علم سرامیک

الكتروسراميك¬ها داراي كاربردهاي گسترده در صنعت بوده و پس از نيمه¬هادي¬ها در رتبة دوم اهميت قرار دارند
الكتروسراميك¬ها به علت گستردگي كاربردي كه در صنايع مختلف دارند، در چند دهه گذشته مورد توجه وسيعي قرارگرفته¬اند. اين درحالي است كه در كشور ما آشنايي چنداني با آنها وجود ندارد. دكتر بيت¬الهي، عضو هيئت علمي دانشگاه علم و صنعت ايران، در گفتگويي با شبكة تحليل¬گران تكنولوژي ايران (ايتان) به معرفي و بيان كاربردها و مزيت¬هاي الكتروسراميك¬ها پرداخته است:
با ايجاد كاربردهاي جديد براي سراميك¬هاي پيشرفته در صنايعي نظير الكترونيك، كامپيوتر، مخابرات و خودرو، جايگاه بسيار مهمي براي آنها به وجود آمده است. به طور كلي بعد از نيمه¬هادي¬ها، الكتروسراميك¬ها در رتبه دوم از لحاظ اهميت قرار دارند.
دسته¬بندي الكتروسراميك¬ها
اگر بخواهيم اين مواد را بر اساس هدايت الكتريكي آنها دسته¬بندي كنيم، مي¬توان آنها را به گروه¬هاي زير تقسيم نمود:
1. الكتروسراميك¬هاي هادي
2. الكتروسراميك¬هاي عايق
3. الكتروسراميك¬هاي نيمه¬هادي
4. الكتروسراميك¬هاي سوپرهادي
5. الكتروسراميك¬هاي حرارتي
6. الكتروسراميك¬هاي فروالكتريك:
- پيزوالكتريك¬ها
- پايروالكتريك¬ها
- الكترواپتيك¬ها
7. الكتروسراميك¬هاي مغناطيسي:
- سخت¬مغناطيس¬ها
- نرم¬مغناطيس¬ها
كاربردهاي الكتروسراميك
اين مواد كاربردهاي وسيعي را به خود اختصاص مي¬دهند. در زير به كاربردهاي چند گروه از آنها اشاره شده است:
1- الكتروسراميك¬هاي مغناطيسي
در اين گروه مي¬توان از الكتروسراميك¬هاي نرم¬مغناطيس نام برد كه به¬علت خواص دي¬الكتريكي آنها نظير مقاومت مخصوص الكتريكي بالا و تلفات مغناطيسي كم، كاربردهاي بسيار وسيعي را از دهة 50 تاكنون در صنايع الكترونيك به خود اختصاص داده¬اند. حوزة فركانسي كاربرد آنها از فركانس¬هاي بسيار پايين تا امواج ميليمتري (SHF) گسترش مي¬يابد. برخي از كاربردهاي آنها عبارتند از: هسته¬هاي ترانسفورماتور، هسته¬هاي تطبيق¬دهنده امپدانس، هسته¬هاي هد ضبط صوت و ويدئو، ميله¬هاي آنتني، تجهيزات مخابراتي مثل ايزولاتورها، سيركولاتورها، جايريتورها و براي فركانس¬هاي بالا در مايكروويو و رادار.
براي مثال به¬طور متوسط در هر تلويزيون توليدي در كشور، حدود 2 كيلوگرم از اين هسته¬ها استفاده مي¬شود كه در سيستم تقارب يوك لامپ تصوير، هسته¬¬هاي ¬ولتاژ و هستة IF و غيره كاربرد دارند. سيستم مخابراتي كشور ما ديجيتال است كه در مدارات فيلتر براي اين سيستم¬ نيز از اين فريت¬ها استفاده مي¬شود.
كاربردهاي مواد سخت¬مغناطيس نيز حدود 80 درصد توليد جهاني آهنربا را به خود اختصاص مي¬دهد كه ساده¬ترين كاربرد آنها در نوارهاي دور يخچال و بلندگوها است.
2- الكتروسراميك¬هاي عايق
الكتروسراميك¬هاي عايق كه داراي كاربردهايي در ولتاژها و فركانس¬هاي بالا و پايين مي¬باشند و بعنوان عايق¬هاي الكتريكي در مدارات الكترونيكي و شبكة توزيع جريان الكتريسيته به كار مي¬روند.
3- الكتروسراميك¬هاي حرارتي
اين مواد به دو گروه تقسيم مي¬شوند كه در زير كاربردهاي آنها آمده است:
الف) قطعات NTCR يا Negative Temp Coefficient Resistors كه با افزايش دما مقاومت آنها كاهش پيدا كرده و با سرمايش قطعه مجدداً به مقدار اولية خود بر مي¬گردد. اين قطعات مي¬توانند مثل يك سوئيچ عمل كنند. مثلاً در خودرو براي سنجش دماي بدنه موتور و براي راه اندازي خودكار فن خودرو به كار مي¬رود. در كاربردهاي الكترونيكي براي كنترل عملكرد و تعيين نقطه تثبيت كار ترانزيستورها در اثر تغيير دما، به كار مي¬روند. اين قطعات در تمام سوئيچ¬ها و سنسورهاي حرارتي كه در سيستم¬هاي ايمني استفاده مي¬شوند، كاربرد دارند، بدون اينكه تجهيزات كنترل جانبي احتياج داشته باشند. اين مواد چون خود تصميم¬گير هستند در دستة مواد باهوش قرار مي¬گيرند.
ب) قطعات PTCR يا Positive Temp Coefficient Resistor كه با افزايش دما به يك جهش ناگهاني در اندازة مقاومت خود رسيده و با كاهش دما مجدداً مقدار آن كاهش مي¬يابد. براي مثال در صنعت خودرو هر اندازه سوخت با هواي ورودي بيشتر تركيب گردد، احتراق بهتر صورت گرفته و راندمان بالاتر مي¬رود، پس بايد سوخت را تا حد معيني گرم كرد، اين كار با استفاده از قطعات PTCR انجام مي¬¬شود كه اين قطعات به صورت لانه¬زنبوري (honeycomb) در آمده و بر سر راه سوخت قرار مي¬گيرد و از آن جرياني كوچك عبور داده مي¬شود تا دمايي در حدود 40 تا50 درجه ايجاد شود. به اين ترتيب سوخت تبخير شده و وارد موتور مي¬شود و احتراق به نحو مناسبي صورت مي¬گيرد. كاربرد ديگر در حشره¬كش¬هاي الكتريكي است كه ماده شيميايي روي اين قطعات قرار مي¬گيرد و در اثر عبور جريان قطعه گرم شده و در حد معيني از دما به صورت كتنرل شده باقي مي¬ماند و از اين طريق ماده شيميايي نيز تبخير مي¬گردد. از كاربردهاي ديگر مي¬توان به سشوارها و بسياري موارد ديگر اشاره كرد.
4- فروالكتريك¬ها
در اين گروه از مواد، پيزوالكتريك¬ها كاربرد وسيعي را در صنايع نظامي، خودرو و پزشكي دارند. در صنعت خودرو، كاربرد اصل آنها در كيسه¬هاي هوا و شتاب¬سنج¬ها، جرقه¬زن¬هاي چاشني¬هاي انفجاري است. در صنعت هوافضا، تصويربرداري پزشكي و فيزيوتراپي¬ها نيز كاربردهاي زيادي دارند و يا در خازن¬هاي الكترونيكي نظير خازن¬هاي چندلايه (MLC) كه امكان داشتن ظريفت¬هاي بسيار بالا را در حجم كم فراهم مي¬نمايد.
بعلاوه پايروسراميك¬ها نيز زيرمجموعه¬اي از فروالكتريك¬ها هستند كه خواص الكتريكي آنها تحت تاثير دريافت انرژي حرارتي در محدوده مادون قرمز تغيير مي¬كند. براين مبنا امكان تصويربرداري حرارتي (Thermal Imaging) نيز فراهم مي¬گردد كه كاربردهاي بسيار مهمي در صنايع نظامي دارد. بعلاوه پايروسراميك¬ها در دزدگيرهاي منازل، سيستم¬هاي اطفاي حريق اتوماتيك و غيره كاربردهاي بسيار زيادي دارند.
همچنين فروالكتريك¬ها بعنوان حافظه¬هاي كامپيوتري نيز بكار مي¬روند.
ضرورت توجه به الكتروسراميك¬ها
با توجه به كاربردهاي وسيعي كه اين مواد دارند، اهميت آنها مشخص مي¬شود. از طرف ديگر اشتغالي كه در اثر توليد اين مواد در كشور ايجاد مي¬شود، تأثيري كه در توسعه صنايع الكترونيك كشور دارند، ارزش افزوده بالاي اين مواد، عدم نياز به سرمايه¬گذاري بالا و مصرف انرژي كمتر در مقايسه با سراميك¬هاي معمولي، از جمله عوامل ديگري هستند كه لزوم توجه كشور ما به اين صنعت را گوش¬زد مي¬كنند. به برخي از اين عوامل در زير اشاره شده است:
1- اشتغال
اشتغالي كه در اثر توسعه اين صنعت در كشور ايجاد مي¬شود، قابل مقايسه با سراميك¬هاي سنتي نيست. زيرا علاوه بر گروه¬هاي متخصصي كه در واحدهاي صنعتي مشغول به توليد اين محصولات خواهند بود، گروه¬هاي ديگري كه شامل تيم¬هاي مهندسي هستند محصول اين كارخانجات را براي كاربردهاي خاص طراحي و توليد مي¬كنند. بنابراين زنجيرة بزرگي از نيروهاي تحصيل¬كرده در اثر توسعة اين صنعت جذب بازار كار خواهند گرديد كه اكثر آنها را قشر تحصيل¬كرده تشكيل خواهد داد. اساساً توليد اين نوع محصولات بعنوان محصولات مبتني بر دانش تلقي مي گردد.
2- توسعه صنايع الكترونيك
با توجه به اهداف برنامه سوم توسعه كه يكي از اهداف آن توسعه صنايع الكترونيك در كشور است، بايد زيرساخت¬هاي لازم را براي آن ايجاد كرد. توليد الكتروسراميك¬ها در كشور يكي از زيرساخت¬هاي لازم براي توسعه اين صنعت است. چون معضلي كه توليدكنندگان در صنعت الكترونيك دارند، قيمت نامناسب و ورود اجناس به صورت قاچاق در كشور است. با توليد اقتصادي اين قطعات در كنار ديگر قطعات الكترونيكي در داخل كشور، آنها مي¬توانند توليدات خود را با قيمت مناسبي به جامعه ارائه ¬دهند و نگران قاچاق نبوده و به بازارهاي بين¬المللي راه پيدا كنند و توان رقابت داشته باشند.
3- ارزش افزوده بالا
قيمت محصولات الكتروسراميكي از 5-4 دلار شروع مي¬شود و تا 500-400 دلار در هر كيلو مي¬رسد كه سهم بالايي از ارزش افزوده آن به دانش فني و طراحي مرتبط است. اين ارزش افزوده بالا مديون دانش فني است و صرفاً مواد اوليه نقش عمده¬اي را به تنهايي در قيمت اين مواد بازي نمي¬نمايد. نگراني از اينكه مواد اوليه باخلوص بالا براي توليد اين مواد را در كشور نداريم، نبايد باعث شود تا كشور ما وارد اين صنعت نشود. چنانچه كشورهايي نظير كره، تايوان، هنگ هنگ و سنگاپور نيز با همين مسئله روبرو بودند ولي با يك برنامه¬ريزي درست و در سايه همكاري¬هاي بين¬المللي گام¬هاي بسيار درخشاني را در توليد و عرضه اين محصولات در دنيا برداشته¬اند.
4- مصرف انرژي
مصرف انرژي براي توليد اين قطعات در مقايسه با سراميك¬هاي سنتي بسيار كمتر است. زيرا ابعاد قطعات كوچك¬تر است.
ضرورت حمايت از بخش خصوصي
به علت حساسيت اين مواد و پيچيدگي فرايند توليد، توليد آنها همراه با ريسك بالا است. بنابراين بخش خصوصي به راحتي وارد اين صنعت نمي¬شود. دولت بايد با ايجاد واحدهاي نمونه در اين صنعت و دادن سوبسيدهاي مختلف به آن، باعث شكوفايي آن گردد. بعد از آن بخش خصوصي نيز طبيعتاً وارد عرصه مي¬شود. در كشورهاي پيشرفته نيز صنايع high-Tech از سوبسيدهاي مختلف از طرف دولت برخوردار مي¬شوند تا بتوانند در آينده گسترش يابند و نظر بخش خصوصي را به خود جلب نمايند.