afsanah82
11-05-2011, 07:45 AM
در این مقاله به بررسی مفهوم سرامیک و بعضی کاربردهای آن پرداخته می شود. نخست به معرفی برخی مفاهیم اولیه می پردازیم.
چینی به اشیایی گفته می شود که در درجه حرارت بالا تهیه می شوند و دارای شفافیت خاصی هستند و سفال به اجسامی گفته می شود که در درجه حرارت های پایین تر ساخته می شوند و شفاف نیستند.
عموما سرامیک ها دارای سختی های متفاوتی می باشند، معمولا شکننده هستند و در مقابل حرارت و فرسایش به خوبی مقاوم هستند. این مواد از خاک نسوز یا مواد معدنی دیگر بخصوص از اکسیدهای فلزی همراه با چند اکسید غیر فلزی ساخته می شوند که عنصر غیر فلزی معمولا اکسیژن است. در نهایت می توان سرامیک را هنر طراحی و ساخت اشیاء از خاک نسوز تعریف کرد. این تعریف را می توان به طور عام برای تمام مواردی که از خاک رس تهیه می شوند مثل پوشش های سرامیکی ، ساینده ها و همچنین شیشه های سرامیکی الکترونیکی به کار برد.
این نکته واضح است که انقلاب صنعتی به جز در سایه ی استفاده از کوره ها،ماشین های حرارتی پیشرفته و مواد سرامیکی که برای عایق بندی حرارتی انواع مختلف کوره ها و ماشین ها استفاده می شوند ممکن نیست.
در قرن حاظر با تکامل تکنولوژی الکترونیکی ، مواد دی الکتریک که دارای اهمیت بسیاری هستند نیز این مسیر تکاملی را طی نمودند.در کنار آن خصوصیات مغناطیسی و اپتیکی جدیدی برای سرامیک شناسایی شد و به عنوان قسمتی از تکنولوژی جدید الترونیک و الکترواپتیک تکامل یافت.
در دنیای الکترونیک اختراع ترانزیستور و لیزر ، موج گونه ی جدیدی از قطعات را عرضه نمود ، ولی نقش مفید انها را محدودیت هایی که مواد مورد استفاده داشتند کم می نمود.
در حالی که سرامیک های نوین که در میکرو الکترونیک ، سیستمهای لیزر، قطعات ارتباطی و شبکه ی اجزای مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرند نمونه ای از ایفای این نقش را نشان می دهد.
استفاده از سرامیک به عنوان دی الکتریک هایی که دارای ثابت دی الکتریک بالایی می باشند ، ساخت فاز نهایی با ظرفیت بسیار بالاتر را ممکن ساخته است که بعد از کشف ابر رسانا ها اهمیت سرامیک به اوج خود رسید. برای آنکه بتوان به علت بعضی از رفتار های این مواد پی برد روش های متنوعی وجود دارد. یکی از این روش ها بررسی ریز ساختار سرامیک ها می باشد. این خصوصیت نه تنها توسط ترکیب ، نوع و تعداد فازهای موجود در ترکیب مشخص می شودبلکه توسط قرار گیری ، چارچوب و ترتیب فازها نیز مشخص می گردد.
در نهایت توزیع فازها و یا زیر ساختار ها به روش ساخت سرامیک، مواد خام مورد استفاده،روابط تعادل فازی و همچنین تغیرات در فازها و رشد دانه ها و عملیات سینترنیک وابسته است.
یک سرامیک فرو الکتریک از تعداد زیادی کریستال های کوچک تشکیل شده است که محور های کریستالوگرافی آنها در سرامیک به طور اتفاقی جهت دار شده است. از طرف دیگر هادی های سرامیکی در دماهای بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد نیز کارایی دارند.در حالی که اکثر فلزات در این دما قادر به کار نیستند. البته بعضی از فلزات مانند تنگستن و مولیبدیم نیز در دمای ۱۵۰۰ درجه کار می کنند ولی به علت واکنش با محیط از تنگستن در فضای آزاد نمی توان استفاده کرد.
