودش از لحاظ کاتاليزوري فعال است. (همانگونه که در شکل b.4ديده مي شود) کاتاليزور فعال يک لايه ي غشائي نازک و متراکم است که بر روي تکيه گاه متخلخل رسوب داده مي شود . يک مشکل بالقوه ي اين نوع قرار گيري اين است که همه ي بخش هاي سطحي اين کاتاليزور فعال نيستند.
3) آخرين نحوه ي قرارگيري در شکل 4.c نشان داده شده است. در اين قرارگيري کاتاليزور به صورت اشباع در داخل تخلخل هاي ماده ي ميکروپورس اضافه گشته است. (حالت کاتاليزور لايه ي يا ذره اي) اين روش يکي از روش هاي مرسوم براي اضافه کردن کاتاليزور به غشاء است و براي واکنش هاي هيدروژن زدائي استفاده مي شود

مقدمه
 

برای افزایش بیشتر میزان دانسیته می توان از اشکال توخالی فیبر مانند استفاده نمود با استفاده از این اشکال می توان میزان دانسیته را به 900m^(2〖.m〗^(-3) ) رساند که این عدد در مقایسه با دانسیته ی 30-500m^(2〖.m〗^(-3) ) که در صفحات و قطعات لوله ای دیده می شود، بسیار زیاد است. بزرگترین چالشی که در تهیه ی اجزای فیبری توخالی تولید شده از مواد سرامیکی روبروی ماست، تردی این مواد است. این مسأله مخصولاً در کاربردهای صنعتی دمابالا نمود می یابد. اجزای فیبری توخالی در فرم های متخلخل و متراکم تهیه می شوند که فرم آنها بستگی به کاربردشان دارد. این نوع غشاءهای سرامیکی را می توان در زمینه هایی همچون مجزاکننده های گازی، رآکتورهای غشائی (membrane reactor)، بازیافت حلال و... استفاده کرد

فرآيندهاي غشائي
 

فرآيندهاي غشائي به عنوان يک واحد عملياتي براي گستره ي وسيعي از فرآيندهاي جداسازي صنعتي استفاده مي شود. اين فرآيندها بوسيله ي اختلاف فشار، غلظت و يا اعمال ميدان الکتريکي ميان غشاءها انجام مي شود. و از اين رو براساس نوع نيروي محرکه، اندازه ي مولکولي و يا نوع عمليات متفاوت هستند. برخي از فرآيندهاي غشائي معمولي در ادامه معرفي شده است:

جداسازي گازي
 

مخلوط هاي گازي را مي توان بوسيله ي غشاءهاي مولکولي متخلخل و متراکم جداسازي نمود. غشاءهاي سراميکي متراکم از مواد سراميکي کريستالي مانند پروسکايت (perovskites: مينرال معدني توليدي از اکسيد کلسيم و تيتانيم که به رنگ هاي زرد، قهوه اي يا خاکستري وجود دارد. برخي اوقات علاوه بر اين اکسيدها، اکسيد عناصر گروه خاک هاي کميابت مانند ايتريا و اسکانديم نيز در آن يافت مي شود) و فلئوريت (Fluorites) توليد مي شوند که اين نوع غشاءها تنها اجازه مي دهند اکسيژن يا هيدروژن از ميان شبکه ي کريستاليشان عبور کند. بنابراين اين غشاءها در برابر ساير گازها نفوذناپذيرند.
نفوذ اکسيژن از ميان غشاء سراميکي متراکم به خاطر وجود تعداد زيادي جاي خالي اکسيژن اتفاق مي افتد. اين جاهاي خالي اکسيژن بوسيله ي دپينگ (doping) و توليد حفره هاي الکتروني در دماي بالا پديد مي آيند. هنگامي که در دو طرف غشاء اختلاف فشار اکسيژن باشد، اکسيژن از قسمت با فشار بالاتر به سمت با فشار کمتر حرکت مي کند.

حرکت اکسيژن از ميان حفره ها در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر نفوذ بالک، نفوذ اکسيژن از ميان غشائي با رسانايي الکتروني و يوني نيز اتفاق مي افتد که در اين فرآيند واکنش هاي تبادل سطحي در دو سمت فقير و غني از اکسيژن رخ مي دهد. اين فرآيند داراي مراحلي همچون جذب سطحي اکسيژن، جدايش، جفت شدن و تبادل بار است. بنابراين فرآيند نفوذ از سمت با فشارجزئي اکسيژن بالاتر به سمت با فشار جزئي اکسيژن کمتر شامل مراحل زير است:
1) انتقال اکسيژن گازي از جريان گاز به سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
2) واکنش ميان اکسيژن ملکولي و جاهاي خالي اکسيژن در سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
3) نفوذ بالک اکسيژن از مقطع غشاء از جاهاي خالي
4) واکنش بين اکسيژن شبکه و حفره هاي الکتروني در سطح غشاء ( سمت با فشار پايين تر)
5) انتقال اکسيژن از سطح غشاء به داخل جريان گازي (در سمت با فشار پايين تر)
به هر حال مقاومت هاي موجود ميان فاز گازي و غشاء (در مراحل 5 گانه ي بالا) معمولاً اندک و بي اهميت است. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که در نفوذ اکسيژن تنها نفوذ بالک غشاء و واکنش سطحي بايد مد نظر قرار گيرد. به طور مشابه هنگامي که يک غشاء با رسانايي پروتني در معرض هيدروژن قرار گيرد و ميان دو سمت غشاء اختلاف فشار وجود داشته باشد، عمل انتقال اتفاق مي افتد. در اين فرآيند نيز نفوذ بالک غشاء و واکنش هاي سطحي مسائل مهمي هستند که بايد به آنها توجه خاصي کرد.
در غشاءهاي سراميکي ميکروپورس، رفتار نفوذي گاز ممکن است بواسطه ي نفوذ کندسن (Kundsen diffusion)، نفوذ سطحي، نفوذ چند لايه اي (diffusion multilayer)، نفوذ از ميان کانال هاي موئي و يا غربال هاي ملکولي اتفاق افتد. از اين رودر اين مواد نفوذ اتفاق افتاده به اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء، دماي کاربرد، فشار، طبيعت غشاء و نوع ملکول نفوذ کننده بستگي دارد. تسلسل رفتار نفوذي گاز که از نفوذ کندسن شروع و به غربا هاي ملکولي ختم مي شود با رويه ي افزايش نفوذگزيني ماده همراه است. براي تخلخل هايي که نسبت به اندازه ي ملکولي بزرگتر هستند. نفوذ بوسيله ي نفوذ کندسن کنترل مي گردد. در اين مورد گاز با توجه به سرعت ملکولي نفوذ مي کند و همچنين نفوذ با عکس ريشه ي دوم وزن ملکولي رابطه دارد. اگر جذب گازدرتخلخل هاي غشاء بالا باشد، نفوذ سطحي نسبت به نفوذ کندسن بيشتر مي شود. هنگامي که تخلخل ها داراي اندازه اي در حد قطر ملکولي باشند؛ در اين حالت غربال ملکولي بوجود مي آيد. مکانيزم غربال ملکولي وابستگي بيشتري به دما داشته و در هنگامي که اندازه ي ملکول گاز افزايش يابد، ميزان نفوذ بوسيله ي آن کاهش مي يابد.
پروپوراسيون ( Porevaporation )
پروپوراسيون يک فرآيند جداسازي است که در آن مخلوط مايع در تماس با يک سمت غشاء قرار دارد و سمت ديگر غشاء يک جريان بخار وجود دارد. (شکل 2).

به دليل وجود غشاء موازنه ي بين فاز بخار- مايع به صورت آسانتري مي باشد. (همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است). کاربرد اين روش در جداسازي مخلوط هاي مايع با دماي جوش يکسان و مخلوط هاي حساس به حرارت بيشتر ترجيح داده مي شود که در فرآيند پروپوراسيون از غشاءهاي سراميکي استفاده مي شود. زيرا اين نوع از غشاءها مزيت هايي مانند پايداري حرارتي و شيميايي بالاتر نسبت به نوع پليمري دارند. از اين رو غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماهاي بالاتر و در حضور حلال استفاده نمود. اين شرايط کاري ممکن است موجب شکسته شدن غشاءهاي پليمري گردد. غشاءهاي سراميکي پايداري مکانيکي بالاتري داشته و در مواجهه با حلال هاي مختلف متورم نمي شوند. از اين رو مي توان غلظت هاي متفاوتي از محلول ها را بواسطه ي اين غشاها جداسازي نمود. قابليت کاربرد غشاءهاي سراميکي در دماي بالا باعث مي شود ميزان سطح غشاء مورد نياز نسبت به غشاء پليمري کاهش يابد. عشاءهاي سراميکي تقويت شده محکم تر از غشاءهاي پليمري هستند. مزيت ديگر غشاءهاي سراميکي خنثي بودن آنهاست. از اين رو مي توان از آنها براي جداسازي ترکيبات بسيارواکنش پذير در شرايط اسيدي و بازي استفاده کرد.

با انجام کارهاي متنوعي که محققين انجام داده اند مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به غشاءهاي پليمري مشخص گشته است. مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به نوع پليمري عبارتند از:
1) دوام بالا در محيط کاري (اين دوام مي تواند تا چندين هفته باشد)
2) غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماي بالاتر نسبت به نوع پليمري استفاده نمود.(بيش از 300 درجه سانتيگراد)
3) سيا بيشتر محلول بر روي غشاءهاي سراميکي در حالي که خاصيت بهگزيني حفظ مي شود.

اسمز معکوس و نانو فيلتراسيون
 

فرآيندهاي اسمز معکوس (RO)، و نانوفيلتراسيون (NF) فرآيندهايي هستند که در طي آنها اجازه داده مي شود گونه اي از مواد (مانند حلال) به آساني عبور کند ولي اجازه ي عبور سايرگونه ها داده نمي شود. اين فرآيندها مي توانند به گونه اي باشند که عبور انتخابي به صورت کامل يا ناقص انجام شود. جداسازي و نفوذ حلال از ميان غشاء يک خاصيت منحصر به فرد اين غشاءهاست و به ساختار غشاء برمي گردد. تفاوت عمده ي ميان غشاءهاي اسمز معکوس و غشاءهاي نانوفيلتراسيون در اين است که رد فرآيند اسمز معکوس هر نوع ماده ي حل شده در حلال پس زده مي شود (يعني اجازه ي عبور هيچ گونه ماده ي حل شده داده نمي شود. حتي يون هاي تک ظرفيتي) در حالي که در غشاءهاي نانوفيلتراسيوني تنها امکان پس زدن يون هاي چندظرفيتي وجود دارد. (يون هاي تک ظرفيتي اجازه ي عبور از غشاء نانوفيلتراسيوني را دارند).

همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، فرآيند اسمزي يک پديده ي طبيعي است که در آن آب از ميان غشاء اسمزي و از مکان با غلظت مواد حل شونده ي کمتر است به جايي که غلظت بيشتر است، عبور مي کند تا جايي که موازنه ي اسمزي اتفاق افتد (شکل B . 4). براي ايجاد فرآيند اسمز معکوس بايد فشار مکانيکي به جريان اعمال گردد (شکل 4.c). اين فشار مکانيکي بايد از فشار اسمزي بيشتر باشد تا فرآيند اسمزي را در جهت عکس پيش ببرد. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که با استفاده از روش اسمز معکوس جداسازي آب از محلول امکان پذير است. اين فرآيند را اسمز معکوس مي گويند. کاربرد فرآيند اسمز معکوس عبارتست از: نمک زدائي از آب دريا، تصفيه ي فاضلاب، تصفيه و توليد آب با خلوص بسيار بالا.
اسمز معکوس (RO) يک تکنولوژي بسيار خوب براي تصفيه ي آب در بسياري از کاربردهاست امروزه، تنها غشاءهاي پليمري RO/NF براي اين فرآيند به صورت تجاري در دسترس است.
مشکلات عمده ي استفاده از غشاءهاي پليمري RO/NF عبارتست از:
1) جرم گرفتگي مفرط به دليل جريان آرام مايع موجود بر روي اين غشاءها.
2) مقاومت شيميايي پايين در برابر عوامل کلردار و ساير اکسيدان ها
3) اين فرآيند نياز به تعميرات و نگهداري فراواني دارد. و ضايعات فراواني نيز توليد مي کند.
4) نبود بار سطحي مناسب بر روي غشاء جهت کاهش احتمال جرم گرفتگي.
در اين زمينه استفاده از غشاءهاي سراميکي داراي مزاياي فراواني نسبت به نوع پليمري است. براي مثال غشاءهاي سراميکي مقاومت استثنائي در برابر عوامل کلردار، اکسيدان هاي داشته و در برابر تابش پرتو و حلال هاي مختلف نيز مقاوم اند. همچنين اين غشاءها داراي پايداري گرمايي و شيميايي بالاتري هستند و عمر مفيد آنها نيزبيشتر است. غشاءهاي سراميکي از بدو بوجود آمدن غشاءهاي پليمري وجود داشته اند ولي مسائلي همچون قيمت بالا، تراکم فشرده سازي (packing density) پايين و قابليت بهگزيني پايين انواع تجاري غشاءهاي سراميکي موجب گشته تا از آنها در کاربردهاي اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون استفاده نشود و اين نوع غشاءها از لحاظ اقتصادي براي اين کاربرد مناسب نباشند. اخيراً تحقيقات فراواني در زمينه ي ساخت غشاءهاي نانوفيلتراسيوني سراميکي انجام شده است و غشاءهايي از جنس اکسيد تيتانيم، زيرکونيا، سيليسي- زيرکونيا، اکسيد هافنيوم و آلومينايي (نوع گاما) توليد شده است. بيشتراين غشاءها براي جداسازي حلال هاي غير آبي در فرآيندهاي سل ژل استفاده مي شوند. در اين فرآيندها يک تکيه گاه سراميکي مزوپورس با لايه اي از اکسيد فلزي پوشش دهي مي شود تا اندازه ي تخلخل هاي پاياني تعيين گردد. اين مسئله پيشرفت بزرگي در زمينه ي کنترل اندازه ي قطر تخلخل ها است که بواسطه ي انتخاب يک محلول کلوئيدي مناسب امکان پذيراست

الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون
 

الترافيلتراسيون فرايندي است که در آن غشاءهاي متخلخل براي جداسازي اجزاي کلوئيدي يا مواد حل شونده ي با وزن ملکولي بالا از حلال استفاده مي سود. در الترافيلتراسيون ، مکانيزمي شبيه به اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون براي جدا سازي حلال از ذرات کلوئيدي استفاده مي شود. بنابراين در اين فرايند پس زدن مواد حل شونده از محلول بر اساس اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء و واکنش هاي سطحي ميان غشاء و حلال / حل شونده تعيين مي گردد. انتقال کامل حلال در اغلب موارد بوسيله ي مقاومت هاي مربوط به انتقال جرم مخصوصاً در مرز محلول کنترل مي شود. بنابراين وجود حتي مواد حل شونده در غلظت پايين مي تواند موجب اثرات عميقي بر روي نفوذ حلال داشته باشد.
اگر چه توصيف دقيقي در مورد تفاوت و مرز ميان الترافيلتراسيون و ميکروالترافيلتراسيون وجود ندارد، همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، ميکروالترافيلتراسيون فرآيند الترافيلتراسيون سنتي است و براي جدا سازي ذرات مجزا از محلول استفاده مي شود. همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، خط جداسازي ميان فيلتراسيون درشت و ميکروفيلتراسيون وجود ندارد اما حد بالاي اندازه ي تخلخل قابل قبول در حدود چند ميکرون مي باشد. حد اندازه ي پاييني در 0.1 ميکرون قرار دارد.

فيلتراسيون براي جدا سازي ذرات کوچک و غير قابل حل، باکتري ها و سلول هاي مخمر. از جريان هاي مايع استفاده مي شود. فيلترهاي عميق سنتي که به طور نمونه وار از ماتريکسي فيبري تشکيل شده اند را مي توان براي همين کار استفاده کرد اما مکانيزم جداسازي در اين فيلترها به دام انداختن و جذب سطحي مي باشد. براي فيلترهاي عميق اندازه ي تخلخل تعريف نمي شود. اما سوراخ هاي ميان الياف از اندازه ي کوچکترين ذره بزرگتر است. بنابراين باقي ماندن ذرات بر روي فيلترهاي عميق يک مسئله ي آماري است . به عبارت ديگر، غشاءهاي ميکروفيلتراسيوني داراي اندازه ي تخلخل معيني هستند و عمل جداسازي بر اساس اثر غربال گري انجام مي شود. به دليل آنکه اندازه ي تخلخل هاي موجود در اين غشاءها نسبتاً بزرگ هستند، انتقال حلال در آنها به وسيله ي همرفت انجام مي شود. سرعت انتقال حلال از ميان اين گونه غشاءها را مي توان بوسيله ي فشار ميان غشاء مقايسه کرد و بوسيله ي معادله ي hagen-Poiseuille آن را تعريف نمود. (اين مسئله در حالي صحيح است که تخلخل هاي غشاء را استوانه اي فرض کنيم.)
غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني از انواع متنوعي از پليمرها مانند سلولز استات ، سلولز فيترات، پلي اکريلونيتريل، پلي اميد، پلي اترسولفون، پلي ايميد، پلي سولفون، پلي وينيل الکل، پلي وينيليدن فلورايد و...ساخته مي شوند. غشاءهاي سراميکي نيز براي اهداف الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني ساخته شده اند. توسعه ي اين غشاءهاي سراميکي عمدتاً به دليل نياز به داشتن غشاءهايي با تحمل حرارتي و شيميايي بالاتر، انجام شد زيرا غشاءهاي پليمري محدوديت دماي استفاده شدن دارند.(معمولاً از اين غشاءها تنها در دماهاي زير200 درجه سانتي گراد مي توان استفاده نمود). علاوه بر اين اکثر پليمرهايي که در بالا اشاره شد، نمي توانند در برابر حلال هايي مانند بنزن و تولوئن مقاومت کنند. غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني سراميکي از موادي مانند اکسيد آلومينيوم، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيوم ساخته مي شوند. از اين رو اين مواد پايداري خوبي در برابر دماهاي بالا و محيط هاي شيميايي خورنده دارند. کاربردهاي ويژه ي فرايندهاي الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني که از غشاءهاي سراميکي استفاده مي کنند را مي توان در صنايعي همچون لبني، غذايي ، دارو سازي ، بيولوژيکي، رنگ، کاغذ و آب مشاهده کرد.
دو نوع عمليات در الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون وجود دارند که عبارتند از:
1) فيلتراسيون بن بستي (dead -end filtration)
2) فيلتراسيون کراس- فلو(cross-flow filtration)
همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است فيلتراسيون بن بستي تنها براي مخلوط هاي سوسپاپنسيوني با درصد جامد کم مناسب است. در حالي که فيلتراسيون کراس- فلو را مي توان براي مخلوط هاي با غلظت بسيار بالا استفاده کرد.

دياليز
 

دياليز در اصل يک فرايند نفوذ است که براي جدا سازي مواد موجود در محلول استفاده مي شود. در اين فرايند از عدم يکسان بودن غلظت در دو سمت غشاء متخلخل استفاده مي شود. بنابر اين دياليز بواسطه ي گراديان غلظت در مقط غشاء انجام مي شود. کاربرد خاص از اين فرايند در کليه ي مصنوعي است. که در شکل 3 شماتيک آن نشان داده شده است. واحد دياليز شامل يک قسمت غشائي است که اين بخش غشائي از الياف توخالي تشکيل شده است. خون از ميان فيبر توخالي حرکت مي کند و اين در حالي است که مايع دياليز از ميان پوسته ي بخش غشائي عبور مي کند. مايع دياليز با سرعت کافي در ميان پوسته جريان مي يابد به نحوي که حالت اشباع پيدا نکند. مواد سمي موجود در خون از ميان ديواره ي متخلخل نفوذ مي کند و بوسيله ي مايع دياليز خارج مي شود. قابليت نفوذ غشاء بوسيله ي خاصيت ذاتي غشاء و مواد حل شده در محلول تعيين مي گردد. به هر حال، طول، قطر داخلي و ضخامت غشاء در طراحي اين دستگاه مهم مي باشد. همچنين شرايط کارکرد مانند فشار تر غشائي (pressure teansmembrone) و سرعت جريان مايعات داخل فيبرها بايد بهينه باشد. اکثر موادي که براي ساخت غشاءهاي کليهي مصنوعي استفاده مي شوند، پليمري هستند(عمدتاً از مواد سلولزي هستند). اخيراًً غشاء هاي مصنوعي شامل پلي سولفون ، پلي متيل اکريلات و پلي اکريلو نيتريل نيز براي استفاده در دياليز توسعه يافته اند. اين پليمرها زيست سازگار پذيرتر هستند. اين غشاءهاي جديد همگي مصنوعي هستند و داراي قابليت سيلان بالايي هستند.

تاکنون گزارشي از استفاده از غشاءهاي سراميکي در آناليز داده نشده است. ولي دانشمندان پيشنهاد کردند که از غشاءهاي سراميکي براي زدايش اندوتوکسين (endotoxins) از آب دياليز (مايع دياليز) استفاده شود. علت اين پيشنهاد اين است که غشاءهاي سراميکي مقاومت بيشتري در برابر شرايط کاري سخت دارند.
الکترودياليز
الکترودياليز فرايندي است که در آن يون هاي حل شده بواسطه ي اعمال يک ميدان الکتريکي از ميان يک غشاء با خاصيت تبادل کنندگي يوني عبور مي کنند. اگر چه الکترودياليز در ابتدا با اصلاح فرايند دياليز (با استفاده از اضافه کردن دو الکترود به فرايند دياليز) شروع شد. اما اين فرايند ها به وضوح از هم متفاوت هستند. (جدول 1)

قوانين مربوط به الکترودياليز بواسطه ي آزمايشات strathmann بر روي يک نمونه ي آب شور انجام شد. همانگونه که در شکل 4 مشاهده مي شود، يک فرايند الکترودياليز متشکل از يک سري غشاء کاتيوني و آنيوني است که به صورت متفاوت قرار گرفته اند. و يک پتانسيل الکتريکي به انتهاي آنها متصل گشته است. اين سيستم براي نمک زدائي از آب شور استفاده شده است. هنگامي که آب شور شامل سديم کلرايد باشد و به داخل يک سلول معين وارد شود، کاتيون هاي با بار مثبت مانند يون هاي سديم بوسيله ي کاتد حرکت داده مي شوند. يون هاي سديم مي توانند از ميان غشاء کاتيوني با بار منفي نفوذ کرده اما بوسيله ي غشاء آنيوني با بار مثبت دفع مي گردند. به طور مشابه يون هاي با بار منفي مانند يون هاي کلر نيز به سمت آند حرکت کرده و از ميان غشاء آنودي عبور مي کنند اما بوسيله ي غشاء کاتدي دفع مي گردند. به عنوان يک نتيجه مي توان گفت که هر دو يون سديم و کلر از محفظه ي آبکي رقيق خارج شده و به محفظه ي کناري که داراي آب شور است مي روند. الکترودياليز مي تواند هم براي تغليظ نمک و هم براي توليد آب آشاميدنيي از آب شور استفاده شود.

غشاءهاي تبادل کننده ي يوني همچنين در صنعت سودسوزآور استفاده مي شود. اين غشاءها براي الکتروليز محلول سديم کلريد استفاده مي شود که محصول بدست آمده از اين فرايند سديم هيدورکسيد و کلر است. اين فرايند به صورت شماتيک در شکل 5 نشان داده شده است. همانگونه که ديده مي شود غشاء کاتدي از پليمر پرفلئورو کربن ساخته شده است. اين غشاء در مرکز محفظه ي الکتروليز قرار دارد. هنگامي که محلول سديم کلريد در سمت چپ غشاء کاتيوني اضافه شود، يون سديم به سمت کاتد جذب شده و به سمت راست غشاء منتقل مي شود. در سطح کاتد،آب به هيدورژن با بار مثبت و هيدروکسيد تجزيه مي شود. يون هاي پروتن (+ H) به سرعت به اتم هاي هيدوژن کاهش يافته که اين يون ها الکترون مورد نياز خود را از سطح کاتد دريافت مي کنند. دو هيدروژن اتمي ترکيب شده و يک ملکول هيدوژن پديد مي آيد. اين ملکول ها به صورت حباب تشکيل مي گردند. همچنين محلول هيدروکسيد سديم در قسمت کاتد تشکيل مي گردد. به عبارت ديگر ، يون هاي کلر به سمت آند حرکت کرده و به محض رسيدن به آند الکترون خود را به آند داده و به اتم هاي کلر تبديل مي گردند. دو اتم کلرنيز ترکيب شده و ملکول کلر تشکيل مي شود.

فرآيندهاي الکترودياليز در ابتدا بوسيله ي غشاءهاي با گزينش يوني پليمري انجام مي شد زيرا اين نوع غشاءها داراي ويژگي هاي مطلوبي مانند مقاومت الکتريکي پايين و انعطاف پذيري مکانيکي هستند. اشکال غشاءهاي با گزينش يوني پليمري ، بهگزيني نسبتاً پايين و پايداري گرمايي پايين آنهاست. غشاءهاي سراميکي با قابليت تباد ل سديم را مي توان در دماهاي بالا و بدون اينکه آسيبي به آنها وارد شود، استفاده کرد. به هر حال ، ضخامت غشاءهاي سراميکي باعث شده است تا اين غشاءها مقاومت بالايي داشته باشند و از اين رو مصرف انرژي در آنها افزايش مي يابد. در واقع ما به خاطر اين ضخامت اين غشاءها را بالا مي بريم که به آساني شکسته نشوند. مصرف زياد انرژي در اين نوع غشاءها مصرف آنها را با اشکال مواجه کرده است. البته گروهي از پژوهشگران غشاءهاي کامپوزيتي از جنس سراميک ساخته اند که اين کامپوزيت بر روي غشائي پليمري قرار داده مي شود . همچنين اين مسئله ثابت شده است که حضور اين فيلم کامپوزيتي -سراميکي باعث افزايش بازده گشته و از بوجود آمدن رسوب جلوگيري مي کند . اين گونه غشاءهاي کامپوزيتي هم داراي مزيت هاي مواد پليمري و هم مواد سراميکي هستند.

کنتاکتورهاي غشائي
در طي فرآيندهاي غشائي مرسوم حضور غشاء با خاصيت گزينشي باعث جداسازي مايع مي شود. ولي در کنتاکتورهاي غشائي اين مسئله وجود ندارد. غشاءهاي مورد استفاده در کنتاکتورهاي غشائي خاصيت گزينشي ندارند. بنابراين در اين غشاءها جدايش عمدتاً بر اساس قوانين موجود براي تماس مواد (مثلاً تعادل فازي) انجام مي شود. شکل 1 قوانين حاکم بر اين فرآيند را نشان مي دهد . همانگونه که ديده مي شود غشاءهاي متخلخل دو سيال (گاز يا مايع) را از همديگر جداسازي مي کنند که در اين فرآيند نفوذ بوسيله ي انتقال جرم اتفاق افتاده است. بر اساي نوع ماده ي مورد استفاده در ساخن غشاء، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار اعمالي در فرآيند، تخلخل هاي غشاء مي توانند بوسيله ي سيال پر شوند که اين مسئله باعث ايجاد تفاوت زيادي در مقاومت انتقال جرم و غشاء مورد استفاده مي شود.

کنتاکتورهاي غشائي يک تکنولوژي است که در آن غشاءهاي متخلخل به عنوان مواد بسته بندي در انتقال جرم بين فازها استفاده مي شود. بنابراين تمام فرآيندهاي جداسازي مرسوم گازي و فرآيندهاي جذبي ، تقطير ، عصاره گيري مايع- مايع ، امولسيون سازي ،کريستاليزاسيون و کاتاليزورهاي انتقال فاز (PHASE TRANSFER CATALYSIS) بوسيله ي کنتاکتورهاي غشائي انجام مي شود.
عملکرد کنتاکتورهاي غشائي به طور زيادي به خواص غشاء ، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار بکار برده شده در عمليات بستگي دارد. عموماً يک غشاء با اندازه ي تخلخل هاي نسبتاً يکسان که سطح آب گزيز دارند و براي اين فرآيند مناسب است. اين غشاء به خاطر اين بايد آبگريز باشد که از تر شدن و امتزاج ميان فازي جلوگيري شود. غشاءها با اندازه ي تخلخل بزرگ، تخلخل هاي زياد و ساختار نامتقارن باعث ايجاد جريان نفوذي بالايي مي شود اما ممکن است باعث تشکيل حباب هاي گازي در فرآيند گاز -مايع شوند. بنابراين فشارهاي عملياتي در فاز مايع بايد کاملاً کنترل شود. به خاطر آنکه از مشکلات بوجود آمده در انتخاب غشاء فرار کنيم و پيچيدگي هاي عملياتي را کاهش دهيم، بايد از کنتاکتورهاي غشائي در واحدهاي جداسازي استفاده کنيم. اين کنتاکتورهاي غشائي داراي مزيت هايي همچون، مسافت سطح بيشتر بر واحد حجم، کنترل مستقل سرعت جريان مايع و گاز بدون غرقه سازي، ايجاد کف و هواگرفتگي هستند . عيوب اين گونه کنتاکتورها عمدتاً مربوط مي شود به وجود مقاومت عبور در برابر ماده و محدوديت هاي فشاري موجود مي باشد. کنتاکتورهاي غشائي امروزي عمدتاً از غشاءهاي پليمري ساخته شده اند زيرا قيمت آنها نسبت به نوع سراميکي پايين تر است و اين مسئله يکي از مزاياي غشاءهاي پليمري است. به هرحال اخيراً غشاءهاي فيبري توخالي که از جنس سراميک ساخته مي شوند بر اي ساخت کنتاکتورهاي غشائي استفاده شده است. اين جايگزيني باعث افزايش طول عمر کنتاکتور غشائي مي شود که يکي از مزاياي غشاءهاي سراميکي است.

گروهي از محققين از کنتاکتورهاي غشائي فيبري توخالي استفاده کرده اند تا سرعت تقطير را بالا ببرند . براساس همين مسئله سيستمي براي تقطير ابداع شده است. که در شکل 2 ديده مي شود. همانگونه که ديده مي شود اين سيستم از يک ستون يک کمک گرم کن (REBOILER) و يک کنوانسور تشکيل شده است. تنها تفاوت اين کنتاکتور اين است که ستون بوسيله ي ماده اي پر نشده است بلکه از الياف توخالي ساخته شده است. اين مسئله کاملاً واضح است که يک ستون فيبري توخالي داراي چندين مزيت نسبت به ستون هاي تقطير سنتي است. اول آنکه اين نوع ستون ها داراي سطح تماس به حجم زيادي هستند. کل اين ناحيه به صورت فعال در انتقال جرم ميان بخار و مايع شرکت مي کند. به دليل اينکه سيال همواره الياف توخالي را پر کرده اند، اين سطح تماس پايدار باقي مي ماند (حتي در جريان بسيار کم) . سوماً به دليل آنکه فاز بخار و مايع در تماس با هم نيستند هيچ گونه غرقه سازي (FLOODING) ناشي از حضور دو فاز بخار و مايع در کنار هم رخ نمي دهد. البته هنوز استفاده از الياف سراميکي توخالي متداول نشده است ولي به خاطر مزاياي سراميک نسبت به پليمر احتمال رواج اين گونه الياف توخالي سراميکي زياد است.
رآکتورهاي غشائي
يک رآکتور غشائي وسيله اي است که از ترکيب يک جداساز غشائي به همراه يک رآکتور شيميايي تشکيل شده است. البته به جاي جدا ساز غشائي مي توان از يک فرآيند توزيع نيز استفاده کرد. به دليل آنکه در رآکتورهاي غشائي واکنش شيميايي و عمليات جداسازي /توزيع در يک بخش انجام مي شود ، قيمت فرآيند توليد بسيار کاهش مي يابد . علاوه بر اين، رآکتورهاي غشائي قابليت ارتقاء فرآيند شيميايي را بوسيله ي راه کارهاي زير دارند.
1) عبور گزينشي حداقل يکي از محصولات از نقطه ي واکنش و از طريق غشاء. اين مسئله باعث مي شود تا تعادل واکنش به سمت مورد نظر حرکت کند. ( اصل لوشاتليه )
2) رساندن تنها يک واکنش دهنده ي خاص به منطقه ي واکنش باعث بهينه سازي نسبت اشباع مي شود. در واقع فرآيند شيميايي بهينه سازي گشته و اين مسئله باعث مي شود مصرف مواد اوليه(مخصوصاً مواد خاص) کاهش يابد.
همچنين در اين نوع رآکتورها کنترل ميزان محصولات فرعي نيز آسانتر است. شکل 3 دو عملکرد عمده ي رآکتورهاي غشائي نشان داده شده است.

استفاده از رآکتورهاي غشائي باعث مي شود که واکنش به صورت مورد نظر حرکت کند. اين فرآيند برگشت پذير عمدتاً براي واکنش هاي هيدروژن زدائي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي مثال هنگامي که هيدروژن در يک واکنش هيدروژن زدائي توليد مي شود، به طور مداوم از ميان غشاء نفوذگزين خارج مي گردد. با خروج مداوم هيدروژن تعادل به سمت توليد هيدروژن حرکت مي کند. اين مسئله داراي مزاياي زيادي همچون استفاده از دماي پايين تر در واکنش و افزايش طول عمر کاتاليزورها است.
استفاده از غشاءها در کنترل افزودني هاي واکنش و توزيع مناسب واکنش دهنده ها در زمينه ي واکنش هاي اکسيداسيون جزئي هيدروکربن ها انجام شده است. در اين واکنش ها با کنترل ميزان اکسيژن بوسيله ي غشاء ، از حضور مستقيم فاز گازي (اکسيژن) در واکنش جلوگيري مي شود. همچنين از رآکتورهاي غشائي در کنترل ميزان حرارت واکنش هاي گرماده نيز مي توان استفاده نمود.

