علم سرامیک

استفاده از نانو تکنولوژی در شیشه

با قرار گرفتن بر روي شيشه ها و سراميك ها و پوشاندن سطح آنها مانع از كثيف شدن و خيس شدن سطح مي شود و در نتيجه با يك بار بارش باران و يا آب ريختن بر روي سطح آلودگی آن از بين مي رود.

موارد استفاده:

حفاظت از شيشه هاي پنجره ها و ويترين مغازه ها
• حمام و سرويس هاي بهداشتي
• سقفهاي شيشه اي، نماي ساختمانها و كاشيها
• كاشي هاي ديواري
• آينه ها
• سلولهاي خورشيدي
• دوش حمام، دستشويي ، وان حمام
• گلخانه ها
• صفحات نمايشگر، لنز دوربين، عينك

مقدار مصرف نانو شيشه و سراميك:

هنگام مصرف مايع شيشه هاي نانو تكنولوژي بصورت دستي براي هر متر مربع 5 تا 25 ميلي ليتر (بنا به جنس سطح) مواد لازم مي باشد.( 1 ليتر در حدود 40 تا 180 متر مربع را پوشش مي دهد). اگر از اسپري هاي مخصوص استفاده كنيد (بنا بر جنس سطح مورد استفاده)‌ بين 5 تا 15 گرم براي هر متر مكعب مواد مصرف خواهد شد.
دقت:
ماده بايد در جاي خشك و خنك نگهداري شود.
مايع مي تواند تا 6 ماه در بسته بندي ارژينال خود سالم بماند.
بعد از باز كردن درب ظرف به سرعت آنرا مصرف نماييد

سراميک هاي زير ساختاري(substructure ceramics)

توسعه ي سراميک مستحکم تر براي تمام پروتزهاي سراميکي پوشش داده شده، مي تواند به صورت يک گذار به سمت افزايش درصد حجمي مواد کريستالي و کاهش حجم شيشه نشان داده شود.سرانجام اين پيشرفت ها، رسيدن حجم مواد شيشه اي پروتزها به صفر است.در سال1965،McLean،گزارشي مبني برافزايش استحکام شيشه هاي فلدسپاتي با افزودن ذرات اکسيد آلومينيوم ارائه کرد.و در همان سال General Electricبراي اولين بار از تکنولوژي استحکام بخشي ديسپرشن به صورت کاربردي، براي مقره هاي خطوط فشار قوي بهره برد.در اواخر دهه ي 1980، يک روش براي افزايش قابل توجه آلومينيوم اکسيد(از 55 درصد وزني به 70 درصد حجمي)، بوجود آمد.
اين روش در ابتدا با پودر آلوميناي سبک انجام مي شد که اين پودر بواسطه ي حرارت دهي به همديگر مي چسبيد،سپس اين توده ي آلومينايي متخلخل که مانند يک بسته، از ذرات آلوميناي به هم چسبيده تشکيل شده بود را با شيشه پر مي کردند.در طي فرآيند پخت آلومينا که منجز به ايجاد توده ي سبکي مي شد، ذرات آلومينايي که در مجاورت هم بودند، در محل هاي اتصال به هم پيوند مي خوردند و ايجاد يک شبکه ي سه بعدي از ذرات به هم چسبيده مي شد.همچنين پس از ايجاد ساختار آلومينايي متخلخل، يک شيشه ي مذاب با ويسکوزيته ي پايين، بوسيله ي نيروهاي موينيگي وارد ساختار متخلخل مي شد.اين کار باعث ايجاد يک ترکيب سه بعدي از آلومينا و شيشه مي شود.اگر چه تنها70درصد حجمي اکسيد آلومينيوم در اين سراميک وجود دارد ولي استحکام و تافنس شکست آن برابر با سراميک هاي آلومينايي با100 درصد پلي کريستال است.
دو پيشرفت کليدي که اجازه ي استفاده ي کاربردي از سراميک هاي کاملاً پلي کريستال را در پروتزهاي ثابت کننده دارد عبارتند از:
1)قابليت استفاده از پودرهاي شروع کننده ي بسيار کنترل شده.
2)استفاده از کامپيوترها در پروسه هاي سراميکي.برعکس سراميک هاي شيشه اي، سراميک هاي پلي کريستال قابليت پرس شدن براي رسيدن به مواد با دانسيته ي بالا را در قالب هاي با اندازه ي بزرگتر را ندارد.سراميک هاي پلي کريستال از پودر آنها توليد مي شود که آنها تنها تا 70 درصد دانسيته ي تئوري شان مي توان فشرده سازي کرد.از اين رو سراميک هاي پلي کريستال در هنگامي که با بيشترين دانسيته، پخت شوند، به اندازه ي 30 درصد حجمي شرينکيج دارند.براي داشتن پروتزهاي نهايي مناسب، مقدار شرينکيج يايد به دقت اندازه گيري گردد و در طراحي به آن توجه شود.
پودرهاي اوليه مناسب که توانايي يکنواخت شدن در فشرده سازي را دارند.يک پيش نياز براي رسيدن به شرينکيج قابل محاسبه و تجديد پذير است.
تحقيقات انجام شده در علم توليد سراميک ها از اواخر دهه ي 1980 تا دهه ي 1990 منجر به دسترسي تجاري به پودرهاي مناسب براي استفاده ها در زمينه ي دندانسازي شده است تقريباً همزمان با پيشرفت تکنولوژي، پالايش پودر موجب توسعه ي ماشين هاي کامپيوتري و افزايش قابليت محاسبه ي دستگاه هاي سه بعدي داده شده است.
دو روش براي توليد پروتز از سراميک هاي پلي کريستال و به صورت تجاري ارائه شده است که در هر روش، يک قطعه ي خام با اندازه ي بزرگتر از حد مطلوب ايجاد مي شود و در محاسبه ي خواص شرينکيج اين قطعه ي خام از دستگاه هاي سه بعدي داده استفاده مي شود.در روش اول، يک قالب با اندازه ي بزرگتر از حد مطلوب بر اساس 20000اندازه گيري از قالب آزمايشگاهي اسکن شده، ساخته مي شود.سپس اکسيد آلومينيوم يا اکسيد زيرکونيوم در داخل اين قالب فشرده شده که مقدار فشردگي بر اساس شرينکيج مطلوب محاسبه مي گردد.
در روش دوم، يک قطعه ي نيمه خام از اکسيد زيرکونيوم ماشين کاري شده و به قطعه ي مورد نظر تبديل مي شود که اندازه ي آن کمي بزرگتر از حد مطلوب است که علت آن اين است که پس از پخت نمونه به اندازه ي مورد نظر برسد.در اين سيستم، دانسيته ي هر قطعه ي اوليه براي محاسبه ي دقيق شرينکيج قطعه بر روي آن ثبت مي شود.در واقع در اين روش که روش جولي در ساخت قطعات سراميکي معروف است، يک قطعه ي سراميکي بوسيله ي يک ماشين تراش از قطعه خام بدست مي آيد.
اکسيد زيرکونيوم بهبود يافته زيرکونياي بهبود يافته از لحاظ تافنس (چقرمگي)، يک سراميک پلي کريستال است که در حال حاضر براي کاربرد هاي دندانپزشکي در دسترس است.البته به خاطر اينکه اين ماده مکانيزم و همچنين تافنس شکست متفاوتي بست به ديگر سراميک هاي پلي کريستال است که در حال حاضر براي کاربردهاي دندانپزشکي در دسترس است. البته به خاطر اينکه اين ماده مکانيزم و همچنين تافنس شکست متفاوتي نسبت به ديگر سراميک هاي پلي کريستال دارد، بايد مورد بررسي جداگانه اي قرار گيرد.که جزئيات تافنس شکست واستحکام اين ماده را در بخش زير بيشترمورد بررسي قرار مي دهيم.اما در اينجا کافيست که تافنس را به معناي اشکال در رشد ترک در نظر بگيريم.

برخلاف آلومينا، اکسيد زيرکونيم در طي پخت از يک حالت کريستالي به حالت ديگر تغيير شکل مي دهد.در دماي پخت زيرکونيا در حالت تتراگونال است و در دماي اتاق به حالت مونوکلينيک در مي آيد.يک سلول واحد مونوکلينيک، 404درصد بيشتر از زماني که تتراگونال است ،فضا اشغال مي کند.البته اين مسئله باعث فروريختن زيرکونيا در فرآيند سردکردن، مي شود.و ساختار زيرکونيا را ناپايدار مي کند.در اواخر دهه ي 1980، مهندسين سراميک توانستند ساختار تتراگونال را در دماي اتاق و به کمک اضافه کردن مقدار کمي (3-8 درصد)کلسيم پايدار کنند که بعداً بجاي کلسيم از ايتريم (yttrium)و يا سريم(cerium)استفاده شد.اگر چه اين حالت در دماي اتاق پايدار است ولي حالت تتراگونال حالتي نيم پايدار است .اين بدان معناست که انرژي بدام افتاده اي در داخل ماده وجود دارد که مانع برگشت به حالت مونو کلينک مي شود.تنش متمرکز در جلوي گسترش ترک براي راه انداختن تغيير حالت در داخل دانه هاي سراميکي و درنزديکي قسمت تيزترک کافي مي باشد.که در اين حالت افزايش 404درصدي حجم، مفيد واقع مي شود و ترک بسته مي شود.و از پيشرفت آن جلوگيري مي شود .(در واقع، تغييرحالت موجب کاهش شدت تنش محلي مي شود)
مقدار تافنس شکست در اين ماده ، دو برابر و يا حتي چند برابر سراميک هاي آلومينايي است در واقع اکسيد زيرکونيوم بهبود يافته، پتانسيلي خوب براي مواد زير ساختاري از خود نشان مي دهد.مشکلاتي که ممکن است در مورد اين سراميک زيرکونيايي بوجود بيايد شامل عدم ثبات دراز مدت در حضور آب، مسائل سازگاري پرسلاني و تعدادي از محدوديت ها در انتخاب مواد به خاطر خاصيت مات بودن شان، مي شود.به هر حال، بر اساس تجربيات بدست آمده در استفاده از اين مواد در تهيه ي پروتزها، مشکلات عمده اي ديده نشده است.

استحکام و تافنس شکست (strength and fracture toughness)

سه خاصيت مربوط به ساختار داخلي ماده وجود دارند که براي توليد مواد ساختاري به آن ها توجه مي شود.
اين سه خاصيت به صورت زير هستند:
1)استحکام (strength)
2)تافنس شکست(fracture toughness)
3)قابليت شيميايي جلوگيري از رشد ترک
مهمترين نکته اي که بايد در مورد استحکام بدانيم اين است که استحکام يک خاصيت ذاتي مواد نيست، اين بدان معناست که مقداراستحکام به وضعيت ماده و نحوه و روش آزمون سنجش استحکام بستگي دارد.
تافنس شکست(که در زير مورد بررسي قرار مي گيرد)يک خاصيت ذاتي تر سراميک هاست که در هنگام مقايسه ي مواد تجاري بسيار مفيد است.

استحکام (strength)

استحکام يک اندازه گيري کلي از سه چيز است که شامل موارد زير مي شود:
1)نوع و اندازه ي ترک هاي حاصل از شروع شکست و توزيع آنها
2)تافنس شکست
3)تأثيرات آب
اگر اين سه چيز به خوبي کنترل شود موجب ايجاد محيط واقعي براي پروتز مي شود، سپس مقايسه ها بر اساس استحکام داراي معنا مي شوند.ترک هاي بوجود آمده درنمونه ها اغلب نتيجه اي از مراحل توليد پروتز است.اما ترک ها همچنين مي توانند بر اساس ذات خود ماده نيز ايجاد شوند؛ از اين رو بهترين اندازه گيري استحکام از نمونه هاي مورد آزمايش، حاصل مي شود که تمام مراحل توليد دندانسازي و آزمايشگاهي استاندارد قابل انجام نيست و تهيه ي شرايط مطلوب آزمايشات قطعات دندانسازي کاملاً شبيه به شرايط حقيقي نيست و استحکام اندازه گيري شده ممکن است که بي معنا باشد .
به عبارت ديگر، اگرچه پروتزهاي واقعي به اندازه ي کافي شرايط توليد سراميک ها را منعکس مي کند،تنش هاي وارده بر پروتز نقطه ي شکست (مثلاً استحکام)را به سختي مي توان محاسبه کرد.به علاوه بيشتر تلاش ها درجهت تکرار بارگذاري باليني بر روي پروتزها، با شکست هاي حاصل از زيان هاي توليدي در طي مراحل تست کردن، روبروست.و جالب اين است که اين شرايط هيچگاه در شرايط باليني ديده نشده است.از سال1958،اين حقيقت فهميده شد که آب استحکام اکثر شيشه و سراميک ها را کاهش مي دهد .آب،مانند يک ماده ي شيميايي عمل کرده و وجود آن در ترک ها موجب رشد آرام آنها مي شود.که اين رشد ترک ها در شرايط ديگر پديد نمي آيد(درشرايط نبودن آب).
سراميک ها با شدت متفاوتي نسبت به آب حساس اند و اين حقيقتي است که به خوبي کنترل نشده است.ودرحقيقت آب عاملي است که موجب بوجودآمدن اختلاف در داده هاي اندازه گيري شده در تست هاي استحکام است.آب در کليه ي سطوحي که در معرض ترشحات بزاقي قرار مي گيرد، وجود دارد.البته آب همچنين در سطوح چسبانيده شده تيوپ هاي دندانپزشکي نيز نفوذ مي کنند؛ همه ي سيمان هاي دندان پزشکي اجازه ي نفوذ آب (ترشحات بزاقي و...)را از داخل خود مي دهند.
البته نکته ي قابل توجه اين است که داده هاي مربوط به استحکام تنها در مورد مواد خالص بيان مي شود در حالي که پروتزها عمدتاً از مواد چندگانه ساخته شده اند که هر کدام از اين مواد خواصي متفاوت دارند. عملکرد چنين پروتزهايي ممکن است حالت بي ثباتي داشته باشد. زيرا اين پروتزها از چند ماه ساخته شده اند همچنين عدم انطباق ضرايب انبساط حرارتي اين مواد مي تواند موجب بروز شکست در پروتز بشود. براي مثال يک نوع ازيک پروتز تمام سراميک مي تواند به دليل تنش ها و ترک هاي بوجود آمده که در بين بخش هسته و روکش، بشکند. شبيه به بحث قبل، يک روکش تک قسمتي دندان مي تواند از قسمت داخلي اش بشکند که علت آن اعمال نيرو بوسيله ي جويدن اجسام سخت و آدامس مي باشد. اين شکست هاي اتفاقي بيشتر در بخش سيماني قطعه روي مي دهد. (بخاطر اينکه بخش سيماني قطعه آسيب پذير است.) احتمال بقاء اين قطعه به نوع سيمان استفاده شده در ساخت روکش دندان، بستگي دارد.
بنابراين، استحکام چيزي بيشتر از يک اندازه گيري نامعلوم از خاصيت ذاتي ماده است و بايد از آزمون استحکام در قضاوت کردن در مورد عملکرد سيستم هاي سراميکي جديد استفاده کرد يک اندازه گيري بهتر براي مقايسه کردن عملکرد ساختاري سراميک ها، تافنس شکست است، اما در مورد رفتار يک ماده تنها، اين روش محدوديت دارد.

تافنس شکست (fracture toughness)

به خاطر اينکه سراميک ها از طريق رشد ترک هاي موجود در نمونه مي شکند، فهميدن نحوه ي اين امر، مفيد مي باشد. نيروهاي کششي موجب ايجاد تنش در قسمت نوک ترک مي شود. همين طور که نيروها افزايش مي يابد، شدت تنش هاي بوجود آمده در بخش نوک تيز ترک نيز به سرعت افزايش مي يابد. در حالت کلي باز شدن مستقيم، بدون حرکت در جهت سطح و بدون ايجاد حالت برشي رامدIباز شدن مي گويند. و شدت تنش بوجود آمده با اين نوع باز شدن را با K (کا) نشان مي دهند.بنابراين، شدت تنش در يک قسمت نوک تيزترک در حالت مد I باز شدن را به صورت زير مي نويسند:

K_I.A_t

در حالت بحراني از شدت تنش، ترک ناپايدار شده و قطعه ي سراميکي به دو بخش تقسيم مي شود. شدت تنش بحراني براي مد I بازشدن، با KIcنشان داده مي شوند که واحد آن است. ، به طور عمومي به حالت ماده بستگي ندارد. و براي مقايسه ي مواد مختلف مي تواند مورد استفاده قرارگيرد. مقدار K_IC براي چيني هاي سراميک –فلزي تقريبا 0/9 تا 1/2 و براي سراميک هاي تقويت شده با لوسيت که دندانسازي مورد استفاده قرار مي گيرد، مقدار K_IC تقريباً 1/5 تا 1/7 است. مقدار K_IC براي آلومينا تقريباً 4/5 و باي زير کونياي بهبود يافته اين مقدار بين 8 تا 12 و براي آلياژهاي فلزي تقريباً 20است.

نقش فلز در استحکام بخشي

نقش و چگونگي عمل مواد فلزي در ايجاد و دوام هنوز به طور کامل شناخته نشده است. بنابراين، تشخيص اينکه کدام يک از خواص ريخته گري کردن فلز مي تواند خواص شکل دهي زير ساختاري بوسيله ي تکنولوژي هاي ديگر شکل دهي فلزات را بهبود دهد، انجام نشده است. اين اغلب بيان مي شود که پرسلان (چيني) به يک تقويت کننده شبکه اي از جنس فلز نيازمند است. البته اين توضيح داده نشده است که تقويت کننده (supported) به چه معني است.
تعدادي مکانيزم هاي قابل انجام وجود دارد که بوسيله ي آنها، فلز ريخته گري شده ممکن است توانايي افزايش طول عمر پرسلان روکش شده را دارند. اولاً، پرسلان نيازمند محافظت شدن در برابر توسعه ي تنش هاي کششي در مجاورت ترک هاي بوجود آمده در نواحي بحراني را دارد. اين دليلي است بر آن که فلز ممکن است بر توزيع تنش در داخل پرسلان، بالاخص در سطوح و مکان هاي اتصال، تأثير بگذارد.
دوماً، در مکان هايي که تنش ها ايجاد مي شوند، اگر گسترش ترک ها متوقف شود، پرسلان به صورت مفيد عمل مي کند و اين دلالتي است براين که فلزي که به خوبي به پرسلان پيوند داده شود. ممکن است مانند يک پل عمل کند و از باز شدن ترک هاي پرسلان جلوگيري کند.
سوماً، ترک هايي که ممکن است سرانجام باعث شکست شوند، آرام تر رشد مي کنند (البته اگر خشک نگه داشته شوند). اين دلالت مي کند که يک نقش ديگر فلز ريخته گري شده ممکن است اين باشد که فلز از ورود آب به داخل ترک ها جلوگيري مي کند.(در واقع فلز از رشد شيميايي ترک ها بوسيله آب جلوگيري مي کند).
مزاياي سيستم هاي کاملاً سراميکي در برابر سيستم هاي فلز-سراميک
مزاياي زيبايي حقيقتي است که حتي در هنگام جايگزيني يک فلز با يک سراميک مات بوجود مي آيد. زيرا از لحاظ اپتيکي فلزات کل پرتوهاي فوري را جذب يا منعکس مي کنند ولي سراميک ها درصدي از نور را عبور مي دهند. پس بنابراين از لحاظ مسائل زيبايي بهتر عمل مي کنند. سيستم هايي که کاملاً از سراميک ساخته شده اند، از لحاظ زيبايي، نتيجه ي بهتري براي تعداد متنوعي از بيماران نسبت به سيستم هاي فلز-سراميک، ايجاد مي کنند که علت آن دامنه ي وسيع از عبور نور است که بوسيله ي سيستم هاي سراميکي بوجود مي آيد. اين دامنه ي وسيع نور باعث ايجاد حالت شفافيت يا ماتي و همچنين ايجاد رنگ در سيستم مي شود. ديگرمزاياي اين سيستم ها به بافت نرم تر وبهداشتي تر سراميک ها مربوط است که سلامت اين سيستم ها از زيبايي آنها مهم تر است. به سطوح سراميکي، پلاک هاي ميکروبي و مولکولهاي چسبنده ي کمتري نسبت به آلياژهاي طلاو آمارجام (آلياژ جيوه با چند فلز ديگر براي پرکردن دندان استفاده مي شود) مي چسبند. همچنين سطوح سراميکي محيط مناسبتري براي رشد ملکولهاي بافت هاي داخل دهاني بوجود مي آورند. و سطوح تميزتري دارند. در بخش هاي بالايي پرسلان ها که با لثه در برخوردند به علت ماهيت خود پروتزهاي سراميکي، زخم کمتري بوجود مي آيد.

