علم سرامیک

سرامیک (Ceramics) از کلمه یونانی کراموس (Keramos) گرفته شده است. سرامیک ، علم و هنر ساخت و استفاده از محصولاتی است که ترکیب اصلی آن ها مواد غیر آلی و غیر فلزی است. به علت وجود ترکیبات متنوع از اتم های فلزی و غیرفلزی و آرایش های متعدد ساختاری، طیف بسیار وسیعی از سرامیک ها وجود دارد. از جمله مواد سرامیکی می توان به موارد زیر و بسیاری دیگر اشاره کرد:

 4 هزار سال قبل از میلاد مسیح بشر موفق به استخراج فلزات از کانی های طبیعی شد و بدین ترتیب عصر برنز آغاز گردید. استخراج فلزات به دماهای بالا نیاز داشت و سرامیک ها تنها موادی بودند که توانایی تحمل دماهای بالا را داشتند. 3500 سال قبل از میلاد مسیح اولین لعاب های شیشه ای ابداع شدند که از سطح سفال ها در برابر نشت مایعات محافظت می کردند. ظهور چرخ سفالگری در 2000 ق.م موجب افزایش تولید سفال شد.

دست یابی سفالگران چینی به تکنولوژی ساخت کوره هایی با دمای 1200 درجه سانتی گراد سبب شد تا ظروف پخته شده در این دما تخلخل بسیار کمی داشته باشند. در حدود سال 600 میلادی، سفالگران چینی ترکیب خاک چینی ((petuntse را کشف کردند که در هنگام پخت با کائولن واکنش داده و ماده ای شیشه ای ایجاد می کرد. مارکوپولو در سال 1292 نام این سرامیک را  alla porcella نهاد و امروزه این سرامیک ها با نام پرسلان شناخته می شوند. تلاش اروپایی ها برای ساخت بدنه هایی مشابه با این سرامیک ها سرانجام در سال 1710 در آلمان به نتیجه رسید و اولین خط تولید انبوه پرسلان در سال 1800 در انگلستان راه اندازی شد. تغییرات مهم در صنعت سرامیک در سال 1800 اتفاق افتاد و منجر به تولید مواد جدیدی گردید که خواصی متفاوت با سرامیک های سنتی داشتند.

سفال، سنگینه، پرسلان، آجر، شیشه و سیمان همگی سرامیک های سنتی هستند که امروزه نیز تقریبا در تمام عرصه های زندگی مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها هنوز از مواد طبیعی استخراج شده از زمین تشکیل می شوند. اما تغییرات مهمی در دهه 1800 رخ داد که منجر به ظهور سرامیک های جدید ساخته از مواد تخلیص شده و حتی مصنوعی شد که دارای خواصی بودند که سرامیک های سنتی فاقد آن بودند. این سرامیک های جدید که به آن ها سرامیک های مدرن، ظریف یا پیشرفته می گویند راه را برای تمدن جدید هموار ساختند. تاریخ سرامیک های نوین تا حدی شبیه یک معما است که باید قطعات گوناگون آن را یافت تا بتوان تصویر کلی آن را مشخص کرد. کشف الکتریسیته، پیشرفت های اولیه در شیمی و اختراع خودرو همگی به حل این معمای سرامیکی کمک می کنند. حتی تلاش های مردم قدیم برای جادوی ساخت سنگ های قیمتی مانند یاقوت و الماس نقش مهمی در توسعه سرامیک های نوین بازی می کند.

توسعه سرامیک ها تاثیر بسیار زیادی بر تمدن گذاشته است. فقط در یک قرن گذشته، دانش ما نسبت به سرامیک ها به حد انفجار رسیده است. اینک ما برخی از رفتار سرامیک ها که قرن ها ذهن انسان را به خود مشغول کرده بود، شناخته ایم. حال می توانیم سرامیک ها را طراحی و مهندسی و با مواد دیگر مخلوط کنیم تا تقریبا هر مشکلی را برطرف کنیم. برای داشتن بسیاری از محصولات فوق العاده مانند رادیو، تلویزیون، الیاف شیشه ای، لیزر، فراصوت، اسباب مایکروویو و مخابرات، هواپیمای جت، رایانه خانگی و تلفن همراه مرهون سرامیک های نوین هستیم.

به علت گستردگی ترکیبات سرامیکی دسته بندی های متفاوتی برای آن ها صورت گرفته است.

از نقطه نظر تاریخی می توان سرامیک ها را به دو دسته سنتی و مدرن تقسیم بندی نمود: - سرامیک های سنتی عمدتا سرامیک های سیلیکیاتی هستند که از جمله آن ها می توان به محصولات رسی، سیمان و شیشه های سیلیکاتی اشاره نمود. - سرامیک های مدرن دارای خواص حرارتی، مکانیکی و شیمیایی ویژه ای هستند. سرامیک های اکسیدی بسیار خالص مانند آلومینا و زیرکونیا، سوخت های هسته ای بر پایه اکسید اورانیم، کاربید ها و نیتریدهای سرامیکی و شیشه سرامیک ها در دسته سرامیک های مدرن جای می گیرند. سرامیک های مدرن بر اساس ترکیب شیمیایی به دو دسته سرامیک های اکسیدی و غیر اکسیدی تقسیم بندی می شوند. از میان سرامیک های اکسیدی می توان از آلومینا (Al2O3)، زیرکونیا (ZrO2)، توریا (ThO2)، برلیا (BeO)، منیزیا (MgO) نام برد. از میان سرامیک های غیر اکسیدی می توان به نیترید سیلیسیوم (Si3N4)، نیترید بور (BN)، کاربید سیلیسیم (SiC) و کاربید تنگستن (WC) اشاره کرد.

