به مواد معمولاً جامدی که بخش عمده تشکیل دهنده آنها غیر فلزی و غیرآلی باشد، سرامیک گفته می شود. این تعریف نه تنها سفالینه ها، پرسلان (چینی)، دیرگدازها، محصولات رسی سازه ای، ساینده ها، سیمان و شیشه را در بر می گیرد، بلکه شامل آهن رباهای سرامیکی، لعاب ها، فروالکتریک ها، شیشه-سرامیک ها، سوخت های هسته ای و... نیز می شود.
برخی آغاز استفاده و ساخت سرامیک ها را در حدود 7000 سال ق.م. می دانند در حالی که برخی دیگر قدمت آن را تا 15000 سال ق.م نیز دانسته اند. ولی در کل اکثریت تاریخ نگاران بر 10000 سال ق.م اتفاق نظر دارند (بدیهی است که این تاریخ مربوط به سرامیک های سنتی است). واژه سرامیک از واژه یونانی کراموس گرفته شده است که به معنی سفال یا شیء پخته شده است.
مهم ترین عناصر پوسته زمین عبارتند از: اکسیژن 50%، سیلیسیم 26% و آلومینیم 8% بنابراین می توان حدس زد که مواد اولیه سرامیکی (پوسته زمین) در واقع همان ترکیبات اکسیدی سیلیسم و آلومینیم هستند، لذا به آنها آلومینو سیلیکات گفته می شود. کانی آشنای رس نیز در واقع نوعی آلومینو سیلیکات آب دار می باشد. (رس خالص سفید رنگ است و قرمزی رس معمولی به علت وجود اکسید آهن در آن می باشد) کانی های رس در سرامیک ها دو عملکرد مهم دارند:
1- مخلوط آب و رس (گل رس) دارای خاصیت شکل پذیری فوق العاده است (پلاستیک) و حتی بعد از شکل گیری آن به صورت پایدار باقی می ماند.
2- این مواد در محدوده ای از حرارت قبل از آنکه ذوب شوند ذرات تشکیل دهنده آن دچار ذوب سطحی شده و پدیده هم جوشی اتفاق می افتد، که در آن قطعه ای یکپارچه و مستحکم تشکیل می شود. (زینتر شدن)
مهم ترین مواد اولیه سرامیکی:
الف) کانی رسی کائولینیت Al2O3. 2SiO2.2H2O تقریبا در تمام محصولات سرامیکی سنتی وجود دارند، چنانچه کائولینیت را خالص نماییم آنگاه به آن کائولین مساوی خاک چینی گفته می شود که چون فاقد اکسید آهن می باشد، دمای ذوب آن بالا بوده و سفید رنگ می باشد.
ب) مواد غیر پلاستیک، کوارتز (سیلیکا SiO2) که در واقع همان ماده تشکیل دهنده شیشه می باشد و در لعاب سازی، شیشه سازی، چینی سازی و ساینده ها به وفور یافت می شود، دارای ثبات شیمیایی، سختی و دیر گدازی است.
ج) فلدسپات همان آلومینو سیلیکات بدون آب است که در ساخت چینی کاربردی وسیع دارد؛ لذا رس، کوارتز، فلدسپات سه جزء اصلی سرامیک ها می باشند.
از دید علم شناخت مواد، مواد به سه طبقه قابل قسمت است:
گروه اول: مواد فلزی.
گروه دوم: مواد آلی که بیشتر در بدن موجودات زنده هستند؛ مانند: هیدروکربن ها.
گروه سوم: مواد سرامیکی که هم خصوصیات مواد آلی وهم خصوصیات مواد فلزی را دارا می باشند؛ مانند: مقاومت در برابر الکتریسیته و حرارت، مقاومت در برابر شکل پذیری، سختی، شکنندگی و سایر خواص. صنایع شیشه و سیمان و امثال آن نیز زیر گروه صنعت سرامیک هستند.