سيستم هاي فلز – سراميک

مزاياي سيستم هاي فلز-سراميک مربوط به عملکرد ساختاري قابل پيش بيني ، تطبيق پذيرشان و نياز به دانش کمتر براي انتخاب يک سيستم مناسب است. عملکرد ساختاري سيستم هاي سراميک-فلز بسيار بهتر از هر نوع سيستم کاملاً سراميکي است.
در زير در مورد جزئيات اين مسئله بحث مي کنيم. همچنين شکست بالک و ترک هاي بوجود آمده در پرسلان پس از گذشت 6 سال بر کارکرد تقريباً 5-10 درصد پروتزهاي تک بخشي تأثير مي گذارد. داده هاي باليني کمتري براي پروتزهاي سه بخشي وجود دارد و همه ي سيستم ها به خوبي مورد مطالعه قرار نگرفته اند. به طور برعکس، مشکلات ساختاري مربوط به پرسلان در پروتزهاي سراميک – فلز در طي 10 سال، 3-4 درصد است و 73 درصد از اين پروتزها را تا 15 سال نيز مي توان استفاده کرد که در اکثر مواد مشکلات زيست شناسي، عاملي براي تعويض اين پروتزها پس از 15 سال مي شود. البته صحبتي که در بالا انجام شد در مورد پرسلان هاي تقويت شده با تيتانيم صادق نيست و اين پرسلان هاي تقويتي زياد خوب عمل نکرده و حتي پس از 6 سال کار، مشکلات بسياري در نقطه ي تقاطع پرسلان-تيتانيم رخ مي دهد. سيستم هاي فلز-سراميک به حدي خوب عمل مي کنند که تنها اطلاعات کمي براي استفاده ي روتين از آنها، مورد نياز است.
اکثر شاغلين در زمينه ي دندانسازي، اطلاعات کمي در مورد سيستم هاي فلز-سراميک تهيه شده در آزمايشگاهشان دارند و هرسيستم به طور عمومي براي پروتزهاي تک بخشي جلويي و پروتزهاي چند بخشي عقبي مناسب است. البته استفاده از تمام سيستم هاي سراميکي نيازمند داشتن دانشي کافي براي بوجود آوردن ماکزيمم زيبايي و انتخاب مناسب ساختارها براي طول عمر بيشتر است.

شکل 2-شماتيکي از مواد سراميکي مورد استفاده در دندانسازي

خلاصه:

در اين مقاله بصورت خلاصه در مورد آناليز و خواص سراميک هاي پيزوالکتريک توضيح مي دهيم. تمرکز ما بر روي سراميک هاي پلي کريستال است، بنابراين سراميک هاي تک کريستال، مواد پليمري، کامپوزيت هاي آلي / غيرآلي (organic / inorganic composites) جزء اهداف مورد بررسي در اين مقاله نمي باشد. براي فهميدن کامل رفتار سراميک هاي پلي کريستال پيزوالکتريک، مطالعه ي اطلاعات پايه در زمينه ي سراميک ها ضروري مي باشد.
براي همين مسأله ما مقدمه اي کوتاه در مورد تاريخچه ي پيزوالکتريسيته و مباحث مربوط به کارهاي انجام شده بر روي سراميک ها و پيشرفت هاي مربوط به رابطه ي ساختار و رفتار مواد پيزوالکتريک به شما ارائه مي دهيم. ما کوشش مي کنيم ما متداول ترين روش هاي اندازه گيري را به خوبي توضيح دهيم و پارامترهاي موثر به خواص پيزوالکتريک ها را توضيح مي دهيم. براي بدست آوردن اطلاعات بيشتر به منابع موجود در پايان مقاله مراجعه کنيد. براي توضيح بهتر، ما از مثال (PZT) lead zirconate titanate استفاده مي کنيم. زيرا اين سراميک بيشترين استفاده را داشته و مطالعات زيادي بر روي آن صورت گرفته است.

مواد پيزوالکتريک

تاريخچه و کارهاي انجام شده در اين زمينه

مواد هوشمند، موادي هستند که متحمل فعل و انفعالات فيزيکي مي شوند. يک تعريف معادل ديگر از مواد هوشمند اين است که اين مواد،موادي هستند که تغييرات محيطي را دريافت کرده و با استفاده از بازخوردهاي سيستم، اين تغييرات را حذف يا تصحيح مي کنند. مواد پيزوالکتريک، آلياژهاي حافظه دار (shape-memory alloys)، مواد الکتروستريک (materials electrostrictive)، مواد تغيير شکل دهنده در اثر مغناطيس (magnetrostrictivematerials)، مايع هاي با خواص الکترورئولوژي (electrorheological fluids)، نمونه هايي از مواد هوشمند متداول هستند.

تعريف و تاريخچه

پيزوالکتريسيته يک متغير خطي است که به ساختار ميکروسکوپي جامدات مربوط مي شود. برخي از سراميک ها هنگامي که تحت تأثير فشار قرار گيرند پلاريزه مي شوند. اين پديده ي خطي و آشکار به عنوان اثر پيزوالکتريک مستقيم (The direct Piezoelectric effect) نسبت داده مي شود. اثر پيزوالکتريک مستقيم هميشه با اثر پيزوالکتريک معکوس، همراه است. که اين اثر پيزوالکتريک معکوس زماني اتفاق مي افتد که يک قطعه ي پيزوالکتريک در يک ميدان الکتريکي قرار گيرد.
نواحي ميکروسکوپ بوجود آمده در اثر پيزوالکتريسيته باعث جابجا شدن بارهاي يوني در داخل ساختار کريستالي مي شود. در غياب نيروهاي فشاري خارجي، اين بارها در داخل کريستال توزيع شده و ممنتم دي پل ها همديگر را خنثي مي کنند. به هرحال، هنگامي که يک تنش خارجي بر قطعه ي پيزوالکتريک وارد شود، بارها به گونه اي جابجا گشته که تقارن دي پل ها از ميان مي رود. بر اين اساس يک شبکه ي پلاريزه ايجاد شده و نتيجه ي آن ايجاد يک ميدان الکتريکي است.
ماده اي مي تواند از خود خواص پيزوالکتريک ارائه دهد که سلول واحد آن هيچگونه مرکز تعادلي نداشته باشد. خاصيت پيزوالکتريسيته به گروهي از مواد تعلق دارد که در سال 1880 به وسيله پيروژاکوپ کوري در طي مطالعات آنها بر روي آثار فشار بر روي توليد بار الکتريکي در کريستال هاي کوارتز، کهربا و نمک راچل (Rochelle salt)، کشف شد. در سال 1881 واژه ي Piezoelectricity توسط w.Hankel براي اولين بار براي نامگذاري اين اثرات پيشنهاد شد. البته اثر معکوس اين خاصيت توسط Lipmann از قوانين ترموديناميک استنباط شد. در سه دهه ي بعد، همکاري هاي فراواني در انجمن هاي علمي اروپا در زمينه ي پيزو الکتريسيته انجام شد واژه ي ميدان پيزو الکتريسيته بوسيله آنها استفاده شد. البته کارهاي انجام شده بر روي رابطه ي ميان الکترومکانيکي مختلط با کريستال هاي پيزوالکتريک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت يک مرجع استاندارد است.
به هرحال پيچيدگي علم مربوط به مواد پيزوالکتريک باعث شد که کاربردهاي اين مواد تا چند سال قبل رشد پيدا نکند. لانگوين ات آل در طي جنگ جهاني اول مبدل التراسونيک پيزو الکتريکي ساخت. موفقيت او باعث ايجاد موقعيت هاي استفاده از مواد پيزوالکتريک در کاربردهاي زير آبي شد. در سال 1935، Scherrer , Busch خاصيت پيزوالکتريک پتاسيم دي هيدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند. خانواده ي پيزوالکتريک هاي پتاسيم دي هيدروژن فسفات اولين خانواده ي عمده از مواد پيزوالکتريک و فرو الکتريک بود که کشف شده بود.
در طي جنگ جهاني دوم، تحقيقات در زمينه ي مواد پيزوالکتريک بوسيله ي آمريکا، شوروي سابق و ژاپن بسط داده شد. محدوديت هاي ساخت اين مواد از تجاري شدن آنها جلوگيري مي کرد اما اين مسأله نيز پس از کشف باريم تيتانات و سرب زيرکونا تيتانات (PZT) در دهه هاي 1940، 1950 برطرف شد. اين خانواده از مواد خاصيت دي الکتريک و پيزوالکتريک بسيار خوبي داشتند علاوه بر اين خانواده قابليت مناسب شدن و استفاده در کاربردهاي خاص را بواسطه ي دپ کردن آنها با عناصر ديگر، دارند. تا اين تاريخ، PZT يکي از مواد پيزوالکتريک پر کاربرد است. اين نکته قابل توجه است که بيشترين سراميک هاي پيزوالکتريک تجاري در دسترس (مانند باريم تيتانات و PZT) ساختاري شبيه به ساختار پرسکيت (Perovskite) با فرمول CaTiO3 دارند.

ساختار پرسکيت (ABD3) ساده ترين آرايش اتمي است که در آن اتم هاي اکسيژن در حالت اکتاهدرال قرار دارند و اتم هاي کوچکتر (Nb, Sn, Zr, Ti و ... ) به صورت آرايش مربعي با اتم هاي اکسيژن پيوند خورده اند اين کاتيون هاي کوچکتر فضاهاي اکتاهدرال مرکزي را اشغال کرده اند (موقعيت هاي B) و کاتيون هاي بزرگتر (Na, Ca, Sr, Ba, Pb و...) در گوشه هاي سلول واحد جاي مي گيرد (موقعيت هاي A )، ترکيباتي مانند
KNbO3, NaNbO3, PbZro3, PbTiO3, BaTiO3 مورد مطالعه قرار گرفته و طول و دماي فروالکتريکي آنها و فازهاي غير فروالکتريک شان به صورت وسيع استخراج شده است. اين ساختارها همچنين بوسيله ي اتم هاي مختلف جانشين شده تغيير مي کند. اين جانشيني هاي اتمي اتفاق افتاده موجب توليد ترکيبات پيچيده تري مانند
(Pb, Sr) (Zr, Ti) O3 , (Ba, Sr) TiO3 ، (k, Bi) TiO3, Pb(fe, Ta) O3 و ... مي شود.
تقريباًٌ در سال 1965 بود که چندين شرکت ژاپني بر روي توليد فرآيندها و کاربردهاي جديد وسايل پيزوالکتريکي، متمرکز شوند. موفقيت تلاش محققين ژاپني موجب شد تا محققين ديگر کشورها نيز به سمت تحقيقات در اين زمينه جذب شوند و امروزه، نيازها و استفاده ها از اين مواد در بسياري از رشته ها از جمله کاربردهاي پزشکي، ارتباطات، کاربردهاي نظامي و صنعت خودرو گسترش يافته است. بررسي تاريخچه ي پيزوالکتريسيته توسط W.G.Cady انجام شده است و در سال 1971 نيز کتابي با عنوان سراميک هاي پيزوالکتريک منتشر شد. که اين کتاب هنوز هم به عنوان يکي از منابع قوي در زمينه ي پيزوالکتريک ها مطرح است.

فرآيند توليد سراميک هاي پيزوالکتريک

توليد اغلب سراميک هاي پيزوالکتريک توده اي با تهيه ي پودر آنها شروع مي شود. پودر توليدي سپس در اندازه و شکل مورد دلخواه پرس مي شود. شکل خام توليدي خشک و فرآوري گشته و از لحاظ مکانيکي سخت تر و پر دانسيته تر مي شود. مهمترين فرآيندهايي که بر روي خواص و ويژگي هاي محصول توليدي اثر مي گذارند شامل: فرايند توليد پودر، فرآيند خشک کردن پودر و زينترينگ مي شوند. مراحل بعدي انجام شده شامل: ماشين کاري، الکترونيک و قطب دار کردن (Poling) مي شوند (قطب دار کردن يعني: استفاده از يک ميدان DC جريان براي جهت دهي به دي پل ها و القاي خاصيت پيزوالکتريکي است) معمولي ترين روش براي تهيه ي پودر، مخلوط کردن اکسيدهاي مورد نيازاست. در اين فرآيند، پودر از مخلوط کردن نسبت هاي استوکيومتري مناسب از اکسيدهاي تشکيل دهنده ي پيزوالکتريک بدست مي آيد.
براي نمونه براي توليد (Lead Zirconiate titanate) PZT ، اکسيد سرب، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيم، ترکيبات اصلي هستند. براساس کاربرد و استفاده اي که از پيزو الکتريک توليدي مي شود، انواع متنوعي از عناصر دوپ شونده نيز به مخلوط افزوده مي شود. که اين عناصر دوپ شده موجب ايجاد خواص مورد نظر ما مي شوند. سراميک هاي PZT به ندرت بدون استفاده از افزودني هاي دوپ شونده توليد مي شوند. استفاده از عناصر دوپ شونده موجب اصلاح برخي از خواص اين نوع سراميک ها مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي A قرار مي گيرند باعث کاهش ضريب اتلاف (dissipation factor) شده که اين مسأله بر روي توليد گرما تأثير مي گذارد، اما باعث کاهش ضرايب پيزوالکتريسيته (Piezoelectric coefficients) مي شود. به همين دليل پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها بيشتر در کاربردهاي التراسونيک و با فرکانس بالا استفاده مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي B قرار مي گيرند، باعث افزايش ضرايب پيزوالکتريسيته مي شوند اما همچنين موجب افزايش ثابت دي الکتريک شده که اين مسأله زيان آور است. پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها دوپ شونده، به عنوان فعال کننده در کنترل کننده صدا- لرزش (control vibration and noise) ، عضله هاي خم کننده (benders)، کاربردهاي موقعيت يابي نوري (optical positioning application) و ... استفاده مي شوند.

فلوچارتي از مراحل تهيه ي سراميک هاي PZT آورده شده است. مخلوط نمودن پودر اکسيدهاي مورد استفاده در توليد سراميک هاي پيزوالکتريک يک به دو روش انجام مي شود که در زير بيان شده اند.
1-روش سايش خشک با بال ميل
2-روش سايش تر با بال ميل
هر دو روش تر و خشک داراي مزايا و معايبي هستند. روش سايش تر با بال ميل سريع تر از روش خشک است. به هر حال عيب روش تر اضافه شدن مرحله اي براي جداسازي مايع از پودر توليدي است. متداول ترين روش توليد PZT ها از سايش تر با بال ميل بهره مي گيرد. در روش سايش تر پودر پودر اين سراميک ها با بال ميل، از اتانول به عنوان مايع و از زيرکونياي تکليس شده به عنوان محيط سايش استفاده مي شود. البته ممکن است به جاي يک آسياب معمولي از يک آسياب ارتعاشي (Vibratory mill) استفاده شود. اين فرآيند که توسط Herner ابداع شده خطر آلودگي پودر با اجزاي جدا شده از گلوله ها و محيط سايش را کاهش مي دهد همچنين محيط زيرکونيا به خاطر کاهش ريسک آلودگي استفاده مي شود.
البته مرحله ي تکليس نيز يکي از مراحل تعيين کننده در توليد سراميک هاي PZT است. اين مرحله موجب کامل شدن فرآيند تبلور کشته که فاز پرسکيت در اين مرحله تشکيل مي شود. اهداف اين مرحله خارج شدن مواد آلي و فرار از مخلوط است و واکنش اکسيدهاي موجود در مخلوط براي ايجاد ترکيبات فازي مناسب قبل از فرآيند توليد قطعه است. همچنين از اهداف ديگر اين مرحله کاهش حجم شرپنکيج و يکنواختي بهتر در طي زينترينگ و پس از آن است. پس از تکليس، يک ماده ي چسبنده به پودر افزوده مي شود و مخلوط شکل دهي مي شود. شکل دهي قطعات ساده با روش پرس خشک در قالب و براي بدنه هاي پيچيده تر، روش هاي اکستروژن و ريخته گري دوغابي استفاده مي شود. پس از آن اشکال توليدي زينترينگ مي شود ( در واقع بوسيله يک آون مواد چسبنده ي آن خارج شده و دنس مي شود.)
مشکل عمده در زينترينگ سراميک هاي PZT، فراريت Pbo در دماي 800 درجه سانتي گراد است براي به حداقل رساندن اين مشکل، نمونه هاي PZT در حضور يک منبع سرب مانند PbZro3 زينتر مي شوند و در داخل يک بوته ي ذوب بسته حرارت دهي مي شوند. اشباع شدن اتمسفر محل زينتر کردن با PbO باعث به حداقل رسيدن اتلاف سرب از بدنه هاي PZT مي شود. در اين شرايط زينترينگ مي تواند در دماي متنوعي بين 1200-1300 درجه سانتيگراد انجام شود. با وجود اين تدابير پيش بيني شده معمولاً اتلاف 2-3% در مقدار سرب اوليه صورت مي گيرد.
پس از برش و ماشين کاري قطعه به شکل مناسب، الکترودها تعبيه مي شود و يک ميدان DC براي جهت دهي به قلمرو دي پل هاي داخل سراميک پلي کريستال اعمال مي شود. قطب دار کردن بوسيله ي جريان DC مي تواند در دماي اتاق و يا در دماهاي بالاتر انجام شود. البته اين مسأله به ماده و ترکيب سراميک بستگي دارد.
فرايند پلاريزاسيون تنها اندکي دي پل هاي موجود در سراميک پلي کريستال را هم جهت مي کند و نتيجه ي پلاريزاسيون پلي کريستال کمتر از حالتي است که سراميک تک کريستال باشد. اين تکنيک توليد داراي ابهامات زيادي است البته تعداد زيادي از روش هاي توليد ديگر وجود دارد که سراميک هاي PZT با خواص و ريزساختار عالي توليد مي کنند. يک مشکل بوجود آمده در اين روش انحراف از حالت استوکيومتري است. اين مشکل اغلب به خاطر وجود ناخالصي در مواد اوليه و اتلاف سرب از بدنه در طي فرآيند زينترينگ بوجود مي آيد. که باعث تغيير خواص PZT در اثر جانشيني هاي ناخواسته، مي شود. به عنوان يک نتيجه، خواص الاستيک در اثر اين مشکل مي تواند 5% ، خواص پيزوالکتريک 10% و خواص ديک الکتريک 20 درصد ( با يک بچ ثابت) تغيير کنند.
همچنين، خواص دي الکتريک و پيزوالکتريک عمدتاً به علت عدم وجود يکنواختي کاهش پيدا مي کنند (اين عدم يکنواختي به خاطر هم زدن کم اتفاق مي افتد). اين مسأله هنگامي که اکسيدهاي اصلي هم گون باشد مهم مي باشد. در روش هاي توضيح داده شده در بالا، به هرحال، اجزاي اصلي به صورت محلول جامد در آمده و اين نشان داده شده است که مخلوط شدن هم گون محلول جامد هنگامي که اين مسأله امکان نداشته باشد، مشکل است.
روش هاي ديگر براي توليد سراميک هاي پيزوالکتريک به شرح زيراند:
1) فرآيند هيدروترمال (Hydrothermal Processing)
2) روش هاي هم رسوبي (coprecipitation methods)
همچنين اين نکته قابل توجه است که توسعه ي وسيعي در زمينه ي فرآيندهاي توليد پودر (Powder Processing)، شکل دهي و زينترينگ بوجود آمده است که نتيجه ي اين توسعه ها، افزايش کاربرد سراميک هاي پيزوالکتريک است.

روابط ساختاري و خواص مواد

دانستن اطلاعات مربوط به پيزوالکتريسيته از ساختار مواد شروع مي شود. براي توضيح بهتر، اجازه دهيد بر روي يک کريستال از ( اين تک کريستال هاي کوچک با قطر ميانگين کمتر از Mm100) يک سراميک پلي کريستال متمرکز شويم. اين کريستال از اتم هاي مثبت و منفي تشکيل شده است که فضاي خاصي را در سلولهاي تکراري (سلول واحد) اشغال کرده اند. تقارن خاص سلول واحد تعيين کننده ي اين مسأله است که آيا کريستال ما خاصيت پيزوالکتريسيته دارد يا نه؟ همه ي کريستال ها از 32 کلاس ( از 7 سيستم: تريکلينيک، مونوکلينيک، ارتورومبيک، تتراگونال، رمبوهدرال، هگزاگونال و کيوبيک) مشتق شده اند. از 32 کلاس، 21 عدد از آنها داراي تقارن مرکزي نيستند و 20 کلاس داراي خواص پيزوالکتريک هستند.
( يک کلاس از 21 کلاس فاقد تقارن مرکزي، پيزوالکتريک نيست زيرا اين کلاس داراي ديگر عناصر تقارن است). نبودن مرکز تقارن بدين معناست که يک حرکت شبکه ي يون هاي مثبت و منفي نسبت به همديگر که در نتيجه ي اعمال تنش بوجود مي آيد،توليد يک دو قطبي الکتريکي مي کند. يک سراميک از قرارگيري تصادفي اين کريستال هاي پيزوالکتريک تشکيل شده است و به همين دليل غيرفعال است. اثرات کريستال ها همديگر را خنثي نموده و خاصيت پيزوالکتريک قابل اندازه گيري در سراميک بوجود نمي آيد. نواحي با بردار قطبي يکسان،قلمرو (domain) ناميده مي شوند.
قطب دار کردن يکي از روش هاي معمولي مورد استفاده براي جهت دهي به قلمرو هاست که اين عمل بوسيله ي پلاريزاسيون سراميک ها با استفاده از يک ميدان الکتريکي ساکن انجام مي شود. الکترودها بر روي سراميک اعمال مي شود تا قلمروهاي پيزوالکتريکي چرخيده و در جهت ميدان،جهت گيري کنند. نتيجه ي بدست آمده اين گونه نيست که تمام قلمروها هم جهت شوند و با جهت گيري يکسان بخشي از قلمروها سراميک پلي کريستال داراي يک اثر پيزوالکتريکي بزرگ مي شود. در طي اين فرايند ماده ي پيزوالکتريک در جهت محور قطبي شدن انبساط و در جهت عمود بر آن انقباض دارد.