در رآکتورهاي غشائي -کاتاليستي، جفت شدگي غشاء با کاتاليزور بوسيله ي سه راه انجام مي شود. همانگونه که در شکل 4 ديده مي شود اين سه راه عبارتند از:
1) همانگونه که در شکل a. 4 ديده مي شود غشاء به همراه کاتاليت مرسوم جفت شده است. غشاء به عنوان ديواره ي خنثي رآکتور استوانه اي است. اين مسئله بايد مورد توجه قرار گيرد که لايه ي بالايي غشاء که باعث تسهيل فرآيند جداسازي مي شود تنها يک بخش کوچک از ضخامت غشاء را تشکيل مي دهد و لايه ي نگهدارنده بخش اعظم لايه را تشکيل مي دهد. اين پيکر بندي عمدتاً در رآکتورهاي هيدروژن زدائي استفاده مي شوند. برخي اوقات ، کاتاليزور به صورت خمير توليد شده و بر روي بخش بالايي غشاء پوشش داده مي شود. البته در صورتي که کاتاليزور کروي نيز مصرف شود عملکرد يکسان است.
2) در اين حالت از قرارگيري، غشاء خودش از لحاظ کاتاليزوري فعال است. (همانگونه که در شکل b.4ديده مي شود) کاتاليزور فعال يک لايه ي غشائي نازک و متراکم است که بر روي تکيه گاه متخلخل رسوب داده مي شود . يک مشکل بالقوه ي اين نوع قرار گيري اين است که همه ي بخش هاي سطحي اين کاتاليزور فعال نيستند.
3) آخرين نحوه ي قرارگيري در شکل 4.c نشان داده شده است. در اين قرارگيري کاتاليزور به صورت اشباع در داخل تخلخل هاي ماده ي ميکروپورس اضافه گشته است. (حالت کاتاليزور لايه ي يا ذره اي) اين روش يکي از روش هاي مرسوم براي اضافه کردن کاتاليزور به غشاء است و براي واکنش هاي هيدروژن زدائي استفاده مي شود

مقدمه
 

برای افزایش بیشتر میزان دانسیته می توان از اشکال توخالی فیبر مانند استفاده نمود با استفاده از این اشکال می توان میزان دانسیته را به 900m^(2〖.m〗^(-3) ) رساند که این عدد در مقایسه با دانسیته ی 30-500m^(2〖.m〗^(-3) ) که در صفحات و قطعات لوله ای دیده می شود، بسیار زیاد است. بزرگترین چالشی که در تهیه ی اجزای فیبری توخالی تولید شده از مواد سرامیکی روبروی ماست، تردی این مواد است. این مسأله مخصولاً در کاربردهای صنعتی دمابالا نمود می یابد. اجزای فیبری توخالی در فرم های متخلخل و متراکم تهیه می شوند که فرم آنها بستگی به کاربردشان دارد. این نوع غشاءهای سرامیکی را می توان در زمینه هایی همچون مجزاکننده های گازی، رآکتورهای غشائی (membrane reactor)، بازیافت حلال و... استفاده کرد

فرآيندهاي غشائي
 

فرآيندهاي غشائي به عنوان يک واحد عملياتي براي گستره ي وسيعي از فرآيندهاي جداسازي صنعتي استفاده مي شود. اين فرآيندها بوسيله ي اختلاف فشار، غلظت و يا اعمال ميدان الکتريکي ميان غشاءها انجام مي شود. و از اين رو براساس نوع نيروي محرکه، اندازه ي مولکولي و يا نوع عمليات متفاوت هستند. برخي از فرآيندهاي غشائي معمولي در ادامه معرفي شده است:

جداسازي گازي
 

مخلوط هاي گازي را مي توان بوسيله ي غشاءهاي مولکولي متخلخل و متراکم جداسازي نمود. غشاءهاي سراميکي متراکم از مواد سراميکي کريستالي مانند پروسکايت (perovskites: مينرال معدني توليدي از اکسيد کلسيم و تيتانيم که به رنگ هاي زرد، قهوه اي يا خاکستري وجود دارد. برخي اوقات علاوه بر اين اکسيدها، اکسيد عناصر گروه خاک هاي کميابت مانند ايتريا و اسکانديم نيز در آن يافت مي شود) و فلئوريت (Fluorites) توليد مي شوند که اين نوع غشاءها تنها اجازه مي دهند اکسيژن يا هيدروژن از ميان شبکه ي کريستاليشان عبور کند. بنابراين اين غشاءها در برابر ساير گازها نفوذناپذيرند.
نفوذ اکسيژن از ميان غشاء سراميکي متراکم به خاطر وجود تعداد زيادي جاي خالي اکسيژن اتفاق مي افتد. اين جاهاي خالي اکسيژن بوسيله ي دپينگ (doping) و توليد حفره هاي الکتروني در دماي بالا پديد مي آيند. هنگامي که در دو طرف غشاء اختلاف فشار اکسيژن باشد، اکسيژن از قسمت با فشار بالاتر به سمت با فشار کمتر حرکت مي کند.

حرکت اکسيژن از ميان حفره ها در شکل 1 نشان داده شده است. علاوه بر نفوذ بالک، نفوذ اکسيژن از ميان غشائي با رسانايي الکتروني و يوني نيز اتفاق مي افتد که در اين فرآيند واکنش هاي تبادل سطحي در دو سمت فقير و غني از اکسيژن رخ مي دهد. اين فرآيند داراي مراحلي همچون جذب سطحي اکسيژن، جدايش، جفت شدن و تبادل بار است. بنابراين فرآيند نفوذ از سمت با فشارجزئي اکسيژن بالاتر به سمت با فشار جزئي اکسيژن کمتر شامل مراحل زير است:
1) انتقال اکسيژن گازي از جريان گاز به سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
2) واکنش ميان اکسيژن ملکولي و جاهاي خالي اکسيژن در سطح غشاء (در سمت با فشار بالاتر)
3) نفوذ بالک اکسيژن از مقطع غشاء از جاهاي خالي
4) واکنش بين اکسيژن شبکه و حفره هاي الکتروني در سطح غشاء ( سمت با فشار پايين تر)
5) انتقال اکسيژن از سطح غشاء به داخل جريان گازي (در سمت با فشار پايين تر)
به هر حال مقاومت هاي موجود ميان فاز گازي و غشاء (در مراحل 5 گانه ي بالا) معمولاً اندک و بي اهميت است. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که در نفوذ اکسيژن تنها نفوذ بالک غشاء و واکنش سطحي بايد مد نظر قرار گيرد. به طور مشابه هنگامي که يک غشاء با رسانايي پروتني در معرض هيدروژن قرار گيرد و ميان دو سمت غشاء اختلاف فشار وجود داشته باشد، عمل انتقال اتفاق مي افتد. در اين فرآيند نيز نفوذ بالک غشاء و واکنش هاي سطحي مسائل مهمي هستند که بايد به آنها توجه خاصي کرد.
در غشاءهاي سراميکي ميکروپورس، رفتار نفوذي گاز ممکن است بواسطه ي نفوذ کندسن (Kundsen diffusion)، نفوذ سطحي، نفوذ چند لايه اي (diffusion multilayer)، نفوذ از ميان کانال هاي موئي و يا غربال هاي ملکولي اتفاق افتد. از اين رودر اين مواد نفوذ اتفاق افتاده به اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء، دماي کاربرد، فشار، طبيعت غشاء و نوع ملکول نفوذ کننده بستگي دارد. تسلسل رفتار نفوذي گاز که از نفوذ کندسن شروع و به غربا هاي ملکولي ختم مي شود با رويه ي افزايش نفوذگزيني ماده همراه است. براي تخلخل هايي که نسبت به اندازه ي ملکولي بزرگتر هستند. نفوذ بوسيله ي نفوذ کندسن کنترل مي گردد. در اين مورد گاز با توجه به سرعت ملکولي نفوذ مي کند و همچنين نفوذ با عکس ريشه ي دوم وزن ملکولي رابطه دارد. اگر جذب گازدرتخلخل هاي غشاء بالا باشد، نفوذ سطحي نسبت به نفوذ کندسن بيشتر مي شود. هنگامي که تخلخل ها داراي اندازه اي در حد قطر ملکولي باشند؛ در اين حالت غربال ملکولي بوجود مي آيد. مکانيزم غربال ملکولي وابستگي بيشتري به دما داشته و در هنگامي که اندازه ي ملکول گاز افزايش يابد، ميزان نفوذ بوسيله ي آن کاهش مي يابد.
پروپوراسيون ( Porevaporation )
پروپوراسيون يک فرآيند جداسازي است که در آن مخلوط مايع در تماس با يک سمت غشاء قرار دارد و سمت ديگر غشاء يک جريان بخار وجود دارد. (شکل 2).

به دليل وجود غشاء موازنه ي بين فاز بخار- مايع به صورت آسانتري مي باشد. (همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است). کاربرد اين روش در جداسازي مخلوط هاي مايع با دماي جوش يکسان و مخلوط هاي حساس به حرارت بيشتر ترجيح داده مي شود که در فرآيند پروپوراسيون از غشاءهاي سراميکي استفاده مي شود. زيرا اين نوع از غشاءها مزيت هايي مانند پايداري حرارتي و شيميايي بالاتر نسبت به نوع پليمري دارند. از اين رو غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماهاي بالاتر و در حضور حلال استفاده نمود. اين شرايط کاري ممکن است موجب شکسته شدن غشاءهاي پليمري گردد. غشاءهاي سراميکي پايداري مکانيکي بالاتري داشته و در مواجهه با حلال هاي مختلف متورم نمي شوند. از اين رو مي توان غلظت هاي متفاوتي از محلول ها را بواسطه ي اين غشاها جداسازي نمود. قابليت کاربرد غشاءهاي سراميکي در دماي بالا باعث مي شود ميزان سطح غشاء مورد نياز نسبت به غشاء پليمري کاهش يابد. عشاءهاي سراميکي تقويت شده محکم تر از غشاءهاي پليمري هستند. مزيت ديگر غشاءهاي سراميکي خنثي بودن آنهاست. از اين رو مي توان از آنها براي جداسازي ترکيبات بسيارواکنش پذير در شرايط اسيدي و بازي استفاده کرد.

با انجام کارهاي متنوعي که محققين انجام داده اند مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به غشاءهاي پليمري مشخص گشته است. مزيت هاي غشاءهاي سراميکي نسبت به نوع پليمري عبارتند از:
1) دوام بالا در محيط کاري (اين دوام مي تواند تا چندين هفته باشد)
2) غشاءهاي سراميکي را مي توان در دماي بالاتر نسبت به نوع پليمري استفاده نمود.(بيش از 300 درجه سانتيگراد)
3) سيا بيشتر محلول بر روي غشاءهاي سراميکي در حالي که خاصيت بهگزيني حفظ مي شود.

اسمز معکوس و نانو فيلتراسيون
 

فرآيندهاي اسمز معکوس (RO)، و نانوفيلتراسيون (NF) فرآيندهايي هستند که در طي آنها اجازه داده مي شود گونه اي از مواد (مانند حلال) به آساني عبور کند ولي اجازه ي عبور سايرگونه ها داده نمي شود. اين فرآيندها مي توانند به گونه اي باشند که عبور انتخابي به صورت کامل يا ناقص انجام شود. جداسازي و نفوذ حلال از ميان غشاء يک خاصيت منحصر به فرد اين غشاءهاست و به ساختار غشاء برمي گردد. تفاوت عمده ي ميان غشاءهاي اسمز معکوس و غشاءهاي نانوفيلتراسيون در اين است که رد فرآيند اسمز معکوس هر نوع ماده ي حل شده در حلال پس زده مي شود (يعني اجازه ي عبور هيچ گونه ماده ي حل شده داده نمي شود. حتي يون هاي تک ظرفيتي) در حالي که در غشاءهاي نانوفيلتراسيوني تنها امکان پس زدن يون هاي چندظرفيتي وجود دارد. (يون هاي تک ظرفيتي اجازه ي عبور از غشاء نانوفيلتراسيوني را دارند).

همانگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، فرآيند اسمزي يک پديده ي طبيعي است که در آن آب از ميان غشاء اسمزي و از مکان با غلظت مواد حل شونده ي کمتر است به جايي که غلظت بيشتر است، عبور مي کند تا جايي که موازنه ي اسمزي اتفاق افتد (شکل B . 4). براي ايجاد فرآيند اسمز معکوس بايد فشار مکانيکي به جريان اعمال گردد (شکل 4.c). اين فشار مکانيکي بايد از فشار اسمزي بيشتر باشد تا فرآيند اسمزي را در جهت عکس پيش ببرد. به عنوان يک نتيجه بايد گفت که با استفاده از روش اسمز معکوس جداسازي آب از محلول امکان پذير است. اين فرآيند را اسمز معکوس مي گويند. کاربرد فرآيند اسمز معکوس عبارتست از: نمک زدائي از آب دريا، تصفيه ي فاضلاب، تصفيه و توليد آب با خلوص بسيار بالا.
اسمز معکوس (RO) يک تکنولوژي بسيار خوب براي تصفيه ي آب در بسياري از کاربردهاست امروزه، تنها غشاءهاي پليمري RO/NF براي اين فرآيند به صورت تجاري در دسترس است.
مشکلات عمده ي استفاده از غشاءهاي پليمري RO/NF عبارتست از:
1) جرم گرفتگي مفرط به دليل جريان آرام مايع موجود بر روي اين غشاءها.
2) مقاومت شيميايي پايين در برابر عوامل کلردار و ساير اکسيدان ها
3) اين فرآيند نياز به تعميرات و نگهداري فراواني دارد. و ضايعات فراواني نيز توليد مي کند.
4) نبود بار سطحي مناسب بر روي غشاء جهت کاهش احتمال جرم گرفتگي.
در اين زمينه استفاده از غشاءهاي سراميکي داراي مزاياي فراواني نسبت به نوع پليمري است. براي مثال غشاءهاي سراميکي مقاومت استثنائي در برابر عوامل کلردار، اکسيدان هاي داشته و در برابر تابش پرتو و حلال هاي مختلف نيز مقاوم اند. همچنين اين غشاءها داراي پايداري گرمايي و شيميايي بالاتري هستند و عمر مفيد آنها نيزبيشتر است. غشاءهاي سراميکي از بدو بوجود آمدن غشاءهاي پليمري وجود داشته اند ولي مسائلي همچون قيمت بالا، تراکم فشرده سازي (packing density) پايين و قابليت بهگزيني پايين انواع تجاري غشاءهاي سراميکي موجب گشته تا از آنها در کاربردهاي اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون استفاده نشود و اين نوع غشاءها از لحاظ اقتصادي براي اين کاربرد مناسب نباشند. اخيراً تحقيقات فراواني در زمينه ي ساخت غشاءهاي نانوفيلتراسيوني سراميکي انجام شده است و غشاءهايي از جنس اکسيد تيتانيم، زيرکونيا، سيليسي- زيرکونيا، اکسيد هافنيوم و آلومينايي (نوع گاما) توليد شده است. بيشتراين غشاءها براي جداسازي حلال هاي غير آبي در فرآيندهاي سل ژل استفاده مي شوند. در اين فرآيندها يک تکيه گاه سراميکي مزوپورس با لايه اي از اکسيد فلزي پوشش دهي مي شود تا اندازه ي تخلخل هاي پاياني تعيين گردد. اين مسئله پيشرفت بزرگي در زمينه ي کنترل اندازه ي قطر تخلخل ها است که بواسطه ي انتخاب يک محلول کلوئيدي مناسب امکان پذيراست

الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون
 

الترافيلتراسيون فرايندي است که در آن غشاءهاي متخلخل براي جداسازي اجزاي کلوئيدي يا مواد حل شونده ي با وزن ملکولي بالا از حلال استفاده مي سود. در الترافيلتراسيون ، مکانيزمي شبيه به اسمز معکوس و نانوفيلتراسيون براي جدا سازي حلال از ذرات کلوئيدي استفاده مي شود. بنابراين در اين فرايند پس زدن مواد حل شونده از محلول بر اساس اندازه ي تخلخل ها و توزيع اندازه ي تخلخل هاي غشاء و واکنش هاي سطحي ميان غشاء و حلال / حل شونده تعيين مي گردد. انتقال کامل حلال در اغلب موارد بوسيله ي مقاومت هاي مربوط به انتقال جرم مخصوصاً در مرز محلول کنترل مي شود. بنابراين وجود حتي مواد حل شونده در غلظت پايين مي تواند موجب اثرات عميقي بر روي نفوذ حلال داشته باشد.
اگر چه توصيف دقيقي در مورد تفاوت و مرز ميان الترافيلتراسيون و ميکروالترافيلتراسيون وجود ندارد، همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، ميکروالترافيلتراسيون فرآيند الترافيلتراسيون سنتي است و براي جدا سازي ذرات مجزا از محلول استفاده مي شود. همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود، خط جداسازي ميان فيلتراسيون درشت و ميکروفيلتراسيون وجود ندارد اما حد بالاي اندازه ي تخلخل قابل قبول در حدود چند ميکرون مي باشد. حد اندازه ي پاييني در 0.1 ميکرون قرار دارد.

فيلتراسيون براي جدا سازي ذرات کوچک و غير قابل حل، باکتري ها و سلول هاي مخمر. از جريان هاي مايع استفاده مي شود. فيلترهاي عميق سنتي که به طور نمونه وار از ماتريکسي فيبري تشکيل شده اند را مي توان براي همين کار استفاده کرد اما مکانيزم جداسازي در اين فيلترها به دام انداختن و جذب سطحي مي باشد. براي فيلترهاي عميق اندازه ي تخلخل تعريف نمي شود. اما سوراخ هاي ميان الياف از اندازه ي کوچکترين ذره بزرگتر است. بنابراين باقي ماندن ذرات بر روي فيلترهاي عميق يک مسئله ي آماري است . به عبارت ديگر، غشاءهاي ميکروفيلتراسيوني داراي اندازه ي تخلخل معيني هستند و عمل جداسازي بر اساس اثر غربال گري انجام مي شود. به دليل آنکه اندازه ي تخلخل هاي موجود در اين غشاءها نسبتاً بزرگ هستند، انتقال حلال در آنها به وسيله ي همرفت انجام مي شود. سرعت انتقال حلال از ميان اين گونه غشاءها را مي توان بوسيله ي فشار ميان غشاء مقايسه کرد و بوسيله ي معادله ي hagen-Poiseuille آن را تعريف نمود. (اين مسئله در حالي صحيح است که تخلخل هاي غشاء را استوانه اي فرض کنيم.)
غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني از انواع متنوعي از پليمرها مانند سلولز استات ، سلولز فيترات، پلي اکريلونيتريل، پلي اميد، پلي اترسولفون، پلي ايميد، پلي سولفون، پلي وينيل الکل، پلي وينيليدن فلورايد و...ساخته مي شوند. غشاءهاي سراميکي نيز براي اهداف الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني ساخته شده اند. توسعه ي اين غشاءهاي سراميکي عمدتاً به دليل نياز به داشتن غشاءهايي با تحمل حرارتي و شيميايي بالاتر، انجام شد زيرا غشاءهاي پليمري محدوديت دماي استفاده شدن دارند.(معمولاً از اين غشاءها تنها در دماهاي زير200 درجه سانتي گراد مي توان استفاده نمود). علاوه بر اين اکثر پليمرهايي که در بالا اشاره شد، نمي توانند در برابر حلال هايي مانند بنزن و تولوئن مقاومت کنند. غشاءهاي الترافيلتراسيوني و ميکروفيلتراسيوني سراميکي از موادي مانند اکسيد آلومينيوم، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيوم ساخته مي شوند. از اين رو اين مواد پايداري خوبي در برابر دماهاي بالا و محيط هاي شيميايي خورنده دارند. کاربردهاي ويژه ي فرايندهاي الترافيلتراسيوني و ميکروالترافيلتراسيوني که از غشاءهاي سراميکي استفاده مي کنند را مي توان در صنايعي همچون لبني، غذايي ، دارو سازي ، بيولوژيکي، رنگ، کاغذ و آب مشاهده کرد.
دو نوع عمليات در الترافيلتراسيون و ميکروفيلتراسيون وجود دارند که عبارتند از:
1) فيلتراسيون بن بستي (dead -end filtration)
2) فيلتراسيون کراس- فلو(cross-flow filtration)
همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است فيلتراسيون بن بستي تنها براي مخلوط هاي سوسپاپنسيوني با درصد جامد کم مناسب است. در حالي که فيلتراسيون کراس- فلو را مي توان براي مخلوط هاي با غلظت بسيار بالا استفاده کرد.

دياليز
 

دياليز در اصل يک فرايند نفوذ است که براي جدا سازي مواد موجود در محلول استفاده مي شود. در اين فرايند از عدم يکسان بودن غلظت در دو سمت غشاء متخلخل استفاده مي شود. بنابر اين دياليز بواسطه ي گراديان غلظت در مقط غشاء انجام مي شود. کاربرد خاص از اين فرايند در کليه ي مصنوعي است. که در شکل 3 شماتيک آن نشان داده شده است. واحد دياليز شامل يک قسمت غشائي است که اين بخش غشائي از الياف توخالي تشکيل شده است. خون از ميان فيبر توخالي حرکت مي کند و اين در حالي است که مايع دياليز از ميان پوسته ي بخش غشائي عبور مي کند. مايع دياليز با سرعت کافي در ميان پوسته جريان مي يابد به نحوي که حالت اشباع پيدا نکند. مواد سمي موجود در خون از ميان ديواره ي متخلخل نفوذ مي کند و بوسيله ي مايع دياليز خارج مي شود. قابليت نفوذ غشاء بوسيله ي خاصيت ذاتي غشاء و مواد حل شده در محلول تعيين مي گردد. به هر حال، طول، قطر داخلي و ضخامت غشاء در طراحي اين دستگاه مهم مي باشد. همچنين شرايط کارکرد مانند فشار تر غشائي (pressure teansmembrone) و سرعت جريان مايعات داخل فيبرها بايد بهينه باشد. اکثر موادي که براي ساخت غشاءهاي کليهي مصنوعي استفاده مي شوند، پليمري هستند(عمدتاً از مواد سلولزي هستند). اخيراًً غشاء هاي مصنوعي شامل پلي سولفون ، پلي متيل اکريلات و پلي اکريلو نيتريل نيز براي استفاده در دياليز توسعه يافته اند. اين پليمرها زيست سازگار پذيرتر هستند. اين غشاءهاي جديد همگي مصنوعي هستند و داراي قابليت سيلان بالايي هستند.

تاکنون گزارشي از استفاده از غشاءهاي سراميکي در آناليز داده نشده است. ولي دانشمندان پيشنهاد کردند که از غشاءهاي سراميکي براي زدايش اندوتوکسين (endotoxins) از آب دياليز (مايع دياليز) استفاده شود. علت اين پيشنهاد اين است که غشاءهاي سراميکي مقاومت بيشتري در برابر شرايط کاري سخت دارند.
الکترودياليز
الکترودياليز فرايندي است که در آن يون هاي حل شده بواسطه ي اعمال يک ميدان الکتريکي از ميان يک غشاء با خاصيت تبادل کنندگي يوني عبور مي کنند. اگر چه الکترودياليز در ابتدا با اصلاح فرايند دياليز (با استفاده از اضافه کردن دو الکترود به فرايند دياليز) شروع شد. اما اين فرايند ها به وضوح از هم متفاوت هستند. (جدول 1)

قوانين مربوط به الکترودياليز بواسطه ي آزمايشات strathmann بر روي يک نمونه ي آب شور انجام شد. همانگونه که در شکل 4 مشاهده مي شود، يک فرايند الکترودياليز متشکل از يک سري غشاء کاتيوني و آنيوني است که به صورت متفاوت قرار گرفته اند. و يک پتانسيل الکتريکي به انتهاي آنها متصل گشته است. اين سيستم براي نمک زدائي از آب شور استفاده شده است. هنگامي که آب شور شامل سديم کلرايد باشد و به داخل يک سلول معين وارد شود، کاتيون هاي با بار مثبت مانند يون هاي سديم بوسيله ي کاتد حرکت داده مي شوند. يون هاي سديم مي توانند از ميان غشاء کاتيوني با بار منفي نفوذ کرده اما بوسيله ي غشاء آنيوني با بار مثبت دفع مي گردند. به طور مشابه يون هاي با بار منفي مانند يون هاي کلر نيز به سمت آند حرکت کرده و از ميان غشاء آنودي عبور مي کنند اما بوسيله ي غشاء کاتدي دفع مي گردند. به عنوان يک نتيجه مي توان گفت که هر دو يون سديم و کلر از محفظه ي آبکي رقيق خارج شده و به محفظه ي کناري که داراي آب شور است مي روند. الکترودياليز مي تواند هم براي تغليظ نمک و هم براي توليد آب آشاميدنيي از آب شور استفاده شود.

غشاءهاي تبادل کننده ي يوني همچنين در صنعت سودسوزآور استفاده مي شود. اين غشاءها براي الکتروليز محلول سديم کلريد استفاده مي شود که محصول بدست آمده از اين فرايند سديم هيدورکسيد و کلر است. اين فرايند به صورت شماتيک در شکل 5 نشان داده شده است. همانگونه که ديده مي شود غشاء کاتدي از پليمر پرفلئورو کربن ساخته شده است. اين غشاء در مرکز محفظه ي الکتروليز قرار دارد. هنگامي که محلول سديم کلريد در سمت چپ غشاء کاتيوني اضافه شود، يون سديم به سمت کاتد جذب شده و به سمت راست غشاء منتقل مي شود. در سطح کاتد،آب به هيدورژن با بار مثبت و هيدروکسيد تجزيه مي شود. يون هاي پروتن (+ H) به سرعت به اتم هاي هيدوژن کاهش يافته که اين يون ها الکترون مورد نياز خود را از سطح کاتد دريافت مي کنند. دو هيدروژن اتمي ترکيب شده و يک ملکول هيدوژن پديد مي آيد. اين ملکول ها به صورت حباب تشکيل مي گردند. همچنين محلول هيدروکسيد سديم در قسمت کاتد تشکيل مي گردد. به عبارت ديگر ، يون هاي کلر به سمت آند حرکت کرده و به محض رسيدن به آند الکترون خود را به آند داده و به اتم هاي کلر تبديل مي گردند. دو اتم کلرنيز ترکيب شده و ملکول کلر تشکيل مي شود.

فرآيندهاي الکترودياليز در ابتدا بوسيله ي غشاءهاي با گزينش يوني پليمري انجام مي شد زيرا اين نوع غشاءها داراي ويژگي هاي مطلوبي مانند مقاومت الکتريکي پايين و انعطاف پذيري مکانيکي هستند. اشکال غشاءهاي با گزينش يوني پليمري ، بهگزيني نسبتاً پايين و پايداري گرمايي پايين آنهاست. غشاءهاي سراميکي با قابليت تباد ل سديم را مي توان در دماهاي بالا و بدون اينکه آسيبي به آنها وارد شود، استفاده کرد. به هر حال ، ضخامت غشاءهاي سراميکي باعث شده است تا اين غشاءها مقاومت بالايي داشته باشند و از اين رو مصرف انرژي در آنها افزايش مي يابد. در واقع ما به خاطر اين ضخامت اين غشاءها را بالا مي بريم که به آساني شکسته نشوند. مصرف زياد انرژي در اين نوع غشاءها مصرف آنها را با اشکال مواجه کرده است. البته گروهي از پژوهشگران غشاءهاي کامپوزيتي از جنس سراميک ساخته اند که اين کامپوزيت بر روي غشائي پليمري قرار داده مي شود . همچنين اين مسئله ثابت شده است که حضور اين فيلم کامپوزيتي -سراميکي باعث افزايش بازده گشته و از بوجود آمدن رسوب جلوگيري مي کند . اين گونه غشاءهاي کامپوزيتي هم داراي مزيت هاي مواد پليمري و هم مواد سراميکي هستند.

کنتاکتورهاي غشائي
در طي فرآيندهاي غشائي مرسوم حضور غشاء با خاصيت گزينشي باعث جداسازي مايع مي شود. ولي در کنتاکتورهاي غشائي اين مسئله وجود ندارد. غشاءهاي مورد استفاده در کنتاکتورهاي غشائي خاصيت گزينشي ندارند. بنابراين در اين غشاءها جدايش عمدتاً بر اساس قوانين موجود براي تماس مواد (مثلاً تعادل فازي) انجام مي شود. شکل 1 قوانين حاکم بر اين فرآيند را نشان مي دهد . همانگونه که ديده مي شود غشاءهاي متخلخل دو سيال (گاز يا مايع) را از همديگر جداسازي مي کنند که در اين فرآيند نفوذ بوسيله ي انتقال جرم اتفاق افتاده است. بر اساي نوع ماده ي مورد استفاده در ساخن غشاء، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار اعمالي در فرآيند، تخلخل هاي غشاء مي توانند بوسيله ي سيال پر شوند که اين مسئله باعث ايجاد تفاوت زيادي در مقاومت انتقال جرم و غشاء مورد استفاده مي شود.

کنتاکتورهاي غشائي يک تکنولوژي است که در آن غشاءهاي متخلخل به عنوان مواد بسته بندي در انتقال جرم بين فازها استفاده مي شود. بنابراين تمام فرآيندهاي جداسازي مرسوم گازي و فرآيندهاي جذبي ، تقطير ، عصاره گيري مايع- مايع ، امولسيون سازي ،کريستاليزاسيون و کاتاليزورهاي انتقال فاز (PHASE TRANSFER CATALYSIS) بوسيله ي کنتاکتورهاي غشائي انجام مي شود.
عملکرد کنتاکتورهاي غشائي به طور زيادي به خواص غشاء ، خواص فيزيکي -شيميايي سيال و فشار بکار برده شده در عمليات بستگي دارد. عموماً يک غشاء با اندازه ي تخلخل هاي نسبتاً يکسان که سطح آب گزيز دارند و براي اين فرآيند مناسب است. اين غشاء به خاطر اين بايد آبگريز باشد که از تر شدن و امتزاج ميان فازي جلوگيري شود. غشاءها با اندازه ي تخلخل بزرگ، تخلخل هاي زياد و ساختار نامتقارن باعث ايجاد جريان نفوذي بالايي مي شود اما ممکن است باعث تشکيل حباب هاي گازي در فرآيند گاز -مايع شوند. بنابراين فشارهاي عملياتي در فاز مايع بايد کاملاً کنترل شود. به خاطر آنکه از مشکلات بوجود آمده در انتخاب غشاء فرار کنيم و پيچيدگي هاي عملياتي را کاهش دهيم، بايد از کنتاکتورهاي غشائي در واحدهاي جداسازي استفاده کنيم. اين کنتاکتورهاي غشائي داراي مزيت هايي همچون، مسافت سطح بيشتر بر واحد حجم، کنترل مستقل سرعت جريان مايع و گاز بدون غرقه سازي، ايجاد کف و هواگرفتگي هستند . عيوب اين گونه کنتاکتورها عمدتاً مربوط مي شود به وجود مقاومت عبور در برابر ماده و محدوديت هاي فشاري موجود مي باشد. کنتاکتورهاي غشائي امروزي عمدتاً از غشاءهاي پليمري ساخته شده اند زيرا قيمت آنها نسبت به نوع سراميکي پايين تر است و اين مسئله يکي از مزاياي غشاءهاي پليمري است. به هرحال اخيراً غشاءهاي فيبري توخالي که از جنس سراميک ساخته مي شوند بر اي ساخت کنتاکتورهاي غشائي استفاده شده است. اين جايگزيني باعث افزايش طول عمر کنتاکتور غشائي مي شود که يکي از مزاياي غشاءهاي سراميکي است.

گروهي از محققين از کنتاکتورهاي غشائي فيبري توخالي استفاده کرده اند تا سرعت تقطير را بالا ببرند . براساس همين مسئله سيستمي براي تقطير ابداع شده است. که در شکل 2 ديده مي شود. همانگونه که ديده مي شود اين سيستم از يک ستون يک کمک گرم کن (REBOILER) و يک کنوانسور تشکيل شده است. تنها تفاوت اين کنتاکتور اين است که ستون بوسيله ي ماده اي پر نشده است بلکه از الياف توخالي ساخته شده است. اين مسئله کاملاً واضح است که يک ستون فيبري توخالي داراي چندين مزيت نسبت به ستون هاي تقطير سنتي است. اول آنکه اين نوع ستون ها داراي سطح تماس به حجم زيادي هستند. کل اين ناحيه به صورت فعال در انتقال جرم ميان بخار و مايع شرکت مي کند. به دليل اينکه سيال همواره الياف توخالي را پر کرده اند، اين سطح تماس پايدار باقي مي ماند (حتي در جريان بسيار کم) . سوماً به دليل آنکه فاز بخار و مايع در تماس با هم نيستند هيچ گونه غرقه سازي (FLOODING) ناشي از حضور دو فاز بخار و مايع در کنار هم رخ نمي دهد. البته هنوز استفاده از الياف سراميکي توخالي متداول نشده است ولي به خاطر مزاياي سراميک نسبت به پليمر احتمال رواج اين گونه الياف توخالي سراميکي زياد است.
رآکتورهاي غشائي
يک رآکتور غشائي وسيله اي است که از ترکيب يک جداساز غشائي به همراه يک رآکتور شيميايي تشکيل شده است. البته به جاي جدا ساز غشائي مي توان از يک فرآيند توزيع نيز استفاده کرد. به دليل آنکه در رآکتورهاي غشائي واکنش شيميايي و عمليات جداسازي /توزيع در يک بخش انجام مي شود ، قيمت فرآيند توليد بسيار کاهش مي يابد . علاوه بر اين، رآکتورهاي غشائي قابليت ارتقاء فرآيند شيميايي را بوسيله ي راه کارهاي زير دارند.
1) عبور گزينشي حداقل يکي از محصولات از نقطه ي واکنش و از طريق غشاء. اين مسئله باعث مي شود تا تعادل واکنش به سمت مورد نظر حرکت کند. ( اصل لوشاتليه )
2) رساندن تنها يک واکنش دهنده ي خاص به منطقه ي واکنش باعث بهينه سازي نسبت اشباع مي شود. در واقع فرآيند شيميايي بهينه سازي گشته و اين مسئله باعث مي شود مصرف مواد اوليه(مخصوصاً مواد خاص) کاهش يابد.
همچنين در اين نوع رآکتورها کنترل ميزان محصولات فرعي نيز آسانتر است. شکل 3 دو عملکرد عمده ي رآکتورهاي غشائي نشان داده شده است.

