مطالب پربازدید
سرامیک و خصوصیات آن
سرامیک می‌تواند از شیشه، کاشی، سفال، پرسلان، آجر، سیمان، الماس و گرافیت تشکیل‌شده باشد.
احتمالاً تا به حال متوجه شده‌اید که سرامیک محدوده‌ی بسیار وسیعی دارد و تعریفش کمی مشکل خواهد بود؛ اما در تمام این عناصر، چه چیز مشترکی وجود دارد؟
ازنظر شیمیایی سرامیک را بر اساس چیزهایی که نیست، تعریف می‌کنیم؛ بنابراین در بیشتر متون علمی و دیکشنری‌ها می‌بینید که سرامیک را به‌عنوان مواد جامد غیرفلزی و غیرآلی (موادی که بر پایه‌ی ترکیبات کربنی نیستند)، تعریف کرده‌اند؛ به‌عبارت‌دیگر، وقتی‌که مواد فلزی و آلی (از قبیل چوب، پلاستیک، کائوچو و هر چیزی که زمانی زنده بوده) را کنار می‌گذاریم، چیزی که برایمان می‌ماند، همان سرامیک است.
برخی کتاب‌ها سرامیک را به‌عنوان ماده‌ی نسوز یا دیرگداز، تعریف کرده‌اند. این اصطلاح تخصصیِ علم مواد به این معنی است که مواد دیرگداز، این قابلیت رادارند که در معرض سوءاستفاده‌های روزمره، از قبیل دمای بسیار بالا، برخورد با اسیدها و بازها و فرسودگی و سایش عمومی قرار بگیرند. معمولاً تعریف مواد بر اساس خصوصیاتشان (مثلاً رفتارشان در مواجهه با گرما، عبور الکتریسیته و خیس شدن در آب)، راحت‌تر به نظر می‌رسد؛ اما اگر بخواهیم این تعاریف را برای سرامیک به کار ببریم، کمی گیج‌کننده خواهد بود.
مثلاً گرافیت (که یک فرم یا آلوتروپی از کربن است)، یک نوع سرامیک محسوب می‌شود، چون غیرفلزی و غیرآلی است؛ اما بااین‌حال (برخلاف اکثر سرامیک‌ها)، انعطاف‌پذیر است، به‌راحتی ساییده می‌شود و رسانای خوبی برای الکتریسیته است. پس اگر فقط به خصوصیات گرافیت نگاه کنید، به‌هیچ‌وجه نمی‌توانید آن را یک سرامیک در نظر بگیرید. الماس (که شکل دیگری از کربن است) به همین دلایل، یک سرامیک محسوب می‌شود. خصوصیاتش با گرافیت بسیار متفاوت است، اما بسیار مشابه با سایر سرامیک‌ها است. (الماس هم مانند سرامیک‌های مدرن از قبیل تنگستن کاربید، در ابزارهای برش و مته‌کاری مورداستفاده قرار می‌گیرد).
انواع سرامیک
انسان‌ها در هزاران سال پیش برای اولین بار ساخت سرامیک را آغاز کردند (ظروف سفالی، شیشه و آجر، قدیمی‌ترین موادی هستند که انسان ابداع کرده است.) و ما امروزه همچنان در حال طراحی مواد سرامیکی جدید هستیم (چیزهایی مثل مبدل‌های کاتالیزوری برای ماشین‌های امروزی و ابررساناهای دمای بالا برای کامپیوترهای آینده). سرامیک‌های همه‌کاره‌ی قدیمی مثل آجر و شیشه، با سرامیک‌های مهندسی‌شده‌ی مدرن که گاهی فقط برای یک هدف خاص طراحی می‌شوند (از قبیل فیلتر کردن دوده برای موتور دیزلیِ کامیون‌ها و یا ساخت مته‌ای که 5 برابر بیشتر دوام بیاورد)، تفاوت زیادی دارند. به همین دلیل است که دانشمندان علم مواد، دوست دارند سرامیک‌ها را به دو نوع تقسیم کنند: سرامیک‌های سنتی و پیشرفته (مهندسی).
سرامیک‌های سنتی
آجر، سفال، شیشه، پرسلان، کاشی، سیمان و بتن، سرامیک‌های قدیمی‌ای هستند که خود را در طول زمان اثبات کرده‌اند. بااینکه تمام این سرامیک‌ها کاربردهای متفاوتی دارند، اما بازهم می‌توانیم آن‌ها را به‌عنوان مصالح همه‌کاره در نظر بگیریم. برای مثال یک کاشی را در نظر بگیرید، می‌توانیم از کاشی‌ها در داخل و خارج خانه و بر روی دیوار‌ها، کف و سقف استفاده کنیم؛ و یا می‌توانیم از شیشه هم بر روی پنجره استفاده کنیم و هم آن را برای صفحه‌ی نمایش گوشی‌های هوشمندمان به کار ببریم و حتی می‌توانیم داخل آن نوشیدنی بریزیم. این نوع سرامیک‌ها، مواد قدیمی‌ای هستند (موادی که نیاکانمان به وجود آورده‌اند) که باگذشت زمان، کاربرد بیشتری پیداکرده‌اند.