امروزه سرامیک ها تقریبا در همه جا یافت می شوند، از بدنه موتور اتومبیل های مدرن و پوشش حرارتی سفینه های فضایی تا قلب کامپیوتر ها و از داخل آشپزخانه ها تا سد سازی ، شیشه گری و سرامیک های الکترونیکی همه مواردی از کاربردهای سرامیک هستند.
▪ به طور خلاصه بعضی از کاربرد های آن به شرح زیر می باشد:
ـ در علوم فضایی به عنوان مبدل ها و سنسورها در ماهواره ها، موشک ها و هواپیماها
ـ در اتومبیل ها به عنوان سیستم آژیر و استارت
ـ در وسایل دفایی به عنوان تونار(مسافت یاب صوتی دریایی) و آشکار سازها
ـ در پزشکی باری آشکار سازی قلب جنین,جرم گیری دندان و MRI
ـ در مخابرات به عنوان صافی های مبدل انرژی،سنسورها،خازن های چند لایه و مشددها
ـ در وسایل ارتباطی به عنوان خازن هایی برای منابع تغذیه،رادار و سرامیک های مایکروویو برای آنتن ها.
● مواد سرامیکی انعطاف‌پذیر
۱۸مارس ۲۰۰۲- محققان دانشگاه کُرنل با استفاده از نانوشیمی، یک گروه جدید از مواد ترکیبیی را تولید کرده و به نام سرامیکهای انعطاف‌پذیر نامگذاری کرده‌اند. مواد جدید، کاربردهای گسترده‌ای، از قطعات میکروالکترونیکی گرفته تا جداسازی مولکولهای بزرگ، مانند پروتئینها خواهند داشت.
آنچه در این زمینه، حتی برای خود محققان، بیشتر جلب توجه می‌کند آن است که ساختمان مولکولی مادة جدید در زیر میکروسکوپ الکترونی (TEM) که به صورت ساختمان مکعبی است، با پیشگوییهای ریاضی قرن گذشته مطابقت می‌کند. اولریش ویسنر، استاد علوم و مهندسی مواد دانشگاه کُرنل، می‌گوید: "ما اکنون در تحقیقات پلیمری به ساختمانهایی برخورد می‌کنیم که ریاضیدانها مدتها قبل وجود آنها را از نظر تئوری اثبات کرده‌اند."
ساختمان مادة جدید، خیلی پیچیده‌تر از آن ماده‌ا‌ی است که Plumber&#۰۳۹;s nightmare نامیده شده‌است.
ویسنر در گردهمایی سالانة جامعة فیزیک آمریکا در مرکز گردهمایی ایندیانا، در مورد سرامیکهای انعطاف‌پذیر جدید، گفت: "رفتار فازی کوپلیمر، موجب جهت دهی ترکیبهای نانوساختاری آلی/معدنی می‌شود." به عقیدة وی، این ماده یک زمینة تحقیقاتی مهیج و ضروری است که نتایج علمی و تکنولوژیکی بسیار هنگفتی از آن بدست می‌آید.
گروه تحقیقاتی ویسنر از طریق شکلهای کاملاً هندسی که در طبیعت یافت می‌شوند، به طرف نانوشیمی هدایت شد. یک مثال کاملاً مشهود برای ساختار ظریف دو اتمیها، جلبک تک‌سلولی است که دیواره‌های پوستة آن از حفره‌های سیلیکاتی کاملاً جانشین‌شده[۹] ساخته شده‌است. ویسنر می‌گوید: "کلید طبیعی این جانشینی، کنترل کامل شکل آنها از طریق خود سامانی ترکیبات آلی، در جهت رشد مواد غیرآلی (معدنی) است." محققان دانشگاه کُرنل تصدیق کرده‌اند که ساده‌ترین راه تقلید از طبیعت، استفاده از پلیمرهای آلی
-مخصوصاً موادی موسوم به کوپلیمرهای دی‌بلاک[۱۰]&#۶۵۵۳۳; است؛ زیرا این مواد می‌توانند به‌طور شیمیایی به صورت نانوساختارهای با اَشکال هندسی مختلف ساماندهی شوند. اگر پلیمر بتواند به طریقی با مواد غیرآلی (معدنی) -یک سرامیک، خصوصاً یک ماده از نوع سیلیکاتی- ذوب شود، مادة ترکیبی حاصل، ترکیبی از خواص زیر را خواهد داشت:
▪ انعطاف‌پذیری و کنترل ساختار (از پلیمر)
▪ عملکرد بالا (از سرامیک).