استفاده از رآکتورهاي غشائي باعث مي شود که واکنش به صورت مورد نظر حرکت کند. اين فرآيند برگشت پذير عمدتاً براي واکنش هاي هيدروژن زدائي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي مثال هنگامي که هيدروژن در يک واکنش هيدروژن زدائي توليد مي شود، به طور مداوم از ميان غشاء نفوذگزين خارج مي گردد. با خروج مداوم هيدروژن تعادل به سمت توليد هيدروژن حرکت مي کند. اين مسئله داراي مزاياي زيادي همچون استفاده از دماي پايين تر در واکنش و افزايش طول عمر کاتاليزورها است.
استفاده از غشاءها در کنترل افزودني هاي واکنش و توزيع مناسب واکنش دهنده ها در زمينه ي واکنش هاي اکسيداسيون جزئي هيدروکربن ها انجام شده است. در اين واکنش ها با کنترل ميزان اکسيژن بوسيله ي غشاء ، از حضور مستقيم فاز گازي (اکسيژن) در واکنش جلوگيري مي شود. همچنين از رآکتورهاي غشائي در کنترل ميزان حرارت واکنش هاي گرماده نيز مي توان استفاده نمود.

در رآکتورهاي غشائي -کاتاليستي، جفت شدگي غشاء با کاتاليزور بوسيله ي سه راه انجام مي شود. همانگونه که در شکل 4 ديده مي شود اين سه راه عبارتند از:
1) همانگونه که در شکل a. 4 ديده مي شود غشاء به همراه کاتاليت مرسوم جفت شده است. غشاء به عنوان ديواره ي خنثي رآکتور استوانه اي است. اين مسئله بايد مورد توجه قرار گيرد که لايه ي بالايي غشاء که باعث تسهيل فرآيند جداسازي مي شود تنها يک بخش کوچک از ضخامت غشاء را تشکيل مي دهد و لايه ي نگهدارنده بخش اعظم لايه را تشکيل مي دهد. اين پيکر بندي عمدتاً در رآکتورهاي هيدروژن زدائي استفاده مي شوند. برخي اوقات ، کاتاليزور به صورت خمير توليد شده و بر روي بخش بالايي غشاء پوشش داده مي شود. البته در صورتي که کاتاليزور کروي نيز مصرف شود عملکرد يکسان است.
2) در اين حالت از قرارگيري، غشاء خودش از لحاظ کاتاليزوري فعال است. (همانگونه که در شکل b.4ديده مي شود) کاتاليزور فعال يک لايه ي غشائي نازک و متراکم است که بر روي تکيه گاه متخلخل رسوب داده مي شود . يک مشکل بالقوه ي اين نوع قرار گيري اين است که همه ي بخش هاي سطحي اين کاتاليزور فعال نيستند.
3) آخرين نحوه ي قرارگيري در شکل 4.c نشان داده شده است. در اين قرارگيري کاتاليزور به صورت اشباع در داخل تخلخل هاي ماده ي ميکروپورس اضافه گشته است. (حالت کاتاليزور لايه ي يا ذره اي) اين روش يکي از روش هاي مرسوم براي اضافه کردن کاتاليزور به غشاء است و براي واکنش هاي هيدروژن زدائي استفاده مي شود

شیشه به عنوان لعاب
 

زیر لعاب ( underglaze )
 

شیشه به عنوان لعاب
 

زیر لعاب ( underglaze )
 

شیشه به عنوان لعاب
 

زیر لعاب ( underglaze )
 

شیشه به عنوان لعاب
 

زیر لعاب ( underglaze )
 

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

انواع شیشه های سرامیکی
 

سنگ معدن ، مکافی و زمین شناسی
 

سنگ های آذرین
 

سنگ های دگرگون
 

سنگ های رسوبی
 

فرآوری
 

وزن و مقیاس
 

درسیستم جهانی SI جرم دارای واحد کیلوگرم است. این واحد به خاطر برخی مسائل مورد توجه است. واحد کیلوگرم از پیشوند کیلو بعلاوه گرم پدید آمده است. کیلوگرم بوسیله ی وزن مرجع یک استوانه ی پلاتین – ایریدیم تعریف می شود. این رفرنس در مرکزی در فرانسه نگهداری می شود. برای بیان جرم موادی که در فرآیندهای تغلیظ و معدن کاری با آنها روبرو هستیم معمولا از واحد تن (metricton) استفاده می شود. هر تن هزار کیلوگرم یا یک مگاگرم است . مسئله گیج کننده در زمینه واحد تن وجود واحدهای خاص آمریکایی و انگلیسی برای تن است. که امروزه هنوز در این کشورها در حال استفاده شدن هستند. یک تن برابر o.984 تن انگلیسی است. همچنین یک تن برابر 1.103 تن آمریکایی است.
مسأله ی گیج کننده ی دیگری که وجود دارد این است که در انگلستان واحد آمریکایی تن در معادن سنگ های فلز دار (فلزی) استفاده می شود و این در حالی است که واحد انگلیسی تن در معادن ذغال سنگ استفاده می شود. ما از واحد معمولی تن (metric ton) استفاده می کنیم. البته این مسأله باید مورد توجه قرار گیرد که این واحدها در کارهای تقریبی زیاد متفاوت نیستند و به هم نزدیک اند. محاسبه ی میزان تمام کانی های تجاری دنیا آسان است. سازمان نظارت کننده ایالات متحده ی آمریکا (VSMS) در زمینه ی مواد معدنی هر ساله اطلاعات خود در زمینه ی مواد معدنی انتشار می دهد. این اطلاعات به صورت کتاب سال منتشر می شود. این سازمان تغییرات حاصل در زمینه ی تولید، ذخایر و... را در هر سال گزارش می دهد.

درادامه به بیان مواد معدنی مورد استفاده در صنعت سرامیک می پردازیم .سعی شده است تا منابع و ذخایر اصلی این مواد نیز ذکر شود.
سیلیس
سیلیس یک ماده ی معدنی مهم در صنعت سرامیک است. استفاده ی عمده از این ماده در صنعت شیشه سازی است (حدود 38% از تولید ایالات متحده ی آمریکا در صنعت شیشه سازی مصرف می شود. ) برای مثال حباب های لامپ های با نور سفید (bulbs incandescent lamp) از شیشه های سودالایم تولید می شود که تقریبا 70% از آنها سیلیس است. درصد سیلیس موجود در لامپ های رشته ای می تواند تا حدود %99.8 وزنی نیز برسد.
یکی از منابع عمده ی سیلیس ، ماسه سنگ است . ماسه سنگ صنعتی و ماسه ی سیلیسی دو واژه هستند که در صنعت سرامیک زیاد استفاده می شوند. این دو واژه به معنای ماسه سنگی است که در صد سیلیس موجود در آن ها بالا باشد. در برخی موارد درصد سیلیس برخی از این ماسه ها بیش از 99.5% است.
برطبق تعریف ASTM، ماسه سنگ ذرات سنگ است که به صورت گرانول هستند. این ذرات می توانند از میان الک مش 4 بگذارند.(4.75mm) و بر روی الک مش 200 (75mm) باقی می مانند. و باید از خردایش طبیعی یا مصنوعی سنگ پدید آمده باشند. (ماسه سنگ همچنین از فرآوری فیزیکی سنگ ها (بوسیله ی سنگ شکن) تولید می شوند.)
ماسه سنگ های تولیدی معمولا دارای ترکیب شیمیایی متنوعی هستند که این ترکیب به نوع سنگ مورد استفاده بستگی دارد. ایالات متحده ی آمریکا بزرگترین تولید کننده ی ماسه ی صنعتی در جهان است. ایالت های ویرجینیای غربی، کالیفرنیا، الینویز، پنسیلوانیا ، اوهایو و نیوجرسی 80% ماسه ی سیلیسی با کیفیت بالای مورد استفاده در ایالات متحده ی آمریکا را فراهم می کنند. در الینویز و میسوری عملا تمام سیلیکای مورد استفاده در ساخت شیشه از ماسه سنگ های st.peter بدست می آید. سایر ذخیره های با کیفیت ماسه سنگ نیز وجود دارد. مثلا یکی از این ذخایر oriskany است که در ویرجینیای غربی و پنسیلونیا وجود دارد. این ذخیره ها عموما به صورت تپه های شنی ساحلی یا به شکل لایه هایی 20-30 متری زیر لایه هایی از لجن، خاک رس و سنگ رست (shales) وجود دارند.
عموما استخراج سیلیس صنعتی یک شغل با فروش منطقه ای است . در واقع مراکز تولید عمدتا در کنار مراکز خرید واقع اند مگر آنکه کیفیت محصول تولیدی استثنائی باشد مثلا خواص اندازه ی ذرات یا شکل ذرات ویژه باشد. منطقه ی جغرافیایی فروش این محصول معمولا از 200 مایل فراتر نمی رود. این مسئله به دلیل هزینه ی بالای حمل و نقل این ماده و فراوانی معادن آن در سرتاسر دنیا است.
در سال های اخیر، مقررات محیط زیستی بر روی استخراج سنگ سیلیس بسته شده که علت آن مشکلات سلامتی است که بوسیله ی این محصول بوجود می آید.
کواتز مینرال عمده ی سیلیس ، جزء اصلی سنگ های آتشفشانی مانند گرانیت است. این ماده همچنین در بیشتر سنگ های دگرگون یافت می شود. بخش اصلی سنگ های دگرگون را ماسه سنگ تشکیل می دهد. همچنین رگه هایی با خلوص بالا از کوارتز نیز در این سنگ ها یافت می شود. کریستال های کوارتز با کیفیت نوری بالا واقعا کم یابند . اما روش هایی مناسب وجود دارد که می توان کریستال های کوارتز را رشد داد و آنها را به صورت تجاری تولید کرد. تولید سالانه ی سیلیس در ایالات متحده ی آمریکا تقریبا 30 مگاتن است که این مقدار 700 میلیون دلار ارزش دارد.
سیلیکات ها
فلدسپار
فلدسپارها یک گروه مینرالی بزرگ هستند واین تخمین زده شده است که بیش از 60 درصد پوسته ی زمین را تشکیل می دهند. (همانگونه که در جدول 1 دیده می شود) این گروه مینرالی در بسیاری از سنگ های رسوبی و تقریبا در تمام سنگ های آذرین و دگرگون یافت می شوند.

صنعت شیشه سازی بیشتر فلدسپارهای تولیدی را مصرف می کند. فلدسپار منبع اکسید آلومینوم است. این ماده خواص مکانیکی شیشه مانند مقاومت در برابر خراش و قابلیت مقاومت در برابر شک حرارتی آن را افزایش می دهد. فلدسپار همچنین در بدنه های سرامیک وایت ویر (whiteware) به عنوان فلاکس استفاده می شود. این ماده باعث ایجاد فاز شیشه ای در هنگام پخت بدنه می شود و استحکلام و حالت زجاجی (translucency) بدنه را افزایش می دهد.
کره ی جنوبی بزرگترین تولید کننده ی فلدسپار در جهان است. تولید سالانه ی فلدسپار در ایالات متحده ی آمریکا 800000 تن است که این میزان ارزشی برابر 45 میلیون دلار دارد. ایالات کالیفورنیا، کارولینای شمالی و کانوکتیکات بزرگترین تولید کنندگان فلدسپار هستند.
رویه ی اصلی در فرآیند استخراج و استفاده از فلدسپار شامل موارد زیر است:
1)سوراخ کاری و انفجار توده ی معدنی
2)انتقال سنگ معدن به آسیاب و خردایش آن (فرآوری فیزیکی)
3)جدا سازی مینرال ها به روش فلوتاسیون (این فرآیند بر اساس قابلیت ترشوندگی متفاوت مواد در محلول آبی اتفاق می افتد).
4)خشک کردن
5)آسیاب کردن تا رسیدن به اندازه ی ذره ی زیرمش 200 (75Mm) برای کاربردهای صنتعت سرامیک
درفرآیند فلوتاسیون هوا به داخل سوسپانسیونی از مینرال های خردایش یافته دمیده می شود. در این حالت در محلول کف تشکیل می شود. ذرات تر شده (ذرات آب دوست) در سوسپانسیون باقی می مانند در حالی که ذرات آب گریز جذب حباب های هوا شده که با جدا سازی کف ها می توان مینرال های مورد نظر را جدا سازی نمود. عوامل متنوعی مانند آمینو اسیدها (این مواد دارای وزن ملکولی بالایی هستند) را می توان برای افزایش قابلیت تر شوندگی نسبی مواد جامد در مخلوط ، استفاده کرد. این عوامل به طور گزینشی بر روی سطح مواد خاص مخلوط ، جذب می شوند. این فرآیند در مراحل زیر انجام می شود:
1)جدایش میکا
2)جدایش مینرال های آهن دار مخصوصا گارنت
3)جداسازی فلدسپار از مواد ته نشست شده مانند کوارتز
رس ها و کائولن
رس جزء عمده ی سرامیک های سنتی است. این مواد عموما سیلیکات های لایه ای با اندازه ی دانه ی زیر 2 میکرون هستند. هر لایه ی سیلیکاتی را می توان به عنوان یک کانی رسی تعریف کرد. شش نوع تجاری از رس ها وجود دارند. این انواع در جدول 2 به صورت لیست وار آورده شده است. این رس ها از لحاظ ترکیب، پلاستیسیته، رنگ و خواص پخت متفاوت اند.

هوازدگی مکانیکی و شیمیایی فلدسپارها در سنگ های آذرین و دگرگون شده باعث تشکیل کائولن می شود.(کائولن یک جزء کلیدی در خاک چینی است) . کائولن تشکیل شده می تواند در همان محل متلاشی گردد و یا ابتدا بوسیله ی آب یا باد به محل دیگری منتقل شود و در آنجا متلاشی گردد. ذخایر کائولن اولیه در محل سنگ اولیه وجود دارند. این نوع کائولن دارای مقادیر زیادی کوارتز و میکا است که در حین فرآیند هوا زدگی تشکیل گشته اند. ذخایر بزرگی از کائولن اولیه در جنوب شرقی انگلستان ، اکراین و چین یافت می شود.
کائولن های ثانویه، کائولن هایی هستند که به طور طبیعی از سنگ های اصلی شسته شده اند. و سپس در مکان های دیگر رسوب کرده اند. این مواد به طور طبیعی فرآوری گشته اند و دارای خلوص بیشتری هستند. ذخایر تجاری و اصلی کائولن ثانویه در ایالات متحده آمریکا 50 میلیون سال پیش تشکیل شده اند. این ذخایر به صورت کمربندی در خط ساحلی قدیمی ازشمال آلاباما تا کارولینای شمالی کشیده شده است

میکا
 

گروه میکا شامل 37 کانی می باشد . این کانی ها با نام فیلو سیلیکات ها (phyllosilicates) هستند که دارای ساختاری صفحه ای یا لایه ای هستند. واژه ی یونانی فیلون (phyllon) به معنای برگ است. برخی از کانی های میکا در جدول 1 آورده شده است. همچنین علاوه بر اسم آنها مکان های وجود منابع عمده ی آنها نیز آورده شده است. میکا ها همچنین بر اساس میکاهای واقعی (truemica) و ترد (brittle) نیز طبقه بندی می شوند. میکاهای واقعی که دارای کاتیون های تک ظرفیتی (مانند k^+ و〖Na〗^+ ) در میان لایه هایشان هستند، از خود خواص ورقه ورقه شده نشان می دهند. این مواد به آسانی به صفحات نازک تبدیل می شوند. در میکاهای ترد، بین لایه ها کاتیون های دو ظرفیتی (مانند 〖Ca〗^(2+) ) وجود دارد. پیوند این کاتیون ها و لایه ها قوی است. اگر چه این مواد نیز خاصیت ورقه شدن دارند اما نسبت به نوع واقعی ترد ترند. میکاهای ترد کانی های کمیابی هستند و استفاده از آنها زیاد نیست.

موسکویت (Muscovite) ، یک نوع میکا است که کاربرد عمده ای دارد. این میکا به خاطر خواص الکتریکی فوق العاده و فراوانی ، کاربردهای فراوانی یافته است.
فلوگوپیت (phlogopite) نوعی کانی است که در دمای بالا پایدار است؛ از این رو از آن در کاربردهایی استفاده می شود که در آنها نیاز به پایداری در دمای بالا و خواص الکتریکی مورد نیاز باشد. هردوی این کانی ها (موسکویت وفلوگوپیت) به صورت صفحه ای و آسیاب شده استفاده می شوند.

میکاها در سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگون تشکیل می شوند.( این کانی ها در محیط های مختلف زمین شناسی تشکیل می شوند) . علت تشکیل این مواد در گسترده ی وسیعی از محیط های زمین شناسی پایداری گرمایی این مواد است. شکل 1 دیاگرام فشار – دما برای میکای موسکویتی است. در دمای بسیار بالا (بیشتر از)، این نوع میکا ناپایدار می شود و در حضور کوارتز تجزبه گشته و به فلدسپار پتاسیک و سیلیمانیت (sillimanite) تبدیل می شود.(طبق فرمول زیر):

سیلیمانیت فلدسپارتپاسیک کوارتز موسکوویت
موسکوویت در سنگ های دگرگون کم ارزش تشکیل می شود. در این مکان ها موسکوویت از پیروفیلیت تشکیل می شود. این فرآیند در کریستالیزاسیون اولیه ی کانی های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها (Pegmatites) نیز رخ می دهد.
در سنگ های رسوبی مخصوصا آرنیت (arenites) نیز فرآیند تشکیل موسکویت اتفاق می افتد. موسکوویت در بسیاری از بخش های ایالات متحده ی آمریکا به صورت محدود وجود دارد.
بزرگترین تولید کننده ی میکا، روسیه است. این کشور یک سوم نیاز سالانه ی این ماده را تولید می کند. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 75000 تن میکای ورقه ای و ذره ای تولید می کند. اگر چه ایالات متحده ی آمریکا از لحاظ تاریخی تولید کننده ی صفحات میکایی است ولی منابع داخلی این ماده به پایان رسیده و از این رو این کشور تنها به تولید میکای ورقه ای و ذره ای می پردازد.
مصرف عمده ی میکای آسیاب شده به عنوان پرکننده در اجزای اتصال دهنده ی دیواره های گچی (ژیپسی) است . استفاده از پر کننده های میکایی موجب تولید سطوح صاف می شود، کارایی را بهبود داده و از گسترش ترک جلوگیری می کند. از این مواد همچنین در رنگ ها، محصولات رابری قالب گیری مانند تایرها و خمیر دندان کاربرد دارند. از میکای فلس مانند به عنوان جایگزینی در لقمه ترمزها و صفحه کلاچ استفاده می شود.
هند بزرگترین تولید کننده ی میکای مورد استفاده در ساخت صفحات موسکوریتی (muscovite sheet meca) است. ماداگاسکار نیز بخش عمده ای از میکای مورد استفاده در ساخت صفحات فلوگوپیت را مهیا می کند. قیمت میکای صفحه ای از کمتر از یک دلار بر کیلوگرم برای کیفیت پایین تا 2000 دلار بر کیلوگرم برای نوع با کیفیت متغیر است. از نوع با کیفیت بالای میکای موسکویتی در ساخت دی الکتریک مورد استفاده در خازن ها استفاده می شود.

مولایت
 

مولایت در طبیعت به میزان فراوان وجود ندارد و باید به صورت مصنوعی ساخته شود. این ماده دارای خواص زیادی است که موجب شده تا این ماده برای کاربردهای دما بالا مناسب باشد. مولایت دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار کوچکی است.(این مسأله باعث می شود که مولایت مقاومت به شک حرارتی خوبی داشته باشد). این ماده همچنین در دمای بالا مقاومت به خزش خوبی دارد و از همه مهمتر، مولایت به آسانی با شیشه ی مذاب یا سر باره ی فلزات مذاب واکنش نمی دهد و در اتمسفر های کوره ای خورنده پایدار است.
از این رو از این ماده در آستر کاری کوره و سایر کاربردهای دیرگداز در صنعت فولاد سازی و ذوب آهن و صنعت شیشه استفاده می شود.
از لحاظ تجاری مولایت به دو روش ساخته می شود:
1)زینته ینگ
2)فیوزینگ
مولایت زنیته شده ممکن است بوسیله ی حرارت دادن مخلوطی از کیانیت : ، بوکسیت و کائولن تولید شود. (کیانیت مینرالی است که به صورت طبیعی در سنگ های دگرگون یافت می شود.) این مخلوط (درنسبت های معین) در دماهای بالاتر از 1600c° زینته می شود. ماده ی زینته شده به این روش دارای 90-85% مولایت است . علاوه بر مولایت درصدی شیشه و کریستو بالیت (یکی از پلی فرم های وجود دارد . آفریقای جنوبی تولید کننده ی عمده ی کیانیت دنیاست این کشور سالانه 165000 تن کیانیت تولید می کند.
ایالات متحده ی آمرکیا دارای بزرگترین منابع کیانیت دنیاست. این منابع در منطقه ی کوه های آپلاچین (Applochian Mountains) و آیداهو (Idaho) قرار گرفته اند. آندالوزیت (Andalusite) وسیلیمانیت سایر مینرال های آلومینو سیلیکاتی هستند که مانند کیانیت می توان از آنها به عنوان ماده ی اولیه در تولید مولایت استفاده کرد.
در روش فیوزینگ مقداری آلومینا و کائولن به داخل کوره ی قوس الکتریکی ریخته می شود. پس از روشن شدن این کوره دما به بالاتر از 1750c° می رسد و از این رو می توان با این روش مولایت با خلوص بالاتر تولید کرد. مولایت تولیدی به روش فیوزینگ دارای بیش از 95% مولایت است که به همراه آن مخلوطی از آلومینا و شیشه وجود دارد.

اکسیدها
 

موادخام مورد استفاده در ساخت سرامیک های اکسیدی تقریبا همگی به وسیله ی فرآیندهای شیمیایی تولید می شوند. علت استفاده از فرآیندهای شیمیایی بدست آوردن خلوص شیمیایی بالا و تهیه ی پودرهای مناسب جهت ساخت اجزای سرامیکی است. اکسیدهای مهم مورد استفاده در صنعت سرامیک در جدول 2 آمده است.

آلومینا
 

اکسید آلومینیوم ( ، آلومینا ، کوراندوم) بیشترین ماده ی شیمیایی غیر آلی است که در صنعت سرامیک استفاده می شود. این اکسید از کانی بوکسیت (bauxite) و بوسیله ی فرآیند بایر (bayer Process) تولید می شود. بوکسیت مخلوطی از اکسید آلومینیوم هیدراته با اکسید آهن، سیلیس ، تیتا نیا (به عنوان ناخالصی) تشکیل شده است. این کانی از هوا زدگی و متلاشی شدن سنگ های آلومینیوم دار بوجود می آید که در اغلب موارد جنس سنگ ها از نوع آذرین است. این کانی در مناطق گرمسیری تشکیل می شود. مانند کائولن، بوکسیت نیز می تواند به صورت ذخایر اولیه و ثانویه باشد.
فرآیند بایر آلومینایی با خلوص اسمی 99.5% تولید می کند. آلومینا بر اساس کابردهایش در گریدهای مختلف تولید می شود. این گریدها از لحاظ اندازه و شکل کریستال ها و میزان ناخالصی متفاوت اند. ناخالصی اصلی آلومینا اکسید سدیم است. کریستال های آلومینا می توانند اندازه ی بین o.1 – 25 میکرون داشته باشد. شکل 2 کارخانه ی تولید آلومینا به روش بایر را نشان می دهد.

مراحل فرآیند بایر عبارتند از :

1) فرآوری فیزیکی
 

بوکسیت بدست آمده از معدن ابتدا آسیاب می شود. البته اندازه ی ذرات در این خردایش بسیار درشت است. (اندازه ی ذرات زیر یک میلیمتر است). فرآیند آسیاب کاری باعث افزایش مساحت سطح کل ذرات می شود که این مسأله موجب کاهش زمان فرآیند می شود. (کاهش زمان واکنش های شیمیایی درمراحل بعدی )

2) مرحله هضم
 

ذرات درشت بوکسیت بوسیله ی افزودن هیدروکسید سدیم (NaOH) به آب حل می شود. این فرآیند در دمای و در فشار کل O.5MPa اتفاق می افتد. همه ی آلومینای هیدراته ی موجود در بوکسیت حل می گردد و به صورت سدیم آلومینات در می آید.طبق فرمول زیر:

3) فیلتراسیون
 

ناخالصی های جامد موجود در محلول حاصله که عمدتا سیلیس ، تیتانیا و اکسید آهن هستند بوسیله ی فیلتراسیون جدا سازی می شوند.

4) رسوب دهی
 

پس از سرد کردن ، دانه های گیبسیت (آلومینای هیدراته ی طبیعی - به محلول سدیم آلومینات اضافه می شود. این مسأله موجب تشکیل فاز پایدار از هیدروکسید آلومینیوم در دمای پایین می شود. با دمش گاز به داخل محلول بوجود آمده ،فرآیند ایجاد رسوب تسریع می شود و عمل رسوب زایی ایجاد می شود.

5) شستشو
 

رسوبات بدست آمده سپس از فیلترعبور داده شده و شستشو می شوند تا میزان سدیم آن کاهش یابد.

6) کلسیناسیون
 

پودر حاصله در دمای بین 1100C∘ - 1200 کلسیناسیون می شود. در این فرآیند هیدروکسید به اکسید تبدیل می شود. واکنش در این مرحله به صورت زیر است:

در این مرحله آلومینای بدست آمده به شکل کلوخه ای است. این کلوخه ها از دانه های ریز با قطر 10-5 میکرون تشکیل شده اند.

7) آسیاب کردن
 

پودر حاصله در مرحله ی قبل آسیاب می شود تا اندازه ی ذرات و توزیع ذرات معین بدست آید. آلومینای تولیدی به این روش دارای بیش از 99.5% است. و همانگونه که قبلا گفتیم، ناخالصی عمده ی موجود در این ماده است. پودر حاصله ممکن است به میزان بسیار کم در حدود % 0.001 داشته باشد. این میزان از خلوص برای آلومینا برای بسیاری از کاربردها مناسب است. کنترل دقیق شرایط ته نشست شدن، شستشوی رسوبات و کنترل شرایط کلیناسیون و آسیا ب کردن می تواند موجب تشکیل آلومینایی با خلوص 99.99% شود. قیمت آلومینای کلسینه شده ی معمولی 0.60 دلار بر کیلوگرم است و این قیمت می تواند برای آلومینای کلسینه شده ی با خلوص بالاتر به 2.00 دلار بر کیلوگرم برسد. قیمت گرید متالورژیکی (مناسب برای تولید آلومینوم ) تقریبا ً 150 دلار برتن است.

جدول 3 ترکیب نمونه وار فرم های اصلی آلومینای کلسینه شده آورده شده است. حضور در برخی موارد غیر قابل قبول است. برای مثال ، یون سدیم در میدان الکتریکی تحرک پیدا می کند و باعث اتلاف خاصیت عایق کاری الکتریکی می شود. همچنین سدیم ، آلومینا تشکیل فاز می دهند. تشکیل این فاز باعث کاهش دانستیه، استحکام ، مقاومت به شک حرارتی و مقاومت به خوردگی محصول نهایی می شود. جدول 4 درصد مناسب برای کاربردهای مختلف آلومینای کلسینه شده (تولیدی به روش بایر ) را نشان می دهد.

استرالیا بزرگترین تولید کننده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 60 مگا تن از این ماده تولید می کند.
منابع عمده ی بوکسیت در ایالات متحده ی آمریکا در آرکانزاس (Arkansas) وجود دارد. البته ذخایر کوچکتری نیز در جرجیا (Georgia) ، آلاباما (Alabama) و میسی سی پی(Missisippi) وجود دارد . معادن داخلی کمتر از 1% بوکسیت مورد نیاز ایالات متحده ی آمریکا را مهیا می کنند. از این رو ایالات متحده ی آمریکا یکی از واردکنندگان عمده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 10 مگاتن بوکسیت وارد می کند.
تقریباً 95% از آلومینای استخراج شده در فرآیند تولید آلومینیوم استفاده می شود. بقیه ی آلومینای تولیدی در کاربردهای غیر فلزی مانند تولید آلومینای ویژه مصرف می شوند. و در واقع همین درصد کم برای ما مهم می باشد. زیرا بیشتر آن در صنایع سرامیک کاربرد دارد.

فرم با خلوص بالای آلومینا را می توان به طور مستقیم از فلز آلومینیوم تولید کرد. برای این کار چندین روش وجود دارد که در شکل 3 نشان داده شده است

* منیزیا
 

اکسید منیزیم(Mgo، منیزیا) به صورت طبیعی و در حالت کانی پیریکاز (periclase) تشکیل می شود. این کانی یک کانی دگرگون است که از تخریب دولومیت و دیگر کانی های منیزیادار تشکیل می شود. منابع پریکاز کمیاب است و ارزش اقتصادی ندارد. منابع اصلی منیزیا ، منیزیت وهیدرو کسید منیزیم است.
ذخایر بزرگ منیزیت در بسیاری از کشورها مانند چین و ترکیه و روسیه وجود دارد. منیزیت دارای ناخالصی های مختلفی مانند سیلیس، آهن، آلومینیوم ، منگنز، و کلسیم است که این ناخالصی ها معمولا ً به شکل کانی های متنوعی وجود دارند. مثلا برخی از این کانی ها عبارتند از: کوارتز، تالک، میکا مگنتایت (Magnetite). پس از استخراج سنگ معدن، باید عملیات فرآوری انجام شود. روش های فرآوری متنوع هستند مثلا خردایش ، دانه بندی، شستشو، جداسازی بوسیله ی آهنربا و ملوتاسیون برخی از این روش ها ست . پس از خالص سازی کربنات منیزیم ، این ماده کلسیناسیون می شود. دمای کلسینا سیون بین است. فرآیند کلسیناسیون موجب تولید دانه های بسیار ریز Mgo با خواص واکنشی بالا می شود. این محصول منیزیای سوز آور(caustic magnesia) نامیده می شود. نوع زینته شده یا پخته شده (dead- burned) منیزیا بوسیله ی کلسیناسیون منیزیم کربنات در دمای بالاتر از تولید می شود. در طی این فرآیند کریستال های واکنش پذیر رشد کرده و از این رو میزان واکنش پذیری آنها کاسته می شود.
منیزیا را همچنین می توان از آب دریا یا آب های شور با درصد پایین منیزیم تولید کرد. تقریبا 60% تولید ترکیبات منیزیمی در آمریکا از این منابع تامین می شود. آب دریا دارای در کیلوگرم است.
مهمترین فرآیند تولید Mgo از آب دریا بدین صورت است که هیدروکسید منیزیم از محلول نمک های مینزیم و بوسیله ی یک عامل بازی قوی رسوب می کند.(طبق واکنش زیر)

رسوبات شسته شده ، فیلتراسیون می شود و بوسیله ی فرآیند کلسیناسیون آب گیری می شود. روش دیگر تولید منیزیا بدست آوردن منیزیا از آب شور است. این فرآیند بر پایه ی تجزیه یرسوبات در دمایرسوبات اتفاق می افتد. (طبق واکنش زیر )

ظرفیت تولید سالانه ی منیزیا تقریبا 10 مگاتن در سال است. تقریبا 9 مگاتن از منیزیا از منابع طبیعی و تقریباً 1.5 مگاتن آن از آب دریاها و آب های شور بدست می آید. قیمت منیزیا در گسترده ی 150- 1200 دلار بر تن است. که این قیمت گذاری بر اساس خلوص آن انجام می شود.
کاربرد عمده ی منیزیا به عنوان دیرگدازهای مورد استفاده در آسترکاری کوره هاست. مقادیر بسیار کمی از منیزیا در تولید محلول خوراکی شیری رنگ (مخصوص درد معده) استفاده می شود. همچنین از منیزیا در ساخت سایر سرامیک ها مانند مواد اسپنیلی بدون کروم استفاده می شود. اسپینل بدون کروم در طبیعت در مقادیر قابل استفاده در صنعت وجود ندارد. اسپنیل را می توان بوسیله ی ذوب الکتریکی آلومینا و مینزیا تولید کرد.

* زیرکونیا
 

اکسید زیرکونیوم ، زیرکونیا) به طور عمده از زیرکن ) بدست می آید. زیرکن مینرالی است که در سنگ های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها تشکیل می شود.
در برزیل و ماداگاسکار برای تولید زیرکن ، سنگ های آدرین پگماتیتی (pegmatates) را تجریه می کنند. همچنین زیرکن می تواند به عنوان جزئی از سنگ های دگرگون تشکیل شده باشد. در سواحل استرالیا، برزیل، هند و فلوریدا از زیرکن به صورت ذخایر موجود در ماسه های ساحلی وجود دارد که این ذخایر از نوع ذخایر ثانویه هستند. در این نوع از ذخایر که به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد، زیرکن به همراه مینرال های دیگر مانند المنتایت (ilmentite) ، روتایل (rutile) و مونازیت (monazite) تشکیل شده است.
برای تولید زیرکونیای خالص از زیرکن چندین روش تجاری وجود دارد. زیرکن در دمای بالاتر از به زیرکونیا و سیلیس تجزیه می شود. تزریق ماسه های زیرکنی به یک محیط پلاسما (در دمای بالاتر از 6000c° ) باعث تجزیه شدن زیرکن و ذوب شدن آن می شود. در هنگام انجماد مذاب پلاسمایی ، زیرکونیا به صورت ساختار دندریتی انجماد پیدا می کند. وبه صورت پوششی شیشه ای بر روی زیرکونیا تشکیل می شود. سیلیس موجود در این ساختار می تواند بوسیله ی شستشو با محلول سدیم هیدروکسید جوشان از بین برود. در این فرآیند مواد زائد شسته می شود و زیرکونیا بوسیله ی سانتریفیوژ جدا سازی می شود.
روش اصلی در تولید اکسید زیرکونیوم ذوب زیرکن در کوره ی قوس الکتریکی است. دمای این ذوب بین 2100c°- 2300 است با آنکه دمای این واکنش نسبت به پلاسما پایین تر است اما فرآیند تجزیه ی زیرکن اتفاق می افتد. اما در این حالت زیرکونیای جامد در سیلیس مذاب تولید می شود. خلوص تولیدی در این روش تقریبا 99% است.
یکی دیگر از منابع تأمین کننده ی زیرکونیا ، بادولیت (baddeleyite: مونوکلینک و ناخالص) است. البته این کانی از لحاظ تجاری اهمیت کمتری نسبت به زیرکن دارد . ذخایر بادولیت کم می باشد. همچنین این ذخایر به همراه آلودگی هایی مانند سیلیس ، اکسید آهن و تیتانیا وجود دارد. ذخایر با دولیت به صورت تجاری در برزیل و آفریقای جنوبی استخراج می شوند. همه ی منابع سنگ معدن زیرکونیوم دارای مقادیر متنوعی از هافینوم ( به طور نمونه وار 3 – 1.5%) هستند . به دلیل شبیه بودن ویژگی های شیمیایی این دو ماده ، فرآیند جداسازی آنها گران قیمت است. به همین دلیل اکثر گریدهای زیرکونیا بیش از %3wt هافینوم دارند.