روابط ساختاري

هنگامي که در مورد معادله ي ساختاري مواد پيزوالکتريک مي نويسيم بايد تغيرات تنش و جابجايي الکتريکي در سه جهت عمود بر هم محاسبه گردد. اين جابجايي الکتريکي بوسيله ي اثرات کوپل هاي عمود بر هم بوجود آمده است. همچنين اين اثرات نيز بخاطر تنش هاي مکانيکي و الکتريکي حاصل مي شود. علامت تانسور ابتدا معين مي گردد که در شکل 4 جهات مرجع نشان داده شده است.
حالت کرنش با تانسور مرتبه دوم Sij معين مي شود و حالت تنش نيز بوسيله ي تانسور مرتبه دو Tkl تعيين مي شود. روابطي وجود دارد که تانسور تنش را به تانسور کرنش، تسليم Sijkl و سختي Cijkl مرتبط مي سازد. رابطه ميان ميدان Ej (تانسور مرتبه اول) و جابجايي الکتريکي Di (تانسور مرتبه اول)، ثابت دي الکتريک Eij است. که اين ثابت يک تانسور درجه 2 است. بنابراين معادلات مربوط به مواد پيزوالکتريک به صورت زير نوشته مي شوند:
Di=ETij.Ej+dijk Tjk
Sij=dijk Ek+E Sijkl Tkl
که در اين روابط dijk و dijk ثوابت پيزوالکتريک هستند و تانسوري درجه 3 هستند. با لانويس E, T نشان مي دهند که ثابت دي الکتريک Eij و ثابت الاستيک Sijkl تحت شرايط تنش ثابت و ميدان الکتريکي ثابت، اندازه گيري شده است. عموماً تانسور مرتبه اول، 3 جزء دارد، تانسور مرتبه 2، 9 جزء و مرتبه 3، 27 جزء دارد. همچنين تانسور مرتبه 4، 81 جزء دارد. درصد خيلي کمي از اين اجزاء تانسوري، مستقل هستند. هر دوتاي اين روابط وابسته به جهت هستند. آنها يک بسته از معادلات هستند که اين خواص را در جهات مختلف ماده شرح مي دهند. تقارن فضايي و انتخاب بردارهاي مرجع، تعداد اجزاي مستقل را کاهش مي دهد. يک راه مناسب براي توصيف آنها استفاده از جهات برداري مناسب مانند آنهايي که در شکل 4 نشان داده شده است. بر اساس عرف، جهت قطبي شدن را با محور 3 نمايش مي دهيم. همچنين صفحات برشي با زيرنويس 4، 5و 6 نشان داده شده است که اين صفحات بر جهات 1،2،3 عمود مي باشد.

کاربرد مواد پيزوالکتريک

مواد پيزوالکتريک کاربرد وسيعي در علوم مختلف دارند. اين مواد در بسياري از وسايل که نيازمند تغيير انرژي مکانيکي به الکتريکي و يا بالعکس است، استفاده مي شوند. زمينه ي وسيعي از کاربردهاي مواد پيزوالکتريک وجود دارد و با وجود اين مسأله که اين مواد نزديک به يک قرن است که مورد مطالعه قرار گرفته اند. ولي هنوز هم پتانسيل استفاده شدن در کاربردها و ابداعات ديگر را دارند. البته به خاطر وسعت اين کاربردها از بيان آنها چشم پوشي مي کنيم

آلومینا و زیر کونیا
 

آلومینا و زیر کونیا دو بیوسرامیک نسبتاًً خنثی هستند .این دو ماده در هنگام استفاده شدن در بدن برای اهداف طولانی مدت به صورت اندک دچار تغیرات شیمیایی در مایعات بدن می شوند. آلومینایی با دانستیه وخلوص بالا >99.5y)) در ساخت برخی از امپلنت های مخصوصاً پروتزهای مفصل ران استفاده می شود. درسال 2006 ، بیش از اپروتز مفصل ران (hip Protheses) استفاده شده است که در آن از یک گلوله ی آلومینایی به عنوان بخش بالایی (گوی ران ) استفاده شده است. شکل 1 بخش بالایی یک پروتز مفصل ران را با گلوله ی آلومینایی نشان می دهد اداره ی دارو و غذای آمریکا (FDA) درسال 1982 ، اجازه ی استفاده از آلومینا دراین کاربر را صادر کرده است.

اگر چه امپلنت های دندانی ساخته شده از آلومینا از تک کریستال ها ساخته می شوند اما بیشتر امپلنت های آلومینایی از پلی کریستال های با دانه های بسیار ریز ساخته می شوند. این نوع امپلنت ها معمولاً بوسیله ی فرآیند پرس پس از زینترینگ در دماهای بالا تولید می شوند. مقدار کمی MgO ( کمتر از O.5 درصد) به آلومینا افزوده می شود تا از رشد دانه ها جلوگیری کرده واجازه دهد تا دانسیته ی بالا بوسیله ی زینترینگ بدون اعمال فشار پدید آید. جدول 1 لیستی از خواص فیزیکی بیوسرامیک های آلومینا یی آورده شده است.

سازمان استاندارد جهانی (ISO) در مورد آلومینا استانداردهایی ارائه کرده است. ISO6474 استاندارد آلومینای مورد استفاده درساخت امپلنت ها ست .این استاندارد در سال 1994 ارائه شده است. (ISO: سازمان بین المللی استاندارد) البته باید گفت که علاوه بر ISO ، سایر سازمان های استاندارد نیز برای آلومینای مورد استفاده در کاربردهای پزشکی استاندارد خاص خود را دارند. مهمترین ویژگی یک امپلنت این است که طول عمر بیمار را افزایش دهد. به دلیل طبیعت ترد سرامیک ها ،پیش بینی دقیق طول عمر یک امپلنت امکان پذیر نیست. ولی این مسئله واضح است که افزایش نیرو و زمان بارگذاری باعث افزایش احتمال شکست سرامیک می شود. نتایج حاصله از آزمایشات خستگی و . ...نشان می دهد که باید امپلنت های آلومینایی با بالاترین استاندارد موجود ساخته شوند، مخصوصاً اگر امپلنت به عنوان یک امپلنت ارتوپدیک در بیماری جوان استفاده شود.
اگر چه سرامیک های آلومینایی دارای زیست سازگار پذیری مناسبی بوده و مقاومت به سایش خوبی دارند. ولی آنها دارای استحکام خنثی پایینی بوده وتافنس پایینی دارند. این مسئله باعث می شود تا ابعاد امپلنت های آلومینایی دارای محدودیت باشند وقطر اکثر آنها بیش از 32 میلی متر باشد. سرامیک های زیرکونیای دارای تافنس شکست واستحکام خنثی بالاتر ومدول یانگ پایین تری نسبت به سرامیک های آلومینایی هستند. به هر حال درمورد زیر کونیا نیز مسائلی وجود دارد.
استحکام خنثی و تافنس سرامیک های زیر کونیایی درمواجهه با مایعات بدن به میزان اندکی کاسته می شود. این مسئله به دلیل استحاله ی مارتنزیت فاز تتراگونال به مونو کلینیک اتفاق می افتد. یک چنین استحاله ای در محیط های آبکی مشاهده شده است . مقاومت سایشی زیر کونیا از آلومینا کمتر است . درترکیبات سرامیک، سرامیک ، سرعت سایش زیرکونیا می تواند به میزان زیادی از آلومینا بیشتر باشد. البته هنگامی که زیر کونیا با پلی اتیلن با وزن ملکولی بسیار بالا ( VHMWPE) ترکیب شود، سایش مفرط پلیمر اتفاق می افتد.
زیر کویناممکن است دارای درصد پایینی عناصر رادیواکتیو با نیمه عمر طولانی مانند Th و U باشد، که جداسازی این عناصر مشکل وهزینه بر است.دراین زمینه بزرگترین مشکل این است که این عناصر پرتو ∝ (اتم هیلیوم دوبار مثبت) از خود ساتع می کنند که این پرتوها می تواند بافت های نرم و سخت اطراف خود را تخریب کند.اگر چه این فعل وانفعالات بسیار کم هستند ولی این سؤال وجود داردکه اثرات دراز مدت پرتوهای ساتع شده از سرامیک های زیر کونیایی به بدن چیست؟

شیشه های بیواکتیو
 

مواد بیواکتیو بین امپلنت وبافت های اطرافش پیوند ایجاد می کنند.
Hench Andersson ( 1993) تعریفی از این مواد به صورت زیر اراته کردند:
یک ماده ی بیواکتیو ماده ای است که با بوجود آوردن یک پاسخ بیولوژیک در سطح خود موجب تشکیل پیوند بین خود و بافت ها می شود.
اولین مطالعات انجام شده در زمینه ی شیشه های بیواکتیو در دانشگاه فلوریدا انجام شد.این تحقیقات سبب تولید تجاری بیوگلاس 45S5 ( bioglass 45s5) شد. بیوگلاس 45S5 یک شیشه ی اکسیدی با ترکیب چند گانه است. که ترکیب مواد تشکیل دهنده ی آن عبارتست از 45% وزنی ، 24.5% وزنی ، 24.4 % وزنی CaO و 6% وزنی .
عناصر اصلی تشکیل دهنده ی شیشه های بیواکتیو امروزی نیز از همین 6 ماده است. (شیشه های بیواکتیو امروزی همگی از جنس شیشه های سیلیکاتی هستند.) به هر حال ساختار بیوگلاس 45S5 از شیشه های سیلیکاتی متفاوت است.شیشه های بیواکتیو دارای ساختار دو بعدی صفحه ای هستند که دارای دانسیته ی پایینی هستند.این ساختار باعث می شود درصد نسبی سیلیس در آنها کم باشد.بیوگلاس ها از لحاظ مکانیکی ضعیف هستند و دارای تافنس شکست پایینی هستند. این دو خاصیت به دلیل ساختار شیشه ای بوجود می آید.
شیشه های بیواکتیو را می توان بسهولت بوسیله ی فرایند های تولید سایر شیشه های سیلیکاتی تهیه کرد.دراین روشها اکسید های اصلی ویا ترکیباتی که پس از تجزیه تولید اکسید می کنند، با نسبت های معین مخلوط می شوند. در دمای بالا ذوب می شود. تا ذوبی هموژن پدید آورند.پس از سردکردن مذاب، شیشه بوجود می آید.به دلیل آنکه از شیشه های بیواکتیو در داخل بدن استفاده می شود. این مسئله ضروری است که مواد اولیه ی مورد استفاده خلوص بالایی داشته باشند وعملیات ذوب در بوته ی پلاتینی (یا آلیاژی از پلاتین) انجام می شود تا میزان ناخالصی ها حداقل میزان ممکنه باشند.
شیشه های بیواکتیو دارای خواص ویژه ای هستند که این خواص آنها را جهت استفاده شدن در بدن مناسب می کند.
مزایا:
واکنس سطحی این مواد نسبتاًً بالاست. که این مسئله منجر به پیوند سریع بافت به ماده می شود. این فرآیند دارای 5 مرحله است.سرعت واکنش ومکانیزم های هر کدام از بخش های این فرآیند بوسیله ی اسپکتروسکوپی FTIR محاسبه شده است. پیوند خوردن بافت به ماده ی بیواکتیو نیازمند رخ دادن واکنش های دیگری است که درحال حاضر مورد بررسی قرار نگرفته اند . امامی توان گفت که فرآیند پیوندخوردن هنگامی شروع می شود که بخش زنده بر روی لایه ی سیلیس ، هیدروکسی کربوآپاتیت جذب شود. علاوه بر این مدول یانگ این مواد در گسترده ی 30- 35MPa است که به مدول یانگ استخوان متراکم نزدیک است.
معایب.
این مواد از لحاط مکانیکی ضعیف اند. استحکام پیوند درحالت کششی به طور نمونه بین 40-60MPa است.علاوه بر این مسئله تافنس شکست این مواد پایین است.
به عنوان نتیجه ای از بحث بالا باید گفت شیشه های بیواکتیو در کاربردهای بار کش (bearing load) استفاده نمی شوند.به جای آن از آنها به عنوان پوشش در فلزات و وسایلی که میزان بار اعمالی بر آنها کم است یا حالت اعمال نیرو فشاری است، استفاده می شود. شیشه های بیواکتیو به دو شکل پودری وکامپوزیتی استفاده می شود. اولین استفاده ی موفق از بیوگلاس 45S5 ، استفاده از آن در استخوان کوچک گوش میانی است. حالت این استخوان در شکل 2 نشان داده شده است.

شیشه های بیواکتیو مخروطی شکل درجراحی های دهانی استفاده می شود. دراین کاربرد شیشه ی بیواکتیو عیوب بوجود آمده درفک ( به دلیل خارج شدن دندان ها ) را پر می کند. امپلنت های تولیدی از شیشه ی بیواکتیو همچنین برای ترمیم استخوان نگهدارنده ی چشم استفاده می شود.
شیشه های بیواکتیو در حالت پودری برای درمان بیماری های دندانی وناتوانی تحرک تارهای صوتی استفاده می شود. همچنین از این مواد در بازسازی استخوان فک نیز استفاده می شود.
منبع انگلیسی مقاله :ceramic materials/c.Barry Carter.m.Grant Norton

شیشه های بیواکتیو یکی دیگر از پوشش های مهم امپلنتها هستند. این شیشه ها معمولا بوسیله ی یکی از روش های زیر اعمال می شوند:
لعاب زنی (enameling)
اسپری کردن بوسیله ی شعله (Flame Spraying)
روش تشکیل پوشش به روش غوطه وری (Dip Coating)
روش اسپری شعله شبیه به روش پلاسما اسپری است با این تفاوت که گاز حامل یونیزه نشده و دماهای مورد استفاده در این روش به مراتب پایین تر از روش پلاسما اسپری است.
در روش تشکیل پوشش به روش غوطه وری امپلنت فلزی ابتدا اکسید شده سپس به داخل شیشه ی مذاب غوطه ور می شود اکسید کردن امپلنت به این دلیل است که خواص تر شوندگی فلز بهبود یابد.
روش لعاب زنی یک روش سنتی برای تولید پوشش های شیشه ای است. در این روش از یک فرم خاص شیشه به نام فریت ( frit) استفاده می شود.

این ماده بوسیله ی سرد کردن سریع شیشه در داخل آب بوجود می آید. فریت که به صورت ذرات درشت است، ابتدا آسیاب شده و سپس بر روی زیر لایه ی فلزی اعمال می شود. به همراه فریت مواد خاصی مصرف می شود که چسبندگی فلز و پوشش افزایش یابد. این مواد خاص با فریت و فلز واکنش می دهند و سبب افزایش چسبندگی شیمیایی می شوند.به هر حال این روش به طور موفقیت آمیز برای اعمال شیشه های بیواکتیو استفاده نشده است و از این رو روش های دیگر جایگزین شده است.

شیشه های رادیوتراپی
 

شیشه های آلومینو سیلیکاتی ایتریایی (YAS)که شیشه هایی رادیو اکتیو هستند برای پرتو افکنی به تومورهای سرطانی درمحیط بدن استفاده می شوند. اگر چه تومورهای کبدی درحالت اولیه در ایالات متحده ی امریکا نسبتا کمیاب هستند اما این نوع ترمورها بسیار کشنده هستند. و سالانه 3000-4000 مرگ در ایالات متحده ی آمریکا و 1.2 میلیون مرگ در جهان به دلیل این تومورها رخ می دهد. نکته ی مهم تر این است که بیشتر این ترمورها قابل عمل نیستند. زیرا عمل جراحی آنها دارای پیچیدگی فراوانی است. پرتو افکنی تومورها در داخل بدن اجازه می دهد تا با تمرکز پرتو افکنی با کمترین میزان آسیب، تومور را از بین برد. این روش یکی از روش های مهم در درمان این بیماری است. شیشه های YAS به دلایل زیر برای این کار برد مناسبند:
سمی نیستند.
به آسانی رادیو اکتیو می شوند.
در حالی که رادی اکتیو هستند، این مواد از لحاظ شیمیایی نامحلول هستند.
فرآیند سل ژن برای تولید شیشه ای YAS کروی استفاده می شود. خاصیت رادیو اکتیو این نوع شیشه ها به دلیل وجود ایزوتوپ 90Yاست. این نوع ایزوتوپ از خود پرتو β ساتع می کند و دارای نیمه عمر 64.1 ساعت است. میانگین نفوذ پرتو β (الکترون ها) در بدن 2.5 میلی متر است. (ماکزیم نفوذ 10 میلی متر است). برای آنکه ماده ی رادیو اکتیو به محل های وجود تومور برسد1- 15 میلیون گوی کوچک میکرومتری به داخل شریان کبدی ترزیق می شود. در این حالت خون وظیفه ی رساندن این مواد به محل های مورد نظر را دارد. زمان درمان 2-4 ساعت است. اندازه ی قطر گوی های کوچک بین 35-15Mm است. این اندازه به صورتی است که اجازه می دهد تا جریان خون کبد آنها را حمل کند اما به اندازه ای بزرگ هستند که وارد کل جریان خون نشوند. گوی های کوچک وارد شده به کبد در محل تومورها تمرکز می یابند که علت آن این است که توده ی توموری میزان مصرف خون بیشتری نسبت به بافت های اطراف خود دارد. با وجود عناصر رادیو اکتیو در اخل تومور عمل پرتو افکنی به درستی انجام می شود و به دلیل آنکه نیمه عمر ماده ی رادیو اکتیو مورد استفاده 64.1 ساعت است پس از سه هفته اثرات رادیو اکتیویته از بین می رود.
اگر چه استفاده از گوی های کوچک رادیو اکتیو در درمان سرطان جگر در مراحل اولیه ی خود است ولی محصولات تجاری ساخته شده بوسیله ی این تکنولوژی با نام تجاری Therasphere در آمریکا و کانادا تولید می شود. و از این دارو برای درمان سرطان غیر قابل جراحی کبد استفاده می شود. سایر کاربردهای پزشکی این گوی ها در درمان سرطان های کلیه و مغز است.
شکل 1 میکروکره های ساخته شده از شیشه های برات کلسیم لیتیم (LCB) را نشان می دهد.

این نوع میکروکره ها با عبور شیشه از بین یک شعله ی با دمای بالا تولید شده اند. از روش مشابه با روش عبور از شعله می توان برای تولید میکروکره های شیشه ی YAS استفاده کرد . میکروکره های LCB به داخل میکروکره های توخالی هیدروکسی آپاتیت وارد می شود. این سیستم ها در رسانش داروئی کاربرد دارند.