ویسنر می‌گوید: "خواص مواد حاصل، فقط جمع سادة خواص پلیمرها و سرامیک نبوده، حتی ممکن است این مواد خواص کاملاً جدیدی نیز داشته باشند." محققان دانشگاه کُرنل تاکنون فقط تکه‌های کوچکی از سرامیک انعطاف‌پذیر، با وزن چند گرم ساخته‌اند که البته برای آزمایش خواص مواد، کافی است. مادة حاصل، شفاف و قابل خم‌کردن است، در عین حال مقاومت قابل توجهی داشته و بر خلاف سرامیک خالص خُرد نمی‌شود.
دربعضی موارد، این ماده، یک هادی یونی بوده و قابلیت کاربرد به صورت الکترولیت باتریهای با کارآیی بالا را دارد. همچنین مادة جدید ممکن است در پیلهای سوختی بکار برود.
در بعضـی مـوارد هندسـة ۶ وجهـی مـاده-که از طریـق جفت‌شـدن حاصـل می‌شـود -بسیار بـه ساختـار دو اتمیها شبیـه است. در عـوض ویسـنرمی‌گوید: "با دستیابی به این ساختار مولکولی تقریباً می‌توان گفت که به طبیعت کامل‌شده‌ا‌ی دست یافته‌ایم."
ساختار متخلخل سرامیکهای انعطاف‌پذیر وقتی شکل می‌گیرد که ماده در دماهای بالا عملیات حرارتی شود. به عقیدة ویسز، این در حقیقت اولین ماده با چنین هندسه و توزیع کم اندازة حفره‌هاست. چون ماده فقط حفره های ده تا بیست نانومتری دارد. محققین دانشگاه کُرنل، در تلاشند تا دریابند که "آیا این مواد می‌توانند برای جداسازی پروتئینهای زنده استفاده شوند؟"
ویسنرعقیده دارد که به‌خاطر قابلیت خود ساماندهی این مواد، می‌توان آنها را به صورت ناپیوسته و در مقیاس زیاد تولید کرد. او می‌گوید: "ما می‌توانیم ساختار را کاملاً کنترل کنیم. ما می‌توانیم با کنترل خیلی خوبی این ماده را به مقیاس نانو برسانیم. ما حالا می‌دانیم که چگونه مجموعه‌ا‌ی از ساختارهای با شکل و اندازه حفره‌های یکسان، بسازیم."
محققان دانشگاه کُرنل این عمل را با کنترل "فازها" و یا با معماری مولکولی ماده بوسیلة کنترل‌کردن مخلوطی از پلیمر و سرامیک انجام می‌دهند. ماده از چند مرحلة انتقالی عبور می‌کند؛ از مکعبی به ۶ وجهی و سپس به نازک و مسطح و بعد به شش وجهی وارونه و مکعبی وارونه. ماده پس از مرحلة مسطح و قبل از مرحلة ۶ وجهی وارونه، به صورت ساختمان مکعبی دوگانه موسوم به Plamber&#۶۵۵۳۳;s nightmare میباشد که قبلاً در سیستمهای پلیمری یافت نشده‌بود. این ساختمان اولین ساختار با چنین قابلیت انطباق بالایی است که بوسیلة ترکیب خاصی از پلیمرها و سرامیکها تولید می‌شود. ویسنرمی‌گوید: "این شانس وجود دارد که ما به مجموعه‌ا‌ی از ساختارهای دوگانة دیگر که در پلیمرها وجود دارد و دیگران چیزی در مورد آنها نمی‌دانند، دست پیدا کنیم. ما راه را برای یافتن هرچه بیشتر چنین ساختارهایی باز کرده‌ایم."
این تحقیقات بوسیلة بنیاد ملی علوم، انجمن ماکس-پلانک و مرکز تحقیقات مواد دانشگاه کُرنل، پشتیبانی شده‌است.