* زینسیت
 

اکسید روی (ZnO) به صورت طبیعی در مینرال زینسیت Zincite))وجود دارد. اکسید روی خالص سفید رنگ است. کانی زینسیت به دلیل وجود منگنز( بیش از 10%) و مقادیر ناچیزFeo  قرمز رنگ است. منابع طبیعی زینسیت از لحاظ تجاری اهمیت ندارند. دو روش برای تولید اکسید روی وجود دارد:
1)اکسیداسیون فلز روی (در حالت بخار) با هوا
2)کاهش اسفا لاریت ( Sphalerite:zns) با کربن و CO اسفالاریت یکی از کانی های طبیعی و بسیار مهم از روی است. منابع عظیمی از این کانی در سنگ های آهکی دره ی میسی سی پی ، حوالی جوپلین (Joplin) وجود دارد .همچنین منابع عظیمی از این کانی در فرانسه ، مکزیک، اسپانیا ، سوئد و انگلستان وجود دارد.
مقادیر زیادی از اکسید روی تولید شده در صنعت تولید چسب و رابر استفاده می شود. از این اکسید همچنین در رنگ های لاتکس ، کاشی ها ، لعاب ها و صنعت پرسلان استفاده می شود.
این ماده همچنین یکی از مواد پر کاربرد در ساخت وریستور (Varistors) است.

* روتایل و آناتار
 

روتایل ، تیتانیا) یکی از اجزای تشکیل دهنده ی سنگ های آذرین مانند گرانیت و همچنین به عنوان یکی از مشتقات سنگ های دگرگون مانند گنیس (geneiss) است. این کانی به صورت سوزن های ریزی در نمک ها، میکای بیوتایتی (biotitemica) ، کوارتز و فلدسپار یافت می شود. از لحاظ اقتصادی ذخایر مهم این ماده در سنگ های آذرین ویرجینیا (Virginia) ،کانادا (Canada) و نوروی (Norway) یافت می شود. روتایل (rutile) همچنین یکی از اجزای مهم سنگ های ساحلی است که از فرسایش سنگ های دارای روتایل بوجود آمده اند. این سنگ های ساحلی در استرالیا، فلوریدا و هند وجود دارند.
تیتانیا همچنین از واکنش المنیت با اسید سولفوریک در دمای نیز تولید می شود. این واکنش به صورت زیر انجام می شود و تشکیل تیتانیل سولفات (Sulfate titanyl) می دهد:

تیتانیل سولفات در آب قابلیت حل شوندگی داشته و می توان بدین وسیله از ناخالصی های نامحلول در آب جداسازی شود. (این کار بوسیله ی فیلتراسیون انجام می شود.) هیدرولیز در دمای باعث تشکیل رسوبات هیدروکسید طبق واکنش زیر می شود.:

هیدروکسید تیتانیل بوسیله ی کلسیناسیون در دمای 1000c° به تیتانیا تبدیل می شود.

* غیر اکسیدی ها
 

اکثر سرامیک های غیر اکسیدی مهم در طبیعت وجود ندارند و بنابراین باید آنها را سنتز کرد. روش سنتز این مواد معمولا یکی از روش های زیر است:
1)ترکیب مستقیم فلز و نافلز در دمای بالا
2)کاهش اکسید با کربن در دمای بالا (کاهش کربوترمال) و واکنش متعاقب با نافلز در این بخش از مقاله نگاه مختصری به سرامیک های غیر اکسیدی مهم داریم. برای نشان دادن تنوع سرامیک های غیر اکسیدی ما مثال هایی از کاربیدها ، نیتریدها و بوریدها را آورده ایم. البته سرامیک های غیر اکسیدی دیگری نیز وجود دارند که آنها نیز مورد توجه هستند.
SiC: ساینده ، بخش های الکترونیکی با شرایط دشوار
TiC: یا تاقان ، ابزارهای برش،
AIN:قطعات الکترونیکی، بوته ذوب فلز
: توربین های گازی آینده و اجزای موتورهای دیزل
Zr B_2: بوته ی ذوب فلز و تیوپ های ترموول (tubes Thermowell)
WC: ساینده، ابزارهای برش
C (گرافیت): روانساز جامد
C(الماس) : ساینده

* سیلیسیم کاربید
 

سیلیسیم کاربید(SiC) بیشترین مصرف را در بین مواد سرامیکی غیر اکسیدی دارد. کاربرد عمده ی این ماده در صنعت ساینده است. علت استفاده از آن در صنعت ساینده سختی بالا (تنها الماس، نیترید بورکیوبیک و کاربیدبور سختی بالاتری از سیلیسیم کاربید دارند.) سیلیسیم کاربید در طبیعت تشکیل نمی شود و بنابراین باید آن را به صورت مصنوعی ساخت. این ماده به دو شکل کریستالی وجود دارد. فرم کیوبیک که به آن فاز B می گویند (B-SiC) و فرم هگزا گونال که به آن فاز می گویند.(-SiC). فرم در دمای بالاتر از تشکیل می شود و فرم B در گستره ی دمایی تشکیل می شود.
سیلیسیم کاربید به صورت تجاری بوسیله ی فرآیند آچسون (Acheson Process) تولید می شود. در این فرآیند مخلوطی از ماسه ی سیلیسی (99.5%.)، کک (carbon) تهیه شده و در طول بزرگی دپو می شود. سپس الکترودهای کربنی در داخل توده جا سازی می گردد. هر توده معمولا از 3000 تن ماده تشکیل شده است. گرم کردن کک باعث آزاد شدن انرژی کک می شود. که معمولا در دما در بخش هایی از توده به نیز می رسد. انرژی الکتریکی کل که در طی راه اندازی استاندارد یک توده (کوره) مصرف می شود حدود 2 میلیون کیلو وات ساعت (kwh) است که این میزان تقریبا برابر است با 7 تراژول (7TJ). میانگین توان ورودی به کوره در طی راه اندازی کوره حدود 9000-10000KW است. در دمای بالا کک با واکنش می دهد و Sic و CO(مونواکسید کربن ) تولید می کند:

عملیات حرارت دهی کوره ادامه می یابد تا واکنش به طور کامل انجام شود. زمان حرارت دهی از2- 20 روز طول می کشد .(بسته به بزرگی کوره و ترانسفورماتور). پس از سرد شدن کوره، توده شکسته می شود و پس از خردایش دانه بندی می شود. مرکز توده دارای کریستال های SiC هگزاگونال با خلوص بالاست که رنگ آنها سبز است. این کریستال ها برای کاربردهای الکتریکی مناسبند. خلوص SiC براساس رنگ کریستال ها قابل تشخیص است:
خلوص % 9908 : سبز کم رنگ
خلوص % 99: سبز پررنگ
خلوص % 98.5 : سیاه رنگ

گرداگرد مرکز توده یک بخش با خلوص پایین (بیش تر از %97.5) وجود دارد که برای کاربردهای ساینده مناسب است. لایه ی بیرونی دارای مخلوطی از SiC و واکنش نداده و کربن است که این لایه در فرآیند پخت بعدی استفاده می شود. شکل 1 مثال هایی از کریستال های SiC تولید بوسیله ی فرآیند آچسون است.

بزرگترین تولید کننده ی SiC جهان چین است .این کشور سالانه 450000 تن SiC تولید می کند. شکل 2 یک کارخانه ی تولید SiC را نشان می دهد. قیمت SiC تولیدی به روش آچسون بین 10- 40 دلار بر کیلوگرم است

تیتانیوم کاربید
 

تیتانیم کاربید (TiC) یکی دیگر از مواد سرامیکی غیر اکسیدی است که در طبیعت تشکیل نمی شود. این ماده نیز بوسیله ی کاهش کربوترمال یا بوسیله ی واکنش مستقیم بین عناصر تیتانیم و کربن تولید می شود. فرآیند تولید TiC نیز نیازمند دمای بالای تولید می باشد. دمای کربوراسیون بین است.

آلومینیوم نیترید
 

چندین روش صنعتی برای تولید AIN وجود دارد. درحال حاضر دو تا از این روش ها به صورتی صنعتی کار برد دارند. یکی از آنها نیتریداسیون مستقیم آلومینیوم است. که در زیر واکنش آن نشان داده شده است.

در دمای بالاتر از نقطه ذوب فلز تمام پودر به صورت مستقیم به نیترید تبدیل می شود. کنترل دقیق فرآیند بوسیله ی جلوگیری از انعقاد فلز در طی فرآیند نیتریداسیون انجام می شود.
کاهش آلومینا با استفاده از نیتروژن و یا آمونیاک درحضور کربن یکی دیگر از روش های تولید AIN است. (طبق واکنش زیر)

مخلوط آلومینا و کربن با اتمسفر دارای نیتروژن و در دمای بالاتر از واکنش می دهد. برای تبدیل کامل مواد به AIN فاکتورهایی مانند اندازه ی ذرات پودر و مخلوط نمودن مناسب مواد مهم می باشند. در دو روش تولید AIN، ناخالصی های اصلی اکسیژن (1.O% وزنی) و کربن (زیر O.O7%wt) هستند. سایر ناخالصی هایی که در این ماده وجود دارد عبارتند از: سیلیسیم، آهن، کلسیم. این ناخالصی ها به طور نمونه وار هر کدام در غلظت هایی زیر 50ppm وجود دارند. فروش جهانی AIN در حدود 200 تن در سال است. قیمت این ماده در گسترده 20- 180 دلار بر کیلوگرم است. این تفاوت قیمت به خاطر کیفیت و ویژگی های پودری AIN است.
در بسیاری از کاربردهایAIN نیاز است تا این ماده به صورت زیر لایه یا دیواره ی بوته باشد. این ماده یک عایق الکتریکی خوب است و رسانایی گرمایی بسیار بالایی دارد. (بهتر از آهن) این مسئله باعث شده تا از آن در بخش های الکترونیکی استفاده شود. بوته های آلومینیوم نیتریدی برای نگهداری مذاب فلزات استفاده می شود.

سیلیسیم نیترید
 

سیلیسیم نیترید () یکی دیگر از کانی های مصنوعی است. این ماده دارای دو فرم کریستالی است .فرم دما پایین آن است که این فرم از آن نسبت به فرم β بیشتر ترجیح داده می شود. (به عنوان ماده ی اولیه ) زیرا تغییرات فازی فرم βدر طی فرآیند زینترینگ موجب پدید آمدن تغییرات طولی در ساختار کریستالی می شود. چندین روش برای سنتز پودر وجود دارد که این روش ها شبیه به روش های تولید AIN است. این روش ها عبارتند از :
1)نیتریداسیون پودر سیلیسیم
2)کاهش کربوترمال سیلیس در گاز نیتروژن
3)واکنش در فاز گاز یا سیلان () با آمونیاک
بیشتر پودرهایی که به صورت تجاری در دسترس هستند از واکنش پودر سیلیسیم با نیتروژن در دمای تولید شده اند. (طبق واکنش زیر)

این پودر عموما مخلوطی از فاز و β است (که نسبت به β برابر 90 به 10 است.) در اغلب موارد برای تسریع واکنش و جلوگیری از تشکیل فاز β از پودر به عنوان جوانه زا استفاده می شود. پودر نیترید شده شامل ناخالصی هایی مانند آهن ، کلسیم و آلومینیوم است. که این ناخالصی ها از ابتدا در پودر سیلیسیم وجود داشته اند و یا در طی فرآیند آسیاب کردن ثانویه پدید آمده اند. پودر با خلوص بالا را می توان بوسیله ی کاهش کربوترمال در دمای بین تولید کرد.( طبق واکنش زیر)

اگر چه این فرآیند باعث تولید پودرهایی می شود که در آنها کربن و اکسیژن باقی مانده وجود دارد ولی پودر تولیدی دارای مساحت سطح بالایی است و درصد فاز نیز در این پودر بالاست.
پودرهای با خلوص بالا همچنین بوسیله ی واکنش در فاز بخار تولید می شود. که در زیر این واکنش ها آورده شده است:
〖
پودر تولیدی به روش بالا آمورف است. اما محصولاتی که تا دمای حرارت داده شوند.
تقریباً به طور کامل به فرم تبدیل می شود.
تولید جهانی، 500 تن در سال است. قیمت پودر این ماده از 30 – 150 دلار بر کیلوگرم قیمت دارد. که این قیمت به اندازه ی ذرات و کیفیت آن بستگی دارد.
سیلیسیم نیترید در دماهای بالا دارای استحکام بالایی است. این ماده دارای مقاومت به شک حرارتی ، مقاومت به خزش و مقاومت به اکسیداسیون بسیار خوبی در شرایط سخت است. از این رو این ماده برای ساخت قطعات توربین و موتورهای دیزل مناسب است.

زیرکونیوم دی بوراید
 

زیرکونیوم دی بوراید یک ماده ی مناسب برای ساخت بوته ی ذوب فلزات است. علت این مسئله مقاومت به خوردگی استثنائی این ماده است. این ماده همچنین در سلولهای هال – هرولت (Hall- Heroultcells) (فرآیند تولید آلومینیوم ) به عنوان کاتد و در فرآیند تصفیه ی فولاد به عنوان تیوپ های ترموول استفاده می شود.
فرآیندهای مختلفی برای تولید استفاده می شود. این فرآیند ها شبیه به روش های تولید کاربیدها و نیتریدهاست. به صورت صنعتی این ماده به روش واکنش مستقیم زیرکونیوم و بور تولید می شود.

همچنین از واکنش کربوترمال نیز می توان برای تولید استفاده کرد. که واکنش آن به شکل زیر است.

همه ی این واکنش ها باید در دمای بالا و تحت اتمسفر خنثی یا خلاء انجام شود. قیمت پودر بین 60- 100 دلار بر کیلوگرم است.

تنگستن کاربید
 

تنگستن کاربید یک ماده ی مقاوم در برابر سایش است. این ماده در فلز کاری، استخراج معدن و صنعت ساخت قطعات ماشین آلات و ساخت قالب کاربرد دارد. این ماده بوسیله ی کربوره کردن پودر تنگستن تولید می شود. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 5500 تن WC مصرف می کند.

کربن
 

گرافیت یکی از فرم های سه گانه ی کربن است. فرم های کریستالی دیگر کربن عبارتند از : الماس و فولرن ها ، گرافیت به طور طبیعی در سنگ های دگرگون مانند مرمر (marble) وجود دارد. البته این ماده شباهت زیادی با سایر سرامیک های غیر اکسیدی ندارد.
گرافیت مورد استفاده در صنعت از منابع طبیعی استخراج می شوند. بزرگترین تولید کنندگان گرافیت دنیا، چین و هند هستند. تولید جهانی این ماده یک مگاتن در سال است. هم اکنون گرافیت در ایالات متحده ی آمریکا استخراح نمی شود. اگر چه این کشور سالانه 300000 تن گرافیت به شکل مصنوعی تولید می کند. که ارزش این تولید یک میلیارد دلار است.
چندین روش برای تولید گرافیت به صورت مصنوعی وجود دارد. بسیاری از این روش ها بدین گونه هستند که کربن های غیر گرافیتی در دمای بالاتر از گرما داده می شوند تا گرافیت تشکیل شود. برای مثال فرم بسیار خالص از این ماده بوسیله ی حرارت دادن مخلوط کلسینه شده ی کک نفتی و ذغال سنگ در دمای تولید می شود. دمای بالای این فرآیند باعث می شود تا اتم های کربن به صورت آرایش ورقه ای (ساختار گرافیتی) در آیند. گرافیت مصنوعی را همچنین می توان بوسیله ی رسوب از حالت فاز بخار هیدرو کربن ها در دماهای پایین (حدود ) تولید کرد.
بیشتر گرافیت مصنوعی که در ایالات متحده ی آمریکا تولید می شود، برای ساخت الکترودهای بسیار بزرگ استفاده می شود. این الکترودهای بزرگ در کوره های قوس الکتریکی استفاده می شوند. همچنین الکترودهای باطری نیز از این گرافیت ساخته می شود. کاربردهای عمده ی دیگر این ماده در روانسازی و فولاد سازی است.
استفاده های عمده از گرافیت طبیعی در صنعت دیرگداز (45%) ، لقمه ترمز (%20) است.
گرافیت طبیعی حدود 500 دلار بر تن قیمت دارد. در حالی که نوع مصنوعی آن قیمتی بالاتر از 2000 دلار بر تن دارد.
میزان الماس صنعتی تولید شده در ایالات متحده ی آمریکا بسیار کمتر از میزان تولید گرافیت مصنوعی است. تقریبا 300 میلیون قیراط الماس مصنوعی به صورت سالانه تولید می شود که کاربرد آن در ابزار آلات برش سنگ و مرمت آزاد راه ها و ساختمان هاست.
فولرن ها در سال 1985 کشف شدند. این در حالی است که نانو تیوپ های کربنی در سال 1991 کشف شدند. هر دو ماده ی اشاره شده هم اکنون به صورت تجاری در دسترس اند. البته این مواد هم اکنون گران قیمت هستند و کاربرد آنها به محصولات خاصی (مثلا افزودنی های مورد استفاده در پوشش های پلیمری ) محدود می شود

مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )
 

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه
 

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه
 

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه
 

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها
 

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن
 

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی
 

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی
 

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی
 

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای
 

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه
 

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب
 

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )
 

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling )
این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )
اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادون
این لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکو
این نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکو
لعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )
این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes )
اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب
 

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی
 

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )
 

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی
 

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )
 

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد
 

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )
 

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )
 

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی
 

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )
 

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه
 

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه
 

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه
 

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها
 

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن
 

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی
 

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی
 

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی
 

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای
 

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه
 

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب
 

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )
 

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling )
این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )
اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادون
این لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکو
این نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکو
لعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )
این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes )
اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب
 

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی
 

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )
 

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی
 

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )
 

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد
 

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )
 

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )
 

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی
 

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )
 

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه
 

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه
 

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه
 

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها
 

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن
 

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی
 

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی
 

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی
 

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای
 

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه
 

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب
 

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )
 

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling )
این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )
اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادون
این لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکو
این نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکو
لعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )
این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes )
اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب
 

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی
 

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )
 

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی
 

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )
 

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد
 

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )
 

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )
 

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی
 

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )
 

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه
 

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه
 

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه
 

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها
 

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن
 

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی
 

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی
 

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی
 

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای
 

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه
 

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب
 

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )
 

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling )
این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )
اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادون
این لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکو
این نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکو
لعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )
این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes )
اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب
 

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی
 

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )
 

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی
 

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )
 

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد
 

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )
 

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )
 

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی
 

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )
 

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه
 

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه
 

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه
 

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها
 

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن
 

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی
 

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی
 

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی
 

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای
 

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه
 

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب
 

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )
 

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling )
این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )
اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادون
این لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکو
این نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکو
لعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )
این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes )
اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب
 

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی
 

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )
 

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی
 

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )
 

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد
 

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )
 

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )
 

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی
 

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )
 

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه
 

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه
 

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه
 

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها
 

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن
 

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی
 

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی
 

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی
 

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای
 

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه
 

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب
 

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )
 

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling )
این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )
اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادون
این لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکو
این نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکو
لعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )
این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes )
اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )
 

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )
 

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب
 

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی
 

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )
 

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی
 

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )
 

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد
 

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )
 

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )
 

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی
 

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

مقدمه
 

شايد تا بحال از خود پرسيده باشيد كه چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخي از آنها محكم تر از سايرين هستند؟ چرا برخي از مواد رسانا و برخي نارسانا؟ چرا نور ميتواند از بعضي از مواد عبور كند و از بعضي ديگر نه؟

سئوالاتي از اين دست ذهن را متوجه تفاوتهاي مواد از نظر خواص ميكند و ما را در رابطه با علت اين تفاوتها، به تفكر بيشتر وادار ميكند. با اطلاعاتي كه ما از ساختمان عناصر و تفاوتهاي موجود در عناصر داريم شايد گمان كنيم كه تفاوتهاي موجود در مواد مختلف حاصل تفاوتهاي عناصر تشكيل دهنده آنها است. با اين تفكر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشكيل دهنده خود خواهند بود و تمامي ويژگيهاي رفتاري مواد با شناخت عناصر تشكيل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر اين اساس مشخص شدن عناصر تشكيل دهنده يعني تعيين تركيب شيميايي همه اسرار مربوط به خصوصيات مواد را آشكار ميكند. براستي با دانستن تركيب شيميايي، خواص مواد معلوم خواهد شد؟
با كمي دقت و توجه به تركيبات شيميايي مواد پيرامون خويش در مييابيم كه بسياري از آنها با وجود اين كه در رفتار و خواص با يكديگر بسيار متفاوتند، داراي عناصر تشكيل دهنده و تركيب شيميايي يكسان ميباشند و برخي ديگراز مواد با داشتن عناصر تشكيل دهنده و تركيب شيميايي متفاوت با يكديگر، داراي خواص و رفتار مشابهي هستند. پس چه چيزي بجز تركيب شيميايي موجب تفاوت در رفتار مواد ميشود؟
براي جواب اين سئوال لازم است كه بيشتر با ساختار و ويژگيهاي مواد آشنا شويم.

ساختار مواد چيست؟
 

ريزساختار چيست؟
 

نتيجه گيري
 

شيشه ها در سراسر عمر زمين با سرد شدن سريع ماگماها وگدازه ها تشكيل شده اند. بهترين مثال در اين زمينه ،شيشه ابزيدين (1) است كه در ساخت پيكان هاي نوك تيز و وسايل برش مورد استفاده قرار مي گرفت. شيشه هايي با تركيب شيميايي متفاوت ،از ماه و شهابسنگها نيز بدست آمده است و از اين راه مي توان اطلاعات مهمي راجع به پيدايش سيستم خورشيدي بدست آورد .
اگر چه تاريخچه ساخت شيشه روشن نيست، ولي احتمالاً اولين بار در3000سال پيش ، در مصر توليد شد كه از آن در وسايل تزئيني استفاده مي نمودند. تكنيكهاي دميدن توسط رومي ها توسعه يافت و وسايل شيشه اي رايج شدند . از آن پس شيشه سير تكاملي خود را از يك شئ كم مصرف تزئيني ، به ماده اي با مصارف گوناگون طي نمود . اين تكامل تدريجي مديون اختراعات علمي و گروه هاي متعدد محققين ، در سطوح مختلف مي باشد.
با وجود اينكه شيشه كاربردي عمومي يافته است محققين بر روي يك تعريف رضايتبخش براي آن توافق ندارند . متداولترين ترين تعريف به اين صورت است كه « شيشه يك محصول معدني مذاب است كه بر اثر سرد شدن ، بدون آنكه بلوري شود ، به حالت جامد در مي آيد.» اما اين توصيف چندان رضايت بخش نيست چرا كه شيشه هاي آلي را در بر نمي گيرد. در ضمن شيشه ها با روش هاي مختلفي مانند تبخير محلول و ته نشيني بخار ، ساخته مي شوند. با اين حال تعريف فوق در اكثر موارد صادق است. شيشه هاي طبيعي عموماً غني از سيليسيم مي باشند و مقادير زيادي از ساير فلزات نظير Fe ,Na ,K ,Ca ,Mg وAl كه همه آنها با اكسيژن همراه هستند،را شامل مي شوند. شيشه هاي تجارتي مشابه هم هستند و معمولاً از ذوب كردن مخلوطهايي از SiO2 و ساير اكسيد هاي معدني ، در دماي بالا، ساخته مي شوند. معمولا اين قبيل شيشه ها، با استفاده از مواد شيميايي ومعدني به عنوان منبع پخت ، درتانكهاي حرارتي بزرگ الكتريكي ،نفتي ياگاز سوز ،ذوب مي شوند .واحدهاي ذوب اغلب پيوسته است واز يك طرف ، به كوره وارد شده واز طرف ديگر شيشه مذاب به طور پيوسته، خارج شده و به شكل مورد نظر تبديل مي شود، شكل دهي با يكي از روشهاي زير صورت مي گيرد :
دميدن ،فشردن ، ريخته گري درون قالبها ، بيرون راندن از روزنه هاي مخصوص و غيره . در فرايند شناور سازي پيلكينگتون ، نوار باريكي از شيشه مذاب ،بر سطح حمامي ازقلع مذاب براي هموار كردن تمام نا همواريهاي سطح آن،به مدت كافي شناور ميشود .اكثر صفحات شيشه اي ،در دنيا به روش شناور سازي ساخته مي شوند .

سنگ معدن ، مکافی و زمین شناسی
 

سنگ های آذرین
 

سنگ های دگرگون
 

سنگ های رسوبی
 

فرآوری
 

وزن و مقیاس
 

درسیستم جهانی SI جرم دارای واحد کیلوگرم است. این واحد به خاطر برخی مسائل مورد توجه است. واحد کیلوگرم از پیشوند کیلو بعلاوه گرم پدید آمده است. کیلوگرم بوسیله ی وزن مرجع یک استوانه ی پلاتین – ایریدیم تعریف می شود. این رفرنس در مرکزی در فرانسه نگهداری می شود. برای بیان جرم موادی که در فرآیندهای تغلیظ و معدن کاری با آنها روبرو هستیم معمولا از واحد تن (metricton) استفاده می شود. هر تن هزار کیلوگرم یا یک مگاگرم است . مسئله گیج کننده در زمینه واحد تن وجود واحدهای خاص آمریکایی و انگلیسی برای تن است. که امروزه هنوز در این کشورها در حال استفاده شدن هستند. یک تن برابر o.984 تن انگلیسی است. همچنین یک تن برابر 1.103 تن آمریکایی است.
مسأله ی گیج کننده ی دیگری که وجود دارد این است که در انگلستان واحد آمریکایی تن در معادن سنگ های فلز دار (فلزی) استفاده می شود و این در حالی است که واحد انگلیسی تن در معادن ذغال سنگ استفاده می شود. ما از واحد معمولی تن (metric ton) استفاده می کنیم. البته این مسأله باید مورد توجه قرار گیرد که این واحدها در کارهای تقریبی زیاد متفاوت نیستند و به هم نزدیک اند. محاسبه ی میزان تمام کانی های تجاری دنیا آسان است. سازمان نظارت کننده ایالات متحده ی آمریکا (VSMS) در زمینه ی مواد معدنی هر ساله اطلاعات خود در زمینه ی مواد معدنی انتشار می دهد. این اطلاعات به صورت کتاب سال منتشر می شود. این سازمان تغییرات حاصل در زمینه ی تولید، ذخایر و... را در هر سال گزارش می دهد.

درادامه به بیان مواد معدنی مورد استفاده در صنعت سرامیک می پردازیم .سعی شده است تا منابع و ذخایر اصلی این مواد نیز ذکر شود.
سیلیس
سیلیس یک ماده ی معدنی مهم در صنعت سرامیک است. استفاده ی عمده از این ماده در صنعت شیشه سازی است (حدود 38% از تولید ایالات متحده ی آمریکا در صنعت شیشه سازی مصرف می شود. ) برای مثال حباب های لامپ های با نور سفید (bulbs incandescent lamp) از شیشه های سودالایم تولید می شود که تقریبا 70% از آنها سیلیس است. درصد سیلیس موجود در لامپ های رشته ای می تواند تا حدود %99.8 وزنی نیز برسد.
یکی از منابع عمده ی سیلیس ، ماسه سنگ است . ماسه سنگ صنعتی و ماسه ی سیلیسی دو واژه هستند که در صنعت سرامیک زیاد استفاده می شوند. این دو واژه به معنای ماسه سنگی است که در صد سیلیس موجود در آن ها بالا باشد. در برخی موارد درصد سیلیس برخی از این ماسه ها بیش از 99.5% است.
برطبق تعریف ASTM، ماسه سنگ ذرات سنگ است که به صورت گرانول هستند. این ذرات می توانند از میان الک مش 4 بگذارند.(4.75mm) و بر روی الک مش 200 (75mm) باقی می مانند. و باید از خردایش طبیعی یا مصنوعی سنگ پدید آمده باشند. (ماسه سنگ همچنین از فرآوری فیزیکی سنگ ها (بوسیله ی سنگ شکن) تولید می شوند.)
ماسه سنگ های تولیدی معمولا دارای ترکیب شیمیایی متنوعی هستند که این ترکیب به نوع سنگ مورد استفاده بستگی دارد. ایالات متحده ی آمریکا بزرگترین تولید کننده ی ماسه ی صنعتی در جهان است. ایالت های ویرجینیای غربی، کالیفرنیا، الینویز، پنسیلوانیا ، اوهایو و نیوجرسی 80% ماسه ی سیلیسی با کیفیت بالای مورد استفاده در ایالات متحده ی آمریکا را فراهم می کنند. در الینویز و میسوری عملا تمام سیلیکای مورد استفاده در ساخت شیشه از ماسه سنگ های st.peter بدست می آید. سایر ذخیره های با کیفیت ماسه سنگ نیز وجود دارد. مثلا یکی از این ذخایر oriskany است که در ویرجینیای غربی و پنسیلونیا وجود دارد. این ذخیره ها عموما به صورت تپه های شنی ساحلی یا به شکل لایه هایی 20-30 متری زیر لایه هایی از لجن، خاک رس و سنگ رست (shales) وجود دارند.
عموما استخراج سیلیس صنعتی یک شغل با فروش منطقه ای است . در واقع مراکز تولید عمدتا در کنار مراکز خرید واقع اند مگر آنکه کیفیت محصول تولیدی استثنائی باشد مثلا خواص اندازه ی ذرات یا شکل ذرات ویژه باشد. منطقه ی جغرافیایی فروش این محصول معمولا از 200 مایل فراتر نمی رود. این مسئله به دلیل هزینه ی بالای حمل و نقل این ماده و فراوانی معادن آن در سرتاسر دنیا است.
در سال های اخیر، مقررات محیط زیستی بر روی استخراج سنگ سیلیس بسته شده که علت آن مشکلات سلامتی است که بوسیله ی این محصول بوجود می آید.
کواتز مینرال عمده ی سیلیس ، جزء اصلی سنگ های آتشفشانی مانند گرانیت است. این ماده همچنین در بیشتر سنگ های دگرگون یافت می شود. بخش اصلی سنگ های دگرگون را ماسه سنگ تشکیل می دهد. همچنین رگه هایی با خلوص بالا از کوارتز نیز در این سنگ ها یافت می شود. کریستال های کوارتز با کیفیت نوری بالا واقعا کم یابند . اما روش هایی مناسب وجود دارد که می توان کریستال های کوارتز را رشد داد و آنها را به صورت تجاری تولید کرد. تولید سالانه ی سیلیس در ایالات متحده ی آمریکا تقریبا 30 مگاتن است که این مقدار 700 میلیون دلار ارزش دارد.
سیلیکات ها
فلدسپار
فلدسپارها یک گروه مینرالی بزرگ هستند واین تخمین زده شده است که بیش از 60 درصد پوسته ی زمین را تشکیل می دهند. (همانگونه که در جدول 1 دیده می شود) این گروه مینرالی در بسیاری از سنگ های رسوبی و تقریبا در تمام سنگ های آذرین و دگرگون یافت می شوند.

صنعت شیشه سازی بیشتر فلدسپارهای تولیدی را مصرف می کند. فلدسپار منبع اکسید آلومینوم است. این ماده خواص مکانیکی شیشه مانند مقاومت در برابر خراش و قابلیت مقاومت در برابر شک حرارتی آن را افزایش می دهد. فلدسپار همچنین در بدنه های سرامیک وایت ویر (whiteware) به عنوان فلاکس استفاده می شود. این ماده باعث ایجاد فاز شیشه ای در هنگام پخت بدنه می شود و استحکلام و حالت زجاجی (translucency) بدنه را افزایش می دهد.
کره ی جنوبی بزرگترین تولید کننده ی فلدسپار در جهان است. تولید سالانه ی فلدسپار در ایالات متحده ی آمریکا 800000 تن است که این میزان ارزشی برابر 45 میلیون دلار دارد. ایالات کالیفورنیا، کارولینای شمالی و کانوکتیکات بزرگترین تولید کنندگان فلدسپار هستند.
رویه ی اصلی در فرآیند استخراج و استفاده از فلدسپار شامل موارد زیر است:
1)سوراخ کاری و انفجار توده ی معدنی
2)انتقال سنگ معدن به آسیاب و خردایش آن (فرآوری فیزیکی)
3)جدا سازی مینرال ها به روش فلوتاسیون (این فرآیند بر اساس قابلیت ترشوندگی متفاوت مواد در محلول آبی اتفاق می افتد).
4)خشک کردن
5)آسیاب کردن تا رسیدن به اندازه ی ذره ی زیرمش 200 (75Mm) برای کاربردهای صنتعت سرامیک
درفرآیند فلوتاسیون هوا به داخل سوسپانسیونی از مینرال های خردایش یافته دمیده می شود. در این حالت در محلول کف تشکیل می شود. ذرات تر شده (ذرات آب دوست) در سوسپانسیون باقی می مانند در حالی که ذرات آب گریز جذب حباب های هوا شده که با جدا سازی کف ها می توان مینرال های مورد نظر را جدا سازی نمود. عوامل متنوعی مانند آمینو اسیدها (این مواد دارای وزن ملکولی بالایی هستند) را می توان برای افزایش قابلیت تر شوندگی نسبی مواد جامد در مخلوط ، استفاده کرد. این عوامل به طور گزینشی بر روی سطح مواد خاص مخلوط ، جذب می شوند. این فرآیند در مراحل زیر انجام می شود:
1)جدایش میکا
2)جدایش مینرال های آهن دار مخصوصا گارنت
3)جداسازی فلدسپار از مواد ته نشست شده مانند کوارتز
رس ها و کائولن
رس جزء عمده ی سرامیک های سنتی است. این مواد عموما سیلیکات های لایه ای با اندازه ی دانه ی زیر 2 میکرون هستند. هر لایه ی سیلیکاتی را می توان به عنوان یک کانی رسی تعریف کرد. شش نوع تجاری از رس ها وجود دارند. این انواع در جدول 2 به صورت لیست وار آورده شده است. این رس ها از لحاظ ترکیب، پلاستیسیته، رنگ و خواص پخت متفاوت اند.