دریچه های مصنوعی قلب
 

کربن یک بیوسرامیک مهم است. این ماده هم زیست سازگار پذیر است و هم از لحاظ شیمیایی خنثی است. کربن به فرم های مختلفی وجود دارد. مهم ترین فرم کربن برای کاربردهای بیومدیکالی یک نوع گرافیت پیرولیتیک (Pyrolytic graphite) است. که فرم ایزوتروپیک دما پایین (LTI Carbon) نامیده می شود.
این ماده دارای ساختاری غیر منظم بر پایه ی گرافیت است. (از این رو به آن گرافیت توربو استراتیک (turbostratic Carbon) می گویند. در کربن توربواستراتیک توالی ABABA توده از حالت چرخش رندوم خارج شده یا با لایه هایی نسبت به همدیگر جایگزین گشته است.
کریستال های کربن LTI تنها اندازه ای برابر 10 نانومتر دارند و در ماده ی بالک به صورت رندوم قرار گرفته اند. این ریز ساختار موجب می شود که ماده دارای خواص و ویژگی های فیزیکی ایزوتروپیک باشد. (برخلاف گرافیت که دارای ساختار آن ایزوتروپیک است). دانستیه وخواص مکانیکی LTI به تعداد جاهای خالی کربن درهر لایه و اعوجاج بین صفحات بستگی دارد. دانسیته ی این ماده بین 1400kg/m_3 - 2200 است. ( 2200kg/m_3 دانسیته ی تئوری است).
کربن LTI با دانستیه ی بالا سخت ترین فرم کربن استراتیک است. ما می توانیم استحکام این مواد را با افزودن Si افزایش دهیم. با افزوده شدن Si به این مواد ذرات میکرونی غیر – مداومی از β-sic تشکیل می شود که به صورت اندوم در زمینه کربین پرولیتیک (با دانه های کروی) پراکنده شده اند.
با استفاده از فرآیند رسوب دهی شیمیایی از حالت بخار (CVD) می توان کربن و Sic را به صورت مشخص رسوب داد و آلیاژهایی از Si و LTI تولید کرد. دو واکنش ممکنه عبارتند از :
تجزیه ی پروپان:
تجزیه ی متیل تری کلروسیلان:
یکی از کاربردهای اصلی کربن LTI در ساخت پروتز دریچه ی قلب است. (شکل 2)

این کاربرد یکی از کاربردهای با شرایط بسیار سخت برای مواد بیولوژیک است. اولین استفاده از کربن LTI به عنوان دریچه ی قلب در سال 1969 گزارش شده است. اکثر دریچه های مصنوعی قلب که امروزه استفاده می شوند از جنس کربن پیرولیتیک LTI پالایش یافته با سیلسیم (Si) هستند.

سرامیک دندانی
 

پرسلان های فلدسپاتیک (پرسلان هایی بر پایه ی فلدسپار) به عنوان پوشش دندان استفاده می شوند. که علت این استفاده مسائل زیبایی است . این پوشش ها معمولا 500 میکرون ضخامت دارند. امروزه این مواد عمدتاً با شیشه ها جایگزین شده اند. (اگر چه نام آنها تغییر نکرده است.) لوسیت (Lucite): فلدسپات پتاسیک) عمدتاً برای بهبود ضریب انبساط حرارتی این پوشش ها استفاده می شده است.دی کور (Dicor) یک شیشه سرامیک است که به وسیله ی کورنینگ (corning) و برای جایگزینی دندان ها توسعه یافت. در این روش دندان بوسیله ی شیشه ریخته گری می شود که در این فرآیند از یک قالب مومی استفاده می شود. سپس شیشه ی ریخته گری شده با اعمال عملیات حرارتی به سرامیک تبدیل می شود. آلومینا نیز برای تولید دندان استفاده می شود. (اگر چه به دلیل وجود تخلخل دندانهای آلومینایی در هنگام استفاده شدن می شکنند). یکی از راه بهبود این مواد پالایش آلومینا با شیشه های دارای لانتانیوم است. روش ترمیم متفاوت با این نوع امپلنت ها در شکل 3 نشان داده شده است.

منبع انگلیسی مقاله : Caramic Materials/C.Barry Carter.M.GrantNorton

تحلیلی در مورد سراميك هاي پيشرفته

سراميک هاي پيشرفته نسل جديدي از سراميک ها هستند که داراي خواص بهتري نسبت به سراميک هاي سنتي بوده و کاربردهاي زيادي را به خود اختصاص داده‌اند. متن زير خلاصة گزارش موسسة SCUP درمورد سراميک‌هاي پيشرفته است:

سراميک ها موادي غيرآلي و غيرفلزي هستند که مقاومت خوبي در دماي بالا از خود نشان مي‌دهند. در ابتدا مواد اولية سراميکي بصورت پودر هستند سپس در شکل‌هاي مختلف به اجسام صلب تبديل مي شوند. سراميک ها مي‌توانند بصورت آمورف (بي‌شکل)، تک‌فاز، چندفاز، تک‌کريستال و پلي‌کريستال وجود داشته باشند و خواص اين مواد بستگي به ساختار اتمي آنها دارد. محصولاتي مثل آجرها، کاشي، چيني (بصورت ظروف غذا و چيني بهداشتي)، نسوزها، ساينده‌ها، شيشه‌آلات (شيشه‌هاي تخت، ظروف شيشه‌اي) و لعاب‌هاي چيني جزو سراميک هاي سنتي هستند و در گروه سراميک هاي پيشرفته قرار نمي‌گيرند.

سراميک هاي پيشرفته داراي خواص فيزيکي، الکترونيکي و مکانيکي خاصي هستند که آنها را نسبت به سراميک هاي سنتي برتري بخشيده است. سراميک هاي پيشرفته در پنجاه سال گذشته توسعة خوبي يافته‌اند. بازار سراميک هاي پيشرفته که قسمت عمدة آن در آمريکا، اروپاي غربي و ژاپن قرار دارد، در سال 2000 بالغ بر 20.2 ميليارد دلار بوده است. البته خلق کاربردهاي جديدي براي اين مواد باعث ايجاد يک رشد 4 درصدي براي بازار اين مواد تا سال 2005 خواهد شد.




سراميک‌هاي الکترونيکي

عمده‌ترين استفادة سراميک هاي پيشرفته در صنايع الکترونيک است که حدود 66 درصد کل مصرف سراميک هاي پيشرفته را به خود اختصاص مي دهند. مهم‌ترين مواد سراميکي براي کاربردهاي الکترونيکي، اکسيدهاي خالص يا مخلوطي از اکسيدها هستند که شامل آلومينا، زيرکونيا، سيليسيا، فريت ها، تيتانات باريم اصلاح‌شده و تيتانات و زيرکونات سرب مي‌باشند. فيبرها، محافظ‌ها در مدارهاي الکتريکي و الکترونيکي، خازن ها، تبديل‌کننده‌ها، القاگرها، ابزارهاي پيزوالکتريکي و سنسورهاي فيزيکي و شيميايي عمده‌ترين موارد استفا‌دة سراميک هاي الکترونيکي هستند. ميزان بازار جهاني سراميک هاي الکترونيکي در نيمة پاياني سال 2000، حدود 13.3 ميليارد دلار بوده است. مواد مورد مصرف در مدارهاي IC مجتمع، محافظ‌هاي الکترونيکي و خازن ها تقريباً 67 درصد بازار سراميک هاي الکترونيکي را بخود اختصاص داده‌اند. بازار محصولات سراميکي الکترونيکي اگر چه نسبتاً بزرگ است ولي نرخ رشد آنها از نرخ رشد دو رقمي که در چند دهة گذشته از خود نشان داده‌اند بيشتر نيست.


سراميک هاي ساختاري

استفاده از سراميکها در کاربردهاي ساختاري کمتر از 19 درصد کل بازار است. سراميک هاي ساختاري بعنوان اجزاء تحمل‌کنندة تنش يا پوشش قسمت هايي که تحت تنش هستند شناخته مي‌شوند. علاوه بر اين، مقاومت سراميک ها در برابر خوردگي، سايش و دماي بالا، اين مواد را براي کاربرد در تجهيزات صنعتي زيادي مناسب ساخته است. افزايش بازده و کاهش مصرف انرژي، محرک تحقيقات بر روي سراميک هاي ساختاري پيشرفته است. در سال 2005 شاهد بازار جهاني 4.5 ميليارد دلاري براي سراميک هاي ساختاري خواهيم بود و رشد خوبي در بازار اجزاي مقاوم به سايش، ياطاقان‌ها، درزگيرها، تجهيزات فرآيندها و پوشش هاي سراميکي محقق مي‌شود. بيشترين مواد اوليه مورد استفاده در سراميک هاي ساختاري انواع گوناگون اکسيدآلومينيوم، زيرکونيا، کاربيد سيليسيم و نيتريد سيليسيم مي‌باشد.


پودرها و افزودنيها

در حوزة سراميکهاي سنتي، پودرها مواد غيرآلي هستند که در فرآيندهاي مختلف بصورت بلوک يا قطعة نهايي شکل مي‌گيرند و افزودنيها مواد غيرآلي هستند که استفاده از پودرها را در فرآيندهاي مختلف آسان مي‌کنند و در قطعة نهايي باقي نمي‌مانند. اين تعريف‌ها صحت خود را تا حد زيادي در مورد سراميک‌هاي پيشرفته که از تکنولوژي‌هاي پيچيدة شيميايي بهره‌ مي‌برند، از دست داده‌اند.

پودرهاي سراميکي پيشرفته و افزودني‌ها بعنوان مواد خام براي سراميک هاي ساختاري و سراميک هاي الکترونيکي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. پودرهاي سراميکي پيشرفته بازاري بالغ بر 2.7 ميليارد دلار را به خود اختصاص داده‌اند که رشد متوسطي معادل 2 درصد براي آنها تا سال 2005 پيش‌بيني شده است. پوردهاي اکسيدي 85 درصد از اين بازار را از نظر ارزش و 95 درصد را از نظر وزن به خود اختصاص داده‌اند. بقية بازار مربوط به غيراکسيدي‌هايي نظير کاربيد سيليسيم، نيتريد سيليسيم، نيتريد آلومينيوم و تيتانيوم دي‌برايد است. پودرهاي آلومينيومي با کارايي بالا، پودرهاي زيرکونيا که در بيوسراميک ها استفاده مي‌شوند و کاربردهاي مربوط به سيستم‌هاي مخلوط چند اکسيدي مثل شيشه‌سراميک ها و سراميک هاي با ضريب انبساطي پايين، رشد متوسط بالاتري را از خود نشان خواهند داد. رشد بازار افزودني‌ها کمي بيشتر از پودرها خواهد بود که علت آن رواج افزودني‌هاي با کارايي بالا و افزودني‌هاي قوي در روش‌هاي توليد از قبيل شکل دادن گرم و سرد و قالب‌گيري تزريقي است

خلاصه

در اين مقاله پس از تعريف نانوتكنولوژي به تعريف نانوسراميك اشاره شده است. نانوسراميك ها، سراميك هايي هستند كه در ساخت آنها از اجزاي اوليه در مقياس نانو (مانند نانوذرات، ناتوتپوپ ها و نانولايه ها) استفاده شده است سپس به مراحل تكامل نانوسراميك ها اشاره شده كه عبارتند از مرحله اول سنتز اجراي اوليه، مرحله دوم، ساخت ساختارهاي نانو با استفاده از اين اجزاء و كنترل خواص و مرحله سوم: ساخت محصول هايي با استفاده از نانو سراميك بدست آمده از مرحله دوم - در قسمت ديگري از مقاله به ويژگيهاي سراميك ها اشاره شده است كه از جمله به خواص چون كوچك، سبك، داراي خواص جديد، چند كاربردي، هوشمند و داراي سازماندهي مرتبه اي اشاره شده است. كاربردهاي نانو سراميك ها نيز در صنايع مختلف در اين مقاله توضيح داده شده است.

مقدمه

زمان ظهور نانوسراميك‌ها را مي‌توان دهة 90 ميلادي دانست. در اين زمان بود كه با توجه به خواص بسيار مطلوب پودرهاي نانوسراميكي، توجهاتي به سمت آنها جلب شد، اما روشهاي فرآوري آنها چندان آسان و مقرون به‌صرفه نبود. با پيدايش نانوتكنولوژي، نانوسراميك‌ها هرچه بيشتر اهميت خود را نشان دادند. در حقيقت نانوتكنولوژي با ديدگاهي كه ارائه مي‌كند، تحليل بهتر پديده‌ها و دست‌يافتن به روشهاي بهتري براي توليد مواد را امكان‌پذير مي‌سازد.

شكل‌گرفتن علم و مهندسي نانو، منجر به درك بي‌سابقة اجزاي اوليه پاية تمام اجسام فيزيكي و كنترل آنها شده‌است و اين پديده به‌زودي روشي را كه اغلب اجسام توسط آنها طراحي و ساخته مي‌شده‌اند، دگرگون مي‌سازد. نانوتكنولوژي توانايي كار در سطح مولكولي و اتمي براي ايجاد ساختارهاي بزرگ مي‌باشد كه ماهيت سازماندهي مولكولي جديدي خواهندداشت و داراي خواص فيزيكي، شيميايي و بيولوژيكي جديد و بهتري هستند. هدف، بهره‌برداري از اين خواص با كنترل ساختارها و دستگاهها در سطوح اتمي، مولكولي و سوپرمولكولي و دستيابي به روش كارآمد ساخت و استفاده از اين دستگاهها مي‌باشد. هدف ديگر، حفظ پايداري واسط‌ها و مجتمع‌نمودن نانوساختارها در مقياس ميكروني و ماكروسكوپي مي‌باشد.

هميشه با استفاده از رفتارهاي مشاهده‌شده در اندازه‌هاي بزرگ، نمي‌توان رفتارهاي جديد در مقياس نانو را پيش‌بيني كرد و تغييرات مهم رفتاري صرفا" به‌خاطر كاهش درجة بزرگي اتفاق نمي‌افتند، بلكه به دليل پديده‌هاي ذاتي و جديد آنها و تسلط‌يافتن در مقياس نانو بر محدوديتهايي نظير اندازه، پديده‌هاي واسطه‌ا‌ي و مكانيك كوانتومي مي‌باشند.


نانوسراميك‌ها

نانوسراميك‌ها، سراميك‌هايي هستند كه در ساخت آنها از اجزاي اوليه در مقياس نانو (مانند نانوذرات، نانوتيوپ‌ها و نانولايه‌ها) استفاده شده‌باشد، كه هركدام از اين اجزاي اوليه، خود از اتمها و مولكولها بدست آمده‌اند. بعنوان مثال، نانوتيوپ يكي از اجزاي اوليه‌ا‌ي است كه ساختار اولية كربن c60 را تشكيل مي‌دهد. مسير تكامل نانوسراميك‌ها را مي‌توان در سه مرحله خلاصه كرد:
مرحلة 1 : سنتز اجراي اوليه
مرحلة 2 : ساخت ساختارهاي نانو با استفاده از اين اجزاء و كنترل خواص
مرحلة 3 : ساخت محصول نهايي با استفاده از نانوسراميك بدست‌آمده از مرحلة دوم


ويژگيها

ويژگيهاي نانوسراميك‌ها را مي‌توان از دو ديدگاه بررسي كرد. يكي ويژگي نانوساختارهاي سراميكي، و ديگري ويژگي محصولات بدست‌آمده است.
ويژگيهاي نانوساختارهاي سراميكي :
كوچك، سبك، داراي خواص جديد، چندكاركردي، هوشمند و داراي سازماندهي مرتبه‌ا‌ي.
ويژگيهاي محصولات نانوسراميكي :
- خواص مكانيكي بهتر: سختي و استحكام بالاتر و انعطاف‌پذيري كه ويژگي منحصربه‌فردي براي سراميك‌هاست.
- داشتن نسبت سطح به حجم بالا كه باعث كنترل دقيق بر سطح مي‌شود.
- دماي زينتر پايين‌تر كه باعث توليد اقتصادي و كاهش هزينه‌ها مي‌گردد.
- خواص الكتريكي، مغناطيسي و نوري مطلوب‌تر: قابليت ابررسانايي در دماهاي بالاتر و قابليت عبور نور بهتر.
- خواص بايويي بهتر (سازگار با بدن).


كاربردها

نانوتكنولوژي باعث ايجاد تحول چشمگيري در صنعت سراميك گشته‌است. در اين ميان نانوسراميك‌ها، خود باعث ايجاد تحول عظيمي در تكنولوژي‌هاي امروزي مانند الكترونيك، كامپيوتر، ارتباطات، صنايع حمل‌ونقل، صنايع هواپيمايي و نظامي و … خواهندشد. برخي كاربردهاي حال و آيندة نانوسراميك‌ها در جدول زير آمده‌ است

استفاده از کامپوزیتهای سرامیکی مستحکم و با دوام به جای مواد فلزی در ماشین های توربینی میتواند موتور های موشکی اینده را به طرز چشم گیری ارتقا و بهبود بخشد مهندسان مرکز سازمان پرواز های فضایی ناسا در هانتزویلی، در حال تحقیق بر روی استفاده از کامپوزیتهای سرامیکی در توربین موتور موشک هستند تا از این طریق بتوانند میزان ایمنی را بالا ببرند وهزینه استفاده مجدد از وسایل پرتاب را کاهش دهند.



عمده کارخانجاتی که موتور موشک میسازند ارتقای توربین ها را بعنوان یکی از نیازهای بزرگ خود مطرح کرده اند توربین موتور موشک ها صفحه ای فلزی است که تیغه های(پره) فلزی بصورت جداگانه ای به ان متصل شده اند وظیفه ی یک توربین تامین نیروی پمپ کردن است که از این طریق نیروی محرکه موتور را تامین و تنظیم می کند.

در مرکز سازمان مهندسان صفحه ی پره داری را ازمایش میکنند که بلیسک(bladed dick صفحه ی پره دار) نام دارد این توربین از کامپوزیت های سرامیکی ساخته شده است که میتواند گرما و نوسان بسیار زیادتری را نسبت به توربین های نیکل الومینیومی سنتی تحمل کند ماده ای که در این دیسک بکار رفته است ساختاری از فیبر کربن پیوسته است که با یک ماتریس کاربید سیلیسیم مستحکم شده است ماده ای که به اجبار در میان فیبر کربن ته نشین شده است ماتریس کامپوزیت سرامیک ساختاری شبیه به لایه های چندگانه ی پارچه دارد که با اهاری به شدت نیرومند انباشته شده اند.

یک ماده کامپوزیتی ساخته شده فواید بسیاری را به همراه دارد یکی از ویژگی های فوق العاده این ماده مقاوومت بالا در برابر اسیب دیدن است در ازمایشی طولانی بلیسک سرامیکی به طور عادی به کار خود ادامه داد با وجود ان که ترکی در یکی از تیغه های ان بوجود امده بود مهندسان بعد از یافتن ترک در تیغه توربین سرامیکی ان را میلیونها دور چرخاندند و این ازمایش مقاومت بالای این نوع توربین در زیر فشار را به اثبات رساند.

بلیسک سرامیکی میتواند در برابر گرمایی حدود 2000 درجه ی فارنهایت(1093 درجه ی سلسیوس) ایستادگی کند که این میزان خیلی بالاتر از دمای 1200درجهفارنهایت(649 درجه سلسیوس) است که توربین های الومینیوم نیکلی میتوانند در ان تاب بیاورند دادن گرمایی بیشتر از این میزان به توربین باعث جلوگیری از ایجاد نیروی محرکه ی موتور میشود وعامل کاهش سوخت میباشد افزایش راندمان موتور باعث بالا بردن دور موتور و قدرت بیشتر میشود به اضافه ی این که بلیسک تنها یک چهارم وزن توربین های فلزی را داراست بنابراین وزن کمتر شده ی بلیسک بار گیری را افزایش می دهد.

مرکز سازمان دوازده بار بلیسک را در موتور موشک ازموده است و این ازمایشات اطلاعات فراوانی را برای پیش بینی میزان عمر کامپوزیتهای سرامیکی مورد استفاده در موتور موشک در اختیار ما قرار می دهند.

این توربین در سرعت چرخش 25000 دور در دقیقه تست شده است که 10 برابر میانگین سرعت چرخش موتور ماشین است.

بلیسکی که در ازمایشات مورد استفاده قرار میگرفت 7.6 اینچ (19سانتیمتر) قطر و 3.4 اینچ (2 سانتیمتر) ضخامت داشت ودر کامپوزیتهای پیشرفته ی هانیول در نیویورک ساخته شده بود.

مرکز تحقیقات گلن ناسا در سلولند و اهایو و دانشگاه الاباما نیز در پروزه ی کامپوزیتهای سرامیکی با مرکز تحقیقات ناسا همکاری اشته اند.

این مواد به همان اندازه میتوانند تجهیزات صنعتی و ژنراتور های قدرت را نیز بهبود بخشند

Jay Leno مجري تلويزيوني معروف، اخيراً در مورد کلاژهاي کامپوزيتي سراميکي مورد استفاده در ماشين Carrera GT شرکت پورشه يک بحث تلويزيوني انجام داد. پس از يک تست رانندگي او گفت: پس از اينکه با سرعت زياد رانندگي مي کنيم، براي کاهش چرخش چرخ ها، بهترين راه استفاده از اين نوع سيستم ترمز است. اين ماشين هرگز ليز نمي خورد و هميشه خوب کار مي کند. يک پورشه مدل Correra GT در مدت 3.6 ثانيه به سرعت حداکثر 60 مايل بر ساعت مي رسد. همچنين در مدت يک ربع به سرعت 131.6 مايل بر سرعت مي رسد.
و حتي تا سرعت بيش از 205 مايل بر ساعت نيز مي رسد ما بايد براي اين مسأله از کلاژهاي سراميکي تشکر کنيم زيرا بوسيله ي آنها، شما مي توانيد سرعت خود را بمراتب بالا ببريد. موتور مورد استفاده در پوشه ها، دور موتوري بيش از 20.000 دور بر دقيقه دارد.

