کاربرد سرامیک در شیمی: بررسی جامع خواص، انواع و فرآیند ساخت
واژه "سرامیک" از کلمه یونانی "keramikos" به معنای "سفالگری" گرفته شده است. اگرچه قدیمی‌ترین سرامیک‌ها سفال بودند، اما این اصطلاح طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله برخی عناصر خالص را در بر می‌گیرد. به طور کلی، سرامیک یک ماده جامد غیرفلزی و غیرآلی است که معمولاً بر پایه اکسید، نیترید، بورید یا کاربید ساخته شده و در دمای بالا پخته می‌شود.
سرامیک‌ها ممکن است قبل از پخت لعاب داده شوند تا پوششی ایجاد شود که تخلخل را کاهش داده و سطحی صاف و اغلب رنگی داشته باشد. بسیاری از سرامیک‌ها حاوی ترکیبی از پیوندهای یونی و کووالانسی بین اتم‌ها هستند. ماده حاصل ممکن است کریستالی، نیمه کریستالی یا شیشه‌ای باشد. مواد بی‌شکل با ترکیب مشابه معمولاً "شیشه" نامیده می‌شوند.
انواع اصلی سرامیک
چهار نوع اصلی سرامیک عبارتند از:
- سفیدآلات: شامل ظروف پخت و پز، سفال و کاشی‌های دیواری. این نوع سرامیک به دلیل رنگ روشن و کاربرد گسترده در لوازم خانگی و تزئینی شناخته می‌شود.
- سرامیک‌های ساختاری: شامل آجر، لوله، کاشی‌های بام و کاشی‌های کف. این دسته از سرامیک‌ها به دلیل استحکام بالا و مقاومت در برابر عوامل جوی، در صنعت ساختمان‌سازی کاربرد فراوانی دارند.
- سرامیک‌های فنی: که به عنوان سرامیک‌های ویژه، ظریف، پیشرفته یا مهندسی نیز شناخته می‌شوند. این کلاس شامل بلبرینگ‌ها، کاشی‌های ویژه (به عنوان مثال، محافظ حرارتی فضاپیما)، ایمپلنت‌های زیست پزشکی، لنت ترمز سرامیکی ، سوخت‌های هسته‌ای، موتورهای سرامیکی و پوشش‌های سرامیکی است.
- مواد دیرگداز: سرامیک‌هایی هستند که برای ساخت بوته، پوشش کوره‌ها و تابش گرما در شومینه‌های گازی استفاده می‌شوند. مقاومت بالای این مواد در برابر حرارت، آنها را برای کاربردهای صنعتی ایده‌آل ساخته است.
چگونه سرامیک ساخته می‌شود؟ فرآیند تولید گام به گام
مواد اولیه برای ساخت سرامیک شامل خاک رس، کائولینیت، اکسید آلومینیوم، کاربید سیلیسیم، کاربید تنگستن و برخی عناصر خالص است. این مواد اولیه با آب ترکیب می‌شوند تا مخلوطی ایجاد شود که بتوان آن را شکل داد یا قالب‌گیری کرد. از آنجایی که کار کردن با سرامیک پس از ساخت دشوار است، معمولاً آنها را به شکل نهایی مورد نظر در می‌آورند.
شکل داده شده، خشک می‌شود و سپس در کوره پخته می‌شود. فرآیند پخت، انرژی لازم را برای تشکیل پیوندهای شیمیایی جدید در ماده (شیشه‌سازی) و گاهی اوقات مواد معدنی جدید (به عنوان مثال، مولیت از کائولن در پخت پرسلان تشکیل می‌شود) فراهم می‌کند.
لعاب‌های ضد آب، تزئینی یا کاربردی ممکن است قبل از پخت اول اضافه شوند یا ممکن است نیاز به پخت بعدی داشته باشند (که رایج‌تر است). اولین پخت سرامیک ، محصولی به نام بیسکویت ایجاد می‌کند. این مرحله باعث سوختن مواد آلی و سایر ناخالصی‌های فرار می‌شود. پخت دوم (یا سوم) ممکن است لعاب کاری نامیده شود.