هوازدگی مکانیکی و شیمیایی فلدسپارها در سنگ های آذرین و دگرگون شده باعث تشکیل کائولن می شود.(کائولن یک جزء کلیدی در خاک چینی است) . کائولن تشکیل شده می تواند در همان محل متلاشی گردد و یا ابتدا بوسیله ی آب یا باد به محل دیگری منتقل شود و در آنجا متلاشی گردد. ذخایر کائولن اولیه در محل سنگ اولیه وجود دارند. این نوع کائولن دارای مقادیر زیادی کوارتز و میکا است که در حین فرآیند هوا زدگی تشکیل گشته اند. ذخایر بزرگی از کائولن اولیه در جنوب شرقی انگلستان ، اکراین و چین یافت می شود.
کائولن های ثانویه، کائولن هایی هستند که به طور طبیعی از سنگ های اصلی شسته شده اند. و سپس در مکان های دیگر رسوب کرده اند. این مواد به طور طبیعی فرآوری گشته اند و دارای خلوص بیشتری هستند. ذخایر تجاری و اصلی کائولن ثانویه در ایالات متحده آمریکا 50 میلیون سال پیش تشکیل شده اند. این ذخایر به صورت کمربندی در خط ساحلی قدیمی ازشمال آلاباما تا کارولینای شمالی کشیده شده است

میکا
 

گروه میکا شامل 37 کانی می باشد . این کانی ها با نام فیلو سیلیکات ها (phyllosilicates) هستند که دارای ساختاری صفحه ای یا لایه ای هستند. واژه ی یونانی فیلون (phyllon) به معنای برگ است. برخی از کانی های میکا در جدول 1 آورده شده است. همچنین علاوه بر اسم آنها مکان های وجود منابع عمده ی آنها نیز آورده شده است. میکا ها همچنین بر اساس میکاهای واقعی (truemica) و ترد (brittle) نیز طبقه بندی می شوند. میکاهای واقعی که دارای کاتیون های تک ظرفیتی (مانند k^+ و〖Na〗^+ ) در میان لایه هایشان هستند، از خود خواص ورقه ورقه شده نشان می دهند. این مواد به آسانی به صفحات نازک تبدیل می شوند. در میکاهای ترد، بین لایه ها کاتیون های دو ظرفیتی (مانند 〖Ca〗^(2+) ) وجود دارد. پیوند این کاتیون ها و لایه ها قوی است. اگر چه این مواد نیز خاصیت ورقه شدن دارند اما نسبت به نوع واقعی ترد ترند. میکاهای ترد کانی های کمیابی هستند و استفاده از آنها زیاد نیست.

موسکویت (Muscovite) ، یک نوع میکا است که کاربرد عمده ای دارد. این میکا به خاطر خواص الکتریکی فوق العاده و فراوانی ، کاربردهای فراوانی یافته است.
فلوگوپیت (phlogopite) نوعی کانی است که در دمای بالا پایدار است؛ از این رو از آن در کاربردهایی استفاده می شود که در آنها نیاز به پایداری در دمای بالا و خواص الکتریکی مورد نیاز باشد. هردوی این کانی ها (موسکویت وفلوگوپیت) به صورت صفحه ای و آسیاب شده استفاده می شوند.

میکاها در سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگون تشکیل می شوند.( این کانی ها در محیط های مختلف زمین شناسی تشکیل می شوند) . علت تشکیل این مواد در گسترده ی وسیعی از محیط های زمین شناسی پایداری گرمایی این مواد است. شکل 1 دیاگرام فشار – دما برای میکای موسکویتی است. در دمای بسیار بالا (بیشتر از)، این نوع میکا ناپایدار می شود و در حضور کوارتز تجزبه گشته و به فلدسپار پتاسیک و سیلیمانیت (sillimanite) تبدیل می شود.(طبق فرمول زیر):

سیلیمانیت فلدسپارتپاسیک کوارتز موسکوویت
موسکوویت در سنگ های دگرگون کم ارزش تشکیل می شود. در این مکان ها موسکوویت از پیروفیلیت تشکیل می شود. این فرآیند در کریستالیزاسیون اولیه ی کانی های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها (Pegmatites) نیز رخ می دهد.
در سنگ های رسوبی مخصوصا آرنیت (arenites) نیز فرآیند تشکیل موسکویت اتفاق می افتد. موسکوویت در بسیاری از بخش های ایالات متحده ی آمریکا به صورت محدود وجود دارد.
بزرگترین تولید کننده ی میکا، روسیه است. این کشور یک سوم نیاز سالانه ی این ماده را تولید می کند. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 75000 تن میکای ورقه ای و ذره ای تولید می کند. اگر چه ایالات متحده ی آمریکا از لحاظ تاریخی تولید کننده ی صفحات میکایی است ولی منابع داخلی این ماده به پایان رسیده و از این رو این کشور تنها به تولید میکای ورقه ای و ذره ای می پردازد.
مصرف عمده ی میکای آسیاب شده به عنوان پرکننده در اجزای اتصال دهنده ی دیواره های گچی (ژیپسی) است . استفاده از پر کننده های میکایی موجب تولید سطوح صاف می شود، کارایی را بهبود داده و از گسترش ترک جلوگیری می کند. از این مواد همچنین در رنگ ها، محصولات رابری قالب گیری مانند تایرها و خمیر دندان کاربرد دارند. از میکای فلس مانند به عنوان جایگزینی در لقمه ترمزها و صفحه کلاچ استفاده می شود.
هند بزرگترین تولید کننده ی میکای مورد استفاده در ساخت صفحات موسکوریتی (muscovite sheet meca) است. ماداگاسکار نیز بخش عمده ای از میکای مورد استفاده در ساخت صفحات فلوگوپیت را مهیا می کند. قیمت میکای صفحه ای از کمتر از یک دلار بر کیلوگرم برای کیفیت پایین تا 2000 دلار بر کیلوگرم برای نوع با کیفیت متغیر است. از نوع با کیفیت بالای میکای موسکویتی در ساخت دی الکتریک مورد استفاده در خازن ها استفاده می شود.

مولایت
 

مولایت در طبیعت به میزان فراوان وجود ندارد و باید به صورت مصنوعی ساخته شود. این ماده دارای خواص زیادی است که موجب شده تا این ماده برای کاربردهای دما بالا مناسب باشد. مولایت دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار کوچکی است.(این مسأله باعث می شود که مولایت مقاومت به شک حرارتی خوبی داشته باشد). این ماده همچنین در دمای بالا مقاومت به خزش خوبی دارد و از همه مهمتر، مولایت به آسانی با شیشه ی مذاب یا سر باره ی فلزات مذاب واکنش نمی دهد و در اتمسفر های کوره ای خورنده پایدار است.
از این رو از این ماده در آستر کاری کوره و سایر کاربردهای دیرگداز در صنعت فولاد سازی و ذوب آهن و صنعت شیشه استفاده می شود.
از لحاظ تجاری مولایت به دو روش ساخته می شود:
1)زینته ینگ
2)فیوزینگ
مولایت زنیته شده ممکن است بوسیله ی حرارت دادن مخلوطی از کیانیت : ، بوکسیت و کائولن تولید شود. (کیانیت مینرالی است که به صورت طبیعی در سنگ های دگرگون یافت می شود.) این مخلوط (درنسبت های معین) در دماهای بالاتر از 1600c° زینته می شود. ماده ی زینته شده به این روش دارای 90-85% مولایت است . علاوه بر مولایت درصدی شیشه و کریستو بالیت (یکی از پلی فرم های وجود دارد . آفریقای جنوبی تولید کننده ی عمده ی کیانیت دنیاست این کشور سالانه 165000 تن کیانیت تولید می کند.
ایالات متحده ی آمرکیا دارای بزرگترین منابع کیانیت دنیاست. این منابع در منطقه ی کوه های آپلاچین (Applochian Mountains) و آیداهو (Idaho) قرار گرفته اند. آندالوزیت (Andalusite) وسیلیمانیت سایر مینرال های آلومینو سیلیکاتی هستند که مانند کیانیت می توان از آنها به عنوان ماده ی اولیه در تولید مولایت استفاده کرد.
در روش فیوزینگ مقداری آلومینا و کائولن به داخل کوره ی قوس الکتریکی ریخته می شود. پس از روشن شدن این کوره دما به بالاتر از 1750c° می رسد و از این رو می توان با این روش مولایت با خلوص بالاتر تولید کرد. مولایت تولیدی به روش فیوزینگ دارای بیش از 95% مولایت است که به همراه آن مخلوطی از آلومینا و شیشه وجود دارد.

اکسیدها
 

موادخام مورد استفاده در ساخت سرامیک های اکسیدی تقریبا همگی به وسیله ی فرآیندهای شیمیایی تولید می شوند. علت استفاده از فرآیندهای شیمیایی بدست آوردن خلوص شیمیایی بالا و تهیه ی پودرهای مناسب جهت ساخت اجزای سرامیکی است. اکسیدهای مهم مورد استفاده در صنعت سرامیک در جدول 2 آمده است.

آلومینا
 

اکسید آلومینیوم ( ، آلومینا ، کوراندوم) بیشترین ماده ی شیمیایی غیر آلی است که در صنعت سرامیک استفاده می شود. این اکسید از کانی بوکسیت (bauxite) و بوسیله ی فرآیند بایر (bayer Process) تولید می شود. بوکسیت مخلوطی از اکسید آلومینیوم هیدراته با اکسید آهن، سیلیس ، تیتا نیا (به عنوان ناخالصی) تشکیل شده است. این کانی از هوا زدگی و متلاشی شدن سنگ های آلومینیوم دار بوجود می آید که در اغلب موارد جنس سنگ ها از نوع آذرین است. این کانی در مناطق گرمسیری تشکیل می شود. مانند کائولن، بوکسیت نیز می تواند به صورت ذخایر اولیه و ثانویه باشد.
فرآیند بایر آلومینایی با خلوص اسمی 99.5% تولید می کند. آلومینا بر اساس کابردهایش در گریدهای مختلف تولید می شود. این گریدها از لحاظ اندازه و شکل کریستال ها و میزان ناخالصی متفاوت اند. ناخالصی اصلی آلومینا اکسید سدیم است. کریستال های آلومینا می توانند اندازه ی بین o.1 – 25 میکرون داشته باشد. شکل 2 کارخانه ی تولید آلومینا به روش بایر را نشان می دهد.

مراحل فرآیند بایر عبارتند از :

1) فرآوری فیزیکی
 

بوکسیت بدست آمده از معدن ابتدا آسیاب می شود. البته اندازه ی ذرات در این خردایش بسیار درشت است. (اندازه ی ذرات زیر یک میلیمتر است). فرآیند آسیاب کاری باعث افزایش مساحت سطح کل ذرات می شود که این مسأله موجب کاهش زمان فرآیند می شود. (کاهش زمان واکنش های شیمیایی درمراحل بعدی )

2) مرحله هضم
 

ذرات درشت بوکسیت بوسیله ی افزودن هیدروکسید سدیم (NaOH) به آب حل می شود. این فرآیند در دمای و در فشار کل O.5MPa اتفاق می افتد. همه ی آلومینای هیدراته ی موجود در بوکسیت حل می گردد و به صورت سدیم آلومینات در می آید.طبق فرمول زیر:

3) فیلتراسیون
 

ناخالصی های جامد موجود در محلول حاصله که عمدتا سیلیس ، تیتانیا و اکسید آهن هستند بوسیله ی فیلتراسیون جدا سازی می شوند.

4) رسوب دهی
 

پس از سرد کردن ، دانه های گیبسیت (آلومینای هیدراته ی طبیعی - به محلول سدیم آلومینات اضافه می شود. این مسأله موجب تشکیل فاز پایدار از هیدروکسید آلومینیوم در دمای پایین می شود. با دمش گاز به داخل محلول بوجود آمده ،فرآیند ایجاد رسوب تسریع می شود و عمل رسوب زایی ایجاد می شود.

5) شستشو
 

رسوبات بدست آمده سپس از فیلترعبور داده شده و شستشو می شوند تا میزان سدیم آن کاهش یابد.

6) کلسیناسیون
 

پودر حاصله در دمای بین 1100C∘ - 1200 کلسیناسیون می شود. در این فرآیند هیدروکسید به اکسید تبدیل می شود. واکنش در این مرحله به صورت زیر است:

در این مرحله آلومینای بدست آمده به شکل کلوخه ای است. این کلوخه ها از دانه های ریز با قطر 10-5 میکرون تشکیل شده اند.

7) آسیاب کردن
 

پودر حاصله در مرحله ی قبل آسیاب می شود تا اندازه ی ذرات و توزیع ذرات معین بدست آید. آلومینای تولیدی به این روش دارای بیش از 99.5% است. و همانگونه که قبلا گفتیم، ناخالصی عمده ی موجود در این ماده است. پودر حاصله ممکن است به میزان بسیار کم در حدود % 0.001 داشته باشد. این میزان از خلوص برای آلومینا برای بسیاری از کاربردها مناسب است. کنترل دقیق شرایط ته نشست شدن، شستشوی رسوبات و کنترل شرایط کلیناسیون و آسیا ب کردن می تواند موجب تشکیل آلومینایی با خلوص 99.99% شود. قیمت آلومینای کلسینه شده ی معمولی 0.60 دلار بر کیلوگرم است و این قیمت می تواند برای آلومینای کلسینه شده ی با خلوص بالاتر به 2.00 دلار بر کیلوگرم برسد. قیمت گرید متالورژیکی (مناسب برای تولید آلومینوم ) تقریبا ً 150 دلار برتن است.

جدول 3 ترکیب نمونه وار فرم های اصلی آلومینای کلسینه شده آورده شده است. حضور در برخی موارد غیر قابل قبول است. برای مثال ، یون سدیم در میدان الکتریکی تحرک پیدا می کند و باعث اتلاف خاصیت عایق کاری الکتریکی می شود. همچنین سدیم ، آلومینا تشکیل فاز می دهند. تشکیل این فاز باعث کاهش دانستیه، استحکام ، مقاومت به شک حرارتی و مقاومت به خوردگی محصول نهایی می شود. جدول 4 درصد مناسب برای کاربردهای مختلف آلومینای کلسینه شده (تولیدی به روش بایر ) را نشان می دهد.

استرالیا بزرگترین تولید کننده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 60 مگا تن از این ماده تولید می کند.
منابع عمده ی بوکسیت در ایالات متحده ی آمریکا در آرکانزاس (Arkansas) وجود دارد. البته ذخایر کوچکتری نیز در جرجیا (Georgia) ، آلاباما (Alabama) و میسی سی پی(Missisippi) وجود دارد . معادن داخلی کمتر از 1% بوکسیت مورد نیاز ایالات متحده ی آمریکا را مهیا می کنند. از این رو ایالات متحده ی آمریکا یکی از واردکنندگان عمده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 10 مگاتن بوکسیت وارد می کند.
تقریباً 95% از آلومینای استخراج شده در فرآیند تولید آلومینیوم استفاده می شود. بقیه ی آلومینای تولیدی در کاربردهای غیر فلزی مانند تولید آلومینای ویژه مصرف می شوند. و در واقع همین درصد کم برای ما مهم می باشد. زیرا بیشتر آن در صنایع سرامیک کاربرد دارد.

فرم با خلوص بالای آلومینا را می توان به طور مستقیم از فلز آلومینیوم تولید کرد. برای این کار چندین روش وجود دارد که در شکل 3 نشان داده شده است

* منیزیا
 

اکسید منیزیم(Mgo، منیزیا) به صورت طبیعی و در حالت کانی پیریکاز (periclase) تشکیل می شود. این کانی یک کانی دگرگون است که از تخریب دولومیت و دیگر کانی های منیزیادار تشکیل می شود. منابع پریکاز کمیاب است و ارزش اقتصادی ندارد. منابع اصلی منیزیا ، منیزیت وهیدرو کسید منیزیم است.
ذخایر بزرگ منیزیت در بسیاری از کشورها مانند چین و ترکیه و روسیه وجود دارد. منیزیت دارای ناخالصی های مختلفی مانند سیلیس، آهن، آلومینیوم ، منگنز، و کلسیم است که این ناخالصی ها معمولا ً به شکل کانی های متنوعی وجود دارند. مثلا برخی از این کانی ها عبارتند از: کوارتز، تالک، میکا مگنتایت (Magnetite). پس از استخراج سنگ معدن، باید عملیات فرآوری انجام شود. روش های فرآوری متنوع هستند مثلا خردایش ، دانه بندی، شستشو، جداسازی بوسیله ی آهنربا و ملوتاسیون برخی از این روش ها ست . پس از خالص سازی کربنات منیزیم ، این ماده کلسیناسیون می شود. دمای کلسینا سیون بین است. فرآیند کلسیناسیون موجب تولید دانه های بسیار ریز Mgo با خواص واکنشی بالا می شود. این محصول منیزیای سوز آور(caustic magnesia) نامیده می شود. نوع زینته شده یا پخته شده (dead- burned) منیزیا بوسیله ی کلسیناسیون منیزیم کربنات در دمای بالاتر از تولید می شود. در طی این فرآیند کریستال های واکنش پذیر رشد کرده و از این رو میزان واکنش پذیری آنها کاسته می شود.
منیزیا را همچنین می توان از آب دریا یا آب های شور با درصد پایین منیزیم تولید کرد. تقریبا 60% تولید ترکیبات منیزیمی در آمریکا از این منابع تامین می شود. آب دریا دارای در کیلوگرم است.
مهمترین فرآیند تولید Mgo از آب دریا بدین صورت است که هیدروکسید منیزیم از محلول نمک های مینزیم و بوسیله ی یک عامل بازی قوی رسوب می کند.(طبق واکنش زیر)

رسوبات شسته شده ، فیلتراسیون می شود و بوسیله ی فرآیند کلسیناسیون آب گیری می شود. روش دیگر تولید منیزیا بدست آوردن منیزیا از آب شور است. این فرآیند بر پایه ی تجزیه یرسوبات در دمایرسوبات اتفاق می افتد. (طبق واکنش زیر )

ظرفیت تولید سالانه ی منیزیا تقریبا 10 مگاتن در سال است. تقریبا 9 مگاتن از منیزیا از منابع طبیعی و تقریباً 1.5 مگاتن آن از آب دریاها و آب های شور بدست می آید. قیمت منیزیا در گسترده ی 150- 1200 دلار بر تن است. که این قیمت گذاری بر اساس خلوص آن انجام می شود.
کاربرد عمده ی منیزیا به عنوان دیرگدازهای مورد استفاده در آسترکاری کوره هاست. مقادیر بسیار کمی از منیزیا در تولید محلول خوراکی شیری رنگ (مخصوص درد معده) استفاده می شود. همچنین از منیزیا در ساخت سایر سرامیک ها مانند مواد اسپنیلی بدون کروم استفاده می شود. اسپینل بدون کروم در طبیعت در مقادیر قابل استفاده در صنعت وجود ندارد. اسپنیل را می توان بوسیله ی ذوب الکتریکی آلومینا و مینزیا تولید کرد.

* زیرکونیا
 

اکسید زیرکونیوم ، زیرکونیا) به طور عمده از زیرکن ) بدست می آید. زیرکن مینرالی است که در سنگ های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها تشکیل می شود.
در برزیل و ماداگاسکار برای تولید زیرکن ، سنگ های آدرین پگماتیتی (pegmatates) را تجریه می کنند. همچنین زیرکن می تواند به عنوان جزئی از سنگ های دگرگون تشکیل شده باشد. در سواحل استرالیا، برزیل، هند و فلوریدا از زیرکن به صورت ذخایر موجود در ماسه های ساحلی وجود دارد که این ذخایر از نوع ذخایر ثانویه هستند. در این نوع از ذخایر که به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد، زیرکن به همراه مینرال های دیگر مانند المنتایت (ilmentite) ، روتایل (rutile) و مونازیت (monazite) تشکیل شده است.
برای تولید زیرکونیای خالص از زیرکن چندین روش تجاری وجود دارد. زیرکن در دمای بالاتر از به زیرکونیا و سیلیس تجزیه می شود. تزریق ماسه های زیرکنی به یک محیط پلاسما (در دمای بالاتر از 6000c° ) باعث تجزیه شدن زیرکن و ذوب شدن آن می شود. در هنگام انجماد مذاب پلاسمایی ، زیرکونیا به صورت ساختار دندریتی انجماد پیدا می کند. وبه صورت پوششی شیشه ای بر روی زیرکونیا تشکیل می شود. سیلیس موجود در این ساختار می تواند بوسیله ی شستشو با محلول سدیم هیدروکسید جوشان از بین برود. در این فرآیند مواد زائد شسته می شود و زیرکونیا بوسیله ی سانتریفیوژ جدا سازی می شود.
روش اصلی در تولید اکسید زیرکونیوم ذوب زیرکن در کوره ی قوس الکتریکی است. دمای این ذوب بین 2100c°- 2300 است با آنکه دمای این واکنش نسبت به پلاسما پایین تر است اما فرآیند تجزیه ی زیرکن اتفاق می افتد. اما در این حالت زیرکونیای جامد در سیلیس مذاب تولید می شود. خلوص تولیدی در این روش تقریبا 99% است.
یکی دیگر از منابع تأمین کننده ی زیرکونیا ، بادولیت (baddeleyite: مونوکلینک و ناخالص) است. البته این کانی از لحاظ تجاری اهمیت کمتری نسبت به زیرکن دارد . ذخایر بادولیت کم می باشد. همچنین این ذخایر به همراه آلودگی هایی مانند سیلیس ، اکسید آهن و تیتانیا وجود دارد. ذخایر با دولیت به صورت تجاری در برزیل و آفریقای جنوبی استخراج می شوند. همه ی منابع سنگ معدن زیرکونیوم دارای مقادیر متنوعی از هافینوم ( به طور نمونه وار 3 – 1.5%) هستند . به دلیل شبیه بودن ویژگی های شیمیایی این دو ماده ، فرآیند جداسازی آنها گران قیمت است. به همین دلیل اکثر گریدهای زیرکونیا بیش از %3wt هافینوم دارند.

* زینسیت
 

اکسید روی (ZnO) به صورت طبیعی در مینرال زینسیت Zincite))وجود دارد. اکسید روی خالص سفید رنگ است. کانی زینسیت به دلیل وجود منگنز( بیش از 10%) و مقادیر ناچیزFeo  قرمز رنگ است. منابع طبیعی زینسیت از لحاظ تجاری اهمیت ندارند. دو روش برای تولید اکسید روی وجود دارد:
1)اکسیداسیون فلز روی (در حالت بخار) با هوا
2)کاهش اسفا لاریت ( Sphalerite:zns) با کربن و CO اسفالاریت یکی از کانی های طبیعی و بسیار مهم از روی است. منابع عظیمی از این کانی در سنگ های آهکی دره ی میسی سی پی ، حوالی جوپلین (Joplin) وجود دارد .همچنین منابع عظیمی از این کانی در فرانسه ، مکزیک، اسپانیا ، سوئد و انگلستان وجود دارد.
مقادیر زیادی از اکسید روی تولید شده در صنعت تولید چسب و رابر استفاده می شود. از این اکسید همچنین در رنگ های لاتکس ، کاشی ها ، لعاب ها و صنعت پرسلان استفاده می شود.
این ماده همچنین یکی از مواد پر کاربرد در ساخت وریستور (Varistors) است.

* روتایل و آناتار
 

روتایل ، تیتانیا) یکی از اجزای تشکیل دهنده ی سنگ های آذرین مانند گرانیت و همچنین به عنوان یکی از مشتقات سنگ های دگرگون مانند گنیس (geneiss) است. این کانی به صورت سوزن های ریزی در نمک ها، میکای بیوتایتی (biotitemica) ، کوارتز و فلدسپار یافت می شود. از لحاظ اقتصادی ذخایر مهم این ماده در سنگ های آذرین ویرجینیا (Virginia) ،کانادا (Canada) و نوروی (Norway) یافت می شود. روتایل (rutile) همچنین یکی از اجزای مهم سنگ های ساحلی است که از فرسایش سنگ های دارای روتایل بوجود آمده اند. این سنگ های ساحلی در استرالیا، فلوریدا و هند وجود دارند.
تیتانیا همچنین از واکنش المنیت با اسید سولفوریک در دمای نیز تولید می شود. این واکنش به صورت زیر انجام می شود و تشکیل تیتانیل سولفات (Sulfate titanyl) می دهد:

تیتانیل سولفات در آب قابلیت حل شوندگی داشته و می توان بدین وسیله از ناخالصی های نامحلول در آب جداسازی شود. (این کار بوسیله ی فیلتراسیون انجام می شود.) هیدرولیز در دمای باعث تشکیل رسوبات هیدروکسید طبق واکنش زیر می شود.:

هیدروکسید تیتانیل بوسیله ی کلسیناسیون در دمای 1000c° به تیتانیا تبدیل می شود.

* غیر اکسیدی ها
 

اکثر سرامیک های غیر اکسیدی مهم در طبیعت وجود ندارند و بنابراین باید آنها را سنتز کرد. روش سنتز این مواد معمولا یکی از روش های زیر است:
1)ترکیب مستقیم فلز و نافلز در دمای بالا
2)کاهش اکسید با کربن در دمای بالا (کاهش کربوترمال) و واکنش متعاقب با نافلز در این بخش از مقاله نگاه مختصری به سرامیک های غیر اکسیدی مهم داریم. برای نشان دادن تنوع سرامیک های غیر اکسیدی ما مثال هایی از کاربیدها ، نیتریدها و بوریدها را آورده ایم. البته سرامیک های غیر اکسیدی دیگری نیز وجود دارند که آنها نیز مورد توجه هستند.
SiC: ساینده ، بخش های الکترونیکی با شرایط دشوار
TiC: یا تاقان ، ابزارهای برش،
AIN:قطعات الکترونیکی، بوته ذوب فلز
: توربین های گازی آینده و اجزای موتورهای دیزل
Zr B_2: بوته ی ذوب فلز و تیوپ های ترموول (tubes Thermowell)
WC: ساینده، ابزارهای برش
C (گرافیت): روانساز جامد
C(الماس) : ساینده

* سیلیسیم کاربید
 

سیلیسیم کاربید(SiC) بیشترین مصرف را در بین مواد سرامیکی غیر اکسیدی دارد. کاربرد عمده ی این ماده در صنعت ساینده است. علت استفاده از آن در صنعت ساینده سختی بالا (تنها الماس، نیترید بورکیوبیک و کاربیدبور سختی بالاتری از سیلیسیم کاربید دارند.) سیلیسیم کاربید در طبیعت تشکیل نمی شود و بنابراین باید آن را به صورت مصنوعی ساخت. این ماده به دو شکل کریستالی وجود دارد. فرم کیوبیک که به آن فاز B می گویند (B-SiC) و فرم هگزا گونال که به آن فاز می گویند.(-SiC). فرم در دمای بالاتر از تشکیل می شود و فرم B در گستره ی دمایی تشکیل می شود.
سیلیسیم کاربید به صورت تجاری بوسیله ی فرآیند آچسون (Acheson Process) تولید می شود. در این فرآیند مخلوطی از ماسه ی سیلیسی (99.5%.)، کک (carbon) تهیه شده و در طول بزرگی دپو می شود. سپس الکترودهای کربنی در داخل توده جا سازی می گردد. هر توده معمولا از 3000 تن ماده تشکیل شده است. گرم کردن کک باعث آزاد شدن انرژی کک می شود. که معمولا در دما در بخش هایی از توده به نیز می رسد. انرژی الکتریکی کل که در طی راه اندازی استاندارد یک توده (کوره) مصرف می شود حدود 2 میلیون کیلو وات ساعت (kwh) است که این میزان تقریبا برابر است با 7 تراژول (7TJ). میانگین توان ورودی به کوره در طی راه اندازی کوره حدود 9000-10000KW است. در دمای بالا کک با واکنش می دهد و Sic و CO(مونواکسید کربن ) تولید می کند:

عملیات حرارت دهی کوره ادامه می یابد تا واکنش به طور کامل انجام شود. زمان حرارت دهی از2- 20 روز طول می کشد .(بسته به بزرگی کوره و ترانسفورماتور). پس از سرد شدن کوره، توده شکسته می شود و پس از خردایش دانه بندی می شود. مرکز توده دارای کریستال های SiC هگزاگونال با خلوص بالاست که رنگ آنها سبز است. این کریستال ها برای کاربردهای الکتریکی مناسبند. خلوص SiC براساس رنگ کریستال ها قابل تشخیص است:
خلوص % 9908 : سبز کم رنگ
خلوص % 99: سبز پررنگ
خلوص % 98.5 : سیاه رنگ

گرداگرد مرکز توده یک بخش با خلوص پایین (بیش تر از %97.5) وجود دارد که برای کاربردهای ساینده مناسب است. لایه ی بیرونی دارای مخلوطی از SiC و واکنش نداده و کربن است که این لایه در فرآیند پخت بعدی استفاده می شود. شکل 1 مثال هایی از کریستال های SiC تولید بوسیله ی فرآیند آچسون است.

بزرگترین تولید کننده ی SiC جهان چین است .این کشور سالانه 450000 تن SiC تولید می کند. شکل 2 یک کارخانه ی تولید SiC را نشان می دهد. قیمت SiC تولیدی به روش آچسون بین 10- 40 دلار بر کیلوگرم است

تیتانیوم کاربید
 

تیتانیم کاربید (TiC) یکی دیگر از مواد سرامیکی غیر اکسیدی است که در طبیعت تشکیل نمی شود. این ماده نیز بوسیله ی کاهش کربوترمال یا بوسیله ی واکنش مستقیم بین عناصر تیتانیم و کربن تولید می شود. فرآیند تولید TiC نیز نیازمند دمای بالای تولید می باشد. دمای کربوراسیون بین است.

آلومینیوم نیترید
 

چندین روش صنعتی برای تولید AIN وجود دارد. درحال حاضر دو تا از این روش ها به صورتی صنعتی کار برد دارند. یکی از آنها نیتریداسیون مستقیم آلومینیوم است. که در زیر واکنش آن نشان داده شده است.

در دمای بالاتر از نقطه ذوب فلز تمام پودر به صورت مستقیم به نیترید تبدیل می شود. کنترل دقیق فرآیند بوسیله ی جلوگیری از انعقاد فلز در طی فرآیند نیتریداسیون انجام می شود.
کاهش آلومینا با استفاده از نیتروژن و یا آمونیاک درحضور کربن یکی دیگر از روش های تولید AIN است. (طبق واکنش زیر)

مخلوط آلومینا و کربن با اتمسفر دارای نیتروژن و در دمای بالاتر از واکنش می دهد. برای تبدیل کامل مواد به AIN فاکتورهایی مانند اندازه ی ذرات پودر و مخلوط نمودن مناسب مواد مهم می باشند. در دو روش تولید AIN، ناخالصی های اصلی اکسیژن (1.O% وزنی) و کربن (زیر O.O7%wt) هستند. سایر ناخالصی هایی که در این ماده وجود دارد عبارتند از: سیلیسیم، آهن، کلسیم. این ناخالصی ها به طور نمونه وار هر کدام در غلظت هایی زیر 50ppm وجود دارند. فروش جهانی AIN در حدود 200 تن در سال است. قیمت این ماده در گسترده 20- 180 دلار بر کیلوگرم است. این تفاوت قیمت به خاطر کیفیت و ویژگی های پودری AIN است.
در بسیاری از کاربردهایAIN نیاز است تا این ماده به صورت زیر لایه یا دیواره ی بوته باشد. این ماده یک عایق الکتریکی خوب است و رسانایی گرمایی بسیار بالایی دارد. (بهتر از آهن) این مسئله باعث شده تا از آن در بخش های الکترونیکی استفاده شود. بوته های آلومینیوم نیتریدی برای نگهداری مذاب فلزات استفاده می شود.

سیلیسیم نیترید
 

سیلیسیم نیترید () یکی دیگر از کانی های مصنوعی است. این ماده دارای دو فرم کریستالی است .فرم دما پایین آن است که این فرم از آن نسبت به فرم β بیشتر ترجیح داده می شود. (به عنوان ماده ی اولیه ) زیرا تغییرات فازی فرم βدر طی فرآیند زینترینگ موجب پدید آمدن تغییرات طولی در ساختار کریستالی می شود. چندین روش برای سنتز پودر وجود دارد که این روش ها شبیه به روش های تولید AIN است. این روش ها عبارتند از :
1)نیتریداسیون پودر سیلیسیم
2)کاهش کربوترمال سیلیس در گاز نیتروژن
3)واکنش در فاز گاز یا سیلان () با آمونیاک
بیشتر پودرهایی که به صورت تجاری در دسترس هستند از واکنش پودر سیلیسیم با نیتروژن در دمای تولید شده اند. (طبق واکنش زیر)

این پودر عموما مخلوطی از فاز و β است (که نسبت به β برابر 90 به 10 است.) در اغلب موارد برای تسریع واکنش و جلوگیری از تشکیل فاز β از پودر به عنوان جوانه زا استفاده می شود. پودر نیترید شده شامل ناخالصی هایی مانند آهن ، کلسیم و آلومینیوم است. که این ناخالصی ها از ابتدا در پودر سیلیسیم وجود داشته اند و یا در طی فرآیند آسیاب کردن ثانویه پدید آمده اند. پودر با خلوص بالا را می توان بوسیله ی کاهش کربوترمال در دمای بین تولید کرد.( طبق واکنش زیر)

اگر چه این فرآیند باعث تولید پودرهایی می شود که در آنها کربن و اکسیژن باقی مانده وجود دارد ولی پودر تولیدی دارای مساحت سطح بالایی است و درصد فاز نیز در این پودر بالاست.
پودرهای با خلوص بالا همچنین بوسیله ی واکنش در فاز بخار تولید می شود. که در زیر این واکنش ها آورده شده است:
〖
پودر تولیدی به روش بالا آمورف است. اما محصولاتی که تا دمای حرارت داده شوند.
تقریباً به طور کامل به فرم تبدیل می شود.
تولید جهانی، 500 تن در سال است. قیمت پودر این ماده از 30 – 150 دلار بر کیلوگرم قیمت دارد. که این قیمت به اندازه ی ذرات و کیفیت آن بستگی دارد.
سیلیسیم نیترید در دماهای بالا دارای استحکام بالایی است. این ماده دارای مقاومت به شک حرارتی ، مقاومت به خزش و مقاومت به اکسیداسیون بسیار خوبی در شرایط سخت است. از این رو این ماده برای ساخت قطعات توربین و موتورهای دیزل مناسب است.