یک ویژگی مهم سرامیک ها که برای هر فردی آشنا است تردی و شکست آن ها با کمی تغییر فرم و یا بدون تغییر است. این رفتار با رفتار فلزات که تسلیم شده و تغییر فرم می دهند، متفاوت است. در نتیجه سرامیک ها را نمی توان با روش مورد استفاده برای فلزات شکل داد. دو روش عمده برای شکل دادن سرامیک ها توسعه یافته است. یکی از آن ها استفاده از مخلوطی از ذرات سرامیکی ریز با یک مایع، چسب یا ماده روغن کاری کننده است (مانند مخلوط پلاستیک رس – آب) که دارای خواص رئولوژیکی مناسب و قابلیت شکل دادن است. آنگاه با یک عملیات حرارتی، این مخلوط ذرات ریز به یک محصول یکپارچه و مستحکم تبدیل می شود. در این روش باید ابتدا ذرات ریز را تهیه کرد و شکل داد و سپس با حرارت دادن آن ها را به یکدیگر چسباند. روش دوم ذوب کردن ماده و شکل دادن مذاب حاصل در حین سرد کردن و انجماد آن است. این روش بیشتر برای شکل دادن شیشه ها به کار می رود. برای تکمیل، باید به روش های شکل دهی توسط قالب یا با غوطه ور کردن یک الگو در دوغاب حاوی چسب سرامیکی مانند سیمان پرتلند یا اتیل سیلیکات نیز اشاره کرد.

علاوه بر فرآیند های متداولی که در مورد آن ها توضیح داده شد، فرآیند های دیگری وجود دارد که روش های شکل دهی را تقویت، اصلاح و گسترش می دهند و یا جایگزین آن ها می شوند. این روش ها عبارتند از اعمال لعاب، مینا و پوشش ها، پرس گرم، روش های اتصال فلز به سرامیک، تبلور شیشه، پرداخت و ماشین کاری، ساخت بلورها و فرآیندهای بخار – رسوب.

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Musikant. S. , What Every Engineer Should Know About Ceramics, CRC Press.

Kingery. W. D. , Introduction to ceramics, Wiley.

Richerson D. W. , The magic of ceramics, American Ceramic Society.

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

به طور کلی علم سرامیک را می توان به دو شاخه سرامیک فیزیکی و سرامیک صنعتی تقسیم کرد. سرامیک فیزیکی درباره ساختمان مواد سرامیکی و خواص آنها بحث می کند. در این شاخه ساختمان اتم، اتصالات بین اتم ­ها، ساختمان­ های بلوری، ساختمان شیشه، معایب ساختمانی، استحاله‌های فازی، رشد دانه‌ها، تبلور مجدد و مباحثی نظیر آنها مورد بحث قرار می گیرد. علاوه بر این خواص الکتریکی، مغناطیسی، نوری، حرارتی و مکانیکی سرامیک ­ها هم مورد بحث قرار می گیرند. اصولا مراحل ساخت هر جسم سرامیکی به صورت زیر است: انتخاب مواد اولیه و تغلیظ و تخلیص آن، آماده‌سازی مواد اولیه (خردکردن - دانه‌بندی - مخلوط کردن )، شکل دادن، خشک کردن، پختن (زینتر کردن) ... ادامه

Ceramic engineering is the science and technology of creating objects from inorganic, non-metallic materials. This is done either by the action of heat, or at lower temperatures using precipitation reactions from high purity chemical solutions. The term includes the purification of raw materials, the study and production of the chemical compounds concerned, their formation into components and the study of their structure, composition and properties. Ceramic materials may have a crystalline or partly crystalline structure, with long-range order on atomic scale. Glass ceramics may have an amorphous or glassy structure, with limited or short-range atomic order. They are either formed from a molten mass that solidifies on cooling, formed and matured by the action of heat, or chemically synthesized at low temperatures using, for example, hydrothermal or sol-gel synthesis. The special character of ceramic materials gives rise to many applications in materials engineering, electrical engineering, chemical engineering and mechanical engineering. As ceramics are heat resistant, they can be used for many tasks that materials like metal and polymers are unsuitable for. Ceramic materials are used in a wide range of industries, including mining, aerospace, medicine, refinery, food and chemical industries, packaging science, electronics, industrial and transmission electricity, and guided lightwave transmission...more

Ceramics were the first engineered materials. From the humble beginnings of clay-based pottery, ceramics are now at the heart of nearly every modern technology. Ceramics play pivotal roles in electronics (from computers to cell phones), in transportation (from roadways to vehicles), in defense systems (from armor to guidance systems), and in environmental technologies (from catalytic converters to diesel-engine filters). Ceramic engineers are needed to design, develop and manufacture improved ceramic materials...more