کاربردها و مثال‌هایی از سرامیک: فراتر از سفال و آجر
سفال، آجر، کاشی، ظروف سفالی، ظروف چینی و پرسلان نمونه‌های رایجی از سرامیک‌ها هستند. این مواد به خوبی برای استفاده در ساختمان‌سازی، صنایع دستی و هنر شناخته شده‌اند. اما سرامیک‌ها کاربردهای بسیار گسترده‌تری دارند:
- در گذشته، شیشه نیز یک سرامیک محسوب می‌شد، زیرا جامدی غیر آلی است که پخته و به روشی مشابه سرامیک تیمار می‌شود. با این حال، از آنجایی که شیشه یک جامد بی‌شکل است، معمولاً به عنوان یک ماده جداگانه در نظر گرفته می‌شود. ساختار داخلی منظم سرامیک‌ها نقش مهمی در خواص آنها دارد.
- سیلیسیم و کربن خالص جامد را می‌توان به عنوان سرامیک در نظر گرفت. به طور دقیق، الماس را نیز می‌توان یک سرامیک نامید.
- کاربید سیلیسیم و کاربید تنگستن سرامیک‌های فنی هستند که مقاومت سایشی بالایی دارند و آنها را برای زره بدن، صفحات سایش برای استخراج معادن و قطعات ماشین‌آلات مفید می‌سازد.
- اکسید اورانیوم (UO2) یک سرامیک است که به عنوان سوخت راکتور هسته‌ای استفاده می‌شود.
- زیرکونیا (دی اکسید زیرکونیوم) برای ساخت تیغه‌های چاقوی سرامیکی ، جواهرات، پیل‌های سوختی و سنسورهای اکسیژن استفاده می‌شود.
- اکسید روی (ZnO) یک نیمه‌رسانا است.
- اکسید بور برای ساخت زره بدن استفاده می‌شود.
- اکسید بیسموت استرانسیم مس و دی بورید منیزیم (MgB2) ابررسانا هستند.
- استئاتی (سیلیکات منیزیم) به عنوان عایق الکتریکی استفاده می‌شود.
- تیتانات باریم برای ساخت المنت‌های گرمایشی، خازن‌ها، مبدل‌ها و عناصر ذخیره داده استفاده می‌شود.
- آثار سرامیکی در باستان‌شناسی و دیرینه‌شناسی مفید هستند زیرا ترکیب شیمیایی آنها می‌تواند برای شناسایی منشأ آنها استفاده شود. این شامل نه تنها ترکیب رس، بلکه ترکیب تمپر — موادی که در طول تولید و خشک شدن اضافه می‌شوند — نیز می‌شود.
ویژگی‌های کلیدی سرامیک‌ها: از سختی بالا تا مقاومت شیمیایی
سرامیک‌ها شامل طیف گسترده‌ای از مواد هستند، به طوری که تعمیم ویژگی‌های آنها دشوار است. با این حال، اکثر سرامیک‌ها ویژگی‌های زیر را از خود نشان می‌دهند:
- سختی بالا
- معمولاً شکننده، با چقرمگی ضعیف
- نقطه ذوب بالا
- مقاومت شیمیایی
- هدایت الکتریکی و حرارتی ضعیف
- شکل‌پذیری کم
- مدول الاستیسیته بالا
- مقاومت فشاری بالا
- شفافیت نوری در طیف وسیعی از طول موج‌ها
استثناها شامل سرامیک‌های ابررسانا و پیزوالکتریک است.
اصطلاحات مرتبط با سرامیک: نگاهی به مواد ترکیبی و مشابه
علم آماده‌سازی و توصیف سرامیک‌ها را سراموگرافی می‌نامند.
مواد کامپوزیتی از بیش از یک نوع ماده تشکیل شده‌اند که ممکن است شامل سرامیک نیز باشند. به عنوان مثال می توان به فیبر کربن و فایبرگلاس اشاره کرد. سر مت نوعی ماده کامپوزیتی است که حاوی سرامیک و فلز است.
شیشه-سرامیک یک ماده غیر کریستالی با ترکیب سرامیکی است. در حالی که سرامیک‌های کریستالی تمایل به قالب‌گیری دارند، شیشه-سرامیک‌ها از ریخته‌گری یا دمیدن مذاب تشکیل می‌شوند. نمونه‌هایی از شیشه-سرامیک‌ها شامل اجاق گازهای "شیشه‌ای" و کامپوزیت شیشه‌ای است که برای اتصال زباله‌های هسته‌ای برای دفع استفاده می‌شود.
- شیمی
- علم