کلاژ چندصفحه اي Carrera GT سبک تر (7.7 پوند يا 3.5 کيلوگرم) و کوچکتر از هر نوع کلاژقابل قياس است. اين مسأله منجر به اين شده است که کلاژهاي مورد استفاده در 911 Turbo ، Pursche ، 50% وزني نسبت به کلاژهاي قبلي سبک تر باشند. مواد کامپوزيتي مورد استفاده ترکيبي از الياف بافته ي کربن با سيليسيم کاربيد است. سيليسيم کاربيد ماده اي است که سختي آن نزديک به الماس است.

همچنين اين ماده اصطکاک و مقاومت گرمايي خوبي نيز دارد. اين خواص باعث شده است که کامپوزيت هاي توليدي، انتخابي ايده آل براي کمک به انتقال بهتر نيرو به سنگ فرش خيابان شود. قطر صفحات کلاژ تنها 6.65 اينچ است. که اين مسأله باعث مي شود نيروي گريز از مرکز بوجود آمده کمتر شود و هرچه قطر کلاژ کوچکتر باشد در نتيجه موتور نيز کوچکتر مي شود

کامپوزيت هاي شامل سراميک که براي توليد بخش هاي چرخنده اتومبيل استفاده مي شوند، وسايل استانداردي براي ماشين هاي مسابقه اي هستند. اين مواد هم اکنون براي توليد برخي از مارک هاي معتبر در زمينه ي اتومبيل مانند ماشين هاي فراري (Ferrari) ، اکثر لامبورگيني ها (Lamborghinis) و پروشه ها (Porsehes)، Audi RS4 , Bentley Conti GT Diamond استفاده مي شود. اين ترمزهاي سراميکي باعث کاهش وزن وسيله ي نقليه به مقدار بيش از 10 پوند مي کند و بخاطر اينکه مقاومت حرارتي آن نيز بسيارخوب است عمر وسيله نيز افزايش مي يابد. عمر لايي هاي اين سيستم ترمز نيز سه برابر شده و کارايي آن بخاطر کاهش وزن به علت استفاده نکردن از فنر، بهبود مي يابد.( در اين سيستم اجزا و بدنه به صورت معلق قرار ندارند)

يک سيستم ترمز از جنس کامپوزيت هاي سراميکي بوسيله ي Starfire System ساخته شده است. که در زمينه ي مسابقات موتورسواري مورد آزمايش قرار گرفته و شرکت هايي همچون هندا (Honda) ، ياماها (YAMAHA)، کاوازاکي (Kawasaki)، سوزوکي (Susuki) و ... از آن استفاده کرده اند. يک موتورسوار حرفه اي با نام Josom Di Salyo سيستم ترمز توليدي توسط شرکت Starfire را مورد ارزيابي قرار داد. ارزيابي او بر روي يک موتور ياماهاي 2004 مدل YZF-R1 انجام شد که اين موتور مجهز به ترمزهاي کامپوزيتي خاص بود. اين ترمزها از قطعات پليمري شرکت sTARFIRE توليد شده اند که بوسيله ي بافته هاي الياف کربن تقويت مي شوند. بر خلاف ديسک هاي استيل قبلي، اين نوع چرخنده ها در هنگامي که دما بالا مي رود. واقعاً بهتر کار مي کنند.

اين قطعات باعث افزايش بازده موتور، شتاب و استحکام ترمز مي شود. اين مزايا در هنگامي که ترمزها بهبود يافتند شناخته شد. با بکار بردن قطعات غير فنري بيشتر اين موتورها مورد ترجيح قرار گرفته اند و براي استفاده در اجزاي کناري وسايل ترمز مورد استفاده قرار مي گيرند و موجب کاهش وزن تمام شده ي سيستم ترمز مي شود

نتايج آزمايشات عايق گرما و روکش سراميک

ميكرو گويچه هاي سراميكي

ميکروگويچه هاي سراميک عايق چه هستند ؟ چه کار ميکنند ؟ چگونه عمل مي کنند ؟


هر ميکروگويچه سراميک آنقدر کوچک است که با چشم بدون مسلح مانند يک دانه آرد بنظر مي رسد ( اندکي ضخيمتر از موي انسان ).ضخامت گويچه به اندازه يک دهم قطر آن است . سراميکهاي موجود درون افزوده مخلوط Hy Tech داراي مقاومت فشار حدودا ٢٨٠ ( کيلوگرم بر سانتيمتر مربع ) هستند . نقطه نرم شدن آنها حدود ١٨٠٠ درجه سانتيگراد است و در مقابل مواد شيميايي مقاوم هستند . سراميکهاي Hy Tech فاقد سم و نسوز هستند .
Hy Tech گامي فراتر رفته و با تخليه گاز درون ميکروگويچه ها . دردرون گويچه ها خلا ايجاد کرده است . بنا بر قوانين فيزيک از آنجايي که دردرون خلا هيچگونه ماده موجود نمي باشد هيچ چيزي نمي تواند از درون خلا از راه انتقال بگذرد . هنگام مخلوط شدن با رنگ با خشک شدن سطح مورد استفاده . ميکروگويچه ها به همديگر نزديک مي شوند و يک نوار فيلم صاف و هموار تشکيل مي دهند . ميکروگويچه هاي سراميک خلا دار به جهت ساختارشان همچنانکه مانع از انتقال گرما ميشوند ٩٥ درصد اشعه خورشيد و ٨٥ درصد اشعه ايکس را به اتمسفر منعکس مي کنند . عالي-فن ماده افزودني رنگ از آنجايي که فاقد هر گونه ماده سمي است به طبيعت و سلامتي انسان ضرر نمي رساند سطوحي که با اين ماده پوشانده شوند از اشعه مضر ايکس و حشرات در امان خواهند ماند . ميکروگويچه هاي سراميک عالي-فن همان مواد سراميک مورد استفاده در سپرهاي گرماي ماسوره هاي فضايي هستند .
Hy Tech ماده افزودني رنگ از آنجايي که فاقد هرگونه ماده سمي مي باشد . دوست طبيعت و سلامتي انسان است . سطوحي که با اين مواد پوشانده شوند از اشعه مضر ايکس و حشرات در امان خواهند ماند

 کاربرد سرامیک در علم پزشکی

مارس 2002- محققان  با استفاده از نانوشيمي، يك گروه جديد از مواد تركيبيي را توليد كرده و به نام سراميكهاي انعطاف‌پذير نامگذاري كرده‌اند. مواد جديد، كاربردهاي گسترده‌اي، از قطعات ميكروالكترونيكي گرفته تا جداسازي مولكولهاي بزرگ، مانند پروتئينها خواهند داشت.

آنچه در اين زمينه، حتي براي خود محققان، بيشتر جلب توجه مي‌كند آن است كه ساختمان مولكولي مادة جديد در زير ميكروسكوپ الكتروني (TEM) كه به صورت ساختمان مكعبي است، با پيشگوييهاي رياضي قرن گذشته مطابقت مي‌كند.  ، استاد علوم و مهندسي مواد دانشگاه كُرنل، مي‌گويد: "ما اكنون در تحقيقات پليمري به ساختمانهايي برخورد مي‌كنيم كه رياضيدانها مدتها قبل وجود آنها را از نظر تئوري اثبات كرده‌اند."

ساختمان مادة جديد، خيلي پيچيده‌تر از آن ماده‌ا‌ي است كه"Plumber’s nightmare" ناميده شده‌است.

ويسنر در گردهمايي سالانة  در مركز گردهمايي اينديانا، در مورد سراميكهاي انعطاف‌پذير جديد، ‌گفت: "رفتار فازي كوپليمر، موجب جهت دهي تركيبهاي نانوساختاري آلي/معدني مي‌شود." به عقيدة وي، اين ماده يك زمينة تحقيقاتي مهيج و ضروري است كه نتايج علمي و تكنولوژيكي بسيار هنگفتي از آن بدست مي‌آيد.
گروه تحقيقاتي ويسنر از طريق شكلهاي كاملاً هندسي كه در طبيعت يافت مي‌شوند، به طرف نانوشيمي هدايت شد. يك مثال كاملاً مشهود براي ساختار ظريف دو اتميها، جلبك تك‌سلولي است كه ديواره‌هاي پوستة آن از حفره‌هاي سيليكاتي كاملاً جانشين‌شده ساخته شده‌است. ويسنر مي‌گويد: "كليد طبيعي اين جانشيني، كنترل كامل شكل آنها از طريق خود ساماني تركيبات آلي، در جهت رشد مواد غيرآلي (معدني) است." محققان دانشگاه كُرنل تصديق كرده‌اند كه ساده‌ترين راه تقليد از طبيعت، استفاده از پليمرهاي آلي-‌مخصوصاً موادي موسوم به كوپليمرهاي دي‌بلاك – است؛ زيرا اين مواد مي‌توانند به‌طور شيميايي به صورت نانوساختارهاي با اَشكال هندسي مختلف ساماندهي شوند. اگر پليمر بتواند به طريقي با مواد غيرآلي (معدني) -‌يك سراميك، خصوصاً يك ماده از نوع سيليكاتي- ذوب شود، مادة تركيبي حاصل، تركيبي از خواص زير را خواهد داشت:

ü انعطاف‌پذيري و كنترل ساختار (از پليمر)

ü عملكرد بالا (از سراميك).

ويسنر مي‌گويد: "خواص مواد حاصل، فقط جمع سادة خواص پليمرها و سراميك نبوده، حتي ممكن است اين مواد خواص كاملاً جديدي نيز داشته ‌باشند." محققان دانشگاه كُرنل تاكنون فقط تكه‌هاي كوچكي از سراميك انعطاف‌پذير، با وزن چند گرم ساخته‌اند كه البته براي آزمايش خواص مواد، كافي است. مادة حاصل، شفاف و قابل خم‌كردن است، در عين حال مقاومت قابل توجهي داشته و بر خلاف سراميك خالص خُرد نمي‌شود.
دربعضي موارد، اين ماده، يك هادي يوني بوده و قابليت كاربرد به صورت الكتروليت‌ باتريهاي با كارآيي بالا را دارد. همچنين مادة جديد ممكن است در پيلهاي سوختي بكار برود.
در بعضـي مـوارد هندسـة 6 وجهـي مـاده-كه از طريـق جفت‌شـدن حاصـل مي‌شـود -بسيار بـه ساختـار دو اتميها شبيـه است. در عـوض ويسـنرمي‌گويد: "با دستيابي به اين ساختار مولكولي تقريباً مي‌توان گفت كه به طبيعت كامل‌شده‌ا‌ي دست يافته‌ايم."
ساختار متخلخل سراميكهاي انعطاف‌پذير وقتي شكل مي‌گيرد كه ماده در دماهاي بالا عمليات حرارتي شود. به عقيدة ويسز، اين در حقيقت اولين ماده با چنين هندسه و توزيع كم اندازة حفره‌هاست. چون ماده فقط حفره‌هاي 20-10 نانومتري دارد. محققين دانشگاه كُرنل، در تلاشند تا دريابند كه "آيا اين مواد مي‌توانند براي جداسازي پروتئينهاي زنده استفاده شوند؟"
ويسنرعقيده دارد كه به‌خاطر قابليت خود ساماندهي اين مواد، مي‌توان آنها را به صورت ناپيوسته و در مقياس زياد توليد كرد. او مي‌گويد: "ما مي‌توانيم ساختار را كاملاً كنترل كنيم. ما مي‌توانيم با كنترل خيلي خوبي اين ماده را به مقياس نانو برسانيم. ما حالا مي‌دانيم كه چگونه مجموعه‌ا‌ي از ساختارهاي با شكل و اندازه حفره‌هاي يكسان، بسازيم."

محققان دانشگاه كُرنل اين عمل را با كنترل "فازها" و يا با معماري مولكولي ماده بوسيلة كنترل‌كردن مخلوطي از پليمر و سراميك انجام مي‌دهند. ماده از چند مرحلة انتقالي عبور مي‌كند؛ از مكعبي به 6 وجهي و سپس به ‌نازك و مسطح و بعد به 6 وجهي وارونه و مكعبي وارونه. ماده پس از مرحلة مسطح و قبل از مرحلة 6 وجهي وارونه، به صورت ساختمان مكعبي دوگانه موسوم به Plamber’s nightmare مي‌باشد كه قبلاً در سيستمهاي پليمري يافت نشده‌بود. اين ساختمان اولين ساختار با چنين قابليت انطباق بالايي است كه بوسيلة تركيب خاصي از پليمرها و سراميكها توليد مي‌شود. ويسنرمي‌گويد: "اين شانس وجود دارد كه ما به مجموعه‌ا‌ي از ساختارهاي دوگانة ديگر كه در پليمرها وجود دارد و ديگران چيزي در مورد آنها نمي‌دانند، دست پيدا كنيم. ما راه را براي يافتن هرچه بيشتر چنين ساختارهايي باز كرده‌ايم

چکیده
1-1- مقدمه
در سال های اخیر شیشه سرامیک ها مورد توجه خاصی قرار گرفته اند. این نوع مواد دارای مزایای بیشتری نسبت به سرامیک ها و شیشه ها هستند. بطور معمول می توان فرایند شیشه سرامیک ها را به صورت تبلور کنترل شده و هدفمند شیشه تعریف نمود بطوری که بلورهای همگن به خوبی و یکنواخت در شیشه پخش شده باشد. هدفمندی و کنترل در تبلور بدین معنی است که اولا از مقادیر لازم جوانه زاهای مناسب استفاده کنیم و هم اینکه برنامه عملیات حرارتی خاصی بکار گرفته شود. در ابتدای ورود به بحث شیشه سرامیک مباحث اصول و مفاهیم علم شیشه را یادآوری می کنیم
مذاب از نقطهA سرد می شود و طبق قوانین ترمودینامیک، مذاب به صورت طبیعی مسیر ABCD را بر می گزیند و با طی این مسیر در زیر دمای Tfکه دمای انجماد است، به یک جامد بلوری تبدیل می شود. اما در واقعیت همه مواد این مسیر را طی نمی کنند و گاهی اوقات با طی مسیر ABE پیش می روند. مایع بدون این که انجماد حاصل کند تا نقطه E پیش می رود و مرتبا از سیالیت آن کاسته می شود. همانطور که در شکل ملاحظه می کنید، در حد فاصل B تا E اصطلاحا به مذاب Super cooled liquid اطلاق می شود. در نقطه E تغییر شیب محسوسی در منحنی حاصل می شود و عملا از این نقطه به بعد مایع صلب شده واین در حالی است که انجماد به مفهوم علمی خودش رخ نداده است. این است که شیشه را جامد مجازی می نامند. البته به هر حال آن چه پس از نقطه E وجود دارد، جامد محسوب می شود زیرا می دانیم جامد یک تعریف علمی دارد و آن رسیدن به حالتی است که شکل و حجم ماده ثابت بماند. این حالت در ویسکوزیته بالاتر 1013 پواز در شیشه حاصل می شود که همان دمای Tg یا انتقال به حالت شیشه ای است
تبلور بصورت یک آرزو در نهاد هر شیشه قرار دارد ولی ما مسیر ایده آل ترمودینامیکی را از مذابی که تمایل به تبلور و انجماد دارد می گیریم و به اجبار آن را به مسیر شیشه شدن هدایت می کنیم اما به تعبیر ساده بایدگفت که یک شیشه برای حصول به آرمان خویش همیشه در انتظار فرصت است. این فرصت یک فرصت کنیتیکی است و اگر فراهم گردد هر شیشه ای متبلور می شود. البته شاید در بعضی از سیستم های شیشه ای عمل تبلور به سختی انجام گیرد ولی بهر حال هر شیشه ای در صورت فراهم آمدن شرایط مناسب متبلور خواهدشد. عموما اگر در شیشه ای تبلور حاصل شود این یک نقص برای شیشه به حساب می آید اما علم بشر امروز این عیب را به حسن تبدیل کرده است و آن را به خدمت خود درآورده است. لازم بذکر است که در بسیاری موارد اصولا سرد کردن یک مذاب به گونه ای که هیچ تبلوری در آن رخ ندهد ممکن نیست و محصول تا حدی متبلور می شود]1[.
در بحث شیشه سرامیک ها تبلور شیشه به صورت کنترل شده و آن طور که مد نظر است ماست رخ می دهد و نه بهر صورتی که خود شیشه متبلور شود. حد تبلور متغیر است ولی عموما در شیشه سرامیک ها از 50 تا 100 درصد فاز بلوری وجود دارد]1[.
نقاط قوت صنعت شیشه نسبت به سرامیک:
· توانایی استفاده از روش های بسیار متنوع، سریع و اقتصادی شکل دهی شیشه ها نسبت به روش های بعضا پیچیده تر، آهسته تر و غیر اقتصادی تر در صنعت سرامیک. برای مثال می دانیم فرایند ساخت تیغه های نازک، الیاف و ... در صنعت شیشه بسیار اقتصادی تر و آسان تر نسبت به صتعت سرامیک انجام می گیرند.
· اتوماسیون بالا
· امکان بازیافت بیشتر در خط تولید شیشه نسبت به خط تولید سرامیک ها
· قابلیت کنترل بسیار دقیق نوع و مورفولوژی فازهای رسوب کننده و ریزساختار مربوطه در مرحله تبلور شیشه سرامیک ها.
برای یک تبلور موفق به جوانه های اولیه زیادی احتیاج داریم. (مرحله a) در مرحله (b) رشد انجام می شود و در مرحله (c) همزمان با بهم رسیدن دانه های رشد کرده، توقف تبلور را داریم. همانطور که ملاحظه می شود مقداری فاز شیشه باقی مانده وجود دارد

شیشه ها و شیشه سرامیکها
- مقدمه در سال های اخیر شیشه سرامیک ها مورد توجه خاصی قرار گرفته اند. این نوع مواد دارای مزایای بیشتری نسبت به سرامیک ها و شیشه ها هستند. بطور معمول می توان فرایند شیشه سرامیک ها را به صورت تبلور کنترل شده و هدفمند شیشه تعریف نمود بطوری که بلورهای همگن به خوبی و یکنواخت در شیشه پخش شده باشد. هدفمندی و کنترل در تبلور بدین معنی است که اولا از مقادیر لازم جوانه زاهای مناسب استفاده کنیم و هم اینکه برنامه عملیات حرارتی خاصی بکار گرفته شود. در ابتدای ورود به بحث شیشه سرامیک مباحث اصول و مفاهیم علم شیشه را یادآوری می کنیم1
مذاب از نقطهA سرد می شود و طبق قوانین ترمودینامیک، مذاب به صورت طبیعی مسیر ABCD را بر می گزیند و با طی این مسیر در زیر دمای Tfکه دمای انجماد است،

 

به یک جامد بلوری تبدیل می شود. اما در واقعیت همه مواد این مسیر را طی نمی کنند و گاهی اوقات با طی مسیر ABE پیش می روند. مایع بدون این که انجماد حاصل کند تا نقطه E پیش می رود و مرتبا از سیالیت آن کاسته می شود. همانطور که در شکل ملاحظه می کنید، در حد فاصل B تا E اصطلاحا به مذاب Super cooled liquid اطلاق می شود. در نقطه E تغییر شیب محسوسی در منحنی حاصل می شود و عملا از این نقطه به بعد مایع صلب شده واین در حالی است که انجماد به مفهوم علمی خودش رخ نداده است. این است که شیشه را جامد مجازی می نامند. البته به هر حال آن چه پس از نقطه E وجود دارد، جامد محسوب می شود زیرا می دانیم جامد یک تعریف علمی دارد و آن رسیدن به حالتی است که شکل و حجم ماده ثابت بماند. این حالت در ویسکوزیته بالاتر 1013 پواز در شیشه حاصل می شود که همان دمای Tg یا انتقال به حالت شیشه ای است1[.
تبلور بصورت یک آرزو در نهاد هر شیشه قرار دارد ولی ما مسیر ایده آل ترمودینامیکی را از مذابی که تمایل به تبلور و انجماد دارد می گیریم و به اجبار آن را به مسیر شیشه شدن هدایت می کنیم اما به تعبیر ساده بایدگفت که یک شیشه برای حصول به آرمان خویش همیشه در انتظار فرصت است. این فرصت یک فرصت کنیتیکی است و اگر فراهم گردد هر شیشه ای متبلور می شود. البته شاید در بعضی از سیستم های شیشه ای عمل تبلور به سختی انجام گیرد ولی بهر حال هر شیشه ای در صورت فراهم آمدن شرایط مناسب متبلور خواهدشد. عموما اگر در شیشه ای تبلور حاصل شود این یک نقص برای شیشه به حساب می آید اما علم بشر امروز این عیب را به حسن تبدیل کرده است و آن را به خدمت خود درآورده است. لازم بذکر است که در بسیاری موارد اصولا سرد کردن یک مذاب به گونه ای که هیچ تبلوری در آن رخ ندهد ممکن نیست و محصول تا حدی متبلور می شود]1[.

