سراميک و مواد

[Borna66]

در اين تاپيك قصد دارم در مورد مواد سراميکي صحبت کنم. از همه کساني که به نحوي با اين موضوع در ارتباط هستند خواهش مي کنم که من رو با ايجاد بحث و نظر جديد ياري کنند.

[Borna66]

مواد استراتژيک (سراميک های پيشرفته)

مواد نقشی اساسی در پیشرفت جوامع و بهبود وضعیت زندگی افراد دارند. مواد با ایجاد وضعیت مطلوب تر استانداردهای زندگی را بهبود می بخشد، نیازهای یک جامعه را مرتفع می سازد، برای امنیت، ارتباطات، بهداشت و سلامتی و ساخت مکان مناسب برای زندگی بکار برده می شود. در طول تاریخ مواد مورد استفاده توسط بشر، پیشرفت آنان را در دوره های مختلف مشخص می سازد.

عصر حجر، عصربرنز و عصرآهن هر کدام به نوبه خود مشخص می سازد که در عصر مربوطه چه مواداصلی و ممتاز مورد استفاده بشر در آن دوره بوده اند. عده ای عصر حاضر را عصر سیلیکون نامگذاری کرده اند، اما با این سرعت پیشرفت روزافزون در طی سی سال آینده تکنولوژی بر پایه سیلیکون با محدودیت های اساسی روبرو خواهد شد. به هر حال، افزایش متناسب قدرت محاسباتی و تجهیزات، را به سمت مرحله بعدی رهنمون می سازد. علم مواد اخیراٌ از روشی سنتی موسوم به Edisonian سعی و خطا برای کشف مواد به سمت مواد طراحی شده بر اساس یک سیستم پایه، جهت دستیابی به نیازهای ویزه حرکت کرده است. این جابجایی نشان می دهد که در عصر کبیر بعدی امکان دارد ما به عصر "طراحی مواد" برسیم.

صنایع پایه استراتژیک موادی را شامل می گردد که ارتباط وسیع و مهمی با بخش های تجاری، دفاعی و اقتصاد ملی دارد. به عنوان مثال می توان به صنایع فولاد، آلومینیوم و تیتانیوم اشاره کرد، صنایع رایج و متداول موادی را شامل می گردد که هم اکنون بطور کامل اجرایی هستند و یا اینکه در بخش تجاری و یا دفاعی به عنوان یک پروژه قابل قبول مورد پذیرش قرار گرفته اند. به عنوان مثال در این گروه می توان به مواد و تکنولوزی های سوپرآلیاژها، کامپوزیت های ویزه و سرامیک ها، خاک های کمیاب و متالورژی پودر اشاره نمود. مواد آینده، موادی هستند که قابلیت و پتانسیل استفاده بالایی دارند اما نیاز به تحقیقات و پیشرفت بیشتری قبل از مصرف آنها به طور وسیع وجود دارد. نمونه ای از این علوم، علوم شبیه سازی بدن و نانوتکنولوژی است. هم چنین مواد غیر سوختی و مواد حیاتی مثل نفت، زغال سنگ و اورانیوم نیز جزء مواد استراتژیک محسوب می گردند.

[Borna66]

شرایط کنونی صنایع مواد استراتژیک


مواد استراتژیک دیروز و امروز : با توجه به هوا، آب و غذا همواره اعلام حیات بشر وابسته به مواد بوده است. امروزه افزایش در تولید وابسته به عرضه مواد قابل رقابت در عرصه جهانی، کاهش بودجه های تحقیق و توسعه، کاهش هزینه های انرژی، توانایی کار و مزیت های نسبی منطقه ای است. پیوند بین مدیریت علم مواد، موفقیت و امنیت در سیستم مواد استراتژیک یک اتفاق بدیهی و ساده نیست و به آسانی میسر نمی گردد.

