علم سرامیک

در اين مقاله به بررسي مفهوم سراميک و بعضي کاربردهاي آن پرداخته مي شود. نخست به معرفي برخي مفاهيم اوليه مي پردازيم.

چيني به اشيايي گفته مي شود که در درجه حرارت بالا تهيه مي شوند و داراي شفافيت خاصي هستند و سفال به اجسامي گفته مي شود که در درجه حرارت هاي پايين تر ساخته مي شوند و شفاف نيستند.

عموما سراميک ها داراي سختي هاي متفاوتي مي باشند، معمولا شکننده هستند و در مقابل حرارت و فرسايش به خوبي مقاوم هستند. اين مواد از خاک نسوز يا مواد معدني ديگر بخصوص از اکسيدهاي فلزي همراه با چند اکسيد غير فلزي ساخته مي شوند که عنصر غير فلزي معمولا اکسيژن است. در نهايت مي توان سراميک را هنر طراحي و ساخت اشياء از خاک نسوز تعريف کرد. اين تعريف را مي توان به طور عام براي تمام مواردي که از خاک رس تهيه مي شوند مثل پوشش هاي سراميکي ، ساينده ها و همچنين شيشه هاي سراميکي الکترونيکي به کار برد.

اين نکته واضح است که انقلاب صنعتي به جز در سايه ي استفاده از کوره ها،ماشين هاي حرارتي پيشرفته و مواد سراميکي که براي عايق بندي حرارتي انواع مختلف کوره ها و ماشين ها استفاده مي شوند ممکن نيست.

در قرن حاظر با تکامل تکنولوژي الکترونيکي ، مواد دي الکتريک که داراي اهميت بسياري هستند نيز اين مسير تکاملي را طي نمودند.در کنار آن خصوصيات مغناطيسي و اپتيکي جديدي براي سراميک شناسايي شد و به عنوان قسمتي از تکنولوژي جديد الترونيک و الکترواپتيک تکامل يافت.

در دنياي الکترونيک اختراع ترانزيستور و ليزر ، موج گونه ي جديدي از قطعات را عرضه نمود ، ولي نقش مفيد انها را محدوديت هايي که مواد مورد استفاده داشتند کم مي نمود.

در حالي که سراميک هاي نوين که در ميکرو الکترونيک ، سيستمهاي ليزر، قطعات ارتباطي و شبکه ي اجزاي مغناطيسي مورد استفاده قرار مي گيرند نمونه اي از ايفاي اين نقش را نشان مي دهد.

استفاده از سراميک به عنوان دي الکتريک هايي که داراي ثابت دي الکتريک بالايي مي باشند ، ساخت فاز نهايي با ظرفيت بسيار بالاتر را ممکن ساخته است که بعد از کشف ابر رسانا ها اهميت سراميک به اوج خود رسيد. براي آنکه بتوان به علت بعضي از رفتار هاي اين مواد پي برد روش هاي متنوعي وجود دارد. يکي از اين روش ها بررسي ريز ساختار سراميک ها مي باشد. اين خصوصيت نه تنها توسط ترکيب ، نوع و تعداد فازهاي موجود در ترکيب مشخص مي شودبلکه توسط قرار گيري ، چارچوب و ترتيب فازها نيز مشخص مي گردد.

در نهايت توزيع فازها و يا زير ساختار ها به روش ساخت سراميک، مواد خام مورد استفاده،روابط تعادل فازي و همچنين تغيرات در فازها و رشد دانه ها و عمليات سينترنيک وابسته است.

يک سراميک فرو الکتريک از تعداد زيادي کريستال هاي کوچک تشکيل شده است که محور هاي کريستالوگرافي آنها در سراميک به طور اتفاقي جهت دار شده است. از طرف ديگر هادي هاي سراميکي در دماهاي بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتيگراد نيز کارايي دارند.در حالي که اکثر فلزات در اين دما قادر به کار نيستند. البته بعضي از فلزات مانند تنگستن و موليبديم نيز در دماي ۱۵۰۰ درجه کار مي کنند ولي به علت واکنش با محيط از تنگستن در فضاي آزاد نمي توان استفاده کرد.