در بحث شیشه سرامیک ها تبلور شیشه به صورت کنترل شده و آن طور که مد نظر است ماست رخ می دهد و نه بهر صورتی که خود شیشه متبلور شود. حد تبلور متغیر است ولی عموما در شیشه سرامیک ها از 50 تا 100 درصد فاز بلوری وجود دارد]1[.

نقاط قوت صنعت شیشه نسبت به سرامیک:

· توانایی استفاده از روش های بسیار متنوع، سریع و اقتصادی شکل دهی شیشه ها نسبت به روش های بعضا پیچیده تر، آهسته تر و غیر اقتصادی تر در صنعت سرامیک. برای مثال می دانیم فرایند ساخت تیغه های نازک، الیاف و ... در صنعت شیشه بسیار اقتصادی تر و آسان تر نسبت به صتعت سرامیک انجام می گیرند.
· اتوماسیون بالا

· امکان بازیافت بیشتر در خط تولید شیشه نسبت به خط تولید سرامیک ها
· قابلیت کنترل بسیار دقیق نوع و مورفولوژی فازهای رسوب کننده و ریزساختار مربوطه در مرحله تبلور شیشه سرامیک ها.برای یک تبلور موفق به جوانه های اولیه زیادی احتیاج داریم. (مرحله a) در مرحله (b) رشد انجام می شود و در مرحله (c) همزمان با بهم رسیدن دانه های رشد کرده، توقف تبلور را داریم. همانطور که ملاحظه می شود مقداری فاز شیشه باقی مانده وجود دارد]1[.
در تکمیل مبحث تبلور کنترل شده در شیشه سرامیک ها به شکل شماره (1-3) توجه می کنیم.

این شکل تبلور یک شیشه را بدون حضور جوانه زا و بدون عملیات حرارتی کنترل نشان می دهد. مشاهده می شود که بعلت حضور مواضع مناسب تر جوانه زنی در سطح (که همواره وجود دارد)، تبلور از سطح شروع می شود که بلور های درشت و جهت دار مشخصه این فرایند هستند. در این فرایند احتمال افت استحکام و تغییر شکل نمونه نیز وجود دارد. در ریز ساختارهای شکل (1-4) و (1-5) دو سیستم شیشه ای که در اولی جوانه زنی به همراه رشد مختصر و در دومی رشد کافی رخ داده است ملاحظه می کنیم.

1-2- تاریخچه شیشه سرامیک ها
برای اولین بار در سال 1739 میلادی یک شیمیدان فرانسوی به نام Reamur به این فکر افتاد که بطری های شیشه ای را متبلورکند (با قرار دادن آن ها در بستری از گچ و ماسه و حرارت دادن آن ها) اما او تجربه موفقی نداشت زیرا بطری ها دچار افت استحکام و تغییر شکل شدند. پس از Reamur نیز تا 220 سال یعنی تا سال 1959 میلادی ضاهرا گزارش ثبت شده ای در جهت تکرار و اصلاح آزمایش به خطا رفته او وجود ندارد. امادر این سال بود که در ایالات متحده آمریکا فردی به نام Stookey برای اولین بار در سیستم SiO2-Al2O3-Li2O شیشه سرامیک ساخت. این محصول چندسال بعدتوسط کمپانی Corning بصورت ظروف شوک پذیر یعنی ظروفی که قابلیت تحمل شعله مستقیم را داشتند، به بازار آمد. اما بر خلاف وقفه چندساله در این مسیر در سال های اخیر سیر تحول شیشه سرامیک ها تحولات شگرفی را پشت سر گذاشته است]1[. از مهمترین سیستم های شیشه سرامیکی معروف به سیستم های SiO2-Al2O3-Li2O، SiO2-Al2O3-MgO (ZnO)، SiO2-Al2O3-CaO (MgO)، SiO2-Al2O3-CaO-MgO-R2O-F و SiO2-CaO-MgO-P2O5 و سایر سیستم های شیشه سرامیکی می توان اشاره نمود. در ادامه با توجه به موضوع پروژه سیستم CAS و CMAS مورد بررسی قرار می گیرند.

1-3- معرفی سیستم و SiO2-Al2O3-CaO-MgO

جوانه زاهای مؤثر در این سیستم Cr2O3 و سولفیدهای آهن و منگنر هستند. فازهای بلورین مهمی که در این سیستم متبلور می شوند ولاستونیت، آنورتیت و دایوپساید هستند]1[.
مقاومت سایش، مقاومت خوردگی و استحکام بالای محصولات شیشه سرامیکی این سیستم را برای کاربردهای زیر مناسب قرار داده است: مصالح ساختمانی با استحکام بالا، سنگ نما، پوشش های کف و پوشش های مقاوم در برابر خوردگی و سایش. این محصولات از سال ها پیش در شوروی سابق تولید می شد و بکار بردن آن در محیط های پرترددی مثل فرودگاه ها، قابلیت های فوق الذکر را به اثبات رسانده است طوری که در شرایط کاری مذکور عمر مفیدی در حدود 50 سال می توانند داشته باشند]1[.
نکته بسیار مهم در بحث این سیستم این است که می توان از ضایعات صنعتی مثل سرباره ها یا ازمواد طبیعی مثل بازالت ها و کلا موادی که در طبیعت به وفور یافت می شود ولی کم کاربرد هستند محصولات این سیستم را ساخت.

SiO2-Al2O3-CaO (MgO) ]1[
1-4- سیستم های شیشه سرامیکی برای کاربردهای نوین

1-4-1- شیشه سرامیک های مغناطیسی سیستم Fe2O3-B2O3- BaO
فازهای بلوری مهم: باریم هگزا فریت، فریت های گارنتی و اسپینلی
کاربردهای مدنظر: کاربردهای متنوع مغناطیسی بصورت پودر یا قطعات یکپارچه در صنایع الکتریکی و الکترونیک و پزشکی]1[.
1-4-2- شیشه سرامیک های نوع پروسکایت در سیستم PbO(BaO)-TiO2-Al2O3-SiO2(BaO)-Na2O-Nb2O5
فازهای بلوری مهم: تیتانات باریم یا سرب، نایوبات سدیم.
خواص قابل توجه: ثابت دی الکتریک بسیار بالا و بعضا همراه با شفافیت.
کاربردهای مهم مد نظر:کاربردهای خازنی به عنوان دی الکتریک به صورت لایه ضخیم، کاربردهای اپتوالکترونیکی]1[.

1-5- سایر کاربردهای مهم آینده برای شیشه سرامیک ها

1-5-1- شیشه سرامیک های متخلخل
کاربردها: الک های مولکولی، *****ها و پایه کاتالیست ها، کاربردهای متنوع پزشکی
1-5-2- حسگرهای شیشه سرامیکی
کاربردها: اندازه گیری رطوبت، غلظت سنجی بعضی گازها، حسگرهای پیزو الکتریک
1-5-3- شیشه سرامیک ها جهت دفن زباله های هسته ای
1-5-4- شیشه سرامیک های نانو ساختار
کاربردها: شیشه سرامیک های شفاف با کاربردهای اپتیکی و اپتو الکتریکی و شیشه سرامیک های پزشکی

1-6- خواص و کاربردهای شیشه سرامیک ها
مقدار و نوع فازهای بلورین و ریز ساختار، ابعاد و شکل ذرات بلوری، طرز آرایش آنها، مقدار تخلخل و… تعیین کننده ویژگی‌های نهایی قطعه خواهد بود]1[.
به دلیل دارا بودن مزایایی مانند چگالی کم، مقاومت شیمیایی خوب، مقاومت الکتریکی بالا، استحکام مکانیکی بالا و ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین و حتی منفی و… امروزه شیشه سرامیک‌ها، کاربردهای بسیار متنوع و فراوانی یافته‌اند. محصولاتی مانند ظروف شوک‌پذیر آشپزخانه، کاشی‌ها و سنگ‌های ساختمانی، مقره‌های الکتریکی، لوله‌ها و پوشش‌های مقاوم در برابر خوردگی، قطعات الکترونیکی و اپتیکی، دماغه‌های موشک، آیینه‌های تلسکوپ و بسیاری از فرآورده‌های دیگر می‌توانند با استفاده از فرایند ساخت شیشه سرامیک‌ها تولید شوند.

مواد معدني استفاده شده در سراميك‌هاي تخصصي

مواد معدني استفاده شده در سراميك‌هاي تخصصي از نظر توليد بسيار پرهزينه هستند، اما اين موضوع در مقابل درآمد حاصل از تقليل هزينه و خصوصيات بسيار كارامد ارائه شده توسط مواد تشكيل‌دهنده اين سراميك‌ها بي اهميت است.

اين مواد عبارتند از:

• اكسيد آلومينيوم با خلوص بالا

• اكسيد زيركونيوم با خلوص بالا

• كاربيد سيليسيوم

• كاربيد بور و نيتريد كربن


آلومينا

اكسيدهاي آلومينيوم بالاتر يكي از مهمترين ويژگي‌هاي سراميك‌هاي تخصصي صنعتي است و توليدكنندگان آلومينا در جست‌وجوي توسعه سريع بازار مصرف توليدات خود هستند به نحوي كه محصولات به‌طور مستمر گسترش مي‌يابند تا پاسخگوي نياز مشتريان باشند.

سراميك‌هاي با اكسيد آلومينيوم بالا خواصي از قبيل استحكام بالا، مقاومت در برابر ضربه و سختي را از خود به نمايش مي‌گذارند و همچنين اين مواد داراي مقاومت حرارتي بسيار بالايي نيز هستند.

يكي از بزرگترين بازارهاي آلومينا، سراميك‌هاي مقاوم در برابر سايش و ابزار برشي هستند كه بالغ بر حدود 35 تا 40 درصد از مقدار كل مصرف را به خود اختصاص مي‌دهند. اين بازار در حدود 60 تا 70 هزار تن در سال در ايالات متحده و همان مقدار در اروپا برآورد مي‌شود.

پيش‌بيني مي‌شود كه اين روند رو به رشد با نرخ 3 تا 4 درصد در هر سال ادامه يابد. قطعات سراميكي سايشي داراي كاربرد وسيعي در بازار شامل ورق‌هاي سايشي، ورق‌هاي تخليه، نازل‌ها، قطعات سوپاپ‌ها يا دريچه‌ها، قطعات پمپ‌ها و ديگر اقلام مقاوم در برابر سايش است.

بازار سراميك‌هاي الكتريكي (عايق‌ها و شمع‌ها) از ديگر بازارهاي مهم براي اين مواد هستند. در حقيقت سراميك‌هاي عايق موجود در شمع‌ها محتوي 85 تا 90 درصد آلومينا هستند و از اين رو يك بازار بزرگ براي اكسيد آلومينيوم تصفيه شده در سراميك‌هاي تخصصي به‌شمار مي‌آيند. البته بازار براي شمع‌هاي سراميكي نيز با سرمايه‌هاي صنايع خودروسازي پيوند خورده است.

از ديگر كاربردهاي الكتريكي سنتي براي مصرف آلوميناي تصفيه شده، عايق‌هاي مقاوم در برابر ولتاژهاي بسيار بالا براي خطوط انتقال برق و نيروگاه‌ها است. اين كاربردها ناشي از خواص دي الكتريك عالي آلوميناي با كربنات كلسيم پايين و واكنش پذيري بالا است.

اما بازار براي اكسيد آلومينيوم در عايق‌هاي سراميكي رو به كاهش است. نه تنها آلومينا مي‌تواند جايگزين ديگر مواد در عايق‌هاي سراميكي شود، بلكه به‌طور كلي عايق‌هاي سراميكي منسوخ شده‌اند و به‌تدريج جاي خود را به كامپوزيت‌هاي مواد پليمري بخشيده‌اند. يكي از دلايل بالا اين است كه آلومينا توانسته است زمينه را براي جايگزيني كوارتز در عايق‌هاي رزيني كه داراي وزن كمتري در مقايسه با عايق‌هاي سراميكي سنتي هستند، فراهم نمايد.

همچنين نظر به اين كه زير لايه‌هاي اكسيد آلومينيوم داراي مقاومت حرارتي بالاتري نسبت به لايه‌هاي پلاستيكي هستند از اين رو آلومينا در كاربردهاي الكترونيكي به‌عنوان يك زير لايه سراميكي براي قطعات استفاده مي‌شود. هرچند افزايش كوچك سازي محصولات الكترونيكي منتج به كاهش سطح مورد نياز مي‌شود.

كاربر آلوميناي در حدود 20 تا 30 درصد بيش از ديگر كاربردها از قبيل جايگزيني مفاصل، كاتاليزورهاي خودرو، *****ها، تسليحات نظامي و ابزار برش است.


زيركونيا

اكسيد زيركونيوم در بسياري از كاربردهاي سراميك‌هاي تخصصي استفاده مي‌شود و بازار مصرف كلي آن سالانه در حدود 12 تا 15 هزار تن برآورد مي‌شود. بزرگترين بازار آن براي پوشش‌هاي سراميكي است كه كل مصرف اروپا و ايالات متحده تا اواخر سال 2008 ميلادي در حدود 3 تا 4 هزار تن در سال بود. اين امر نشان‌دهنده رشد قابل توجه مصرف اين ماده در طي دهه گذشته است.

همچنين در حال حاضر كاتاليزورهاي خودرو يكي از بازارهاي مصرف مهم براي زيركونيا محسوب مي‌شوند، به‌طوري كه طراحي موتور و نيازهاي محيطي كاربرد كاتاليزورها را افزايش داده‌اند.

در زمينه پيزو الكتريك، محصولات با قيمتي كمتر در كشورهاي چين، هند و جنوب شرقي آسيا توليد مي‌شوند كه به رشد مصرف زيركونيا در منطقه كمك كرده‌اند. رشد جديد بازار مصرف زيركونيا شامل پيل‌هاي سوختي و كاربردهاي جديد براي pzt، الكترونيك و پزشكي است.

به‌طور تاريخي، كشور ژاپن همواره يكي از مهمترين بازارهاي مصرف براي اكسيد زيركونيوم با خلوص بالا براي توليد مواد الكترونيكي و حسگرها است، به‌طوري كه در سال 2000 سراميك‌هاي خالص 50 درصد از بازار مصرف زيركونيا را به خود اختصاص دادند. امروزه تقاضا براي پودرهاي اكسيد زيركونيوم با خلوص بالا به‌منظور استفاده در حسگرهاي اكسيژن براي موتور خودروها و كوره‌ها، پودرهاي دي الكتريك/pzt و همچنين سراميك‌هاي ساختماني دما بالا و استحكام بالا ،در سراسر آسيا و در واقع كل دنيا افزايش پيدا كرده است.

مصرف زيركونيا در ايمپلنت‌هاي دندانپزشكي به‌طور فزاينده‌اي در حال افزايش است. در برخي موارد به دليل مقاومت بيشتر در برابر شكست و استحكام بالاي آلومينا، اكسيد آلومينيوم ترجيح داده مي‌شود. به‌طور كلي بازار مصرف زيركونيا در اروپا و آمريكا در ايمپلنت‌هاي دندانپزشكي در حدود كمتر از 100 تن در سال برآورد مي‌شود. تاكنون بازار بسيار كمي براي مصرف زيركونيا در ايمپلنت‌هاي مفاصل وجود داشته اما، مصرف در اين زمينه منحصر به كشور ژاپن است و انتظار رشد اندكي مي‌رود.


كاربيد سيليسيوم

كاربيد سيليسيوم با ارزش بالا، به‌طور فزاينده‌اي در سراميك‌هاي تخصصي استفاده مي‌شود و به مانند آلومينا، مقدار بسيار زيادي از توليد اين ماده در قطعات سايشي سراميكي و درزگير‌ها مصرف مي‌شود. بازارهاي مصرف جديد و در حال رشد اين ماده معدني شامل *****هاي داراي ذرات ريز در موتورهاي ديزلي و باطري قدرت زاي نوري هستند.

در حقيقت رشد جالب توجه بازار كاربيد سيليسيوم مصرف آن در *****هاي موتورهاي ديزلي است كه در سال 2007 در اروپا يك بازار مصرف 2 هزار تني در سال را به خود اختصاص داد و تا اواخر سال 2008 با نرخي برابر با 15 درصد در هر سال به رشد خود ادامه مي‌داد. در كشور ايالات متحده آمريكا، بازار مصرف بسيار كوچكتر است و احتمالا در حدود 500 تن در هر سال است، اما اين‌گونه به نظر مي‌آيد كه رشد آن سرعت بيشتري به خود بگيرد، چون مقررات محيطي محكمتري نيز وضع شده‌اند. در سال در 2009 استفاده از *****هاي ذره‌اي ديزلي در تمام خودروهاي ديزلي موجود در كشورهاي عضو اتحاديه اروپا الزامي خواهد شد.

همچنين ميزان فروش كاربيد سيليسيوم در بازار ديرگدازها در كوره‌هاي كيلن با افزايش روبه‌رو خواهد شد. در حال حاضر اندكي از 4000 تن در سال كاربيد سيليسيوم در كشورهاي اروپايي و آمريكا در صنايع ديرگداز مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

ميزان فروش كاربيد سيليسيوم در تسليحات نظامي در ايالات متحده بزرگترين بازار براي سراميك‌هاي نظامي در حدود 1000 تن در سال برآورد مي‌شود . در طي 4 سال گذشته رشد مصرف سريع تر شده، اما انتظار مي‌رود در حال حاضر با عرضه آن برابر شود.


كاربيد برم

پودر كاربيد برم يكي از عناصر سازنده كليدي در توليد تسليحات نظامي سراميكي سبك است و از اين رو اين مهمترين كاربرد اين ماده در صنعت سراميك‌هاي تخصصي است.

اگرچه در سه يا چهار سال گذشته فروش اين ماده با افزايش چشمگيري همراه بوده است، رشد آتي سريع اين ماده احتمالا بي‌صداتر خواهد بود. بازار مصرف كلي براي كاربيد برم در سراميك‌هاي نظامي در اروپا و آمريكا در حدود 1000 تن در سال تخمين زده مي‌شود.

نيتريد برم مكعبي (cbn) به‌عنوان يك ماده ساينده گرانقيمت مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مقدار كلي مصرف در اواخر سال 2008 در اروپا تنها بين 5 تا 10 تن در سال بود. پتانسيل رشد براي توليد cbn در صنايع اتومبيل‌سازي و كاربردهاي مهندسي مكانيك، براي استفاده در ماشين‌هاي آسياب با سرعت بالا در فولاد و سوپر آلياژها است.

پاكسازي محيطي

بزرگترين بازار در كاربردهاي محيطي براي سراميك‌هاي تخصصي، *****هاي مخصوص و كاتاليزورهاي تقويتي براي وسايل نقليه و كارخانه‌هاي صنعتي و پوشه‌ها يا غشا‌ها هستند. اين موارد يك دامنه وسيعي از صنايع را در بر مي‌گيرند كه شامل كاتاليزورهاي سه راهه اتومبيل، كاتاليزورهاي اگزوز موتورهاي ديزلي، كاتاليزورهاي تقويتي نيروگاه‌ها و تشعشعات صنعتي و همچنين در صنايع نفتي و شيميايي است.

با افزايش توليدات جهاني براي پاسخگويي به رشد فزاينده تقاضاي انرژي، فروش در بخش فرايندهاي هيدروكربني براي حذف آلودگي با افزايش مواجه شده است.

به‌طور كلي، پيش‌بيني مي‌شود تا سال 2009 بازار سراميك‌هاي سازگار با محيط زيست در اروپا به حدود 361/1 ميليون يورو و در ايالات متحده به 871 ميليون يورو برسد. برخي از اين آمارها متعلق به كاتاليزور سراميكي de-NOx مورد استفاده در صنايع به ويژه در ايالات متحده آمريكا است.


ديرگدازها

با توجه به تعدد پروژه‌هاي پتروشيمي و فولادي در كشور چين، كشورهاي خاورميانه و همچنين هند در طي دو تا سه سال گذشته، دنياي سراميك‌هاي تخصصي حرارتي، به خصوص ديرگدازها بسيار سودآور بوده است. همچنين پيش‌بيني مي‌شود مصارف ديرگدازهاي با كارآيي بالا در كشورهاي چين و هند با در ميان مدت رشد مواجه شوند.

در صنايع ديرگداز يك روند رو به رشد در استفاده از آلومينا‌هاي واكنش پذير( اكسيدهاي آلومينيوم آسياب شده بسيار ريز) در ديرگدازهاي يكپارچه با كارآيي بالاتر با استفاده از سيمان‌هاي محتوي آلوميناي بالاي كمتر، وجود دارد.