سرامیک ها از لحاظ ساختار شیمیایی به شکل زیر طبقه بندی می شوند:
- سرامیک های سنتی (سیلیکاتی)
- سرامیک های مدرن (مهندسی)
- اکسیدی
- غیر اکسیدی
سرامیک های اکسیدی را از لحاظ ساختار فیزیکی می توان به شکل زیر طبقه بندی کرد:
- سرامیک های مدرن مونولیتیک (یکپارچه)
- سرامیک های مدرن کامپوزیتی
انواع سرامیک:
سرامیک های صنعتی: سرامیک های صنعتی، یعنی آنها که بشر سال ها است از آن استفاده می کنند؛ مانند: سفال، چینی، شیشه، لعاب، ساینده ها و مواد و مصالح ساختمانی.
سرامیک های صنعتی:
1- سفال: از قدیمی ترین دست ساخته های بشر است که رس به عنوان ماده اصلی آن مطرح می باشد. (حاوی اکسید آهن قرمز رنگ می باشد). بدنه سفال ها متخلخل بوده لذا هر مایعی را به سرعت جذب کرده و از خود عبور می دهد. لعاب کاری برروی سفال به منظور زیبایی، افزایش استحکام و بهداشتی نمودن آن صورت می گیرد.
پخت سفال نیز در دو مرحله صورت می گیر. مرحله اول که پس از خشک شدن صورت می گیرد و در آن سفال به بیسکویت تبدیل می شود و در مرحله دوم پس از لعاب کاری برروی بیسکویت و جهت تثبیت لعاب برروی آن پخت دوم صورت می پذیرد. حرارت لازم برای پخت سفال 900 تا 1000 درجه سانتی گراد می باشد.
2- آجر: از مهم ترین مصالح ساختمانی است که در قدیم به روش دستی تولید می شد، یعنی گل را داخل قالب می نمودند و خشت خام را پخت می کردند اما امروزه آجر با استفاده از دستگاه های میکسر، اکسترود، فیلتر پرس ساخته می شود. آجرهای تولید شده در روش مدرن هم استحکام بیشتر و هم ابعاد دقیق تر و هم صافی سطوح بیشتر دارند. پخت این آجرها در سه نوع کوره صورت می گیرد.
1- کوره اتاقکی (سنتی)
2- کوره هفمن که در آن محصولات ثابت و شعله در حرکت است
3- کوره تنلی کوره ای است به طول 80 متر که با توجه به دما به سه ناحیه تقسیم می شود؛ ناحیه اول: دما در آن به تدریج بالا می رود. ناحیه میانی: موسوم به جهنم کوره و ناحیه سوم: دما بتدریج پایین می آید.
3- کاشی:
قطعاتی مسطح از سفال می باشند که تنها یک روی آنها لعاب داده می شود (ضدآب کردن کاشی) و طرف دیگر را با دوغاب سیمان به دیوار می چسبانند؛ کاشی در دو نوع دیواری و زمینی (موسوم به سرامیک) تولید می گرد. کاشی های زمینی می بایست قطورتر و محکم تر بوده و ضریب استحکام سطحی آن مناسب باشد. لذا کاشی کف می بایست از مواد زودگدازتر ساخته شود تا عمل هم جوشی بیشتری در آن اتفاق افتد.
4- چینی:
به قطعاتی سفید، محکم، به جذب آب بسیار کم گفته می شود که فلدسپات، کوارتز، رس سه جزء اصلی آن می باشند. هر چه دمای پخت چینی بیشتر باشد آن چینی مرغوب تر بوده و صدای زنگ ناشی از آن نیز بیشتر است. بر اساس دمای پخت چینی ها به دو گروه چینی نرم (˚1250) و چینی سخت (˚1250- ˚1450) تقسیم می شود. مراحل تولید قطعات چینی عبارتند از:
1- آماده سازی مواد اولیه.
2- شکل دهی.
3- خشک کردن.
4- پختن.
5- لعاب کاری.
6- پخت دکور یا تزئین.
5- دیرگدازها:
فراورده هایی می باشند که دارای استحکام کافی بوده و می توانند در دمای بالا کار کنند؛ استفاده از آنها در ساخت انواع کوره ها یا تولید مصالح ساختمانی. دیرگدازان عموما یا به صورت آجر و بلوک تولید می شوند (آجرهای نسوز شومینه) یا به صورت ملات های نسوز ساخته می شوند (سیمان نسوزتولید شده از جرم یا شلاکه یا سر باره) دیرگدازهای سنتی می توانند تا ˚1900 سانتی گراد را تحمل کنند در صورتی که دیر گدازهای نوین می توانند تا ˚3000 سانتیگراد را تحمل کنند.