زیرکونیوم دی بوراید
 

زیرکونیوم دی بوراید یک ماده ی مناسب برای ساخت بوته ی ذوب فلزات است. علت این مسئله مقاومت به خوردگی استثنائی این ماده است. این ماده همچنین در سلولهای هال – هرولت (Hall- Heroultcells) (فرآیند تولید آلومینیوم ) به عنوان کاتد و در فرآیند تصفیه ی فولاد به عنوان تیوپ های ترموول استفاده می شود.
فرآیندهای مختلفی برای تولید استفاده می شود. این فرآیند ها شبیه به روش های تولید کاربیدها و نیتریدهاست. به صورت صنعتی این ماده به روش واکنش مستقیم زیرکونیوم و بور تولید می شود.

همچنین از واکنش کربوترمال نیز می توان برای تولید استفاده کرد. که واکنش آن به شکل زیر است.

همه ی این واکنش ها باید در دمای بالا و تحت اتمسفر خنثی یا خلاء انجام شود. قیمت پودر بین 60- 100 دلار بر کیلوگرم است.

تنگستن کاربید
 

تنگستن کاربید یک ماده ی مقاوم در برابر سایش است. این ماده در فلز کاری، استخراج معدن و صنعت ساخت قطعات ماشین آلات و ساخت قالب کاربرد دارد. این ماده بوسیله ی کربوره کردن پودر تنگستن تولید می شود. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 5500 تن WC مصرف می کند.

کربن
 

گرافیت یکی از فرم های سه گانه ی کربن است. فرم های کریستالی دیگر کربن عبارتند از : الماس و فولرن ها ، گرافیت به طور طبیعی در سنگ های دگرگون مانند مرمر (marble) وجود دارد. البته این ماده شباهت زیادی با سایر سرامیک های غیر اکسیدی ندارد.
گرافیت مورد استفاده در صنعت از منابع طبیعی استخراج می شوند. بزرگترین تولید کنندگان گرافیت دنیا، چین و هند هستند. تولید جهانی این ماده یک مگاتن در سال است. هم اکنون گرافیت در ایالات متحده ی آمریکا استخراح نمی شود. اگر چه این کشور سالانه 300000 تن گرافیت به شکل مصنوعی تولید می کند. که ارزش این تولید یک میلیارد دلار است.
چندین روش برای تولید گرافیت به صورت مصنوعی وجود دارد. بسیاری از این روش ها بدین گونه هستند که کربن های غیر گرافیتی در دمای بالاتر از گرما داده می شوند تا گرافیت تشکیل شود. برای مثال فرم بسیار خالص از این ماده بوسیله ی حرارت دادن مخلوط کلسینه شده ی کک نفتی و ذغال سنگ در دمای تولید می شود. دمای بالای این فرآیند باعث می شود تا اتم های کربن به صورت آرایش ورقه ای (ساختار گرافیتی) در آیند. گرافیت مصنوعی را همچنین می توان بوسیله ی رسوب از حالت فاز بخار هیدرو کربن ها در دماهای پایین (حدود ) تولید کرد.
بیشتر گرافیت مصنوعی که در ایالات متحده ی آمریکا تولید می شود، برای ساخت الکترودهای بسیار بزرگ استفاده می شود. این الکترودهای بزرگ در کوره های قوس الکتریکی استفاده می شوند. همچنین الکترودهای باطری نیز از این گرافیت ساخته می شود. کاربردهای عمده ی دیگر این ماده در روانسازی و فولاد سازی است.
استفاده های عمده از گرافیت طبیعی در صنعت دیرگداز (45%) ، لقمه ترمز (%20) است.
گرافیت طبیعی حدود 500 دلار بر تن قیمت دارد. در حالی که نوع مصنوعی آن قیمتی بالاتر از 2000 دلار بر تن دارد.
میزان الماس صنعتی تولید شده در ایالات متحده ی آمریکا بسیار کمتر از میزان تولید گرافیت مصنوعی است. تقریبا 300 میلیون قیراط الماس مصنوعی به صورت سالانه تولید می شود که کاربرد آن در ابزار آلات برش سنگ و مرمت آزاد راه ها و ساختمان هاست.
فولرن ها در سال 1985 کشف شدند. این در حالی است که نانو تیوپ های کربنی در سال 1991 کشف شدند. هر دو ماده ی اشاره شده هم اکنون به صورت تجاری در دسترس اند. البته این مواد هم اکنون گران قیمت هستند و کاربرد آنها به محصولات خاصی (مثلا افزودنی های مورد استفاده در پوشش های پلیمری ) محدود می شود

سنگ معدن ، مکافی و زمین شناسی
 

سنگ های آذرین
 

سنگ های دگرگون
 

سنگ های رسوبی
 

فرآوری
 

وزن و مقیاس
 

درسیستم جهانی SI جرم دارای واحد کیلوگرم است. این واحد به خاطر برخی مسائل مورد توجه است. واحد کیلوگرم از پیشوند کیلو بعلاوه گرم پدید آمده است. کیلوگرم بوسیله ی وزن مرجع یک استوانه ی پلاتین – ایریدیم تعریف می شود. این رفرنس در مرکزی در فرانسه نگهداری می شود. برای بیان جرم موادی که در فرآیندهای تغلیظ و معدن کاری با آنها روبرو هستیم معمولا از واحد تن (metricton) استفاده می شود. هر تن هزار کیلوگرم یا یک مگاگرم است . مسئله گیج کننده در زمینه واحد تن وجود واحدهای خاص آمریکایی و انگلیسی برای تن است. که امروزه هنوز در این کشورها در حال استفاده شدن هستند. یک تن برابر o.984 تن انگلیسی است. همچنین یک تن برابر 1.103 تن آمریکایی است.
مسأله ی گیج کننده ی دیگری که وجود دارد این است که در انگلستان واحد آمریکایی تن در معادن سنگ های فلز دار (فلزی) استفاده می شود و این در حالی است که واحد انگلیسی تن در معادن ذغال سنگ استفاده می شود. ما از واحد معمولی تن (metric ton) استفاده می کنیم. البته این مسأله باید مورد توجه قرار گیرد که این واحدها در کارهای تقریبی زیاد متفاوت نیستند و به هم نزدیک اند. محاسبه ی میزان تمام کانی های تجاری دنیا آسان است. سازمان نظارت کننده ایالات متحده ی آمریکا (VSMS) در زمینه ی مواد معدنی هر ساله اطلاعات خود در زمینه ی مواد معدنی انتشار می دهد. این اطلاعات به صورت کتاب سال منتشر می شود. این سازمان تغییرات حاصل در زمینه ی تولید، ذخایر و... را در هر سال گزارش می دهد.

درادامه به بیان مواد معدنی مورد استفاده در صنعت سرامیک می پردازیم .سعی شده است تا منابع و ذخایر اصلی این مواد نیز ذکر شود.
سیلیس
سیلیس یک ماده ی معدنی مهم در صنعت سرامیک است. استفاده ی عمده از این ماده در صنعت شیشه سازی است (حدود 38% از تولید ایالات متحده ی آمریکا در صنعت شیشه سازی مصرف می شود. ) برای مثال حباب های لامپ های با نور سفید (bulbs incandescent lamp) از شیشه های سودالایم تولید می شود که تقریبا 70% از آنها سیلیس است. درصد سیلیس موجود در لامپ های رشته ای می تواند تا حدود %99.8 وزنی نیز برسد.
یکی از منابع عمده ی سیلیس ، ماسه سنگ است . ماسه سنگ صنعتی و ماسه ی سیلیسی دو واژه هستند که در صنعت سرامیک زیاد استفاده می شوند. این دو واژه به معنای ماسه سنگی است که در صد سیلیس موجود در آن ها بالا باشد. در برخی موارد درصد سیلیس برخی از این ماسه ها بیش از 99.5% است.
برطبق تعریف ASTM، ماسه سنگ ذرات سنگ است که به صورت گرانول هستند. این ذرات می توانند از میان الک مش 4 بگذارند.(4.75mm) و بر روی الک مش 200 (75mm) باقی می مانند. و باید از خردایش طبیعی یا مصنوعی سنگ پدید آمده باشند. (ماسه سنگ همچنین از فرآوری فیزیکی سنگ ها (بوسیله ی سنگ شکن) تولید می شوند.)
ماسه سنگ های تولیدی معمولا دارای ترکیب شیمیایی متنوعی هستند که این ترکیب به نوع سنگ مورد استفاده بستگی دارد. ایالات متحده ی آمریکا بزرگترین تولید کننده ی ماسه ی صنعتی در جهان است. ایالت های ویرجینیای غربی، کالیفرنیا، الینویز، پنسیلوانیا ، اوهایو و نیوجرسی 80% ماسه ی سیلیسی با کیفیت بالای مورد استفاده در ایالات متحده ی آمریکا را فراهم می کنند. در الینویز و میسوری عملا تمام سیلیکای مورد استفاده در ساخت شیشه از ماسه سنگ های st.peter بدست می آید. سایر ذخیره های با کیفیت ماسه سنگ نیز وجود دارد. مثلا یکی از این ذخایر oriskany است که در ویرجینیای غربی و پنسیلونیا وجود دارد. این ذخیره ها عموما به صورت تپه های شنی ساحلی یا به شکل لایه هایی 20-30 متری زیر لایه هایی از لجن، خاک رس و سنگ رست (shales) وجود دارند.
عموما استخراج سیلیس صنعتی یک شغل با فروش منطقه ای است . در واقع مراکز تولید عمدتا در کنار مراکز خرید واقع اند مگر آنکه کیفیت محصول تولیدی استثنائی باشد مثلا خواص اندازه ی ذرات یا شکل ذرات ویژه باشد. منطقه ی جغرافیایی فروش این محصول معمولا از 200 مایل فراتر نمی رود. این مسئله به دلیل هزینه ی بالای حمل و نقل این ماده و فراوانی معادن آن در سرتاسر دنیا است.
در سال های اخیر، مقررات محیط زیستی بر روی استخراج سنگ سیلیس بسته شده که علت آن مشکلات سلامتی است که بوسیله ی این محصول بوجود می آید.
کواتز مینرال عمده ی سیلیس ، جزء اصلی سنگ های آتشفشانی مانند گرانیت است. این ماده همچنین در بیشتر سنگ های دگرگون یافت می شود. بخش اصلی سنگ های دگرگون را ماسه سنگ تشکیل می دهد. همچنین رگه هایی با خلوص بالا از کوارتز نیز در این سنگ ها یافت می شود. کریستال های کوارتز با کیفیت نوری بالا واقعا کم یابند . اما روش هایی مناسب وجود دارد که می توان کریستال های کوارتز را رشد داد و آنها را به صورت تجاری تولید کرد. تولید سالانه ی سیلیس در ایالات متحده ی آمریکا تقریبا 30 مگاتن است که این مقدار 700 میلیون دلار ارزش دارد.
سیلیکات ها
فلدسپار
فلدسپارها یک گروه مینرالی بزرگ هستند واین تخمین زده شده است که بیش از 60 درصد پوسته ی زمین را تشکیل می دهند. (همانگونه که در جدول 1 دیده می شود) این گروه مینرالی در بسیاری از سنگ های رسوبی و تقریبا در تمام سنگ های آذرین و دگرگون یافت می شوند.

صنعت شیشه سازی بیشتر فلدسپارهای تولیدی را مصرف می کند. فلدسپار منبع اکسید آلومینوم است. این ماده خواص مکانیکی شیشه مانند مقاومت در برابر خراش و قابلیت مقاومت در برابر شک حرارتی آن را افزایش می دهد. فلدسپار همچنین در بدنه های سرامیک وایت ویر (whiteware) به عنوان فلاکس استفاده می شود. این ماده باعث ایجاد فاز شیشه ای در هنگام پخت بدنه می شود و استحکلام و حالت زجاجی (translucency) بدنه را افزایش می دهد.
کره ی جنوبی بزرگترین تولید کننده ی فلدسپار در جهان است. تولید سالانه ی فلدسپار در ایالات متحده ی آمریکا 800000 تن است که این میزان ارزشی برابر 45 میلیون دلار دارد. ایالات کالیفورنیا، کارولینای شمالی و کانوکتیکات بزرگترین تولید کنندگان فلدسپار هستند.
رویه ی اصلی در فرآیند استخراج و استفاده از فلدسپار شامل موارد زیر است:
1)سوراخ کاری و انفجار توده ی معدنی
2)انتقال سنگ معدن به آسیاب و خردایش آن (فرآوری فیزیکی)
3)جدا سازی مینرال ها به روش فلوتاسیون (این فرآیند بر اساس قابلیت ترشوندگی متفاوت مواد در محلول آبی اتفاق می افتد).
4)خشک کردن
5)آسیاب کردن تا رسیدن به اندازه ی ذره ی زیرمش 200 (75Mm) برای کاربردهای صنتعت سرامیک
درفرآیند فلوتاسیون هوا به داخل سوسپانسیونی از مینرال های خردایش یافته دمیده می شود. در این حالت در محلول کف تشکیل می شود. ذرات تر شده (ذرات آب دوست) در سوسپانسیون باقی می مانند در حالی که ذرات آب گریز جذب حباب های هوا شده که با جدا سازی کف ها می توان مینرال های مورد نظر را جدا سازی نمود. عوامل متنوعی مانند آمینو اسیدها (این مواد دارای وزن ملکولی بالایی هستند) را می توان برای افزایش قابلیت تر شوندگی نسبی مواد جامد در مخلوط ، استفاده کرد. این عوامل به طور گزینشی بر روی سطح مواد خاص مخلوط ، جذب می شوند. این فرآیند در مراحل زیر انجام می شود:
1)جدایش میکا
2)جدایش مینرال های آهن دار مخصوصا گارنت
3)جداسازی فلدسپار از مواد ته نشست شده مانند کوارتز
رس ها و کائولن
رس جزء عمده ی سرامیک های سنتی است. این مواد عموما سیلیکات های لایه ای با اندازه ی دانه ی زیر 2 میکرون هستند. هر لایه ی سیلیکاتی را می توان به عنوان یک کانی رسی تعریف کرد. شش نوع تجاری از رس ها وجود دارند. این انواع در جدول 2 به صورت لیست وار آورده شده است. این رس ها از لحاظ ترکیب، پلاستیسیته، رنگ و خواص پخت متفاوت اند.

هوازدگی مکانیکی و شیمیایی فلدسپارها در سنگ های آذرین و دگرگون شده باعث تشکیل کائولن می شود.(کائولن یک جزء کلیدی در خاک چینی است) . کائولن تشکیل شده می تواند در همان محل متلاشی گردد و یا ابتدا بوسیله ی آب یا باد به محل دیگری منتقل شود و در آنجا متلاشی گردد. ذخایر کائولن اولیه در محل سنگ اولیه وجود دارند. این نوع کائولن دارای مقادیر زیادی کوارتز و میکا است که در حین فرآیند هوا زدگی تشکیل گشته اند. ذخایر بزرگی از کائولن اولیه در جنوب شرقی انگلستان ، اکراین و چین یافت می شود.
کائولن های ثانویه، کائولن هایی هستند که به طور طبیعی از سنگ های اصلی شسته شده اند. و سپس در مکان های دیگر رسوب کرده اند. این مواد به طور طبیعی فرآوری گشته اند و دارای خلوص بیشتری هستند. ذخایر تجاری و اصلی کائولن ثانویه در ایالات متحده آمریکا 50 میلیون سال پیش تشکیل شده اند. این ذخایر به صورت کمربندی در خط ساحلی قدیمی ازشمال آلاباما تا کارولینای شمالی کشیده شده است

میکا
 

گروه میکا شامل 37 کانی می باشد . این کانی ها با نام فیلو سیلیکات ها (phyllosilicates) هستند که دارای ساختاری صفحه ای یا لایه ای هستند. واژه ی یونانی فیلون (phyllon) به معنای برگ است. برخی از کانی های میکا در جدول 1 آورده شده است. همچنین علاوه بر اسم آنها مکان های وجود منابع عمده ی آنها نیز آورده شده است. میکا ها همچنین بر اساس میکاهای واقعی (truemica) و ترد (brittle) نیز طبقه بندی می شوند. میکاهای واقعی که دارای کاتیون های تک ظرفیتی (مانند k^+ و〖Na〗^+ ) در میان لایه هایشان هستند، از خود خواص ورقه ورقه شده نشان می دهند. این مواد به آسانی به صفحات نازک تبدیل می شوند. در میکاهای ترد، بین لایه ها کاتیون های دو ظرفیتی (مانند 〖Ca〗^(2+) ) وجود دارد. پیوند این کاتیون ها و لایه ها قوی است. اگر چه این مواد نیز خاصیت ورقه شدن دارند اما نسبت به نوع واقعی ترد ترند. میکاهای ترد کانی های کمیابی هستند و استفاده از آنها زیاد نیست.

موسکویت (Muscovite) ، یک نوع میکا است که کاربرد عمده ای دارد. این میکا به خاطر خواص الکتریکی فوق العاده و فراوانی ، کاربردهای فراوانی یافته است.
فلوگوپیت (phlogopite) نوعی کانی است که در دمای بالا پایدار است؛ از این رو از آن در کاربردهایی استفاده می شود که در آنها نیاز به پایداری در دمای بالا و خواص الکتریکی مورد نیاز باشد. هردوی این کانی ها (موسکویت وفلوگوپیت) به صورت صفحه ای و آسیاب شده استفاده می شوند.

میکاها در سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگون تشکیل می شوند.( این کانی ها در محیط های مختلف زمین شناسی تشکیل می شوند) . علت تشکیل این مواد در گسترده ی وسیعی از محیط های زمین شناسی پایداری گرمایی این مواد است. شکل 1 دیاگرام فشار – دما برای میکای موسکویتی است. در دمای بسیار بالا (بیشتر از)، این نوع میکا ناپایدار می شود و در حضور کوارتز تجزبه گشته و به فلدسپار پتاسیک و سیلیمانیت (sillimanite) تبدیل می شود.(طبق فرمول زیر):

سیلیمانیت فلدسپارتپاسیک کوارتز موسکوویت
موسکوویت در سنگ های دگرگون کم ارزش تشکیل می شود. در این مکان ها موسکوویت از پیروفیلیت تشکیل می شود. این فرآیند در کریستالیزاسیون اولیه ی کانی های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها (Pegmatites) نیز رخ می دهد.
در سنگ های رسوبی مخصوصا آرنیت (arenites) نیز فرآیند تشکیل موسکویت اتفاق می افتد. موسکوویت در بسیاری از بخش های ایالات متحده ی آمریکا به صورت محدود وجود دارد.
بزرگترین تولید کننده ی میکا، روسیه است. این کشور یک سوم نیاز سالانه ی این ماده را تولید می کند. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 75000 تن میکای ورقه ای و ذره ای تولید می کند. اگر چه ایالات متحده ی آمریکا از لحاظ تاریخی تولید کننده ی صفحات میکایی است ولی منابع داخلی این ماده به پایان رسیده و از این رو این کشور تنها به تولید میکای ورقه ای و ذره ای می پردازد.
مصرف عمده ی میکای آسیاب شده به عنوان پرکننده در اجزای اتصال دهنده ی دیواره های گچی (ژیپسی) است . استفاده از پر کننده های میکایی موجب تولید سطوح صاف می شود، کارایی را بهبود داده و از گسترش ترک جلوگیری می کند. از این مواد همچنین در رنگ ها، محصولات رابری قالب گیری مانند تایرها و خمیر دندان کاربرد دارند. از میکای فلس مانند به عنوان جایگزینی در لقمه ترمزها و صفحه کلاچ استفاده می شود.
هند بزرگترین تولید کننده ی میکای مورد استفاده در ساخت صفحات موسکوریتی (muscovite sheet meca) است. ماداگاسکار نیز بخش عمده ای از میکای مورد استفاده در ساخت صفحات فلوگوپیت را مهیا می کند. قیمت میکای صفحه ای از کمتر از یک دلار بر کیلوگرم برای کیفیت پایین تا 2000 دلار بر کیلوگرم برای نوع با کیفیت متغیر است. از نوع با کیفیت بالای میکای موسکویتی در ساخت دی الکتریک مورد استفاده در خازن ها استفاده می شود.

مولایت
 

مولایت در طبیعت به میزان فراوان وجود ندارد و باید به صورت مصنوعی ساخته شود. این ماده دارای خواص زیادی است که موجب شده تا این ماده برای کاربردهای دما بالا مناسب باشد. مولایت دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار کوچکی است.(این مسأله باعث می شود که مولایت مقاومت به شک حرارتی خوبی داشته باشد). این ماده همچنین در دمای بالا مقاومت به خزش خوبی دارد و از همه مهمتر، مولایت به آسانی با شیشه ی مذاب یا سر باره ی فلزات مذاب واکنش نمی دهد و در اتمسفر های کوره ای خورنده پایدار است.
از این رو از این ماده در آستر کاری کوره و سایر کاربردهای دیرگداز در صنعت فولاد سازی و ذوب آهن و صنعت شیشه استفاده می شود.
از لحاظ تجاری مولایت به دو روش ساخته می شود:
1)زینته ینگ
2)فیوزینگ
مولایت زنیته شده ممکن است بوسیله ی حرارت دادن مخلوطی از کیانیت : ، بوکسیت و کائولن تولید شود. (کیانیت مینرالی است که به صورت طبیعی در سنگ های دگرگون یافت می شود.) این مخلوط (درنسبت های معین) در دماهای بالاتر از 1600c° زینته می شود. ماده ی زینته شده به این روش دارای 90-85% مولایت است . علاوه بر مولایت درصدی شیشه و کریستو بالیت (یکی از پلی فرم های وجود دارد . آفریقای جنوبی تولید کننده ی عمده ی کیانیت دنیاست این کشور سالانه 165000 تن کیانیت تولید می کند.
ایالات متحده ی آمرکیا دارای بزرگترین منابع کیانیت دنیاست. این منابع در منطقه ی کوه های آپلاچین (Applochian Mountains) و آیداهو (Idaho) قرار گرفته اند. آندالوزیت (Andalusite) وسیلیمانیت سایر مینرال های آلومینو سیلیکاتی هستند که مانند کیانیت می توان از آنها به عنوان ماده ی اولیه در تولید مولایت استفاده کرد.
در روش فیوزینگ مقداری آلومینا و کائولن به داخل کوره ی قوس الکتریکی ریخته می شود. پس از روشن شدن این کوره دما به بالاتر از 1750c° می رسد و از این رو می توان با این روش مولایت با خلوص بالاتر تولید کرد. مولایت تولیدی به روش فیوزینگ دارای بیش از 95% مولایت است که به همراه آن مخلوطی از آلومینا و شیشه وجود دارد.

اکسیدها
 

موادخام مورد استفاده در ساخت سرامیک های اکسیدی تقریبا همگی به وسیله ی فرآیندهای شیمیایی تولید می شوند. علت استفاده از فرآیندهای شیمیایی بدست آوردن خلوص شیمیایی بالا و تهیه ی پودرهای مناسب جهت ساخت اجزای سرامیکی است. اکسیدهای مهم مورد استفاده در صنعت سرامیک در جدول 2 آمده است.

آلومینا
 

اکسید آلومینیوم ( ، آلومینا ، کوراندوم) بیشترین ماده ی شیمیایی غیر آلی است که در صنعت سرامیک استفاده می شود. این اکسید از کانی بوکسیت (bauxite) و بوسیله ی فرآیند بایر (bayer Process) تولید می شود. بوکسیت مخلوطی از اکسید آلومینیوم هیدراته با اکسید آهن، سیلیس ، تیتا نیا (به عنوان ناخالصی) تشکیل شده است. این کانی از هوا زدگی و متلاشی شدن سنگ های آلومینیوم دار بوجود می آید که در اغلب موارد جنس سنگ ها از نوع آذرین است. این کانی در مناطق گرمسیری تشکیل می شود. مانند کائولن، بوکسیت نیز می تواند به صورت ذخایر اولیه و ثانویه باشد.
فرآیند بایر آلومینایی با خلوص اسمی 99.5% تولید می کند. آلومینا بر اساس کابردهایش در گریدهای مختلف تولید می شود. این گریدها از لحاظ اندازه و شکل کریستال ها و میزان ناخالصی متفاوت اند. ناخالصی اصلی آلومینا اکسید سدیم است. کریستال های آلومینا می توانند اندازه ی بین o.1 – 25 میکرون داشته باشد. شکل 2 کارخانه ی تولید آلومینا به روش بایر را نشان می دهد.

مراحل فرآیند بایر عبارتند از :

1) فرآوری فیزیکی
 

بوکسیت بدست آمده از معدن ابتدا آسیاب می شود. البته اندازه ی ذرات در این خردایش بسیار درشت است. (اندازه ی ذرات زیر یک میلیمتر است). فرآیند آسیاب کاری باعث افزایش مساحت سطح کل ذرات می شود که این مسأله موجب کاهش زمان فرآیند می شود. (کاهش زمان واکنش های شیمیایی درمراحل بعدی )

2) مرحله هضم
 

ذرات درشت بوکسیت بوسیله ی افزودن هیدروکسید سدیم (NaOH) به آب حل می شود. این فرآیند در دمای و در فشار کل O.5MPa اتفاق می افتد. همه ی آلومینای هیدراته ی موجود در بوکسیت حل می گردد و به صورت سدیم آلومینات در می آید.طبق فرمول زیر:

3) فیلتراسیون
 

ناخالصی های جامد موجود در محلول حاصله که عمدتا سیلیس ، تیتانیا و اکسید آهن هستند بوسیله ی فیلتراسیون جدا سازی می شوند.

4) رسوب دهی
 

پس از سرد کردن ، دانه های گیبسیت (آلومینای هیدراته ی طبیعی - به محلول سدیم آلومینات اضافه می شود. این مسأله موجب تشکیل فاز پایدار از هیدروکسید آلومینیوم در دمای پایین می شود. با دمش گاز به داخل محلول بوجود آمده ،فرآیند ایجاد رسوب تسریع می شود و عمل رسوب زایی ایجاد می شود.

5) شستشو
 

رسوبات بدست آمده سپس از فیلترعبور داده شده و شستشو می شوند تا میزان سدیم آن کاهش یابد.

6) کلسیناسیون
 

پودر حاصله در دمای بین 1100C∘ - 1200 کلسیناسیون می شود. در این فرآیند هیدروکسید به اکسید تبدیل می شود. واکنش در این مرحله به صورت زیر است:

در این مرحله آلومینای بدست آمده به شکل کلوخه ای است. این کلوخه ها از دانه های ریز با قطر 10-5 میکرون تشکیل شده اند.

7) آسیاب کردن
 

پودر حاصله در مرحله ی قبل آسیاب می شود تا اندازه ی ذرات و توزیع ذرات معین بدست آید. آلومینای تولیدی به این روش دارای بیش از 99.5% است. و همانگونه که قبلا گفتیم، ناخالصی عمده ی موجود در این ماده است. پودر حاصله ممکن است به میزان بسیار کم در حدود % 0.001 داشته باشد. این میزان از خلوص برای آلومینا برای بسیاری از کاربردها مناسب است. کنترل دقیق شرایط ته نشست شدن، شستشوی رسوبات و کنترل شرایط کلیناسیون و آسیا ب کردن می تواند موجب تشکیل آلومینایی با خلوص 99.99% شود. قیمت آلومینای کلسینه شده ی معمولی 0.60 دلار بر کیلوگرم است و این قیمت می تواند برای آلومینای کلسینه شده ی با خلوص بالاتر به 2.00 دلار بر کیلوگرم برسد. قیمت گرید متالورژیکی (مناسب برای تولید آلومینوم ) تقریبا ً 150 دلار برتن است.

جدول 3 ترکیب نمونه وار فرم های اصلی آلومینای کلسینه شده آورده شده است. حضور در برخی موارد غیر قابل قبول است. برای مثال ، یون سدیم در میدان الکتریکی تحرک پیدا می کند و باعث اتلاف خاصیت عایق کاری الکتریکی می شود. همچنین سدیم ، آلومینا تشکیل فاز می دهند. تشکیل این فاز باعث کاهش دانستیه، استحکام ، مقاومت به شک حرارتی و مقاومت به خوردگی محصول نهایی می شود. جدول 4 درصد مناسب برای کاربردهای مختلف آلومینای کلسینه شده (تولیدی به روش بایر ) را نشان می دهد.

استرالیا بزرگترین تولید کننده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 60 مگا تن از این ماده تولید می کند.
منابع عمده ی بوکسیت در ایالات متحده ی آمریکا در آرکانزاس (Arkansas) وجود دارد. البته ذخایر کوچکتری نیز در جرجیا (Georgia) ، آلاباما (Alabama) و میسی سی پی(Missisippi) وجود دارد . معادن داخلی کمتر از 1% بوکسیت مورد نیاز ایالات متحده ی آمریکا را مهیا می کنند. از این رو ایالات متحده ی آمریکا یکی از واردکنندگان عمده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 10 مگاتن بوکسیت وارد می کند.
تقریباً 95% از آلومینای استخراج شده در فرآیند تولید آلومینیوم استفاده می شود. بقیه ی آلومینای تولیدی در کاربردهای غیر فلزی مانند تولید آلومینای ویژه مصرف می شوند. و در واقع همین درصد کم برای ما مهم می باشد. زیرا بیشتر آن در صنایع سرامیک کاربرد دارد.

فرم با خلوص بالای آلومینا را می توان به طور مستقیم از فلز آلومینیوم تولید کرد. برای این کار چندین روش وجود دارد که در شکل 3 نشان داده شده است

* منیزیا
 

اکسید منیزیم(Mgo، منیزیا) به صورت طبیعی و در حالت کانی پیریکاز (periclase) تشکیل می شود. این کانی یک کانی دگرگون است که از تخریب دولومیت و دیگر کانی های منیزیادار تشکیل می شود. منابع پریکاز کمیاب است و ارزش اقتصادی ندارد. منابع اصلی منیزیا ، منیزیت وهیدرو کسید منیزیم است.
ذخایر بزرگ منیزیت در بسیاری از کشورها مانند چین و ترکیه و روسیه وجود دارد. منیزیت دارای ناخالصی های مختلفی مانند سیلیس، آهن، آلومینیوم ، منگنز، و کلسیم است که این ناخالصی ها معمولا ً به شکل کانی های متنوعی وجود دارند. مثلا برخی از این کانی ها عبارتند از: کوارتز، تالک، میکا مگنتایت (Magnetite). پس از استخراج سنگ معدن، باید عملیات فرآوری انجام شود. روش های فرآوری متنوع هستند مثلا خردایش ، دانه بندی، شستشو، جداسازی بوسیله ی آهنربا و ملوتاسیون برخی از این روش ها ست . پس از خالص سازی کربنات منیزیم ، این ماده کلسیناسیون می شود. دمای کلسینا سیون بین است. فرآیند کلسیناسیون موجب تولید دانه های بسیار ریز Mgo با خواص واکنشی بالا می شود. این محصول منیزیای سوز آور(caustic magnesia) نامیده می شود. نوع زینته شده یا پخته شده (dead- burned) منیزیا بوسیله ی کلسیناسیون منیزیم کربنات در دمای بالاتر از تولید می شود. در طی این فرآیند کریستال های واکنش پذیر رشد کرده و از این رو میزان واکنش پذیری آنها کاسته می شود.
منیزیا را همچنین می توان از آب دریا یا آب های شور با درصد پایین منیزیم تولید کرد. تقریبا 60% تولید ترکیبات منیزیمی در آمریکا از این منابع تامین می شود. آب دریا دارای در کیلوگرم است.
مهمترین فرآیند تولید Mgo از آب دریا بدین صورت است که هیدروکسید منیزیم از محلول نمک های مینزیم و بوسیله ی یک عامل بازی قوی رسوب می کند.(طبق واکنش زیر)

رسوبات شسته شده ، فیلتراسیون می شود و بوسیله ی فرآیند کلسیناسیون آب گیری می شود. روش دیگر تولید منیزیا بدست آوردن منیزیا از آب شور است. این فرآیند بر پایه ی تجزیه یرسوبات در دمایرسوبات اتفاق می افتد. (طبق واکنش زیر )

ظرفیت تولید سالانه ی منیزیا تقریبا 10 مگاتن در سال است. تقریبا 9 مگاتن از منیزیا از منابع طبیعی و تقریباً 1.5 مگاتن آن از آب دریاها و آب های شور بدست می آید. قیمت منیزیا در گسترده ی 150- 1200 دلار بر تن است. که این قیمت گذاری بر اساس خلوص آن انجام می شود.
کاربرد عمده ی منیزیا به عنوان دیرگدازهای مورد استفاده در آسترکاری کوره هاست. مقادیر بسیار کمی از منیزیا در تولید محلول خوراکی شیری رنگ (مخصوص درد معده) استفاده می شود. همچنین از منیزیا در ساخت سایر سرامیک ها مانند مواد اسپنیلی بدون کروم استفاده می شود. اسپینل بدون کروم در طبیعت در مقادیر قابل استفاده در صنعت وجود ندارد. اسپنیل را می توان بوسیله ی ذوب الکتریکی آلومینا و مینزیا تولید کرد.