پس از جنگ جهانی دوم، پیشرفت های تکنولوژیک، سطح زندگی بشر را در حدود 50 تا 70 درصد افزایش داده است. علم مواد در حقیقت تمام محصولات و پروسه ها و فرآیندهایی را دربرمی گیرد که جامعه مدرن امروز به آن نیاز دارد.

اگر پیشرفت علم مواد وجود نداشت هفت مورد از ده مورد کارهای برتر انجام شده در دنیا در سال های اخیر قرن بیستم امکان پذیر نبود. فرود انسان در ماه، ساخت هواپیما، ترانزیستور، مدارهای مجتمع کامپیوتری (ic )، ساخت موتور جت برای هواپیما و ماهواره های ارتباطی همه و همه به پیشرفت علم مواد بستگی داشته و دارد. کامپیوترهای دیجیتالی، تلویزیون و ساخت کانال پاناما همه به واسطه استفاده از مواد بهتر قابل انجام شد.
میزان تولید فولاد هر کشور یکی از فاکتورهای اصلی برای بررسی میزان رشد آن کشور محسوب می گردد. با توجه به رشد سریع صنعتی در چین، میزان رشد تولید در چین در طی پنج سال دو برابر شده است. رتبه های بعدی تولید ژاپن و آمریکا هستند. با رشد تکنولوژی امروزه میزان مصرف انرژی طی بیست و پنج سال اخیر با کاهش 27 درصدی روبرو بوده است.

[Borna66]

آلومینیوم
آلومینیوم طی فرآیند الکترومتالوژیکی تولید شده و با توجه به قابلیت بازیابی وآسانی مصرف آن محصول قابل توجهی است. این ماده را می توان از سنگ های معدنی ویا توسط بازیابی محصولات مصرف شده تهیه نمود. درروشی که از مواد خام به تولید آلومینیوم می پردازیم سنگ معدن بوکسیت از معدن استخراج شده و پس از تصفیه به آلومینا (اکسید آلومینوم) تبدیل می شود که ماده اولیه تولید فلز آلومینیوم است. درروش دوم از تصفیه فلزات قراضه استفاده می شود که در آن این فرآیند مصرف انرژی کمتری دارد. آلیاژ آلومینیوم با توجه به خصوصیات مورد نظر، از قبیل استحکام، شکل پذیری و مقاوت نسبت به خوردگی طراحی و تولید می شود. برخی ازعناصری که به همراه آلومینیوم به عنوان عناصر آلیاژی مورد مصرف می شود عبارتند از مس، منگنز، سیلیکون، منیزیوم و روی. برخی از کاربردهای آلومینیوم عبارتند از ساختمان سازی، بسته بندی انعطاف پذیر و هم چنین مستحکم(فویل غذا- ظروف نوشابه)، حمل و نقل (اتومبیل، هواپیما، کشتی و واگن های ریلی). مقایسه خواص مکانیکی متالورژی پودر آلومینیوم نشان می دهد که این فلز مزیت بسیار خوبی به علت سبک بودن و پائین بودن دانسیته اش دارد. ازخصوصیات دیگر این ماده می توان به مقاومت نسبت به خوردگی، هدایت و خواص نهایی خوب آن اشاره کرد.
__________________

[Borna66]