6- ساینده ها و سنباده ها:
از مواد سرامیکی طبیعی که در طبیعت یافت می شود. (الماس و کوارتز) که دارای سختی فوق العاده می باشند که جهت تهیه ساینده و سنباده کاربرد دارند. برای ساخت ساینده ها این ذرات را ابتدا توسط قالب شکل می دهند سپس با اعمال حرارت آن را زینتر می کنند به قطعه ای فوق العاده سخت و محکم تبدیل می گردد. در حالی که جهت تولید سنباده ها ابتدا ذرات را دانه بندی نموده و توسط چسبهایی مقاوم برروی مقوا یا پارچه می چسبانند.
7- لعاب:
پوششی است شیشه ای زودگداز که با ضخامت کم برروی قطعه قرار گرفته و توسط حرارت ذوب و تثبیت می گردد، باید توجه نمود که لعاب علاوه بر ظروف سرامیکی برروی قطعات فلزی نیز کاربرد دارند. (کتری لعابی، سینک لعابی و بخاری)
سرامیک های مدرن:
سرامیک های مدرن یا نوین (سرامیک های مهندسی) در ساخت این سرامیک ها به سه نکته اهمیت می دهند؛ 1- خلوص در مواد، 2- روش های ویژه تولید، 3- کنترل دقیق بر فرآیند تولید.
سرامیک های مدرن امروزه کاربرد وسیعی در صنایع و پزشکی پیدا کرده اند؛ مانند: فرآورده های ویژه و سرامیک های تکنیکی، دیرگدازها، فرآورده های زمخت، فرآورده های ظریف. این فرآورده ها عمدتاً از مواد اولیه خالص و سنتزی ساخته می شوند. این نوع سرامیک ها اکثراً در ارتباط با صنایع دیگر مطرح شده اند.
طبقه بندی سرامیک های مدرن:1- فرآورده های ویژه و سرامیک های تکنیکی: این فرآورده ها عمدتا از مواد اولیه مصنوعی و خالص استفاده می شوند. خصوصیات ترکیبات و مواد اولیه این فرآرده ها برحسب موارد مصرف آنها متفاوت است. این فرآورده های پیچیده عمدتا در ارتباط با پیشرفت و تکامل صنایع دیگر مطرح هستند. صنایع الکترونیک، تحقیقات فضایی، انرژی هسته ای، نیروی برق، صنایع هواپیمایی.
2-دیرگدازها Refractions:به طور کلی دیرگدازها محصولاتی هستند که خمش آنها در دمای بالاتر از ˚580 سانتی گراد انجام می شود. مصرف این فرآورده ها در ساختمان کوره ها می باشد. که به صورت آجر، انواع ملات ها و پوشش های مختلف و فرآورده های ویژه، کلیه صنایعی که در مراحلی از روند تولید خود نیاز به درجه حرارت بالا دارد مثل صنایع ذوب فلز، ذوب شیشه، سیمان، صنایع شیمیایی و صنایع هسته ای مجبور به استفاده از این فرآورده ها می باشد.
3- فرآورده های زمخت Heavy clay:عمدتا در ساختمان ها تنها به کار می روند آجر مشهورترین فرآورده این شاخه از صنعت است. انواع آجرها، لوله های فاضلاب، انواع سفال های سقف، کاشی های کف زمخت، ناودانی ها و قطعات مشابه؛ ماده اولیه این فرآورده خاک رس سرخ رنگ است.
4- فرآورده های ظریف Pottery:الف) ظروف خانگی:1- سفال
2- چینی نیمه زجاجی
3- چینی استخوانی
4- شیشه سرامیک ها؛
اگر چه ساختمان نهایی شیشه سرامیک بسیار شبیه به دیگر فرآورده ها سرامیکی است ولی روش ساخت آنها مشابه روش ساخت دیگر سرامیک ها نیست بلکه مشابه روش ساخت شیشه ها است.
ب) کاشی ها:1- کاشی های دیواری به نسبت جذب آب که به طور معمول 12-15% استاندارد جهانی و 12-18% استاندارد ایرانی.