* زیرکونیا
 

اکسید زیرکونیوم ، زیرکونیا) به طور عمده از زیرکن ) بدست می آید. زیرکن مینرالی است که در سنگ های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها تشکیل می شود.
در برزیل و ماداگاسکار برای تولید زیرکن ، سنگ های آدرین پگماتیتی (pegmatates) را تجریه می کنند. همچنین زیرکن می تواند به عنوان جزئی از سنگ های دگرگون تشکیل شده باشد. در سواحل استرالیا، برزیل، هند و فلوریدا از زیرکن به صورت ذخایر موجود در ماسه های ساحلی وجود دارد که این ذخایر از نوع ذخایر ثانویه هستند. در این نوع از ذخایر که به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد، زیرکن به همراه مینرال های دیگر مانند المنتایت (ilmentite) ، روتایل (rutile) و مونازیت (monazite) تشکیل شده است.
برای تولید زیرکونیای خالص از زیرکن چندین روش تجاری وجود دارد. زیرکن در دمای بالاتر از به زیرکونیا و سیلیس تجزیه می شود. تزریق ماسه های زیرکنی به یک محیط پلاسما (در دمای بالاتر از 6000c° ) باعث تجزیه شدن زیرکن و ذوب شدن آن می شود. در هنگام انجماد مذاب پلاسمایی ، زیرکونیا به صورت ساختار دندریتی انجماد پیدا می کند. وبه صورت پوششی شیشه ای بر روی زیرکونیا تشکیل می شود. سیلیس موجود در این ساختار می تواند بوسیله ی شستشو با محلول سدیم هیدروکسید جوشان از بین برود. در این فرآیند مواد زائد شسته می شود و زیرکونیا بوسیله ی سانتریفیوژ جدا سازی می شود.
روش اصلی در تولید اکسید زیرکونیوم ذوب زیرکن در کوره ی قوس الکتریکی است. دمای این ذوب بین 2100c°- 2300 است با آنکه دمای این واکنش نسبت به پلاسما پایین تر است اما فرآیند تجزیه ی زیرکن اتفاق می افتد. اما در این حالت زیرکونیای جامد در سیلیس مذاب تولید می شود. خلوص تولیدی در این روش تقریبا 99% است.
یکی دیگر از منابع تأمین کننده ی زیرکونیا ، بادولیت (baddeleyite: مونوکلینک و ناخالص) است. البته این کانی از لحاظ تجاری اهمیت کمتری نسبت به زیرکن دارد . ذخایر بادولیت کم می باشد. همچنین این ذخایر به همراه آلودگی هایی مانند سیلیس ، اکسید آهن و تیتانیا وجود دارد. ذخایر با دولیت به صورت تجاری در برزیل و آفریقای جنوبی استخراج می شوند. همه ی منابع سنگ معدن زیرکونیوم دارای مقادیر متنوعی از هافینوم ( به طور نمونه وار 3 – 1.5%) هستند . به دلیل شبیه بودن ویژگی های شیمیایی این دو ماده ، فرآیند جداسازی آنها گران قیمت است. به همین دلیل اکثر گریدهای زیرکونیا بیش از %3wt هافینوم دارند.

* زینسیت
 

اکسید روی (ZnO) به صورت طبیعی در مینرال زینسیت Zincite))وجود دارد. اکسید روی خالص سفید رنگ است. کانی زینسیت به دلیل وجود منگنز( بیش از 10%) و مقادیر ناچیزFeo  قرمز رنگ است. منابع طبیعی زینسیت از لحاظ تجاری اهمیت ندارند. دو روش برای تولید اکسید روی وجود دارد:
1)اکسیداسیون فلز روی (در حالت بخار) با هوا
2)کاهش اسفا لاریت ( Sphalerite:zns) با کربن و CO اسفالاریت یکی از کانی های طبیعی و بسیار مهم از روی است. منابع عظیمی از این کانی در سنگ های آهکی دره ی میسی سی پی ، حوالی جوپلین (Joplin) وجود دارد .همچنین منابع عظیمی از این کانی در فرانسه ، مکزیک، اسپانیا ، سوئد و انگلستان وجود دارد.
مقادیر زیادی از اکسید روی تولید شده در صنعت تولید چسب و رابر استفاده می شود. از این اکسید همچنین در رنگ های لاتکس ، کاشی ها ، لعاب ها و صنعت پرسلان استفاده می شود.
این ماده همچنین یکی از مواد پر کاربرد در ساخت وریستور (Varistors) است.

* روتایل و آناتار
 

روتایل ، تیتانیا) یکی از اجزای تشکیل دهنده ی سنگ های آذرین مانند گرانیت و همچنین به عنوان یکی از مشتقات سنگ های دگرگون مانند گنیس (geneiss) است. این کانی به صورت سوزن های ریزی در نمک ها، میکای بیوتایتی (biotitemica) ، کوارتز و فلدسپار یافت می شود. از لحاظ اقتصادی ذخایر مهم این ماده در سنگ های آذرین ویرجینیا (Virginia) ،کانادا (Canada) و نوروی (Norway) یافت می شود. روتایل (rutile) همچنین یکی از اجزای مهم سنگ های ساحلی است که از فرسایش سنگ های دارای روتایل بوجود آمده اند. این سنگ های ساحلی در استرالیا، فلوریدا و هند وجود دارند.
تیتانیا همچنین از واکنش المنیت با اسید سولفوریک در دمای نیز تولید می شود. این واکنش به صورت زیر انجام می شود و تشکیل تیتانیل سولفات (Sulfate titanyl) می دهد:

تیتانیل سولفات در آب قابلیت حل شوندگی داشته و می توان بدین وسیله از ناخالصی های نامحلول در آب جداسازی شود. (این کار بوسیله ی فیلتراسیون انجام می شود.) هیدرولیز در دمای باعث تشکیل رسوبات هیدروکسید طبق واکنش زیر می شود.:

هیدروکسید تیتانیل بوسیله ی کلسیناسیون در دمای 1000c° به تیتانیا تبدیل می شود.

* غیر اکسیدی ها
 

اکثر سرامیک های غیر اکسیدی مهم در طبیعت وجود ندارند و بنابراین باید آنها را سنتز کرد. روش سنتز این مواد معمولا یکی از روش های زیر است:
1)ترکیب مستقیم فلز و نافلز در دمای بالا
2)کاهش اکسید با کربن در دمای بالا (کاهش کربوترمال) و واکنش متعاقب با نافلز در این بخش از مقاله نگاه مختصری به سرامیک های غیر اکسیدی مهم داریم. برای نشان دادن تنوع سرامیک های غیر اکسیدی ما مثال هایی از کاربیدها ، نیتریدها و بوریدها را آورده ایم. البته سرامیک های غیر اکسیدی دیگری نیز وجود دارند که آنها نیز مورد توجه هستند.
SiC: ساینده ، بخش های الکترونیکی با شرایط دشوار
TiC: یا تاقان ، ابزارهای برش،
AIN:قطعات الکترونیکی، بوته ذوب فلز
: توربین های گازی آینده و اجزای موتورهای دیزل
Zr B_2: بوته ی ذوب فلز و تیوپ های ترموول (tubes Thermowell)
WC: ساینده، ابزارهای برش
C (گرافیت): روانساز جامد
C(الماس) : ساینده

* سیلیسیم کاربید
 

سیلیسیم کاربید(SiC) بیشترین مصرف را در بین مواد سرامیکی غیر اکسیدی دارد. کاربرد عمده ی این ماده در صنعت ساینده است. علت استفاده از آن در صنعت ساینده سختی بالا (تنها الماس، نیترید بورکیوبیک و کاربیدبور سختی بالاتری از سیلیسیم کاربید دارند.) سیلیسیم کاربید در طبیعت تشکیل نمی شود و بنابراین باید آن را به صورت مصنوعی ساخت. این ماده به دو شکل کریستالی وجود دارد. فرم کیوبیک که به آن فاز B می گویند (B-SiC) و فرم هگزا گونال که به آن فاز می گویند.(-SiC). فرم در دمای بالاتر از تشکیل می شود و فرم B در گستره ی دمایی تشکیل می شود.
سیلیسیم کاربید به صورت تجاری بوسیله ی فرآیند آچسون (Acheson Process) تولید می شود. در این فرآیند مخلوطی از ماسه ی سیلیسی (99.5%.)، کک (carbon) تهیه شده و در طول بزرگی دپو می شود. سپس الکترودهای کربنی در داخل توده جا سازی می گردد. هر توده معمولا از 3000 تن ماده تشکیل شده است. گرم کردن کک باعث آزاد شدن انرژی کک می شود. که معمولا در دما در بخش هایی از توده به نیز می رسد. انرژی الکتریکی کل که در طی راه اندازی استاندارد یک توده (کوره) مصرف می شود حدود 2 میلیون کیلو وات ساعت (kwh) است که این میزان تقریبا برابر است با 7 تراژول (7TJ). میانگین توان ورودی به کوره در طی راه اندازی کوره حدود 9000-10000KW است. در دمای بالا کک با واکنش می دهد و Sic و CO(مونواکسید کربن ) تولید می کند:

عملیات حرارت دهی کوره ادامه می یابد تا واکنش به طور کامل انجام شود. زمان حرارت دهی از2- 20 روز طول می کشد .(بسته به بزرگی کوره و ترانسفورماتور). پس از سرد شدن کوره، توده شکسته می شود و پس از خردایش دانه بندی می شود. مرکز توده دارای کریستال های SiC هگزاگونال با خلوص بالاست که رنگ آنها سبز است. این کریستال ها برای کاربردهای الکتریکی مناسبند. خلوص SiC براساس رنگ کریستال ها قابل تشخیص است:
خلوص % 9908 : سبز کم رنگ
خلوص % 99: سبز پررنگ
خلوص % 98.5 : سیاه رنگ

گرداگرد مرکز توده یک بخش با خلوص پایین (بیش تر از %97.5) وجود دارد که برای کاربردهای ساینده مناسب است. لایه ی بیرونی دارای مخلوطی از SiC و واکنش نداده و کربن است که این لایه در فرآیند پخت بعدی استفاده می شود. شکل 1 مثال هایی از کریستال های SiC تولید بوسیله ی فرآیند آچسون است.

بزرگترین تولید کننده ی SiC جهان چین است .این کشور سالانه 450000 تن SiC تولید می کند. شکل 2 یک کارخانه ی تولید SiC را نشان می دهد. قیمت SiC تولیدی به روش آچسون بین 10- 40 دلار بر کیلوگرم است

تیتانیوم کاربید
 

تیتانیم کاربید (TiC) یکی دیگر از مواد سرامیکی غیر اکسیدی است که در طبیعت تشکیل نمی شود. این ماده نیز بوسیله ی کاهش کربوترمال یا بوسیله ی واکنش مستقیم بین عناصر تیتانیم و کربن تولید می شود. فرآیند تولید TiC نیز نیازمند دمای بالای تولید می باشد. دمای کربوراسیون بین است.

آلومینیوم نیترید
 

چندین روش صنعتی برای تولید AIN وجود دارد. درحال حاضر دو تا از این روش ها به صورتی صنعتی کار برد دارند. یکی از آنها نیتریداسیون مستقیم آلومینیوم است. که در زیر واکنش آن نشان داده شده است.

در دمای بالاتر از نقطه ذوب فلز تمام پودر به صورت مستقیم به نیترید تبدیل می شود. کنترل دقیق فرآیند بوسیله ی جلوگیری از انعقاد فلز در طی فرآیند نیتریداسیون انجام می شود.
کاهش آلومینا با استفاده از نیتروژن و یا آمونیاک درحضور کربن یکی دیگر از روش های تولید AIN است. (طبق واکنش زیر)

مخلوط آلومینا و کربن با اتمسفر دارای نیتروژن و در دمای بالاتر از واکنش می دهد. برای تبدیل کامل مواد به AIN فاکتورهایی مانند اندازه ی ذرات پودر و مخلوط نمودن مناسب مواد مهم می باشند. در دو روش تولید AIN، ناخالصی های اصلی اکسیژن (1.O% وزنی) و کربن (زیر O.O7%wt) هستند. سایر ناخالصی هایی که در این ماده وجود دارد عبارتند از: سیلیسیم، آهن، کلسیم. این ناخالصی ها به طور نمونه وار هر کدام در غلظت هایی زیر 50ppm وجود دارند. فروش جهانی AIN در حدود 200 تن در سال است. قیمت این ماده در گسترده 20- 180 دلار بر کیلوگرم است. این تفاوت قیمت به خاطر کیفیت و ویژگی های پودری AIN است.
در بسیاری از کاربردهایAIN نیاز است تا این ماده به صورت زیر لایه یا دیواره ی بوته باشد. این ماده یک عایق الکتریکی خوب است و رسانایی گرمایی بسیار بالایی دارد. (بهتر از آهن) این مسئله باعث شده تا از آن در بخش های الکترونیکی استفاده شود. بوته های آلومینیوم نیتریدی برای نگهداری مذاب فلزات استفاده می شود.

سیلیسیم نیترید
 

سیلیسیم نیترید () یکی دیگر از کانی های مصنوعی است. این ماده دارای دو فرم کریستالی است .فرم دما پایین آن است که این فرم از آن نسبت به فرم β بیشتر ترجیح داده می شود. (به عنوان ماده ی اولیه ) زیرا تغییرات فازی فرم βدر طی فرآیند زینترینگ موجب پدید آمدن تغییرات طولی در ساختار کریستالی می شود. چندین روش برای سنتز پودر وجود دارد که این روش ها شبیه به روش های تولید AIN است. این روش ها عبارتند از :
1)نیتریداسیون پودر سیلیسیم
2)کاهش کربوترمال سیلیس در گاز نیتروژن
3)واکنش در فاز گاز یا سیلان () با آمونیاک
بیشتر پودرهایی که به صورت تجاری در دسترس هستند از واکنش پودر سیلیسیم با نیتروژن در دمای تولید شده اند. (طبق واکنش زیر)

این پودر عموما مخلوطی از فاز و β است (که نسبت به β برابر 90 به 10 است.) در اغلب موارد برای تسریع واکنش و جلوگیری از تشکیل فاز β از پودر به عنوان جوانه زا استفاده می شود. پودر نیترید شده شامل ناخالصی هایی مانند آهن ، کلسیم و آلومینیوم است. که این ناخالصی ها از ابتدا در پودر سیلیسیم وجود داشته اند و یا در طی فرآیند آسیاب کردن ثانویه پدید آمده اند. پودر با خلوص بالا را می توان بوسیله ی کاهش کربوترمال در دمای بین تولید کرد.( طبق واکنش زیر)

اگر چه این فرآیند باعث تولید پودرهایی می شود که در آنها کربن و اکسیژن باقی مانده وجود دارد ولی پودر تولیدی دارای مساحت سطح بالایی است و درصد فاز نیز در این پودر بالاست.
پودرهای با خلوص بالا همچنین بوسیله ی واکنش در فاز بخار تولید می شود. که در زیر این واکنش ها آورده شده است:
〖
پودر تولیدی به روش بالا آمورف است. اما محصولاتی که تا دمای حرارت داده شوند.
تقریباً به طور کامل به فرم تبدیل می شود.
تولید جهانی، 500 تن در سال است. قیمت پودر این ماده از 30 – 150 دلار بر کیلوگرم قیمت دارد. که این قیمت به اندازه ی ذرات و کیفیت آن بستگی دارد.
سیلیسیم نیترید در دماهای بالا دارای استحکام بالایی است. این ماده دارای مقاومت به شک حرارتی ، مقاومت به خزش و مقاومت به اکسیداسیون بسیار خوبی در شرایط سخت است. از این رو این ماده برای ساخت قطعات توربین و موتورهای دیزل مناسب است.

زیرکونیوم دی بوراید
 

زیرکونیوم دی بوراید یک ماده ی مناسب برای ساخت بوته ی ذوب فلزات است. علت این مسئله مقاومت به خوردگی استثنائی این ماده است. این ماده همچنین در سلولهای هال – هرولت (Hall- Heroultcells) (فرآیند تولید آلومینیوم ) به عنوان کاتد و در فرآیند تصفیه ی فولاد به عنوان تیوپ های ترموول استفاده می شود.
فرآیندهای مختلفی برای تولید استفاده می شود. این فرآیند ها شبیه به روش های تولید کاربیدها و نیتریدهاست. به صورت صنعتی این ماده به روش واکنش مستقیم زیرکونیوم و بور تولید می شود.

همچنین از واکنش کربوترمال نیز می توان برای تولید استفاده کرد. که واکنش آن به شکل زیر است.

همه ی این واکنش ها باید در دمای بالا و تحت اتمسفر خنثی یا خلاء انجام شود. قیمت پودر بین 60- 100 دلار بر کیلوگرم است.

تنگستن کاربید
 

تنگستن کاربید یک ماده ی مقاوم در برابر سایش است. این ماده در فلز کاری، استخراج معدن و صنعت ساخت قطعات ماشین آلات و ساخت قالب کاربرد دارد. این ماده بوسیله ی کربوره کردن پودر تنگستن تولید می شود. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 5500 تن WC مصرف می کند.

کربن
 

گرافیت یکی از فرم های سه گانه ی کربن است. فرم های کریستالی دیگر کربن عبارتند از : الماس و فولرن ها ، گرافیت به طور طبیعی در سنگ های دگرگون مانند مرمر (marble) وجود دارد. البته این ماده شباهت زیادی با سایر سرامیک های غیر اکسیدی ندارد.
گرافیت مورد استفاده در صنعت از منابع طبیعی استخراج می شوند. بزرگترین تولید کنندگان گرافیت دنیا، چین و هند هستند. تولید جهانی این ماده یک مگاتن در سال است. هم اکنون گرافیت در ایالات متحده ی آمریکا استخراح نمی شود. اگر چه این کشور سالانه 300000 تن گرافیت به شکل مصنوعی تولید می کند. که ارزش این تولید یک میلیارد دلار است.
چندین روش برای تولید گرافیت به صورت مصنوعی وجود دارد. بسیاری از این روش ها بدین گونه هستند که کربن های غیر گرافیتی در دمای بالاتر از گرما داده می شوند تا گرافیت تشکیل شود. برای مثال فرم بسیار خالص از این ماده بوسیله ی حرارت دادن مخلوط کلسینه شده ی کک نفتی و ذغال سنگ در دمای تولید می شود. دمای بالای این فرآیند باعث می شود تا اتم های کربن به صورت آرایش ورقه ای (ساختار گرافیتی) در آیند. گرافیت مصنوعی را همچنین می توان بوسیله ی رسوب از حالت فاز بخار هیدرو کربن ها در دماهای پایین (حدود ) تولید کرد.
بیشتر گرافیت مصنوعی که در ایالات متحده ی آمریکا تولید می شود، برای ساخت الکترودهای بسیار بزرگ استفاده می شود. این الکترودهای بزرگ در کوره های قوس الکتریکی استفاده می شوند. همچنین الکترودهای باطری نیز از این گرافیت ساخته می شود. کاربردهای عمده ی دیگر این ماده در روانسازی و فولاد سازی است.
استفاده های عمده از گرافیت طبیعی در صنعت دیرگداز (45%) ، لقمه ترمز (%20) است.
گرافیت طبیعی حدود 500 دلار بر تن قیمت دارد. در حالی که نوع مصنوعی آن قیمتی بالاتر از 2000 دلار بر تن دارد.
میزان الماس صنعتی تولید شده در ایالات متحده ی آمریکا بسیار کمتر از میزان تولید گرافیت مصنوعی است. تقریبا 300 میلیون قیراط الماس مصنوعی به صورت سالانه تولید می شود که کاربرد آن در ابزار آلات برش سنگ و مرمت آزاد راه ها و ساختمان هاست.
فولرن ها در سال 1985 کشف شدند. این در حالی است که نانو تیوپ های کربنی در سال 1991 کشف شدند. هر دو ماده ی اشاره شده هم اکنون به صورت تجاری در دسترس اند. البته این مواد هم اکنون گران قیمت هستند و کاربرد آنها به محصولات خاصی (مثلا افزودنی های مورد استفاده در پوشش های پلیمری ) محدود می شود

سنگ معدن ، مکافی و زمین شناسی
 

سنگ های آذرین
 

سنگ های دگرگون
 

سنگ های رسوبی
 

فرآوری
 

وزن و مقیاس
 

درسیستم جهانی SI جرم دارای واحد کیلوگرم است. این واحد به خاطر برخی مسائل مورد توجه است. واحد کیلوگرم از پیشوند کیلو بعلاوه گرم پدید آمده است. کیلوگرم بوسیله ی وزن مرجع یک استوانه ی پلاتین – ایریدیم تعریف می شود. این رفرنس در مرکزی در فرانسه نگهداری می شود. برای بیان جرم موادی که در فرآیندهای تغلیظ و معدن کاری با آنها روبرو هستیم معمولا از واحد تن (metricton) استفاده می شود. هر تن هزار کیلوگرم یا یک مگاگرم است . مسئله گیج کننده در زمینه واحد تن وجود واحدهای خاص آمریکایی و انگلیسی برای تن است. که امروزه هنوز در این کشورها در حال استفاده شدن هستند. یک تن برابر o.984 تن انگلیسی است. همچنین یک تن برابر 1.103 تن آمریکایی است.
مسأله ی گیج کننده ی دیگری که وجود دارد این است که در انگلستان واحد آمریکایی تن در معادن سنگ های فلز دار (فلزی) استفاده می شود و این در حالی است که واحد انگلیسی تن در معادن ذغال سنگ استفاده می شود. ما از واحد معمولی تن (metric ton) استفاده می کنیم. البته این مسأله باید مورد توجه قرار گیرد که این واحدها در کارهای تقریبی زیاد متفاوت نیستند و به هم نزدیک اند. محاسبه ی میزان تمام کانی های تجاری دنیا آسان است. سازمان نظارت کننده ایالات متحده ی آمریکا (VSMS) در زمینه ی مواد معدنی هر ساله اطلاعات خود در زمینه ی مواد معدنی انتشار می دهد. این اطلاعات به صورت کتاب سال منتشر می شود. این سازمان تغییرات حاصل در زمینه ی تولید، ذخایر و... را در هر سال گزارش می دهد.

درادامه به بیان مواد معدنی مورد استفاده در صنعت سرامیک می پردازیم .سعی شده است تا منابع و ذخایر اصلی این مواد نیز ذکر شود.
سیلیس
سیلیس یک ماده ی معدنی مهم در صنعت سرامیک است. استفاده ی عمده از این ماده در صنعت شیشه سازی است (حدود 38% از تولید ایالات متحده ی آمریکا در صنعت شیشه سازی مصرف می شود. ) برای مثال حباب های لامپ های با نور سفید (bulbs incandescent lamp) از شیشه های سودالایم تولید می شود که تقریبا 70% از آنها سیلیس است. درصد سیلیس موجود در لامپ های رشته ای می تواند تا حدود %99.8 وزنی نیز برسد.
یکی از منابع عمده ی سیلیس ، ماسه سنگ است . ماسه سنگ صنعتی و ماسه ی سیلیسی دو واژه هستند که در صنعت سرامیک زیاد استفاده می شوند. این دو واژه به معنای ماسه سنگی است که در صد سیلیس موجود در آن ها بالا باشد. در برخی موارد درصد سیلیس برخی از این ماسه ها بیش از 99.5% است.
برطبق تعریف ASTM، ماسه سنگ ذرات سنگ است که به صورت گرانول هستند. این ذرات می توانند از میان الک مش 4 بگذارند.(4.75mm) و بر روی الک مش 200 (75mm) باقی می مانند. و باید از خردایش طبیعی یا مصنوعی سنگ پدید آمده باشند. (ماسه سنگ همچنین از فرآوری فیزیکی سنگ ها (بوسیله ی سنگ شکن) تولید می شوند.)
ماسه سنگ های تولیدی معمولا دارای ترکیب شیمیایی متنوعی هستند که این ترکیب به نوع سنگ مورد استفاده بستگی دارد. ایالات متحده ی آمریکا بزرگترین تولید کننده ی ماسه ی صنعتی در جهان است. ایالت های ویرجینیای غربی، کالیفرنیا، الینویز، پنسیلوانیا ، اوهایو و نیوجرسی 80% ماسه ی سیلیسی با کیفیت بالای مورد استفاده در ایالات متحده ی آمریکا را فراهم می کنند. در الینویز و میسوری عملا تمام سیلیکای مورد استفاده در ساخت شیشه از ماسه سنگ های st.peter بدست می آید. سایر ذخیره های با کیفیت ماسه سنگ نیز وجود دارد. مثلا یکی از این ذخایر oriskany است که در ویرجینیای غربی و پنسیلونیا وجود دارد. این ذخیره ها عموما به صورت تپه های شنی ساحلی یا به شکل لایه هایی 20-30 متری زیر لایه هایی از لجن، خاک رس و سنگ رست (shales) وجود دارند.
عموما استخراج سیلیس صنعتی یک شغل با فروش منطقه ای است . در واقع مراکز تولید عمدتا در کنار مراکز خرید واقع اند مگر آنکه کیفیت محصول تولیدی استثنائی باشد مثلا خواص اندازه ی ذرات یا شکل ذرات ویژه باشد. منطقه ی جغرافیایی فروش این محصول معمولا از 200 مایل فراتر نمی رود. این مسئله به دلیل هزینه ی بالای حمل و نقل این ماده و فراوانی معادن آن در سرتاسر دنیا است.
در سال های اخیر، مقررات محیط زیستی بر روی استخراج سنگ سیلیس بسته شده که علت آن مشکلات سلامتی است که بوسیله ی این محصول بوجود می آید.
کواتز مینرال عمده ی سیلیس ، جزء اصلی سنگ های آتشفشانی مانند گرانیت است. این ماده همچنین در بیشتر سنگ های دگرگون یافت می شود. بخش اصلی سنگ های دگرگون را ماسه سنگ تشکیل می دهد. همچنین رگه هایی با خلوص بالا از کوارتز نیز در این سنگ ها یافت می شود. کریستال های کوارتز با کیفیت نوری بالا واقعا کم یابند . اما روش هایی مناسب وجود دارد که می توان کریستال های کوارتز را رشد داد و آنها را به صورت تجاری تولید کرد. تولید سالانه ی سیلیس در ایالات متحده ی آمریکا تقریبا 30 مگاتن است که این مقدار 700 میلیون دلار ارزش دارد.
سیلیکات ها
فلدسپار
فلدسپارها یک گروه مینرالی بزرگ هستند واین تخمین زده شده است که بیش از 60 درصد پوسته ی زمین را تشکیل می دهند. (همانگونه که در جدول 1 دیده می شود) این گروه مینرالی در بسیاری از سنگ های رسوبی و تقریبا در تمام سنگ های آذرین و دگرگون یافت می شوند.

صنعت شیشه سازی بیشتر فلدسپارهای تولیدی را مصرف می کند. فلدسپار منبع اکسید آلومینوم است. این ماده خواص مکانیکی شیشه مانند مقاومت در برابر خراش و قابلیت مقاومت در برابر شک حرارتی آن را افزایش می دهد. فلدسپار همچنین در بدنه های سرامیک وایت ویر (whiteware) به عنوان فلاکس استفاده می شود. این ماده باعث ایجاد فاز شیشه ای در هنگام پخت بدنه می شود و استحکلام و حالت زجاجی (translucency) بدنه را افزایش می دهد.
کره ی جنوبی بزرگترین تولید کننده ی فلدسپار در جهان است. تولید سالانه ی فلدسپار در ایالات متحده ی آمریکا 800000 تن است که این میزان ارزشی برابر 45 میلیون دلار دارد. ایالات کالیفورنیا، کارولینای شمالی و کانوکتیکات بزرگترین تولید کنندگان فلدسپار هستند.
رویه ی اصلی در فرآیند استخراج و استفاده از فلدسپار شامل موارد زیر است:
1)سوراخ کاری و انفجار توده ی معدنی
2)انتقال سنگ معدن به آسیاب و خردایش آن (فرآوری فیزیکی)
3)جدا سازی مینرال ها به روش فلوتاسیون (این فرآیند بر اساس قابلیت ترشوندگی متفاوت مواد در محلول آبی اتفاق می افتد).
4)خشک کردن
5)آسیاب کردن تا رسیدن به اندازه ی ذره ی زیرمش 200 (75Mm) برای کاربردهای صنتعت سرامیک
درفرآیند فلوتاسیون هوا به داخل سوسپانسیونی از مینرال های خردایش یافته دمیده می شود. در این حالت در محلول کف تشکیل می شود. ذرات تر شده (ذرات آب دوست) در سوسپانسیون باقی می مانند در حالی که ذرات آب گریز جذب حباب های هوا شده که با جدا سازی کف ها می توان مینرال های مورد نظر را جدا سازی نمود. عوامل متنوعی مانند آمینو اسیدها (این مواد دارای وزن ملکولی بالایی هستند) را می توان برای افزایش قابلیت تر شوندگی نسبی مواد جامد در مخلوط ، استفاده کرد. این عوامل به طور گزینشی بر روی سطح مواد خاص مخلوط ، جذب می شوند. این فرآیند در مراحل زیر انجام می شود:
1)جدایش میکا
2)جدایش مینرال های آهن دار مخصوصا گارنت
3)جداسازی فلدسپار از مواد ته نشست شده مانند کوارتز
رس ها و کائولن
رس جزء عمده ی سرامیک های سنتی است. این مواد عموما سیلیکات های لایه ای با اندازه ی دانه ی زیر 2 میکرون هستند. هر لایه ی سیلیکاتی را می توان به عنوان یک کانی رسی تعریف کرد. شش نوع تجاری از رس ها وجود دارند. این انواع در جدول 2 به صورت لیست وار آورده شده است. این رس ها از لحاظ ترکیب، پلاستیسیته، رنگ و خواص پخت متفاوت اند.

هوازدگی مکانیکی و شیمیایی فلدسپارها در سنگ های آذرین و دگرگون شده باعث تشکیل کائولن می شود.(کائولن یک جزء کلیدی در خاک چینی است) . کائولن تشکیل شده می تواند در همان محل متلاشی گردد و یا ابتدا بوسیله ی آب یا باد به محل دیگری منتقل شود و در آنجا متلاشی گردد. ذخایر کائولن اولیه در محل سنگ اولیه وجود دارند. این نوع کائولن دارای مقادیر زیادی کوارتز و میکا است که در حین فرآیند هوا زدگی تشکیل گشته اند. ذخایر بزرگی از کائولن اولیه در جنوب شرقی انگلستان ، اکراین و چین یافت می شود.
کائولن های ثانویه، کائولن هایی هستند که به طور طبیعی از سنگ های اصلی شسته شده اند. و سپس در مکان های دیگر رسوب کرده اند. این مواد به طور طبیعی فرآوری گشته اند و دارای خلوص بیشتری هستند. ذخایر تجاری و اصلی کائولن ثانویه در ایالات متحده آمریکا 50 میلیون سال پیش تشکیل شده اند. این ذخایر به صورت کمربندی در خط ساحلی قدیمی ازشمال آلاباما تا کارولینای شمالی کشیده شده است

میکا
 

گروه میکا شامل 37 کانی می باشد . این کانی ها با نام فیلو سیلیکات ها (phyllosilicates) هستند که دارای ساختاری صفحه ای یا لایه ای هستند. واژه ی یونانی فیلون (phyllon) به معنای برگ است. برخی از کانی های میکا در جدول 1 آورده شده است. همچنین علاوه بر اسم آنها مکان های وجود منابع عمده ی آنها نیز آورده شده است. میکا ها همچنین بر اساس میکاهای واقعی (truemica) و ترد (brittle) نیز طبقه بندی می شوند. میکاهای واقعی که دارای کاتیون های تک ظرفیتی (مانند k^+ و〖Na〗^+ ) در میان لایه هایشان هستند، از خود خواص ورقه ورقه شده نشان می دهند. این مواد به آسانی به صفحات نازک تبدیل می شوند. در میکاهای ترد، بین لایه ها کاتیون های دو ظرفیتی (مانند 〖Ca〗^(2+) ) وجود دارد. پیوند این کاتیون ها و لایه ها قوی است. اگر چه این مواد نیز خاصیت ورقه شدن دارند اما نسبت به نوع واقعی ترد ترند. میکاهای ترد کانی های کمیابی هستند و استفاده از آنها زیاد نیست.

موسکویت (Muscovite) ، یک نوع میکا است که کاربرد عمده ای دارد. این میکا به خاطر خواص الکتریکی فوق العاده و فراوانی ، کاربردهای فراوانی یافته است.
فلوگوپیت (phlogopite) نوعی کانی است که در دمای بالا پایدار است؛ از این رو از آن در کاربردهایی استفاده می شود که در آنها نیاز به پایداری در دمای بالا و خواص الکتریکی مورد نیاز باشد. هردوی این کانی ها (موسکویت وفلوگوپیت) به صورت صفحه ای و آسیاب شده استفاده می شوند.

میکاها در سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگون تشکیل می شوند.( این کانی ها در محیط های مختلف زمین شناسی تشکیل می شوند) . علت تشکیل این مواد در گسترده ی وسیعی از محیط های زمین شناسی پایداری گرمایی این مواد است. شکل 1 دیاگرام فشار – دما برای میکای موسکویتی است. در دمای بسیار بالا (بیشتر از)، این نوع میکا ناپایدار می شود و در حضور کوارتز تجزبه گشته و به فلدسپار پتاسیک و سیلیمانیت (sillimanite) تبدیل می شود.(طبق فرمول زیر):

سیلیمانیت فلدسپارتپاسیک کوارتز موسکوویت
موسکوویت در سنگ های دگرگون کم ارزش تشکیل می شود. در این مکان ها موسکوویت از پیروفیلیت تشکیل می شود. این فرآیند در کریستالیزاسیون اولیه ی کانی های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها (Pegmatites) نیز رخ می دهد.
در سنگ های رسوبی مخصوصا آرنیت (arenites) نیز فرآیند تشکیل موسکویت اتفاق می افتد. موسکوویت در بسیاری از بخش های ایالات متحده ی آمریکا به صورت محدود وجود دارد.
بزرگترین تولید کننده ی میکا، روسیه است. این کشور یک سوم نیاز سالانه ی این ماده را تولید می کند. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 75000 تن میکای ورقه ای و ذره ای تولید می کند. اگر چه ایالات متحده ی آمریکا از لحاظ تاریخی تولید کننده ی صفحات میکایی است ولی منابع داخلی این ماده به پایان رسیده و از این رو این کشور تنها به تولید میکای ورقه ای و ذره ای می پردازد.
مصرف عمده ی میکای آسیاب شده به عنوان پرکننده در اجزای اتصال دهنده ی دیواره های گچی (ژیپسی) است . استفاده از پر کننده های میکایی موجب تولید سطوح صاف می شود، کارایی را بهبود داده و از گسترش ترک جلوگیری می کند. از این مواد همچنین در رنگ ها، محصولات رابری قالب گیری مانند تایرها و خمیر دندان کاربرد دارند. از میکای فلس مانند به عنوان جایگزینی در لقمه ترمزها و صفحه کلاچ استفاده می شود.
هند بزرگترین تولید کننده ی میکای مورد استفاده در ساخت صفحات موسکوریتی (muscovite sheet meca) است. ماداگاسکار نیز بخش عمده ای از میکای مورد استفاده در ساخت صفحات فلوگوپیت را مهیا می کند. قیمت میکای صفحه ای از کمتر از یک دلار بر کیلوگرم برای کیفیت پایین تا 2000 دلار بر کیلوگرم برای نوع با کیفیت متغیر است. از نوع با کیفیت بالای میکای موسکویتی در ساخت دی الکتریک مورد استفاده در خازن ها استفاده می شود.