امروزه سراميک ها تقريبا در همه جا يافت مي شوند، از بدنه موتور اتومبيل هاي مدرن و پوشش حرارتي سفينه هاي فضايي تا قلب کامپيوتر ها و از داخل آشپزخانه ها تا سد سازي ، شيشه گري و سراميک هاي الکترونيکي همه مواردي از کاربردهاي سراميک هستند.

▪ به طور خلاصه بعضي از کاربرد هاي آن به شرح زير مي باشد:

ـ در علوم فضايي به عنوان مبدل ها و سنسورها در ماهواره ها، موشک ها و هواپيماها

ـ در اتومبيل ها به عنوان سيستم آژير و استارت

ـ در وسايل دفايي به عنوان تونار(مسافت ياب صوتي دريايي) و آشکار سازها

ـ در پزشکي باري آشکار سازي قلب جنين,جرم گيري دندان و MRI

ـ در مخابرات به عنوان صافي هاي مبدل انرژي،سنسورها،خازن هاي چند لايه و مشددها

ـ در وسايل ارتباطي به عنوان خازن هايي براي منابع تغذيه،رادار و سراميک هاي مايکروويو براي آنتن ها.

● مواد سراميکي انعطاف پذير

۱۸مارس ۲۰۰۲- محققان دانشگاه کُرنل با استفاده از نانوشيمي، يک گروه جديد از مواد ترکيبيي را توليد کرده و به نام سراميکهاي انعطاف پذير نامگذاري کرده اند. مواد جديد، کاربردهاي گسترده اي، از قطعات ميکروالکترونيکي گرفته تا جداسازي مولکولهاي بزرگ، مانند پروتئينها خواهند داشت.

آنچه در اين زمينه، حتي براي خود محققان، بيشتر جلب توجه مي کند آن است که ساختمان مولکولي مادة جديد در زير ميکروسکوپ الکتروني (TEM) که به صورت ساختمان مکعبي است، با پيشگوييهاي رياضي قرن گذشته مطابقت مي کند. اولريش ويسنر، استاد علوم و مهندسي مواد دانشگاه کُرنل، مي گويد: "ما اکنون در تحقيقات پليمري به ساختمانهايي برخورد مي کنيم که رياضيدانها مدتها قبل وجود آنها را از نظر تئوري اثبات کرده اند."

ساختمان مادة جديد، خيلي پيچيده تر از آن ماده ا ي است که Plumber&#۰۳۹;s nightmare ناميده شده است.

ويسنر در گردهمايي سالانة جامعة فيزيک آمريکا در مرکز گردهمايي اينديانا، در مورد سراميکهاي انعطاف پذير جديد، گفت: "رفتار فازي کوپليمر، موجب جهت دهي ترکيبهاي نانوساختاري آلي/معدني مي شود." به عقيدة وي، اين ماده يک زمينة تحقيقاتي مهيج و ضروري است که نتايج علمي و تکنولوژيکي بسيار هنگفتي از آن بدست مي آيد.

گروه تحقيقاتي ويسنر از طريق شکلهاي کاملاً هندسي که در طبيعت يافت مي شوند، به طرف نانوشيمي هدايت شد. يک مثال کاملاً مشهود براي ساختار ظريف دو اتميها، جلبک تک سلولي است که ديواره هاي پوستة آن از حفره هاي سيليکاتي کاملاً جانشين شده[۹] ساخته شده است. ويسنر مي گويد: "کليد طبيعي اين جانشيني، کنترل کامل شکل آنها از طريق خود ساماني ترکيبات آلي، در جهت رشد مواد غيرآلي (معدني) است." محققان دانشگاه کُرنل تصديق کرده اند که ساده ترين راه تقليد از طبيعت، استفاده از پليمرهاي آلي

- مخصوصاً موادي موسوم به کوپليمرهاي دي بلاک[۱۰]&#۶۵۵۳۳; است؛ زيرا اين مواد مي توانند به طور شيميايي به صورت نانوساختارهاي با اَشکال هندسي مختلف ساماندهي شوند. اگر پليمر بتواند به طريقي با مواد غيرآلي (معدني) - يک سراميک، خصوصاً يک ماده از نوع سيليکاتي- ذوب شود، مادة ترکيبي حاصل، ترکيبي از خواص زير را خواهد داشت:

▪ انعطاف پذيري و کنترل ساختار (از پليمر)

▪ عملکرد بالا (از سراميک).