تیتانیوم

این ماده به عنوان نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین و چهارمین عنصر فلزی فراوان محسوب می گردد. تیتانیوم استحکام خوبی دارد، وزن سبکی دارد و کارایی زیادی دارد. تولید با بیشترین نسبت استحکام به وزن را در بین فلزات دارد. این ماده در صنایع هواپیمایی، فرآیندهای شیمی و پتروشیمی، نفت و گاز، صنایع دریائی، زیست شناسی، کاربرد رایج تر آن در ساخت توپ گلف و کاشت ها و ایمپلنت های پژشکی است. با توجه به نسبت بالای استحکام به وزن آن و خواص قابل قبول آن امروزه تیتانیوم در طراحی های جدید سیستم های نظامی قابل حمل و نقل کاربرد یافته است. استرالیا بزرگترین تامین کننده این ماده به شکل مینرالی است. بیشترین معادن تیتانیوم به صورت پخش در نقاط مختلف وجود دارد و کمتر به صورت متمرکز در یک منطقه خاص یافت می شود. اما هنوز تولید آن مشکل و هزینه بر است و لذا برای کارهای تجاری مناسب نیست. یکی از بیشترین کاربردهای فلز تیتانیوم در موتور جت است که به دلیل استحکام بالای آن و وزن کم و مقاومت خوب آن در برابر خستگی است. آلیاژ تیتانیوم در بدن هواپیما و قالب های راکت های فضایی به دلیل سبکی وزن و پایداریش بکار می رود. در هر طراحی جدید می بینیم که میزان و درصد استفاده از تیتانیوم در هوا پیما افزایش یافته است. به عنوان مثال در هواپیما 4-f تیتانیوم از نظر درصد وزنی مورد مصرف قرار گرفت،اما هواپیمای مدرن تر 15-f درحدود 26 درصد و هواپیمای آینده که 22-f است در حدود 39 درصد تیتانیوم در خود جای داده است. هزینه استخراج و پروسسینگ برای قالب تولید تیتانیوم درحدود شش برابر قیمت تمام شده برای آلومینیوم ولی برای فولاد است. هم اکنون کارهای زیادی برای کاهش هزینه های استخراج، ذوب و فرآیند تولید تیتانیوم در حال انجام است که هم اکنون مطالعات برروی تکنولوژی تولید پودر برای ایجاد قطعه به صورت صنعتی درحال انجام است تا هزینه های مصرف انرژی را کاهش دهند. دانشگاه کمبریج روش جدیدی را ابداع کرده است که در این روش می توان دریک روز تیتانیوم بیشتری در مقایسه با یک هفته کار به صورت سنتی تهیه نمود و همچنین قیمت تمام شده به یک سوم هزینه های تولید کنونی کاهش می یابد.

[Borna66]

سوپر آلیاژها :

اصطلاح سوپر آلیاژها برای اولین بار به فاصله کمی بعد از جنگ جهانی دوم برای گروهی از آلیاژهای فلزی بکار برده شد که برای استفاده در توربوشارژها و توربین های موتور هواپیما جهت کاربرد در دماهای بالا مورد استفاده قرار گرفتند. این مواد به خاطر خصوصیات دما بالایشان به عنوان مواد استراتژیک مهمی شناخته شده اند. سه گروه اصلی سوپرآلیاژها عبارتند از سوپرآلیاژهای برپایه نیکل، آهن و کبالت (عنصر اصلی موجود در آلیاژ). سوپر آلیاژها مزیت های زیادی دارند. این مواد هم استحکام بالایی دارند وهم اینکه دردماهای بالا قابلیت استفاده دارند. یک کاربرد نظامی سوپرآلیاژها درموتور هواپیماهای نظامی است که با توجه به نیروی خروجی موتور و دمای بالای کارکرد شرایط را برای آلیاژهای معمولی غیر قابل مصرف می سازد.

[Borna66]

عناصر کمیاب

این هفده عنصر به خاک های کمیاب شهرت دارند. برخلاف نامشان این مواد در پوسته زمین فراوانند اما درهیچ کجای زمین به صورت متمرکز یافت نمی شوند. خاک های کمیاب خواص مختلف و زیادی از جمله هسته ای، متالوژی، شیمیایی، کاتالیتیکی، الکتریکی، مغناطیسی و اپتیکی دارند که این خصوصیات آنها را برای استفاده در کاربردهای High-tech و با تکنولوژی بالا مناسب می سازد.