مولایت
 

مولایت در طبیعت به میزان فراوان وجود ندارد و باید به صورت مصنوعی ساخته شود. این ماده دارای خواص زیادی است که موجب شده تا این ماده برای کاربردهای دما بالا مناسب باشد. مولایت دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار کوچکی است.(این مسأله باعث می شود که مولایت مقاومت به شک حرارتی خوبی داشته باشد). این ماده همچنین در دمای بالا مقاومت به خزش خوبی دارد و از همه مهمتر، مولایت به آسانی با شیشه ی مذاب یا سر باره ی فلزات مذاب واکنش نمی دهد و در اتمسفر های کوره ای خورنده پایدار است.
از این رو از این ماده در آستر کاری کوره و سایر کاربردهای دیرگداز در صنعت فولاد سازی و ذوب آهن و صنعت شیشه استفاده می شود.
از لحاظ تجاری مولایت به دو روش ساخته می شود:
1)زینته ینگ
2)فیوزینگ
مولایت زنیته شده ممکن است بوسیله ی حرارت دادن مخلوطی از کیانیت : ، بوکسیت و کائولن تولید شود. (کیانیت مینرالی است که به صورت طبیعی در سنگ های دگرگون یافت می شود.) این مخلوط (درنسبت های معین) در دماهای بالاتر از 1600c° زینته می شود. ماده ی زینته شده به این روش دارای 90-85% مولایت است . علاوه بر مولایت درصدی شیشه و کریستو بالیت (یکی از پلی فرم های وجود دارد . آفریقای جنوبی تولید کننده ی عمده ی کیانیت دنیاست این کشور سالانه 165000 تن کیانیت تولید می کند.
ایالات متحده ی آمرکیا دارای بزرگترین منابع کیانیت دنیاست. این منابع در منطقه ی کوه های آپلاچین (Applochian Mountains) و آیداهو (Idaho) قرار گرفته اند. آندالوزیت (Andalusite) وسیلیمانیت سایر مینرال های آلومینو سیلیکاتی هستند که مانند کیانیت می توان از آنها به عنوان ماده ی اولیه در تولید مولایت استفاده کرد.
در روش فیوزینگ مقداری آلومینا و کائولن به داخل کوره ی قوس الکتریکی ریخته می شود. پس از روشن شدن این کوره دما به بالاتر از 1750c° می رسد و از این رو می توان با این روش مولایت با خلوص بالاتر تولید کرد. مولایت تولیدی به روش فیوزینگ دارای بیش از 95% مولایت است که به همراه آن مخلوطی از آلومینا و شیشه وجود دارد.

اکسیدها
 

موادخام مورد استفاده در ساخت سرامیک های اکسیدی تقریبا همگی به وسیله ی فرآیندهای شیمیایی تولید می شوند. علت استفاده از فرآیندهای شیمیایی بدست آوردن خلوص شیمیایی بالا و تهیه ی پودرهای مناسب جهت ساخت اجزای سرامیکی است. اکسیدهای مهم مورد استفاده در صنعت سرامیک در جدول 2 آمده است.

آلومینا
 

اکسید آلومینیوم ( ، آلومینا ، کوراندوم) بیشترین ماده ی شیمیایی غیر آلی است که در صنعت سرامیک استفاده می شود. این اکسید از کانی بوکسیت (bauxite) و بوسیله ی فرآیند بایر (bayer Process) تولید می شود. بوکسیت مخلوطی از اکسید آلومینیوم هیدراته با اکسید آهن، سیلیس ، تیتا نیا (به عنوان ناخالصی) تشکیل شده است. این کانی از هوا زدگی و متلاشی شدن سنگ های آلومینیوم دار بوجود می آید که در اغلب موارد جنس سنگ ها از نوع آذرین است. این کانی در مناطق گرمسیری تشکیل می شود. مانند کائولن، بوکسیت نیز می تواند به صورت ذخایر اولیه و ثانویه باشد.
فرآیند بایر آلومینایی با خلوص اسمی 99.5% تولید می کند. آلومینا بر اساس کابردهایش در گریدهای مختلف تولید می شود. این گریدها از لحاظ اندازه و شکل کریستال ها و میزان ناخالصی متفاوت اند. ناخالصی اصلی آلومینا اکسید سدیم است. کریستال های آلومینا می توانند اندازه ی بین o.1 – 25 میکرون داشته باشد. شکل 2 کارخانه ی تولید آلومینا به روش بایر را نشان می دهد.

مراحل فرآیند بایر عبارتند از :

1) فرآوری فیزیکی
 

بوکسیت بدست آمده از معدن ابتدا آسیاب می شود. البته اندازه ی ذرات در این خردایش بسیار درشت است. (اندازه ی ذرات زیر یک میلیمتر است). فرآیند آسیاب کاری باعث افزایش مساحت سطح کل ذرات می شود که این مسأله موجب کاهش زمان فرآیند می شود. (کاهش زمان واکنش های شیمیایی درمراحل بعدی )

2) مرحله هضم
 

ذرات درشت بوکسیت بوسیله ی افزودن هیدروکسید سدیم (NaOH) به آب حل می شود. این فرآیند در دمای و در فشار کل O.5MPa اتفاق می افتد. همه ی آلومینای هیدراته ی موجود در بوکسیت حل می گردد و به صورت سدیم آلومینات در می آید.طبق فرمول زیر:

3) فیلتراسیون
 

ناخالصی های جامد موجود در محلول حاصله که عمدتا سیلیس ، تیتانیا و اکسید آهن هستند بوسیله ی فیلتراسیون جدا سازی می شوند.

4) رسوب دهی
 

پس از سرد کردن ، دانه های گیبسیت (آلومینای هیدراته ی طبیعی - به محلول سدیم آلومینات اضافه می شود. این مسأله موجب تشکیل فاز پایدار از هیدروکسید آلومینیوم در دمای پایین می شود. با دمش گاز به داخل محلول بوجود آمده ،فرآیند ایجاد رسوب تسریع می شود و عمل رسوب زایی ایجاد می شود.

5) شستشو
 

رسوبات بدست آمده سپس از فیلترعبور داده شده و شستشو می شوند تا میزان سدیم آن کاهش یابد.

6) کلسیناسیون
 

پودر حاصله در دمای بین 1100C∘ - 1200 کلسیناسیون می شود. در این فرآیند هیدروکسید به اکسید تبدیل می شود. واکنش در این مرحله به صورت زیر است:

در این مرحله آلومینای بدست آمده به شکل کلوخه ای است. این کلوخه ها از دانه های ریز با قطر 10-5 میکرون تشکیل شده اند.

7) آسیاب کردن
 

پودر حاصله در مرحله ی قبل آسیاب می شود تا اندازه ی ذرات و توزیع ذرات معین بدست آید. آلومینای تولیدی به این روش دارای بیش از 99.5% است. و همانگونه که قبلا گفتیم، ناخالصی عمده ی موجود در این ماده است. پودر حاصله ممکن است به میزان بسیار کم در حدود % 0.001 داشته باشد. این میزان از خلوص برای آلومینا برای بسیاری از کاربردها مناسب است. کنترل دقیق شرایط ته نشست شدن، شستشوی رسوبات و کنترل شرایط کلیناسیون و آسیا ب کردن می تواند موجب تشکیل آلومینایی با خلوص 99.99% شود. قیمت آلومینای کلسینه شده ی معمولی 0.60 دلار بر کیلوگرم است و این قیمت می تواند برای آلومینای کلسینه شده ی با خلوص بالاتر به 2.00 دلار بر کیلوگرم برسد. قیمت گرید متالورژیکی (مناسب برای تولید آلومینوم ) تقریبا ً 150 دلار برتن است.

جدول 3 ترکیب نمونه وار فرم های اصلی آلومینای کلسینه شده آورده شده است. حضور در برخی موارد غیر قابل قبول است. برای مثال ، یون سدیم در میدان الکتریکی تحرک پیدا می کند و باعث اتلاف خاصیت عایق کاری الکتریکی می شود. همچنین سدیم ، آلومینا تشکیل فاز می دهند. تشکیل این فاز باعث کاهش دانستیه، استحکام ، مقاومت به شک حرارتی و مقاومت به خوردگی محصول نهایی می شود. جدول 4 درصد مناسب برای کاربردهای مختلف آلومینای کلسینه شده (تولیدی به روش بایر ) را نشان می دهد.

استرالیا بزرگترین تولید کننده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 60 مگا تن از این ماده تولید می کند.
منابع عمده ی بوکسیت در ایالات متحده ی آمریکا در آرکانزاس (Arkansas) وجود دارد. البته ذخایر کوچکتری نیز در جرجیا (Georgia) ، آلاباما (Alabama) و میسی سی پی(Missisippi) وجود دارد . معادن داخلی کمتر از 1% بوکسیت مورد نیاز ایالات متحده ی آمریکا را مهیا می کنند. از این رو ایالات متحده ی آمریکا یکی از واردکنندگان عمده ی بوکسیت دنیاست. این کشور سالانه 10 مگاتن بوکسیت وارد می کند.
تقریباً 95% از آلومینای استخراج شده در فرآیند تولید آلومینیوم استفاده می شود. بقیه ی آلومینای تولیدی در کاربردهای غیر فلزی مانند تولید آلومینای ویژه مصرف می شوند. و در واقع همین درصد کم برای ما مهم می باشد. زیرا بیشتر آن در صنایع سرامیک کاربرد دارد.

فرم با خلوص بالای آلومینا را می توان به طور مستقیم از فلز آلومینیوم تولید کرد. برای این کار چندین روش وجود دارد که در شکل 3 نشان داده شده است

* منیزیا
 

اکسید منیزیم(Mgo، منیزیا) به صورت طبیعی و در حالت کانی پیریکاز (periclase) تشکیل می شود. این کانی یک کانی دگرگون است که از تخریب دولومیت و دیگر کانی های منیزیادار تشکیل می شود. منابع پریکاز کمیاب است و ارزش اقتصادی ندارد. منابع اصلی منیزیا ، منیزیت وهیدرو کسید منیزیم است.
ذخایر بزرگ منیزیت در بسیاری از کشورها مانند چین و ترکیه و روسیه وجود دارد. منیزیت دارای ناخالصی های مختلفی مانند سیلیس، آهن، آلومینیوم ، منگنز، و کلسیم است که این ناخالصی ها معمولا ً به شکل کانی های متنوعی وجود دارند. مثلا برخی از این کانی ها عبارتند از: کوارتز، تالک، میکا مگنتایت (Magnetite). پس از استخراج سنگ معدن، باید عملیات فرآوری انجام شود. روش های فرآوری متنوع هستند مثلا خردایش ، دانه بندی، شستشو، جداسازی بوسیله ی آهنربا و ملوتاسیون برخی از این روش ها ست . پس از خالص سازی کربنات منیزیم ، این ماده کلسیناسیون می شود. دمای کلسینا سیون بین است. فرآیند کلسیناسیون موجب تولید دانه های بسیار ریز Mgo با خواص واکنشی بالا می شود. این محصول منیزیای سوز آور(caustic magnesia) نامیده می شود. نوع زینته شده یا پخته شده (dead- burned) منیزیا بوسیله ی کلسیناسیون منیزیم کربنات در دمای بالاتر از تولید می شود. در طی این فرآیند کریستال های واکنش پذیر رشد کرده و از این رو میزان واکنش پذیری آنها کاسته می شود.
منیزیا را همچنین می توان از آب دریا یا آب های شور با درصد پایین منیزیم تولید کرد. تقریبا 60% تولید ترکیبات منیزیمی در آمریکا از این منابع تامین می شود. آب دریا دارای در کیلوگرم است.
مهمترین فرآیند تولید Mgo از آب دریا بدین صورت است که هیدروکسید منیزیم از محلول نمک های مینزیم و بوسیله ی یک عامل بازی قوی رسوب می کند.(طبق واکنش زیر)

رسوبات شسته شده ، فیلتراسیون می شود و بوسیله ی فرآیند کلسیناسیون آب گیری می شود. روش دیگر تولید منیزیا بدست آوردن منیزیا از آب شور است. این فرآیند بر پایه ی تجزیه یرسوبات در دمایرسوبات اتفاق می افتد. (طبق واکنش زیر )

ظرفیت تولید سالانه ی منیزیا تقریبا 10 مگاتن در سال است. تقریبا 9 مگاتن از منیزیا از منابع طبیعی و تقریباً 1.5 مگاتن آن از آب دریاها و آب های شور بدست می آید. قیمت منیزیا در گسترده ی 150- 1200 دلار بر تن است. که این قیمت گذاری بر اساس خلوص آن انجام می شود.
کاربرد عمده ی منیزیا به عنوان دیرگدازهای مورد استفاده در آسترکاری کوره هاست. مقادیر بسیار کمی از منیزیا در تولید محلول خوراکی شیری رنگ (مخصوص درد معده) استفاده می شود. همچنین از منیزیا در ساخت سایر سرامیک ها مانند مواد اسپنیلی بدون کروم استفاده می شود. اسپینل بدون کروم در طبیعت در مقادیر قابل استفاده در صنعت وجود ندارد. اسپنیل را می توان بوسیله ی ذوب الکتریکی آلومینا و مینزیا تولید کرد.

* زیرکونیا
 

اکسید زیرکونیوم ، زیرکونیا) به طور عمده از زیرکن ) بدست می آید. زیرکن مینرالی است که در سنگ های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها تشکیل می شود.
در برزیل و ماداگاسکار برای تولید زیرکن ، سنگ های آدرین پگماتیتی (pegmatates) را تجریه می کنند. همچنین زیرکن می تواند به عنوان جزئی از سنگ های دگرگون تشکیل شده باشد. در سواحل استرالیا، برزیل، هند و فلوریدا از زیرکن به صورت ذخایر موجود در ماسه های ساحلی وجود دارد که این ذخایر از نوع ذخایر ثانویه هستند. در این نوع از ذخایر که به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد، زیرکن به همراه مینرال های دیگر مانند المنتایت (ilmentite) ، روتایل (rutile) و مونازیت (monazite) تشکیل شده است.
برای تولید زیرکونیای خالص از زیرکن چندین روش تجاری وجود دارد. زیرکن در دمای بالاتر از به زیرکونیا و سیلیس تجزیه می شود. تزریق ماسه های زیرکنی به یک محیط پلاسما (در دمای بالاتر از 6000c° ) باعث تجزیه شدن زیرکن و ذوب شدن آن می شود. در هنگام انجماد مذاب پلاسمایی ، زیرکونیا به صورت ساختار دندریتی انجماد پیدا می کند. وبه صورت پوششی شیشه ای بر روی زیرکونیا تشکیل می شود. سیلیس موجود در این ساختار می تواند بوسیله ی شستشو با محلول سدیم هیدروکسید جوشان از بین برود. در این فرآیند مواد زائد شسته می شود و زیرکونیا بوسیله ی سانتریفیوژ جدا سازی می شود.
روش اصلی در تولید اکسید زیرکونیوم ذوب زیرکن در کوره ی قوس الکتریکی است. دمای این ذوب بین 2100c°- 2300 است با آنکه دمای این واکنش نسبت به پلاسما پایین تر است اما فرآیند تجزیه ی زیرکن اتفاق می افتد. اما در این حالت زیرکونیای جامد در سیلیس مذاب تولید می شود. خلوص تولیدی در این روش تقریبا 99% است.
یکی دیگر از منابع تأمین کننده ی زیرکونیا ، بادولیت (baddeleyite: مونوکلینک و ناخالص) است. البته این کانی از لحاظ تجاری اهمیت کمتری نسبت به زیرکن دارد . ذخایر بادولیت کم می باشد. همچنین این ذخایر به همراه آلودگی هایی مانند سیلیس ، اکسید آهن و تیتانیا وجود دارد. ذخایر با دولیت به صورت تجاری در برزیل و آفریقای جنوبی استخراج می شوند. همه ی منابع سنگ معدن زیرکونیوم دارای مقادیر متنوعی از هافینوم ( به طور نمونه وار 3 – 1.5%) هستند . به دلیل شبیه بودن ویژگی های شیمیایی این دو ماده ، فرآیند جداسازی آنها گران قیمت است. به همین دلیل اکثر گریدهای زیرکونیا بیش از %3wt هافینوم دارند.

* زینسیت
 

اکسید روی (ZnO) به صورت طبیعی در مینرال زینسیت Zincite))وجود دارد. اکسید روی خالص سفید رنگ است. کانی زینسیت به دلیل وجود منگنز( بیش از 10%) و مقادیر ناچیزFeo  قرمز رنگ است. منابع طبیعی زینسیت از لحاظ تجاری اهمیت ندارند. دو روش برای تولید اکسید روی وجود دارد:
1)اکسیداسیون فلز روی (در حالت بخار) با هوا
2)کاهش اسفا لاریت ( Sphalerite:zns) با کربن و CO اسفالاریت یکی از کانی های طبیعی و بسیار مهم از روی است. منابع عظیمی از این کانی در سنگ های آهکی دره ی میسی سی پی ، حوالی جوپلین (Joplin) وجود دارد .همچنین منابع عظیمی از این کانی در فرانسه ، مکزیک، اسپانیا ، سوئد و انگلستان وجود دارد.
مقادیر زیادی از اکسید روی تولید شده در صنعت تولید چسب و رابر استفاده می شود. از این اکسید همچنین در رنگ های لاتکس ، کاشی ها ، لعاب ها و صنعت پرسلان استفاده می شود.
این ماده همچنین یکی از مواد پر کاربرد در ساخت وریستور (Varistors) است.

* روتایل و آناتار
 

روتایل ، تیتانیا) یکی از اجزای تشکیل دهنده ی سنگ های آذرین مانند گرانیت و همچنین به عنوان یکی از مشتقات سنگ های دگرگون مانند گنیس (geneiss) است. این کانی به صورت سوزن های ریزی در نمک ها، میکای بیوتایتی (biotitemica) ، کوارتز و فلدسپار یافت می شود. از لحاظ اقتصادی ذخایر مهم این ماده در سنگ های آذرین ویرجینیا (Virginia) ،کانادا (Canada) و نوروی (Norway) یافت می شود. روتایل (rutile) همچنین یکی از اجزای مهم سنگ های ساحلی است که از فرسایش سنگ های دارای روتایل بوجود آمده اند. این سنگ های ساحلی در استرالیا، فلوریدا و هند وجود دارند.
تیتانیا همچنین از واکنش المنیت با اسید سولفوریک در دمای نیز تولید می شود. این واکنش به صورت زیر انجام می شود و تشکیل تیتانیل سولفات (Sulfate titanyl) می دهد:

تیتانیل سولفات در آب قابلیت حل شوندگی داشته و می توان بدین وسیله از ناخالصی های نامحلول در آب جداسازی شود. (این کار بوسیله ی فیلتراسیون انجام می شود.) هیدرولیز در دمای باعث تشکیل رسوبات هیدروکسید طبق واکنش زیر می شود.:

هیدروکسید تیتانیل بوسیله ی کلسیناسیون در دمای 1000c° به تیتانیا تبدیل می شود.

* غیر اکسیدی ها
 

اکثر سرامیک های غیر اکسیدی مهم در طبیعت وجود ندارند و بنابراین باید آنها را سنتز کرد. روش سنتز این مواد معمولا یکی از روش های زیر است:
1)ترکیب مستقیم فلز و نافلز در دمای بالا
2)کاهش اکسید با کربن در دمای بالا (کاهش کربوترمال) و واکنش متعاقب با نافلز در این بخش از مقاله نگاه مختصری به سرامیک های غیر اکسیدی مهم داریم. برای نشان دادن تنوع سرامیک های غیر اکسیدی ما مثال هایی از کاربیدها ، نیتریدها و بوریدها را آورده ایم. البته سرامیک های غیر اکسیدی دیگری نیز وجود دارند که آنها نیز مورد توجه هستند.
SiC: ساینده ، بخش های الکترونیکی با شرایط دشوار
TiC: یا تاقان ، ابزارهای برش،
AIN:قطعات الکترونیکی، بوته ذوب فلز
: توربین های گازی آینده و اجزای موتورهای دیزل
Zr B_2: بوته ی ذوب فلز و تیوپ های ترموول (tubes Thermowell)
WC: ساینده، ابزارهای برش
C (گرافیت): روانساز جامد
C(الماس) : ساینده

* سیلیسیم کاربید
 

سیلیسیم کاربید(SiC) بیشترین مصرف را در بین مواد سرامیکی غیر اکسیدی دارد. کاربرد عمده ی این ماده در صنعت ساینده است. علت استفاده از آن در صنعت ساینده سختی بالا (تنها الماس، نیترید بورکیوبیک و کاربیدبور سختی بالاتری از سیلیسیم کاربید دارند.) سیلیسیم کاربید در طبیعت تشکیل نمی شود و بنابراین باید آن را به صورت مصنوعی ساخت. این ماده به دو شکل کریستالی وجود دارد. فرم کیوبیک که به آن فاز B می گویند (B-SiC) و فرم هگزا گونال که به آن فاز می گویند.(-SiC). فرم در دمای بالاتر از تشکیل می شود و فرم B در گستره ی دمایی تشکیل می شود.
سیلیسیم کاربید به صورت تجاری بوسیله ی فرآیند آچسون (Acheson Process) تولید می شود. در این فرآیند مخلوطی از ماسه ی سیلیسی (99.5%.)، کک (carbon) تهیه شده و در طول بزرگی دپو می شود. سپس الکترودهای کربنی در داخل توده جا سازی می گردد. هر توده معمولا از 3000 تن ماده تشکیل شده است. گرم کردن کک باعث آزاد شدن انرژی کک می شود. که معمولا در دما در بخش هایی از توده به نیز می رسد. انرژی الکتریکی کل که در طی راه اندازی استاندارد یک توده (کوره) مصرف می شود حدود 2 میلیون کیلو وات ساعت (kwh) است که این میزان تقریبا برابر است با 7 تراژول (7TJ). میانگین توان ورودی به کوره در طی راه اندازی کوره حدود 9000-10000KW است. در دمای بالا کک با واکنش می دهد و Sic و CO(مونواکسید کربن ) تولید می کند:

عملیات حرارت دهی کوره ادامه می یابد تا واکنش به طور کامل انجام شود. زمان حرارت دهی از2- 20 روز طول می کشد .(بسته به بزرگی کوره و ترانسفورماتور). پس از سرد شدن کوره، توده شکسته می شود و پس از خردایش دانه بندی می شود. مرکز توده دارای کریستال های SiC هگزاگونال با خلوص بالاست که رنگ آنها سبز است. این کریستال ها برای کاربردهای الکتریکی مناسبند. خلوص SiC براساس رنگ کریستال ها قابل تشخیص است:
خلوص % 9908 : سبز کم رنگ
خلوص % 99: سبز پررنگ
خلوص % 98.5 : سیاه رنگ

گرداگرد مرکز توده یک بخش با خلوص پایین (بیش تر از %97.5) وجود دارد که برای کاربردهای ساینده مناسب است. لایه ی بیرونی دارای مخلوطی از SiC و واکنش نداده و کربن است که این لایه در فرآیند پخت بعدی استفاده می شود. شکل 1 مثال هایی از کریستال های SiC تولید بوسیله ی فرآیند آچسون است.

بزرگترین تولید کننده ی SiC جهان چین است .این کشور سالانه 450000 تن SiC تولید می کند. شکل 2 یک کارخانه ی تولید SiC را نشان می دهد. قیمت SiC تولیدی به روش آچسون بین 10- 40 دلار بر کیلوگرم است

تیتانیوم کاربید
 

تیتانیم کاربید (TiC) یکی دیگر از مواد سرامیکی غیر اکسیدی است که در طبیعت تشکیل نمی شود. این ماده نیز بوسیله ی کاهش کربوترمال یا بوسیله ی واکنش مستقیم بین عناصر تیتانیم و کربن تولید می شود. فرآیند تولید TiC نیز نیازمند دمای بالای تولید می باشد. دمای کربوراسیون بین است.

آلومینیوم نیترید
 

چندین روش صنعتی برای تولید AIN وجود دارد. درحال حاضر دو تا از این روش ها به صورتی صنعتی کار برد دارند. یکی از آنها نیتریداسیون مستقیم آلومینیوم است. که در زیر واکنش آن نشان داده شده است.

در دمای بالاتر از نقطه ذوب فلز تمام پودر به صورت مستقیم به نیترید تبدیل می شود. کنترل دقیق فرآیند بوسیله ی جلوگیری از انعقاد فلز در طی فرآیند نیتریداسیون انجام می شود.
کاهش آلومینا با استفاده از نیتروژن و یا آمونیاک درحضور کربن یکی دیگر از روش های تولید AIN است. (طبق واکنش زیر)

مخلوط آلومینا و کربن با اتمسفر دارای نیتروژن و در دمای بالاتر از واکنش می دهد. برای تبدیل کامل مواد به AIN فاکتورهایی مانند اندازه ی ذرات پودر و مخلوط نمودن مناسب مواد مهم می باشند. در دو روش تولید AIN، ناخالصی های اصلی اکسیژن (1.O% وزنی) و کربن (زیر O.O7%wt) هستند. سایر ناخالصی هایی که در این ماده وجود دارد عبارتند از: سیلیسیم، آهن، کلسیم. این ناخالصی ها به طور نمونه وار هر کدام در غلظت هایی زیر 50ppm وجود دارند. فروش جهانی AIN در حدود 200 تن در سال است. قیمت این ماده در گسترده 20- 180 دلار بر کیلوگرم است. این تفاوت قیمت به خاطر کیفیت و ویژگی های پودری AIN است.
در بسیاری از کاربردهایAIN نیاز است تا این ماده به صورت زیر لایه یا دیواره ی بوته باشد. این ماده یک عایق الکتریکی خوب است و رسانایی گرمایی بسیار بالایی دارد. (بهتر از آهن) این مسئله باعث شده تا از آن در بخش های الکترونیکی استفاده شود. بوته های آلومینیوم نیتریدی برای نگهداری مذاب فلزات استفاده می شود.

سیلیسیم نیترید
 

سیلیسیم نیترید () یکی دیگر از کانی های مصنوعی است. این ماده دارای دو فرم کریستالی است .فرم دما پایین آن است که این فرم از آن نسبت به فرم β بیشتر ترجیح داده می شود. (به عنوان ماده ی اولیه ) زیرا تغییرات فازی فرم βدر طی فرآیند زینترینگ موجب پدید آمدن تغییرات طولی در ساختار کریستالی می شود. چندین روش برای سنتز پودر وجود دارد که این روش ها شبیه به روش های تولید AIN است. این روش ها عبارتند از :
1)نیتریداسیون پودر سیلیسیم
2)کاهش کربوترمال سیلیس در گاز نیتروژن
3)واکنش در فاز گاز یا سیلان () با آمونیاک
بیشتر پودرهایی که به صورت تجاری در دسترس هستند از واکنش پودر سیلیسیم با نیتروژن در دمای تولید شده اند. (طبق واکنش زیر)

این پودر عموما مخلوطی از فاز و β است (که نسبت به β برابر 90 به 10 است.) در اغلب موارد برای تسریع واکنش و جلوگیری از تشکیل فاز β از پودر به عنوان جوانه زا استفاده می شود. پودر نیترید شده شامل ناخالصی هایی مانند آهن ، کلسیم و آلومینیوم است. که این ناخالصی ها از ابتدا در پودر سیلیسیم وجود داشته اند و یا در طی فرآیند آسیاب کردن ثانویه پدید آمده اند. پودر با خلوص بالا را می توان بوسیله ی کاهش کربوترمال در دمای بین تولید کرد.( طبق واکنش زیر)

اگر چه این فرآیند باعث تولید پودرهایی می شود که در آنها کربن و اکسیژن باقی مانده وجود دارد ولی پودر تولیدی دارای مساحت سطح بالایی است و درصد فاز نیز در این پودر بالاست.
پودرهای با خلوص بالا همچنین بوسیله ی واکنش در فاز بخار تولید می شود. که در زیر این واکنش ها آورده شده است:
〖
پودر تولیدی به روش بالا آمورف است. اما محصولاتی که تا دمای حرارت داده شوند.
تقریباً به طور کامل به فرم تبدیل می شود.
تولید جهانی، 500 تن در سال است. قیمت پودر این ماده از 30 – 150 دلار بر کیلوگرم قیمت دارد. که این قیمت به اندازه ی ذرات و کیفیت آن بستگی دارد.
سیلیسیم نیترید در دماهای بالا دارای استحکام بالایی است. این ماده دارای مقاومت به شک حرارتی ، مقاومت به خزش و مقاومت به اکسیداسیون بسیار خوبی در شرایط سخت است. از این رو این ماده برای ساخت قطعات توربین و موتورهای دیزل مناسب است.

زیرکونیوم دی بوراید
 

زیرکونیوم دی بوراید یک ماده ی مناسب برای ساخت بوته ی ذوب فلزات است. علت این مسئله مقاومت به خوردگی استثنائی این ماده است. این ماده همچنین در سلولهای هال – هرولت (Hall- Heroultcells) (فرآیند تولید آلومینیوم ) به عنوان کاتد و در فرآیند تصفیه ی فولاد به عنوان تیوپ های ترموول استفاده می شود.
فرآیندهای مختلفی برای تولید استفاده می شود. این فرآیند ها شبیه به روش های تولید کاربیدها و نیتریدهاست. به صورت صنعتی این ماده به روش واکنش مستقیم زیرکونیوم و بور تولید می شود.

همچنین از واکنش کربوترمال نیز می توان برای تولید استفاده کرد. که واکنش آن به شکل زیر است.

همه ی این واکنش ها باید در دمای بالا و تحت اتمسفر خنثی یا خلاء انجام شود. قیمت پودر بین 60- 100 دلار بر کیلوگرم است.

تنگستن کاربید
 

تنگستن کاربید یک ماده ی مقاوم در برابر سایش است. این ماده در فلز کاری، استخراج معدن و صنعت ساخت قطعات ماشین آلات و ساخت قالب کاربرد دارد. این ماده بوسیله ی کربوره کردن پودر تنگستن تولید می شود. ایالات متحده ی آمریکا سالانه 5500 تن WC مصرف می کند.

کربن
 

گرافیت یکی از فرم های سه گانه ی کربن است. فرم های کریستالی دیگر کربن عبارتند از : الماس و فولرن ها ، گرافیت به طور طبیعی در سنگ های دگرگون مانند مرمر (marble) وجود دارد. البته این ماده شباهت زیادی با سایر سرامیک های غیر اکسیدی ندارد.
گرافیت مورد استفاده در صنعت از منابع طبیعی استخراج می شوند. بزرگترین تولید کنندگان گرافیت دنیا، چین و هند هستند. تولید جهانی این ماده یک مگاتن در سال است. هم اکنون گرافیت در ایالات متحده ی آمریکا استخراح نمی شود. اگر چه این کشور سالانه 300000 تن گرافیت به شکل مصنوعی تولید می کند. که ارزش این تولید یک میلیارد دلار است.
چندین روش برای تولید گرافیت به صورت مصنوعی وجود دارد. بسیاری از این روش ها بدین گونه هستند که کربن های غیر گرافیتی در دمای بالاتر از گرما داده می شوند تا گرافیت تشکیل شود. برای مثال فرم بسیار خالص از این ماده بوسیله ی حرارت دادن مخلوط کلسینه شده ی کک نفتی و ذغال سنگ در دمای تولید می شود. دمای بالای این فرآیند باعث می شود تا اتم های کربن به صورت آرایش ورقه ای (ساختار گرافیتی) در آیند. گرافیت مصنوعی را همچنین می توان بوسیله ی رسوب از حالت فاز بخار هیدرو کربن ها در دماهای پایین (حدود ) تولید کرد.
بیشتر گرافیت مصنوعی که در ایالات متحده ی آمریکا تولید می شود، برای ساخت الکترودهای بسیار بزرگ استفاده می شود. این الکترودهای بزرگ در کوره های قوس الکتریکی استفاده می شوند. همچنین الکترودهای باطری نیز از این گرافیت ساخته می شود. کاربردهای عمده ی دیگر این ماده در روانسازی و فولاد سازی است.
استفاده های عمده از گرافیت طبیعی در صنعت دیرگداز (45%) ، لقمه ترمز (%20) است.
گرافیت طبیعی حدود 500 دلار بر تن قیمت دارد. در حالی که نوع مصنوعی آن قیمتی بالاتر از 2000 دلار بر تن دارد.
میزان الماس صنعتی تولید شده در ایالات متحده ی آمریکا بسیار کمتر از میزان تولید گرافیت مصنوعی است. تقریبا 300 میلیون قیراط الماس مصنوعی به صورت سالانه تولید می شود که کاربرد آن در ابزار آلات برش سنگ و مرمت آزاد راه ها و ساختمان هاست.
فولرن ها در سال 1985 کشف شدند. این در حالی است که نانو تیوپ های کربنی در سال 1991 کشف شدند. هر دو ماده ی اشاره شده هم اکنون به صورت تجاری در دسترس اند. البته این مواد هم اکنون گران قیمت هستند و کاربرد آنها به محصولات خاصی (مثلا افزودنی های مورد استفاده در پوشش های پلیمری ) محدود می شود