ويسنر مي گويد: "خواص مواد حاصل، فقط جمع سادة خواص پليمرها و سراميک نبوده، حتي ممکن است اين مواد خواص کاملاً جديدي نيز داشته باشند." محققان دانشگاه کُرنل تاکنون فقط تکه هاي کوچکي از سراميک انعطاف پذير، با وزن چند گرم ساخته اند که البته براي آزمايش خواص مواد، کافي است. مادة حاصل، شفاف و قابل خم کردن است، در عين حال مقاومت قابل توجهي داشته و بر خلاف سراميک خالص خُرد نمي شود.

دربعضي موارد، اين ماده، يک هادي يوني بوده و قابليت کاربرد به صورت الکتروليت باتريهاي با کارآيي بالا را دارد. همچنين مادة جديد ممکن است در پيلهاي سوختي بکار برود.

در بعضـي مـوارد هندسـة ۶ وجهـي مـاده-که از طريـق جفت شـدن حاصـل مي شـود -بسيار بـه ساختـار دو اتميها شبيـه است. در عـوض ويسـنرمي گويد: "با دستيابي به اين ساختار مولکولي تقريباً مي توان گفت که به طبيعت کامل شده ا ي دست يافته ايم."

ساختار متخلخل سراميکهاي انعطاف پذير وقتي شکل مي گيرد که ماده در دماهاي بالا عمليات حرارتي شود. به عقيدة ويسز، اين در حقيقت اولين ماده با چنين هندسه و توزيع کم اندازة حفره هاست. چون ماده فقط حفره هاي ده تا بيست نانومتري دارد. محققين دانشگاه کُرنل، در تلاشند تا دريابند که "آيا اين مواد مي توانند براي جداسازي پروتئينهاي زنده استفاده شوند؟"

ويسنرعقيده دارد که به خاطر قابليت خود ساماندهي اين مواد، مي توان آنها را به صورت ناپيوسته و در مقياس زياد توليد کرد. او مي گويد: "ما مي توانيم ساختار را کاملاً کنترل کنيم. ما مي توانيم با کنترل خيلي خوبي اين ماده را به مقياس نانو برسانيم. ما حالا مي دانيم که چگونه مجموعه ا ي از ساختارهاي با شکل و اندازه حفره هاي يکسان، بسازيم."

محققان دانشگاه کُرنل اين عمل را با کنترل "فازها" و يا با معماري مولکولي ماده بوسيلة کنترل کردن مخلوطي از پليمر و سراميک انجام مي دهند. ماده از چند مرحلة انتقالي عبور مي کند؛ از مکعبي به ۶ وجهي و سپس به نازک و مسطح و بعد به شش وجهي وارونه و مکعبي وارونه. ماده پس از مرحلة مسطح و قبل از مرحلة ۶ وجهي وارونه، به صورت ساختمان مکعبي دوگانه موسوم به Plamber&#۶۵۵۳۳;s nightmare مي باشد که قبلاً در سيستمهاي پليمري يافت نشده بود. اين ساختمان اولين ساختار با چنين قابليت انطباق بالايي است که بوسيلة ترکيب خاصي از پليمرها و سراميکها توليد مي شود. ويسنرمي گويد: "اين شانس وجود دارد که ما به مجموعه ا ي از ساختارهاي دوگانة ديگر که در پليمرها وجود دارد و ديگران چيزي در مورد آنها نمي دانند، دست پيدا کنيم. ما راه را براي يافتن هرچه بيشتر چنين ساختارهايي باز کرده ايم."

اين تحقيقات بوسيلة بنياد ملي علوم، انجمن ماکس-پلانک و مرکز تحقيقات مواد دانشگاه کُرنل، پشتيباني شده است.

منابع :
----------------------
www.cornel.edu
aftab.ir
شبکه سی. پی. اچ ( www.cph-theory.persiangig.com )
----------------------
کلمات کليدي :
----------------------
سرامیک-مواد سرامیکی-عملکرد سرامیک-خصوصیات سرامیک-سرامیک فرو الکتریک -کاربرد سرامیک-