همچنين اكسيد آلومينيوم ويژه به‌كار گرفته شده در ديرگدازهاي ريخته‌گري مداوم ( دريچه‌هاي كشويي و مناطق كنترل سيال) و در پاتيل‌هاي فولادي با رشد مواجه شده است. به همين دليل، به‌واسطه افزايش توليد فولاد و علاوه بر آن در نتيجه ارتقاي كيفيت محصولات فولادي شركت‌ها و استفاده از ديرگدازها با ارزش افزوده بالا تا حدي رشد وجود داشته است.

در بلندمدت نيز، آلوميناي ويژه مي‌تواند جايگزين محصولات كم تاثيرتر شود و همچنين به‌عنوان يك جايگزين از مشكلات بهداشتي آنها كم كند. با توجه به تجهيزات كوره، بازار براي كئورديريت در حال تنزل بوده ،در حالي كه بازار كاربيد سيليكون با ارزش بالا در حال رشد است.


ابزار برشي و سايشي

مصرف سراميك‌هاي تخصصي در ابزار با كارآيي بالا براي برش چدن و فولادهاي سخت شده، شايد تنها يك سهم 200 ميليون دلاري از بازار جهاني 6 ميليارد دلاري را به خود اختصاص دهد كه در ميان بخش‌هاي صنايع خودروسازي، هوانوردي و مهندسي مكانيك پراكنده شده است.

رشد در اين بخش در نتيجه دگرگوني سراميك‌هاي پيشرفته مزايايي از قبيل افزايش ظرفيت توليد و بهره‌وري براي فروشندگان آنها به همراه داشته است.

بازار سمباده‌ها به‌ويژه براي پرداخت كاري ظريف در بازار صنعت خودروسازي در حال رشد است. مشتريان آماده براي پرداخت پريميوم براي محصولاتي هستند كه بتوانند زمان توقف ماشين را 3 تا 4 برابر بيشتر كاهش دهد. همچنين در ميزان ظرافت سنگ زني قطعات نيز پيشرفت‌هايي به‌وجود آمده به‌طوري كه توليدكنندگان به منظور اتصال بهتر قطعات مختلف و كاهش مصرف سوخت به دنبال دقت و ظرافت بيشتر هستند. اين امر دوباره نويد يك رشد در مصرف سراميك‌هاي تخصصي به ويژه براي آلوميناي تصفيه شده را مي‌دهد.

رونق تسليحات دفاعي سراميكي

در طول چهار سال گذشته، هزينه‌هاي دفاعي در زمينه كاربرد تركيبات سراميكي افزايش چشمگيري پيدا كرده و تسليحات سراميكي سريع‌ترين رشد را در بازار در كشور ايالات متحده داشته‌اند.

تا 11 سپتامبر، هزينه‌ها با ركود مواجه بود اما جنگ در عراق و افغانستان بازارهاي تسليحات سراميكي در ايالات متحده را بين سال‌هاي 2003 و 2006 با ده برابر افزايش مواجه شده و در سال 2006 بالغ بر 550 ميليون دلار شد.

هرچند هزينه‌ها در آمريكا، به‌‌عنوان بزرگترين بازار، به اوج خود رسيده و احتمال مي‌رود با كاهش اندكي مواجه شود چون بخش اعظم ارتش ايالات متحده در طي اين دوره دوباره تجهيز شده است.


تجهيزات الكترونيكي

كاربردها براي سراميك‌هاي تخصصي در بخش الكترونيك شامل ارتباطات، ليزرها، تكنولوژي‌هاي الكترونيك نوري و سخت‌افزار فناوري اطلاعات(IT) است. به دنبال افزايش چشمگير در تقاضا براي ذخيره‌سازي اطلاعات در رايانه‌هاي خانگي از قبيل ذخيره‌سازي فايل‌هاي صوتي، تصويري و عكس‌ها و همچنين در حالت پيشرفته‌تر براي بازپخش برنامه‌هاي تلويزيوني و ضبط آنها، رشد در بازار سخت افزار IT سرعت گرفته است.

همچنين قطعات ساخته شده از سراميك‌هاي صنعتي در پيريزهاي لمسي و اتاق‌هاي پردازش، تجهيزات پردازش نيمه رسانا و وافرهاي توليد در كارخانه‌هاي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

بازار ليزر نيز از مصارف روزافزون سراميك‌هاي تخصصي بي‌نصيب نمانده و تعداد كاربردهاي آن به‌عنوان قطعات كوچكتر و به صرفه‌تر از نظر اقتصادي با افزايش مواجه شده است. در اين راستا رشد بازار شامل تجهيزات دندانپزشكي، ابزار جراحي، وسايل علامت‌گذاري محصولات و همچنين ابزار طيف‌سنجي نيز شده است.

رشد به واسطه افزايش تقاضا براي تجهيزات نقشه‌برداري در ارتش و كاربردهاي تجاري است.


پزشكي

قطعات و اجزاي فرعي ساخته شده از سراميك‌هاي تخصصي به دليل دوام بلندمدت و سازگاري با شرايط بدن در بسياري از روش‌هاي رشته پزشكي مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

مهمترين كاربردهاي اين مواد به‌عنوان اندام مصنوعي و ابزارهايي با قابليت ايمپلنت كه به‌طور فزاينده‌اي پيشرفت كرده‌اند و همچنين تجهيزات جراحي و عيب‌يابي است.

در حال حاضر استفاده از اين سراميك‌ها در مفاصل سراميكي ران يكي از تكنولوژي‌هاي ايجاد شده مناسب است و ديگر مفاصل از قبيل زانوها، انگشتان و ايمپلنت‌هاي نخاعي در مرحله آزمايشات بيمارستاني است. از ديگر موارد كاربرد اين مواد مي‌توان به سيستم‌هاي ليزر و جابه‌جايي سيالات اشاره كرد.

با توجه به نسبت جمعيت سالمند در آمريكاي شمالي و اروپا، اين‌گونه به نظر مي‌رسد كه بازار سراميك‌هاي تخصصي در بخش پزشكي به روند رو به رشد خود ادامه مي‌دهد. علاوه بر آن حركت به سوي تكنيك‌هاي جراحي بسته يك نياز براي توسعه قطعات سراميكي كوچكتر و پيچيده‌تر را ايجاب مي‌كند.

در آمريكاي‌شمالي واقع در Coorstek ايالات متحده، در مطالعات اخير تعدادي از انواع مواد معدني، با علامت تجاري CeraPure، كه به‌طور ويژه براي بازارهاي پزشكي طراحي شده و شامل آلومينا، زيركونيا و اكسيد زيركونيوم تقويت شده با اكسيد آلومينيوم هستند كه شركت اين محصولات را به نام نسل آينده معرفي كرده است

صنعت خودرو

در حال حاضر در صنايع اتومبيل‌سازي بيش از 50 كاربرد متفاوت براي سراميك‌هاي تخصصي وجود دارد و اين كاربردها به‌طور روزافزون در حال افزايش هستند. در طي 10 سال گذشته، خواص قدرتمند حرارتي، الكتريكي و شيميايي، سراميك‌ها را به‌طور فزاينده‌اي به يك جايگزين پردوام جذاب و ارزان قيمت به جاي فلزات مبدل كرده است.

سراميك‌هاي تخصصي داراي كاربردهايي براي كاهش سروصدا، كنترل حرارتي، *****اسيون و سايش در تمامي بخش‌هاي صنعت حمل و نقل از تراكتورها گرفته تا اتوبوس‌ها و موتورسيكلت، هستند.

هم آلومينا (اكسيد آلومينيوم) و هم زيركونيا (اكسيد زيركونيوم) در دماهاي بالا يك استحكام مكانيكي بالا و پايداري ابعادي را از خود نشان مي‌دهند. سختي آلومينا اين ماده را به يك جايگزين ارزان به جاي فلزات به‌عنوان درزگير در موتورهاي ديزلي به دليل اينكه بتونه‌هاي فلزي پوششي سريعا پوسيده مي‌شدند و اكثر اوقات نياز به جايگزين داشتند، مبدل كرده است.

همچنين در حال حاضر، صفحات آلومينا در كاميون‌هاي سنگين براي كنترل سوپاپ‌هاي هواي فشرده لازم جهت تنظيم سطح تعليق كابين، شاسي يا صندلي، مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

در پمپ‌هاب آب نيز، ياتاقان‌هاي سراميكي جانشين مناسبي براي ياتاقان‌هايي با محوري از جنس فولادهاي كربني شده‌اند. ياتاقان‌هاي سراميكي در برابر تاثيرات سايشي ذرات موجود در آب مقاومت بيشتري را نشان داده و در نتيجه ضريب اطمينان را افزايش مي‌دهند. با توجه به كارگيري از اين سراميك‌ها در دستگاه‌هاي توربوشارژر و ياتاقان‌ها، رشد استفاده از موتورهاي ديزلي به‌ويژه در بازار كاميون با افزايش مواجه شده است.

با توجه به نياز به كنترل مواد آلاينده خصوصاً توسط كاميون‌هاي سنگين، بازار سراميك‌هاي تخصصي در مبدل‌هاي كاتاليكي با رشد همراه بوده است. دكتر جان بريگز اظهار داشت كه كاربردهاي كاتاليزور در اگزوزهاي اتومبيل‌هايي با موتور ديزلي به رشد خود ادامه خواهد داد، چون در ظرف دو تا سه سال آينده در اروپا و ايالات متحده آمريكا مقررات جديد آلودگي هوا به كار گرفته مي‌شود.

هم‌اكنون، در اروپا استفاده از *****هاي ذرات ريز و كاتاليزورهاي اكسيداسيون نسبت به ايالات متحده آمريكا رواج بيشتري پيدا كرده است. به هر حال يكي از زمينه‌هاي رشد عمده در هر دو منطقه است و در آينده در ديگر مناطق نيز به اجرا در خواهد آمد.

نظر به اين كه در صنايع هوافضا، خواص پيزوالكتريك سراميك‌هاي PZT، در حس‌گرهاي سطح‌سنج اولتراسونيك در مخازن سوخت خودروها منجر به ارائه دقت بيشتر مي‌شود، از اين رو اين سراميك‌ها جايگزين گيج‌هاي شناور متداول شده‌اند.

سراميك‌هاي PZT نشان داده‌اند كه در شرايط بد سوختي بسيار مقاوم هستند. همچنين پيزوسراميك‌ها به شكل قوس‌هاي موجود در سيستم‌هاي صندلي‌هاي راحت در مدل‌هاي پيشرفته خودرو به‌كار گرفته مي‌شود كه با استفاده از دريچه‌هايي ايجاد اثرات ماساژ مي‌كنند.

پيزوسراميك‌ها همچنين در سيستم‌هاي كنترل فشار لاستيك اتومبيل‌ها به كار گرفته مي‌شوند كه در ماه نوامبر سال 2006 در كشور ايالات متحده تبديل به يك استاندارد ايمني مجاز شد. سراميك در داخل لاستيك اتومبيل قرار مي‌گيرد و توانايي منحصر به فرد آن براي تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي بدين معني است كه هر وقت نيروي مكانيكي بر اثر حركت لاستيك بر روي زمين بر سراميك اعمال مي‌شود، سراميك از خود الكتريسيته ساطع مي‌كند كه بر روي مانيتور خودرو مشاهده مي‌شود.

طبق سخنان دكتر Zimmermann مديرعامل شركت CeramTec در سمينار اخير، در آينده كاربرد سراميك‌ها در خودروهاي مدرن و پيشرفته افزايش خواهد يافت كه به سراميك‌هايي با كارآيي بالا در موتورهاي هيبريدي، باتري‌هاي سوختي (APU) و كامپوزيت‌هايي با زمينه فلزي مي‌توان اشاره كرد.

هوا و فضا

سراميك‌هاي تخصصي نقش‌هاي كليدي بسياري را در صنايع هوافضا بازي مي‌كنند. آلومينا، نيتريد سيليسيم، و نيتريد آلومينيوم به دليل حفظ پايداري ابعادشان در محدوده‌هاي دمايي بسيار بالا و دارا بودن استحكام مكانيكي بالا، در قطعات حساس مورد استفاده قرار مي‌گيرند. همچنين اين مواد داراي مقاومت شيميايي و نسبت سفتي به وزن بسيار خوبي هستند.

آلومينا، نيتريد سيليسيوم و نيتريد آلومينيوم در سيستم‌هاي كنترل و تجهيزات هواپيما، سيستم‌هاي هدايت موشك و تجهيزات موقعيت‌‌يابي ماهواره‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. ديگر كاربردهاي اين مواد شامل چسب‌هايي براي موتورهاي توربيني گازي، نصب خطوط انتقال سوخت، سيستم‌هاي احتراق موتور، سيستم‌هاي آشكارسازي و اطفاي حريق، صفحات نمايشگر تجهيزات و سرعت‌سنج‌ها است.

همچنين مواد سراميكي الكترونيكي (پيزوالكتريك و دي الكتريك) نيز در صنعت هوا و فضا در حس‌گرهايي براي تعيين لرزش، ژيروسكوپ‌ها (گردش‌نما) و حس‌گرهاي سطح‌ياب براي مخازن سوخت مورد استفاده قرار مي‌گيرند. به‌عنوان مثال كارخانه سراميك‌هاي تخصصي Morgan در شهر ساوت ‌همپتون كشور انگلستان، در حال حاضر تامين‌كننده قطعات براي هواپيماي بويينگ 777 با يك تجهيزاتي شامل پيزوسراميك‌ها براي 52 حس‌گر مافوق صوت مخزن سوخت آن و حس‌گرهاي مشابه كه در هواپيماهاي جنگنده مورد استفاده قرار مي‌گيرند، است.

در حال حاضر شركت‌هاي هواپيمايي تجاري و همچنين برنامه‌هاي فضايي و دفاعي از نظر كاهش هزينه‌ها تحت فشارهاي زيادي قرار دارند و هم زمان ملزم به افزايش كارآيي خود هستند. هرچند با افزايش تقاضا براي حمل و نقل مسافر و محموله‌هاي تجاري، فروش آن در بخش‌هاي نگهداري، تعمير و بازرسي رونق خوبي گرفته است. همچنين بخش ساخت هواپيماهاي جديد از قبيل هواپيماهاي عظيم‌الجثه براي حمل كالا و جت‌هاي داخلي نيز با افزايش فروش مواجه شده است.

يكي از كاربردهاي آتي اين مواد در كاوش‌هاي فضايي است كه توسط بخش سراميك‌هاي تخصصي Morgan واقع در Erlangen كشور آلمان در دست ساخت است و در رابطه با برنامه توسعه فضايي اروپا بوده كه شامل مخازن تخليه بار از جنس آلومينا براي سيستم نيروي محركه يوني است. موتورهاي يوني مي‌توانند از نظر وزني يك جايگزين سبك براي موتورهاي شيميايي باشند كه سفينه‌ها را قادر خواهند ساخت تا 10 برابر سريعتر حركت كرده و مسافت‌هاي بيشتري را بپيمايند

افزایش کاربرد سرامیکهای تخصصی

کاربرد سرامیک در روغن موتور
تکنولوژی متالوسرامیک برای نخستین بار توسط دانشمندان هوا فضای شوروی سابق به جهانیان معرفی شد. این تکنولوژی پس از فروپاشی شوروی وارد دنیای صنعت و به خصوص صنعت خودروسازی شد.

مبنای این تکنولوژی کاهش اصطکاک و استهلاک در راستای بالا بردن راندمان مکانیکی دستگاه های صنعتی و جلوگیری از اتلاف نیرو است. ولی چگونه؟
بیایید سری به درون موتور یک اتومبیل بزنیم. همه ما می دانیم که دیواره سیلندرها با رینگ های کمپرسی پیستون به شدت در تماس است. این تماس، اصطکاک زیادی را به وجود می آورد که با کاهش راندمان مکانیکی موتور همراه است. ولی از طرفی اگر این اصطکاک وجود نداشته باشد تراکم یا کمپرسی محفظه احتراق از قسمت دیواره سیلندر فرار خواهد کرد. بدیهی است که این امر موجب کاهش شدیدتر راندمان حجمی و حتی خاموش شدن موتور خواهد شد. پس چاره چیست؟
بیایید اندکی دقیقتر شویم. در محیط مادی هر گونه حرکتی با اصطکاک همراه است. اصطکاک نه تنها در دیواره سیلندرها که در لابه لای چرخ دنده های گیربکس و دیفرانسیل، در قسمت تماس میل بادامک و سوپاپ و در بسیاری از قسمتهای موتور دیده می شود.
حال این سؤال مطرح می شود که آیا می توان اصطکاک موجود در سیلندرها و سایر قسمتها را بدون از دست دادن تراکم موتور از بین برد؟ آیا می توان بدون لق کردن چرخ دنده ها، اصطکاک موجود در بین آنها را به حداقل رساند؟ این جاست که متالو سرامیک وارد میدان می شود!
چندی بیش کمپانی یاماها در یکی از مدل های خود برای ساخت سیلندرهای موتور بجای چدن از سرامیک استفاده کرد. نتیجه کار به طرز حیرت انگیزی رضایت بخش بود. ولی سرامیک ماده ای بسیار گرانبها است و فراگیر شدن آن نیاز به گذر زمان و ارایه روشهای جدید برای تولید ارزانتر دارد.
Ceramic Coating عبارت است از تکنولوژی روکش کردن فلزات با لایه ای نازک از سرامیک مخصوص.
تاکنون در بسیاری از موارد دیده شده که فلزات و سطوحی که در حال کارکرد اصطکاک زیادی را باعث می شوند، با لایه ای از سرامیک پوشیده شده اند. ولی این روش را نمی توان با متالو سرامیک یکسان دانست. زیرا
۱) این لایه سرامیکی بسیار گران قیمت است.
۲) برای این کار باید موتور یا دستگاه مورد نظر را متوقف کرده، قطعات آن را از هم باز کرد و پس از انجام عملیات پوشش با سرامیک دوباره آن را مونتاژ کرد. شاید این عمل در مورد اتومبیل کار ساده ای باشد ولی در مورد دستگاه های غول پیکر صنعتی فرآیند پیچیده تری دارد. باز و بسته کردن یک دستگاه غول پیکر که به عنوان مثال در خط تولید یک اتومبیل فعال است دست کم به۳ یا۴ روز زمان نیاز دارد که این کار برابر است با خواباندن یا shut down خط تولید و خلاصه هزاران و حتی میلیونها دلار ضرر مالی.
۳) لایه سرامیکی کمی ترد و شکننده است و تنش های وارد برقطعات ممکن است باعث خرد شدن این لایه شود.
ولی در متالو سرامیک قضیه اندکی متفاوت است. برای درک این موضوع باید سری به دنیای نوظهور نانو تکنولوژی بزنیم.یک روغن موتور بسیار مرغوب مانند API SL یا SM را در نظر بگیرید که درون آن با ذرات بسیار ریز سرامیک اشباع شده است. این ذرات با قطر نانو بقدری ریز هستند که قادرند از هر نوع *****ی عبور کنند. وقتی روغن در قسمتهای مختلف موتور سیر می کند این ذرات را همراه خود به آن قسمتها می برد.
اگر بر روی یک کاغذ یا یک دیوار صاف دست بکشید تصور خواهید کرد که کاملاً صاف است. در صورتی که اگر با میکروسکوپ به آن بنگرید تعداد زیادی پستی و بلندی مشاهده خواهید کرد.
دیواره سیلندر نیز چنین وضعیتی دارد. یعنی در نگاه اول بقدری صیقلی و صاف است که همانند آینه تصاویر را انعکاس می دهد، ولی این سطح نیز پر است از نقاط برجسته و فرو رفته. دمای قسمت نوک تیز این برآمدگی ها گاه به۱۰۰۰ درجه سانتیگراد می رسد. اگر چه دمای کارکرد روغن ممکن است بین۹۰ تا۱۵۰ درجه سانتیگراد باشد ولی اگر بخواهیم به صورت نقطه ای به این مسئله نگاه کنیم، همین نقطه های کوچک به مرور باعث خراب شدن روغن می شوند.