2- کاشی های کف که نسبت جذب آنها 2-5% استاندارد جهانی و 0-2% استاندارد ایرانی شناخته می شود.
ج) سرامیک های بهداشتی: کاربرد اصلی این نوع فرآورده ها به صورت دستشویی و کاسه توالت و... است. در ایران اصلاح سرامیک بهداشتی Sanitary ware به عنوان چینی های بهداشتی معروف هستند که این اصلاح غلطی است چرا که بدنه این نوع فرآورده ها همیشه از نوعی چینی نمی باشد.
د) عایق های الکتریکی: بیشتر در نیروگاه های برق وجود دارند.
برخی از پرکاربردترین این نوع سرامیک های اکسیدی عبارت اند از:برلیا (BeO)
تیتانیا (TiO2)
آلومینا (Al2O3)
زیرکونیا (ZrO2)
منیزیا (MgO)
سرامیک های غیر اکسیدی با توجه به ترکیبشان طبقه بندی می شوند که برخی از پرکاربردترين آنها در زير آمده اند:1- نیتریدها: BN - TiN - Si3N - GaN
2- کاربیدها: SiC - TiC - WC
رنگ های سرامیکی:به طور کلی ترکیبات عناصر واسطه در جدول تناوبی؛ مانند: وانادیم، کروم، منگنز، آهن، کبالت، نیل و مس به عنوان مواد رنگزا در لعاب کاری به کار می رود؛ مثلا:
اکسید کبالت = آبی تا سرمه ای
اکسید آهن = کرم رنگ
اکسید کروم = سبز و صورتی و قهوه ای
کاربردهای مختلف مواد سرامیکی:1- الکتریکی و مغناطیسی:o عایق های ولتاژ بالا (AlN- Al2O3)
o دی الکتریک (BaTiO3)
o پیزوالکتریک (ZnO- SiO2)
o پیروالکتریک (Pb(ZrxTi1-x)O3))
o مغناطیس نرم (Zn1-xMnxFe2O4)
o مغناطیس سخت (SrO.6Fe2O3)
o نیمه رسانا (ZnO- GaN-SnO2)
o رسانای یونی (β-Al2O3)
o تاباننده الکترون (LaB6)
o ابررسانا (Ba2LaCu3O7-ن)
2- سختی بالا:o ابزار ساینده، ابزار برشی و ابزار سنگ زنی (2O3TiN-Al)
o مقاومت مکانیکی (SiC- Si3N4)
3- نوری:o فلورسانس (Y2O3)
o ترانسلوسانس (نیمه شفاف) (SnO2)
o منحرف کننده نوری (PLZT)
o بازتاب نوری (TiN)
o بازتاب مادون قرمز (SnO2)
o انتقال دهنده نور (SiO2)
4- حرارتی:o پایداری حرارتی (ThO2)
o عایق حرارتی (CaO.nSiO2)
o رسانای حرارتی (AlN - C)
5- شیمیایی و بیوشیمیایی:o پروتزهای استخوانی P3O12(Al2O3.Ca5(F،Cl))
o سابستریت (TiO2- SiO2)
o کاتالیزور (KO2.mnAl2O3)
6- فناوری هسته ای:o سوخت های هسته ای سرامیکی
o مواد کاهش دهنده ی انرژی نوترون
o مواد کنترل کننده ی فعالیت راکتور
o مواد محافظت کننده از راکتور
سرامیک مشتق از کلمه keramos یونانی است که به معنی سفالینه یا شئی پخته شده است. در واقع منشا پیدایش این علم همان سفالینه‌های ساخته شده توسط انسانهای اولیه هستند. در واقع قبل از کشف و استفاده فلزات، بشر از گلهای رس به علت وفور و فراوانی آنها و همچنین شکل‌گیری بسیار خوب آنها در در صورت مخلوط شدن با آب و درجه حرارت نسبتاً پایین پخت آنها استفاده می‌کرد. آلومینوسیلیکاتها که خاکهای رسی خود آنها به حساب می‌آیند، از عناصر آلومینیوم، سیلیسم و اکسیژن ساخته میشوند که این سه عنصر بر روی هم حدود 85 درصد پوسته جامد کره زمین را تشکیل میدهند. این سه عنصر فراوانترین عناصر پوسته زمین هستند.