متاسفانه استخراج این عناصراز دیگر مواد کاری بسیار پرهزینه و زمان بر است (که حتی برای تعدادی از این عناصر ممکن است به دو سال برسد) و این در حالی است که وجود مقدار کمی از این عناصر برای صنایع الکترونیک لازم و ضروری است.

در کاربردهای نظامی مثل سیستم های راهنمای اسلحه ها، نمایشگرهای کابین هواپیما و سیستم های آنتن رادار کاربرد این مواد مسلم است. تعدادی از خاک های کمیاب به دلیل خواص مغناطیسی و حرارتی شان بسیار کاربرد دارند و نقش اساسی در تکنولوژی ساخت قطعات مینیاتوری و کوچک ازمتیل موتورها، اجزای سرامیکی وتوربین های قدرتمند دارند. بیشترین میزان تولید این مواد درمیان کشورهای جهان در چین است که حدود 90 درصد تولید این مواد را به خود اختصاص داده است.
درصورت تکمیل شدن تحقیقات برروی این مواد شاهد خواهیم بود مشکلات موجود در صنعت تولید اتومبیل کاهش یافته، کارکرد اتومبیل ها افزایش یافته، سریع تر، کوچک تر و با تجهیزات نمایشگر الکترونیک پیشرفته تری عرضه خواهند شد.

[Borna66]

کامپوزیت های پیشرفته

کامپوزیت درحقیقت ترکیب دو یا چند ماده با خصوصیات غیر مشابه است تا بتوان ماده جدیدی با خواص بهتر تهیه نمود. مواد کامپوزیتی که می شناسیم تنوع بسیار زیادی دارند واز چوب های لایه(پلی وود)، لعاب مینا برروی فلزات، صفحات کاغذی سخت شده با پلاستیک، بتون مسلح با فولاد، فایبرگلاس، تایر اتومبیل (لاستیک تقویت شده با شیشه، سرامیک و یا فلز) می توان به عنوان مثال های مواد کامپوزیتی روزمره نام برد. کامپوزیت ها به صورت پلاستیک های تقویت شده به صورت فیبر یا الیاف در زمینه پلیمری شناخته شده اند. این مواد کاربردهای زیادی در صنایع نظامی دارند. آنها می توانند عملکرد قطعه را افزایش داده و در سیستم های ماهواره ای، هواپیما وسایل نقلیه روی خشکی، کشتی، زیردریایی و .... کاربرد دارد. این مواد سبک وزن و با ساختار مستحکم باعث تقویت سرعت، بهبود مصرف سوخت، در علوم مختلف از جمله علوم هوایی دارد این مواد در مقابل خستگی و خوردگی و مقاوم بوده و دوام و ماندگاری قطعات را افزایش می دهند. هم اکنون تحقیقات وسیعی برای تجاری تر کردن و تهیه آسان تر این مواد در حال انجام است تا بتوان موادی با وزن کم و استحکام بالا برای کاربردهای ویژه نظیر انرژی محیطی، حمل و نقل ،ساختمان سازی و امنیتی و محافظتی تهیه نمود.

[Borna66]

سرامیک های پیشرفته :

همانگونه که می دانید سرامیک ها و صنایع مرتبط با آن بسیار محدوده گسترده ای دارند و از مواد سفالی گرفته تا ترکیب سرامیک ها با فلزات و عناصر فلزی که برای بهبود خواص با یکدیگر ترکیب می شوند و سرامیک های الکتریکی، بیوسرامیک های مهندسی این محدوده ادامه دارد. الیاف سرامیکی یکی از مواد مهم در صنایع مختلف محسوب می شود و اکنون مشکل موجود هزینه بالای تولید این الیاف است که قیمت آن را بالا می برد. سرامیک های پیشرفته کاربردهای زیادی در صنایع تولیدی، ژنراتورهای برق، هوافضا، حمل و نقل، صنایع نظامی و هم چنین به عنوان سپرهای محافظتی از بدن دارند. از دهه 1990 و با شروع رشد در صنایع سرامیک های پیشرفته محصولات جدید زیادی به بازار آمده اند ولی می بایست کارهای بعدی برای کاهش قیمت بر روی آنها انجام شود تا با قیمت فلزات قابل مقایسه باشند. سرمایه گذاری بخش خصوصی با توجه به زمان بازگشت سرمایه این مواد چندان نمی تواند قابل توجیه باشد. سرامیک ها می توانند جزء موادی باشند که کارکرد سوخت و عملکرد آن را در موتورها بالا برده، مقاومت سایشی ترکیبات را افزایش دهند، وزن وسایل نقلیه و هواپیماها را کاهش داده و باعث افزایش راندمان در انواع ماشین آلات گردند.