متالو سرامیک در اینجا عرض اندام می کند. ذرات سرامیکی معلق در روغن زمانی فعال می شوند که در یک نقطه سایش و دمای زیادی وجود داشته باشد. این ذرات پس از رسیدن به این نقاط، با دریافت دمای موجود در این نقاط به صورت اتم به اتم به این پستی و بلندی ها پیوند می خورند و مانند بتونه پستی و بلندی ها را پر می کنند.
تفاوت لایه متالو سرامیک با لایه سرامیک معمولی در این است که سرامیک معمولی مانند رنگ روی سطوح کشیده می شود، در صورتی که ذرات متالو سرامیک در ابعاد نانو با مولکولهای فلز پیوند می خورند و تقریباً مادام العمر بر روی سطوح باقی می مانند. از طرفی سرامیک معمولی با اینکه از سختی بالایی برخوردار است در عین حال شکننده است و این همان نقطه قوت متالو سرامیک است، چرا که سختی متالو سرامیک۱۰ برابر فولاد و اصطکاک آن۶ برابر کمتر از آینه است. به بیانی ساده تر در صورت استفاده از این تکنولوژی تمامی سطوح موتور که روی یکدیگر ساییده می شوند با لایه ای بسیار نازک، کاملاًَ مستحکم و صاف پوشیده می شوند.
در کل، این امر موجبات پر شدن خطوط میکروسکوپی سیلندر و افزایش کمپرس موتور را فراهم می کند. در ضمن براثر از بین رفتن اصطکاک بین سیلندر و پیستون راندمان مکانیکی موتور افزایش می یابد. در این حالت موتور راحت تر کارکرده و سریعتر دور بر می دارد، صداها و لرزش اضافی موتور به حداقل می رسد، سایش قطعاتی مانند میل بادامک و رینگ پیستون ها و مهمتر از همه مصرف سوخت موتور از۱۰ تا۲۵ درصد (بسته به شرایط کارکرد موتور) کاهش می یابد.
یکی دیگر از ویژگی های این دستاورد تعمیر موتور بدون نیاز به باز کردن قطعات است. در مواقعی مانند خط افتادگی بر روی دیواره سیلندر باید موتور را باز کرده و با تراش دادن دیواره سیلندر و استفاده از رینگ پیستون بزرگتر این مشکل را برطرف کرد که این امر با اتلاف وقت و هزینه همراه است. در صورتی که از این تکنولوژی استفاده شود می توان بدون باز کردن موتور و فقط با افزودن این ماده به روغن موتور شرایط موتور را به حالت عادی باز گرداند

کاربرد سرامیک در روغن موتور
تکنولوژی متالوسرامیک برای نخستین بار توسط دانشمندان هوا فضای شوروی سابق به جهانیان معرفی شد. این تکنولوژی پس از فروپاشی شوروی وارد دنیای صنعت و به خصوص صنعت خودروسازی شد.

مبنای این تکنولوژی کاهش اصطکاک و استهلاک در راستای بالا بردن راندمان مکانیکی دستگاه های صنعتی و جلوگیری از اتلاف نیرو است. ولی چگونه؟
بیایید سری به درون موتور یک اتومبیل بزنیم. همه ما می دانیم که دیواره سیلندرها با رینگ های کمپرسی پیستون به شدت در تماس است. این تماس، اصطکاک زیادی را به وجود می آورد که با کاهش راندمان مکانیکی موتور همراه است. ولی از طرفی اگر این اصطکاک وجود نداشته باشد تراکم یا کمپرسی محفظه احتراق از قسمت دیواره سیلندر فرار خواهد کرد. بدیهی است که این امر موجب کاهش شدیدتر راندمان حجمی و حتی خاموش شدن موتور خواهد شد. پس چاره چیست؟
بیایید اندکی دقیقتر شویم. در محیط مادی هر گونه حرکتی با اصطکاک همراه است. اصطکاک نه تنها در دیواره سیلندرها که در لابه لای چرخ دنده های گیربکس و دیفرانسیل، در قسمت تماس میل بادامک و سوپاپ و در بسیاری از قسمتهای موتور دیده می شود.
حال این سؤال مطرح می شود که آیا می توان اصطکاک موجود در سیلندرها و سایر قسمتها را بدون از دست دادن تراکم موتور از بین برد؟ آیا می توان بدون لق کردن چرخ دنده ها، اصطکاک موجود در بین آنها را به حداقل رساند؟ این جاست که متالو سرامیک وارد میدان می شود!
چندی بیش کمپانی یاماها در یکی از مدل های خود برای ساخت سیلندرهای موتور بجای چدن از سرامیک استفاده کرد. نتیجه کار به طرز حیرت انگیزی رضایت بخش بود. ولی سرامیک ماده ای بسیار گرانبها است و فراگیر شدن آن نیاز به گذر زمان و ارایه روشهای جدید برای تولید ارزانتر دارد.
Ceramic Coating عبارت است از تکنولوژی روکش کردن فلزات با لایه ای نازک از سرامیک مخصوص.
تاکنون در بسیاری از موارد دیده شده که فلزات و سطوحی که در حال کارکرد اصطکاک زیادی را باعث می شوند، با لایه ای از سرامیک پوشیده شده اند. ولی این روش را نمی توان با متالو سرامیک یکسان دانست. زیرا
۱) این لایه سرامیکی بسیار گران قیمت است.
۲) برای این کار باید موتور یا دستگاه مورد نظر را متوقف کرده، قطعات آن را از هم باز کرد و پس از انجام عملیات پوشش با سرامیک دوباره آن را مونتاژ کرد. شاید این عمل در مورد اتومبیل کار ساده ای باشد ولی در مورد دستگاه های غول پیکر صنعتی فرآیند پیچیده تری دارد. باز و بسته کردن یک دستگاه غول پیکر که به عنوان مثال در خط تولید یک اتومبیل فعال است دست کم به۳ یا۴ روز زمان نیاز دارد که این کار برابر است با خواباندن یا shut down خط تولید و خلاصه هزاران و حتی میلیونها دلار ضرر مالی.
۳) لایه سرامیکی کمی ترد و شکننده است و تنش های وارد برقطعات ممکن است باعث خرد شدن این لایه شود.
ولی در متالو سرامیک قضیه اندکی متفاوت است. برای درک این موضوع باید سری به دنیای نوظهور نانو تکنولوژی بزنیم.یک روغن موتور بسیار مرغوب مانند API SL یا SM را در نظر بگیرید که درون آن با ذرات بسیار ریز سرامیک اشباع شده است. این ذرات با قطر نانو بقدری ریز هستند که قادرند از هر نوع *****ی عبور کنند. وقتی روغن در قسمتهای مختلف موتور سیر می کند این ذرات را همراه خود به آن قسمتها می برد.
اگر بر روی یک کاغذ یا یک دیوار صاف دست بکشید تصور خواهید کرد که کاملاً صاف است. در صورتی که اگر با میکروسکوپ به آن بنگرید تعداد زیادی پستی و بلندی مشاهده خواهید کرد.
دیواره سیلندر نیز چنین وضعیتی دارد. یعنی در نگاه اول بقدری صیقلی و صاف است که همانند آینه تصاویر را انعکاس می دهد، ولی این سطح نیز پر است از نقاط برجسته و فرو رفته. دمای قسمت نوک تیز این برآمدگی ها گاه به۱۰۰۰ درجه سانتیگراد می رسد. اگر چه دمای کارکرد روغن ممکن است بین۹۰ تا۱۵۰ درجه سانتیگراد باشد ولی اگر بخواهیم به صورت نقطه ای به این مسئله نگاه کنیم، همین نقطه های کوچک به مرور باعث خراب شدن روغن می شوند.

متالو سرامیک در اینجا عرض اندام می کند. ذرات سرامیکی معلق در روغن زمانی فعال می شوند که در یک نقطه سایش و دمای زیادی وجود داشته باشد. این ذرات پس از رسیدن به این نقاط، با دریافت دمای موجود در این نقاط به صورت اتم به اتم به این پستی و بلندی ها پیوند می خورند و مانند بتونه پستی و بلندی ها را پر می کنند.
تفاوت لایه متالو سرامیک با لایه سرامیک معمولی در این است که سرامیک معمولی مانند رنگ روی سطوح کشیده می شود، در صورتی که ذرات متالو سرامیک در ابعاد نانو با مولکولهای فلز پیوند می خورند و تقریباً مادام العمر بر روی سطوح باقی می مانند. از طرفی سرامیک معمولی با اینکه از سختی بالایی برخوردار است در عین حال شکننده است و این همان نقطه قوت متالو سرامیک است، چرا که سختی متالو سرامیک۱۰ برابر فولاد و اصطکاک آن۶ برابر کمتر از آینه است. به بیانی ساده تر در صورت استفاده از این تکنولوژی تمامی سطوح موتور که روی یکدیگر ساییده می شوند با لایه ای بسیار نازک، کاملاًَ مستحکم و صاف پوشیده می شوند.
در کل، این امر موجبات پر شدن خطوط میکروسکوپی سیلندر و افزایش کمپرس موتور را فراهم می کند. در ضمن براثر از بین رفتن اصطکاک بین سیلندر و پیستون راندمان مکانیکی موتور افزایش می یابد. در این حالت موتور راحت تر کارکرده و سریعتر دور بر می دارد، صداها و لرزش اضافی موتور به حداقل می رسد، سایش قطعاتی مانند میل بادامک و رینگ پیستون ها و مهمتر از همه مصرف سوخت موتور از۱۰ تا۲۵ درصد (بسته به شرایط کارکرد موتور) کاهش می یابد.
یکی دیگر از ویژگی های این دستاورد تعمیر موتور بدون نیاز به باز کردن قطعات است. در مواقعی مانند خط افتادگی بر روی دیواره سیلندر باید موتور را باز کرده و با تراش دادن دیواره سیلندر و استفاده از رینگ پیستون بزرگتر این مشکل را برطرف کرد که این امر با اتلاف وقت و هزینه همراه است. در صورتی که از این تکنولوژی استفاده شود می توان بدون باز کردن موتور و فقط با افزودن این ماده به روغن موتور شرایط موتور را به حالت عادی باز گرداند

آلیاژسازی سرامیکی

آلیاژسازی مکانیکی
آلیاژسازی مکانیکی (MA ) یک روش تولید مواد در حالت جامد است که شامل جوش و شکست متوالی ذرات پودر مواد اولیه در یک آسیاب پر انرژی می باشد .
به بیان دیگر آلیاژ کردن مکانیکی ، تشکیل پودر آلیاژی به روش آسیاب کردن مخلوط پودرهای عنصری برای مدت زمانی طولانی به جهت تولید پودرهای آلیاژی مستحکم شده در اثر پخش فازهای ثانویه می باشد .
این روش اولین بار توسط Benjamin در اواخر دهه ی 1960 معرفی شد . او و همکارانش این روش را به منظور تولید سوپرآلیاژهای پایه نیکلی استحکام یافته با ذرات اکسیدی ( ODS ) به کار بردند .
پیشرفت این روش تا سال 1989 در زیر آورده شده است :


توسعه ی سوپرآلیاژهای پایه نیکلی ( ODS )
حصول ساختار آمورف در ترکیبات بین فلزی
تبدیل ترکیبات بین فلزی منظم به نامنظم
ایجاد ساختار آمورف از مخلوط پودر مواد اولیه
تولید فازهای نانوکریستال
انجام واکنش های جانشینی


1966
1981
1982
1983
89/1988
1989



ویژگی های روش MA :
1 – نیاز به تجهیزات ساده
2 – عدم نیاز به درجه حرارت های بالا
3 – انجام عملیات تولید تنها در طی یک مرحله

کاربرد های فرآیند آلیاژسازی مکانیکی:
• ایجاد ذرات ریز فاز دوم در زمینه آلیاژها
• افزایش حد حلالیت در محلولهای جامد
• کاهش اندازه دانه ها تا حد نانومتر
• تولید فازهای کریستالی و شبه کریستالی جدید
• توسعه ی ساختارهای آمورف ( شیشه ای )
• تبدیل ساختارهای منظم به نامنظم
• تولید آلیاژ از عناصر سخت آلیاژ شونده
• تسریع انجام واکنش های شیمیایی ( جانشینی ) در دمای محیط
مواد اولیه و تجهیزات لازم برای MA
مهمترین عوامل کنترل کننده در روش MA عبارتند از :
• مشخصات پودر مواد اولیه
• نوع آسیاب
• متغیرهای فرایند
مشخصات پودر مواد اولیه:
محدوده ی مناسب اندازه ی ذرات پودر برای استفاده در فرایند MA ، 500-1 میکرومتر گزارش شده است . پس از مدت زمان کوتاهی از عملیات آسیاب کردن ، اندازه ی ذرات به صورت تابع نمایی از زمان تا مقادیر چند میکرون کاهش می یابد .
نوع مواد اولیه مورد استفاده در آلیاژسازی مکانیکی گسترده و شامل پودر فلزات خالص ، پودرهای پیش آلیاژ شده و ترکیبات دیرگداز می باشد .
انواع آسیابهای مورد استفاده در MA :
• آسیاب گلوله ای سیاره ای (ball mill Planetary )
• آسیاب گلوله ای ارتعاشی (Shaker ball mill )
• آسیاب گلوله ای یا میله ای غلتشی (mill Tumbler )
• آسیاب گلوله ای شافتی ( Attritor ball mill )
• آسیاب مغناطیسی ( Uni – ball )
تفاوت این آسیاب ها عمدتا" در ظرفیت ، راندمان و امکانات اضافی آنها برای گرم یا خنک کردن محفظه

 

استفاده از کامپوزیتهای سرامیکی مستحکم و با دوام به جای مواد فلزی در ماشین های توربینی میتواند موتور های موشکی اینده را به طرز چشم گیری ارتقا و بهبود بخشد مهندسان مرکز سازمان پرواز های فضایی ناسا در هانتزویلی و الا و...در حال تحقیق بر روی استفاده از کامپوزیتهای سرامیکی در توربین موتور موشک هستند تا از این طریق بتوانند میزان ایمنی را بالا ببرند وهزینه استفاده مجدد از وسایل پرتاب را کاهش دهند.
عمده کارخانجاتی که موتور موشک میسازند ارتقای توربین ها را بعنوان یکی از نیازهای بزرگ خود مطرح کرده اند توربین موتور موشک ها صفحه ای فلزی است که تیغه های(پره) فلزی بصورت جداگانه ای به ان متصل شده اند وظیفه ی یک توربین تامین نیروی پمپ کردن است که از این طریق نیروی محرکه موتور را تامین و تنظیم میکند.
در مرکز سازمان مهندسان صفحه ی پره داری را ازمایش میکنند که بلیسک(bladed dick صفحه ی پره دار) نام دارد این توربین از کامپوزیت های سرامیکی ساخته شده است که میتواند گرما و نوسان بسیار زیادتری را نسبت به توربین های نیکل الومینیومی سنتی تحمل کند ماده ای که در این دیسک بکار رفته است ساختاری از فیبر کربن پیوسته است که با یک ماتریس کاربید سیلیسیم مستحکم شده است ماده ای که به اجبار در میان فیبر کربن ته نشین شده است ماتریس کامپوزیت سرامیک ساختاری شبیه به لایه های چندگانه ی پارچه دارد که با اهاری به شدت نیرومند انباشته شده اند.

یک ماده کامپوزیتی ساخته شده فواید بسیاری را به همراه دارد یکی از ویژگی های فوق العاده این ماده مقاوومت بالا در برابر اسیب دیدن است در ازمایشی طولانی بلیسک سرامیکی به طور عادی به کار خود ادامه داد با وجود ان که ترکی در یکی از تیغه های ان بوجود امده بود مهندسان بعد از یافتن ترک در تیغه توربین سرامیکی ان را میلیونها دور چرخاندند و این ازمایش مقاومت بالای این نوع توربین در زیر فشار را به اثبات رساند.
بلیسک سرامیکی میتواند در برابر گرمایی حدود 2000 درجه ی فارنهایت(1093 درجه ی سلسیوس) ایستادگی کند که این میزان خیلی بالاتر از دمای 1200درجهفارنهایت(649 درجه سلسیوس) است که توربین های الومینیوم نیکلی میتوانند در ان تاب بیاورند دادن گرمایی بیشتر از این میزان به توربین باعث جلوگیری از ایجاد نیروی محرکه ی موتور میشود وعامل کاهش سوخت میباشد افزایش راندمان موتور باعث بالا بردن دور موتور و قدرت بیشتر میشود به اضافه ی این که بلیسک تنها یک چهارم وزن توربین های فلزی را داراست بنابراین وزن کمتر شده ی بلیسک بار گیری را افزایش میدهد.

مرکز سازمان دوازده بار بلیسک را در موتور موشک ازموده است و این ازمایشات اطلاعات فراوانی را برای پیش بینی میزان عمر کامپوزیتهای سرامیکی مورد استفاده در موتور موشک در اختیار ما قرار میدهند

این توربین در سرعت چرخش 25000 دور در دقیقه تست شده است که 10 برابر میانگین سرعت چرخش موتور ماشین است

بلیسکی که در ازمایشات مورد استفاده قرار میگرفت 7.6 اینچ (19سانتیمتر) قطر و 3.4 اینچ (2 سانتیمتر) ضخامت داشت ودر کامپوزیتهای پیشرفته ی هانیول در نیویورک ساخته شده بود.
مرکز تحقیقات گلن ناسا در سلولند و اهایو و دانشگاه الاباما نیز در پروزه ی کامپوزیتهای سرامیکی با مرکز تحقیقات ناسا همکاری داشته اند.

این مواد به همان اندازه میتوانند تجهیزات صنعتی و ژنراتور های قدرت را نیز بهبود بخشند.

کاشی سرامیکی پوشش داده شده با واکس تصفیه شده با فناوری نانو ترجمه از سایت www.electroniccomponents.globalsources.com   محصول جدید، 5 آگوست 2008 چین - شرکت بازرگانی فوشان دلفین یک کاشی سرامیکی دبل شارژ را ارائه نموده است که با واکس توسعه داده شده با استفاده از فناوری نانو پوشش داده شده است و برای دیوارها و کفهای محیطهای داخلی و خارجی مناسب است. این فرآورده آمیخته ای از فلداسپار، کوارتز و کائولن است و در برابر سایش، خمش و دمای بالا مقاوم است. اندازه های 40×40، 60×60 و 80×80 در رنگهای زرد و خاکستری روشن، عاجی، بژ، قهوه ای تیره و قرمز موجودند.   * توضیح: مشکل واکس های اعمال شده بر روی کاشی های پرسلانی، مقاومت اندک آنها در برابر سایش و دماهای بالاست. اعمال واکس به منظور افزایش مقاومت سطح کاشی در برابر عوامل لکه گذار و در واقع افزایش مقاومت در برابر لکه پذیری (stainability) می باشد.   * معرفی کوتاه شرکت بازرگانی فوشان دلفین: در سال 2003 و با مسئولیت محدود تاسیس شد و کاشی های شیشه ای، سینک های حمام و چهار دیواری دوش را نیز تولید می کند.   New Product

Ceramic tile coated with nanotechnology-refined wax

China (mainland) – Foshan Dolphin Trading Co. Ltd has released a double-loaded ceramic tile coated with wax developed using nanotechnology. Suitable for indoor and outdoor walls and floors, the product comes in a blend of feldspar, quartz and kaolin. It is resistant to abrasion, bending and extreme temperature. Sizes 40x40, 60x60 and 80x80cm are available in light yellow and gray, ivory, beige, dark brown and red. Price and payment terms are provided on inquiry. The minimum order is one TEU, deliverable within 20 days. Foshan Dolphin was established in 2003. It also offers glass tiles, bathroom sinks and shower enclosures. OEM orders are accepted. The company’s main export markets are the US, Europe and South Korea. Major clients include Home Depot and Lowe’s.

 

کاشی های سقف فوتو ولتائـیک (PV)

ترجمه از سایت:  www.freepatentsonline.com

 

طرحی برای کاشی سقف ولتائیک خورشیدی متمرکز عرضه شده است که بادوام است و در رنگ، با مواد متداولی که در کاربردهای سقف مصرف می شوند، سازگار است و اجازه می دهد تا یک سامانه (سیستم) سقفی که انرژی الکتریکی ارزان قیمت را از سلول ولتائیک خورشیدی تولید می کند، نصب شود.

طرح شامل موارد زیر است:

1- بستر الاستومری یا پلیمری برای کاشی سقف؛

2- یک سلول ولتائیک خورشیدی یکپارچه که به شکل کاشی سقف قالبگیری شده است و به صورت یک بخش کامل از کاشی سقف به نظر می آید؛

3- ماده پوشاننده محافظ تشکیل شده از شیشه روکش شده یا یک ماده شفاف پلیمری که اجازه می دهد تا اشخاص بدون خراب شدن  پوشش، روی آن قدم بزنند و از طرف دیگر، سلول ولتائیک خورشیدی یا ماده بستر در زیر آن جاسازی شده و از وارد شدن آب به سلول ولتائیک خورشیدی جلوگیری می کند.

4- سیمها و صفحات الکتریکی ساخته شده در داخل ماده بستر که به سلول ولتائیک خورشیدی متصل می شود و وقتی کاشیهای سقف به شیوه متداول نصب می شوند، به یکدیگر متصل می شوند؛ به طوری که جریان از هر سلول ولتائیک خورشیدی از میان سامانه سقفی تا یک نقطه جمع کننده الکتریکی مشترک جریان می یابد. این جریان وارد سامانه القائی میشود که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می کند و این جریان تبدیل شده وارد سامانه الکتریکی منزل یا شبکه برق عمومی می گردد.