منبع: www.cornel.edu
چینی به اشیایی گفته می شود که در درجه حرارت بالا تهیه می شوند و دارای شفافیت خاصی هستند و سفال به اجسامی گفته می شود که در درجه حرارت های پایین تر ساخته می شوند و شفاف نیستند.
عموما سرامیک ها دارای سختی های متفاوتی می باشند، معمولا شکننده هستند و در مقابل حرارت و فرسایش به خوبی مقاوم هستند. این مواد از خاک نسوز یا مواد معدنی دیگر بخصوص از اکسیدهای فلزی همراه با چند اکسید غیر فلزی ساخته می شوند که عنصر غیر فلزی معمولا اکسیژن است. در نهایت می توان سرامیک را هنر طراحی و ساخت اشیاء از خاک نسوز تعریف کرد. این تعریف را می توان به طور عام برای تمام مواردی که از خاک رس تهیه می شوند مثل پوشش های سرامیکی ، ساینده ها و همچنین شیشه های سرامیکی الکترونیکی به کار برد.
این نکته واضح است که انقلاب صنعتی به جز در سایه ی استفاده از کوره ها،ماشین های حرارتی پیشرفته و مواد سرامیکی که برای عایق بندی حرارتی انواع مختلف کوره ها و ماشین ها استفاده می شوند ممکن نیست.
در قرن حاظر با تکامل تکنولوژی الکترونیکی ، مواد دی الکتریک که دارای اهمیت بسیاری هستند نیز این مسیر تکاملی را طی نمودند.در کنار آن خصوصیات مغناطیسی و اپتیکی جدیدی برای سرامیک شناسایی شد و به عنوان قسمتی از تکنولوژی جدید الترونیک و الکترواپتیک تکامل یافت.
در دنیای الکترونیک اختراع ترانزیستور و لیزر ، موج گونه ی جدیدی از قطعات را عرضه نمود ، ولی نقش مفید انها را محدودیت هایی که مواد مورد استفاده داشتند کم می نمود.
در حالی که سرامیک های نوین که در میکرو الکترونیک ، سیستمهای لیزر، قطعات ارتباطی و شبکه ی اجزای مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرند نمونه ای از ایفای این نقش را نشان می دهد.
استفاده از سرامیک به عنوان دی الکتریک هایی که دارای ثابت دی الکتریک بالایی می باشند ، ساخت فاز نهایی با ظرفیت بسیار بالاتر را ممکن ساخته است که بعد از کشف ابر رسانا ها اهمیت سرامیک به اوج خود رسید. برای آنکه بتوان به علت بعضی از رفتار های این مواد پی برد روش های متنوعی وجود دارد. یکی از این روش ها بررسی ریز ساختار سرامیک ها می باشد. این خصوصیت نه تنها توسط ترکیب ، نوع و تعداد فازهای موجود در ترکیب مشخص می شودبلکه توسط قرار گیری ، چارچوب و ترتیب فازها نیز مشخص می گردد.
در نهایت توزیع فازها و یا زیر ساختار ها به روش ساخت سرامیک، مواد خام مورد استفاده،روابط تعادل فازی و همچنین تغیرات در فازها و رشد دانه ها و عملیات سینترنیک وابسته است.
یک سرامیک فرو الکتریک از تعداد زیادی کریستال های کوچک تشکیل شده است که محور های کریستالوگرافی آنها در سرامیک به طور اتفاقی جهت دار شده است. از طرف دیگر هادی های سرامیکی در دماهای بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد نیز کارایی دارند.در حالی که اکثر فلزات در این دما قادر به کار نیستند. البته بعضی از فلزات مانند تنگستن و مولیبدیم نیز در دمای ۱۵۰۰ درجه کار می کنند ولی به علت واکنش با محیط از تنگستن در فضای آزاد نمی توان استفاده کرد.
امروزه سرامیک ها تقریبا در همه جا یافت می شوند، از بدنه موتور اتومبیل های مدرن و پوشش حرارتی سفینه های فضایی تا قلب کامپیوتر ها و از داخل آشپزخانه ها تا سد سازی ، شیشه گری و سرامیک های الکترونیکی همه مواردی از کاربردهای سرامیک هستند.
▪ به طور خلاصه بعضی از کاربرد های آن به شرح زیر می باشد:
ـ در علوم فضایی به عنوان مبدل ها و سنسورها در ماهواره ها، موشک ها و هواپیماها
ـ در اتومبیل ها به عنوان سیستم آژیر و استارت
ـ در وسایل دفایی به عنوان تونار(مسافت یاب صوتی دریایی) و آشکار سازها
ـ در پزشکی باری آشکار سازی قلب جنین,جرم گیری دندان و MRI
ـ در مخابرات به عنوان صافی های مبدل انرژی،سنسورها،خازن های چند لایه و مشددها
ـ در وسایل ارتباطی به عنوان خازن هایی برای منابع تغذیه،رادار و سرامیک های مایکروویو برای آنتن ها.
● مواد سرامیکی انعطاف‌پذیر
۱۸مارس ۲۰۰۲- محققان دانشگاه کُرنل با استفاده از نانوشیمی، یک گروه جدید از مواد ترکیبیی را تولید کرده و به نام سرامیکهای انعطاف‌پذیر نامگذاری کرده‌اند. مواد جدید، کاربردهای گسترده‌ای، از قطعات میکروالکترونیکی گرفته تا جداسازی مولکولهای بزرگ، مانند پروتئینها خواهند داشت.
آنچه در این زمینه، حتی برای خود محققان، بیشتر جلب توجه می‌کند آن است که ساختمان مولکولی مادة جدید در زیر میکروسکوپ الکترونی (TEM) که به صورت ساختمان مکعبی است، با پیشگوییهای ریاضی قرن گذشته مطابقت می‌کند. اولریش ویسنر، استاد علوم و مهندسی مواد دانشگاه کُرنل، می‌گوید: "ما اکنون در تحقیقات پلیمری به ساختمانهایی برخورد می‌کنیم که ریاضیدانها مدتها قبل وجود آنها را از نظر تئوری اثبات کرده‌اند."
ساختمان مادة جدید، خیلی پیچیده‌تر از آن ماده‌ا‌ی است که Plumber&#۰۳۹;s nightmare نامیده شده‌است.
ویسنر در گردهمایی سالانة جامعة فیزیک آمریکا در مرکز گردهمایی ایندیانا، در مورد سرامیکهای انعطاف‌پذیر جدید، گفت: "رفتار فازی کوپلیمر، موجب جهت دهی ترکیبهای نانوساختاری آلی/معدنی می‌شود." به عقیدة وی، این ماده یک زمینة تحقیقاتی مهیج و ضروری است که نتایج علمی و تکنولوژیکی بسیار هنگفتی از آن بدست می‌آید.
گروه تحقیقاتی ویسنر از طریق شکلهای کاملاً هندسی که در طبیعت یافت می‌شوند، به طرف نانوشیمی هدایت شد. یک مثال کاملاً مشهود برای ساختار ظریف دو اتمیها، جلبک تک‌سلولی است که دیواره‌های پوستة آن از حفره‌های سیلیکاتی کاملاً جانشین‌شده[۹] ساخته شده‌است. ویسنر می‌گوید: "کلید طبیعی این جانشینی، کنترل کامل شکل آنها از طریق خود سامانی ترکیبات آلی، در جهت رشد مواد غیرآلی (معدنی) است." محققان دانشگاه کُرنل تصدیق کرده‌اند که ساده‌ترین راه تقلید از طبیعت، استفاده از پلیمرهای آلی
-مخصوصاً موادی موسوم به کوپلیمرهای دی‌بلاک[۱۰]&#۶۵۵۳۳; است؛ زیرا این مواد می‌توانند به‌طور شیمیایی به صورت نانوساختارهای با اَشکال هندسی مختلف ساماندهی شوند. اگر پلیمر بتواند به طریقی با مواد غیرآلی (معدنی) -یک سرامیک، خصوصاً یک ماده از نوع سیلیکاتی- ذوب شود، مادة ترکیبی حاصل، ترکیبی از خواص زیر را خواهد داشت:
▪ انعطاف‌پذیری و کنترل ساختار (از پلیمر)
▪ عملکرد بالا (از سرامیک).
ویسنر می‌گوید: "خواص مواد حاصل، فقط جمع سادة خواص پلیمرها و سرامیک نبوده، حتی ممکن است این مواد خواص کاملاً جدیدی نیز داشته باشند." محققان دانشگاه کُرنل تاکنون فقط تکه‌های کوچکی از سرامیک انعطاف‌پذیر، با وزن چند گرم ساخته‌اند که البته برای آزمایش خواص مواد، کافی است. مادة حاصل، شفاف و قابل خم‌کردن است، در عین حال مقاومت قابل توجهی داشته و بر خلاف سرامیک خالص خُرد نمی‌شود.
دربعضی موارد، این ماده، یک هادی یونی بوده و قابلیت کاربرد به صورت الکترولیت باتریهای با کارآیی بالا را دارد. همچنین مادة جدید ممکن است در پیلهای سوختی بکار برود.
در بعضـی مـوارد هندسـة ۶ وجهـی مـاده-که از طریـق جفت‌شـدن حاصـل می‌شـود -بسیار بـه ساختـار دو اتمیها شبیـه است. در عـوض ویسـنرمی‌گوید: "با دستیابی به این ساختار مولکولی تقریباً می‌توان گفت که به طبیعت کامل‌شده‌ا‌ی دست یافته‌ایم."
ساختار متخلخل سرامیکهای انعطاف‌پذیر وقتی شکل می‌گیرد که ماده در دماهای بالا عملیات حرارتی شود. به عقیدة ویسز، این در حقیقت اولین ماده با چنین هندسه و توزیع کم اندازة حفره‌هاست. چون ماده فقط حفره های ده تا بیست نانومتری دارد. محققین دانشگاه کُرنل، در تلاشند تا دریابند که "آیا این مواد می‌توانند برای جداسازی پروتئینهای زنده استفاده شوند؟"
ویسنرعقیده دارد که به‌خاطر قابلیت خود ساماندهی این مواد، می‌توان آنها را به صورت ناپیوسته و در مقیاس زیاد تولید کرد. او می‌گوید: "ما می‌توانیم ساختار را کاملاً کنترل کنیم. ما می‌توانیم با کنترل خیلی خوبی این ماده را به مقیاس نانو برسانیم. ما حالا می‌دانیم که چگونه مجموعه‌ا‌ی از ساختارهای با شکل و اندازه حفره‌های یکسان، بسازیم."
محققان دانشگاه کُرنل این عمل را با کنترل "فازها" و یا با معماری مولکولی ماده بوسیلة کنترل‌کردن مخلوطی از پلیمر و سرامیک انجام می‌دهند. ماده از چند مرحلة انتقالی عبور می‌کند؛ از مکعبی به ۶ وجهی و سپس به نازک و مسطح و بعد به شش وجهی وارونه و مکعبی وارونه. ماده پس از مرحلة مسطح و قبل از مرحلة ۶ وجهی وارونه، به صورت ساختمان مکعبی دوگانه موسوم به Plamber&#۶۵۵۳۳;s nightmare میباشد که قبلاً در سیستمهای پلیمری یافت نشده‌بود. این ساختمان اولین ساختار با چنین قابلیت انطباق بالایی است که بوسیلة ترکیب خاصی از پلیمرها و سرامیکها تولید می‌شود. ویسنرمی‌گوید: "این شانس وجود دارد که ما به مجموعه‌ا‌ی از ساختارهای دوگانة دیگر که در پلیمرها وجود دارد و دیگران چیزی در مورد آنها نمی‌دانند، دست پیدا کنیم. ما راه را برای یافتن هرچه بیشتر چنین ساختارهایی باز کرده‌ایم."
این تحقیقات بوسیلة بنیاد ملی علوم، انجمن ماکس-پلانک و مرکز تحقیقات مواد دانشگاه کُرنل، پشتیبانی شده‌است.
منبع: www.cornel.edu