[Borna66]

خواص سرامیک ها :

مواد سرامیکی خواص ویژه ای از خود نشان می دهند به طوری که این امر موجب می گردد که جایگزین دیگری با مواد دیگر نداشته باشد وبنابراین نقش ویژه ای در تهیه انواع بیشماری از ادوات و تجهیزات بازی می کند. برای ایجاد یک خواص خوب و مناسب ودر نتیجه بکارگیری صحیح مواد سرامیکی دانستن اطلاعات درمورد رابطه بین خواص و ریزساختار مواد سرامیکی ضروری است. ریزساختار مواد بستگی زیادی به فرآیند تولید و روش تهیه دارد. سرامیک های پیشرفته امروز کاربردهای بسیار فراوانی دارند و امروزه سعی بر تولید مواد سرامیکی است که به شکل کامل تولید شده و بعد از تولید نیاز به ماشین کاری و در نتیجه تحمیل هزینه اضافی به سیستم حذف گردد.

مواد جدیدی که امروزه اهمیت ویژه ای برای تحقیق و توسعه این مواد در نظر گرفته می شوند در زمینه سرامیک به شرح زیر می باشند :

بیوسرامیک ها که تاثیر به سزایی در رشد صنعت پزشکی و بهبود وضعیت سلامتی جوامع انسانی داشته اند، مواد ساینده نظیر ابزار برش و چرخ های ساینده که کاربری آن در صنایع کاربردی فلزات و ... است. سرامیک های سخت و بسیار سخت (hard and Super hard ceramics ) موادی هستند که مطالعه بر روی آن ها بسیار پر اهمیت و البته هزینه بر است.

روش های مطالعه رفتار مواد در دماهای بالا، فیلترها، خوردگی مواد نیز نیاز به تقویت دارد. تجزیه SO و NO در فرآیند احتراق محصولات سرامیکی در دماهایی پائین از طریق احیای کاتالیتیک (Catalytic reduction ) مورد بررسی قرار گیرد.

اجزای سرامیکی برای هایپر فیلتراسیون (Hyper filtration ) گازی در اندازه مولکولی در مایع آب مناسب هستند. الکتروسرامیک ها کاربردهای بسیار متنوعی داشته و شامل سرامیک های با هدایت یونی (کاربرد در باتری ها و سنسورها )، عایق های الکتریکی، نیمه هادی ها و سوپرهادی ها می گردند.

سرامیک های فروالکتریک کاربردهای بسیار زیادی در خازن ها، سنسورها، سرامیک های پیزوالکتریک، اجزای الکترواپتیک ترمیتورها دارند که بسیار مورد توجه محققان هستند. سرامیک های فرو مغناطیس نقش اساسی در صنعت الکترونیک ایفا کرده و کاربرد آن در سیستم های ذخیره سازی، ارتباطات ماهواره ای، تلویزیون و سایر سیستم های الکترونیکی است.

اجزای کوچک شده الکتروسرامیک ها (Miniaturization ) موادی هستند که در آینده کاربردهای زیادی خواهند داشت.
خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی مواد سرامیکی را بسیار متمایز کرده است. در زیر به نمونه هایی از کاربردهای جدید مواد سرامیکی اشاره می شود: