علم سرامیک

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.