سرامیک‌های مهندسی‌شده‌ی پیشرفته
درمقابلِ سرامیک‌های سنتی، سرامیک‌های پیشرفته‌ای هستند که (عمدتاً از اوایل قرن بیستم) برای کاربردهای بسیار خاصی طراحی‌شده‌اند. برای مثال، سیلیکون‌نیترید‌ها و تنگستن‌کاربیدها برای ایجاد ابزار برش بسیار سخت و با کارایی بالا، طراحی‌شده‌اند (اگرچه که کاربردهای دیگری هم دارند). بیشتر سرامیک‌های پیشرفته‌ی مهندسی‌شده، از اکسید فلزات، کاربیدها و یا نیتریدها تهیه‌شده‌اند، یعنی این سرامیک‌ها از ترکیب اتم‌های فلز با اتم‌های اکسیژن، کربن و نیتروژن به وجود آمده‌اند.
به‌عنوان‌مثال، تنگستن‌کاربید، سیلیکون‌کاربید و نیترید‌بور، سرامیک‌هایی هستند که در ابزار برش سخت، به کار می‌روند و آلومینیوم‌اکسید (آلومینا) و سیلیکون‌دی‌اکسید در ساخت مدار‌های مجتمع (ریزتراشه‌ها) به کار می‌روند و اکسید لیتیوم-سیلیسیم در ساخت دماغه‌ی مخروطیِ موشک‌های فضایی و برای محافظت از آن‌ها در برابر حرارت، استفاده می‌شود. ابررساناهای دمای بالا از کریستال، ایتریوم، باریم، مس و اکسیژن ساخته می‌شوند.
همه‌ی سرامیک‌های مدرن، از ترکیبات ساده‌ای تشکیل نشده‌اند. برخی از آن‌ها از مواد مرکب ساخته‌شده‌اند که در آن‌ها سرامیک نوعی از مواد پس‌زمینه به نام ماتریس (ملات) را تشکیل می‌دهد و این ملات با الیاف ماده‌ی دیگری (اغلب الیاف کربن و یا گاهی الیافی از سرامیکی کاملاً متفاوت) تقویت می‌شود. به چنین موادی، کامپوزیت‌ماتریس‌سرامیک (CMC) می‌گویند. الیاف سیلیکون‌کاربید که به‌واسطه‌ی نیترید‌بور در ملات سیلیکون‌کاربیدی (SiC/SiC) قرارگرفته‌اند، نمونه‌ای از این نوع سرامیک هستند (این ماده در تیغه‌های موتور توربین گازی در جت‌ها به کار می‌رود).
بیشتر بخوانید: چسب کاشی و سرامیک
سرامیک‌ها چه خصوصیاتی دارند؟
همان‌طور که مشاهده کردیم، مهم‌ترین خاصیت سرامیک‌ها، دیرگداز بودن آن‌ها است. آن‌ها مواد سخت و بی‌قاعده‌ای هستند که در شرایط عادی و غیرعادی، می‌توانند میزان قابل‌توجهی از سوء استعمال را تحمل کنند. این را در نظر بگیرید که علت این‌که بیشتر ما آشپزخانه و حمام خود را کاشی‌کاری می‌کنیم، این است که کاشی‌های سرامیکی سخت و ضد آب هستند و در برابر خراش دیدگی مقاوم‌اند و تا سالیان سال سالم می‌مانند؛ مهندسان در ساخت موشک‌های فضایی و برای محافظت از آن‌ها در برابر گرمایی که هنگام بازگشت به زمین تحمل می‌کنند، از کاشی‌های سرامیکی که بسیار متفاوت‌اند استفاده می‌کنند.
اگر بخواهیم خصوصیات سرامیک‌ها را به‌صورت خلاصه بیان کنیم، می‌توانیم بگوییم که آن‌ها:
- نقطه‌ی ذوب بالایی دارند (بنابراین در برابر حرارت مقاوم‌اند)
- سختی و استحکام بالایی دارند.
- دوام قابل‌توجهی دارند (ماندگار هستند و به‌سختی فرسوده می‌شوند).
- رسانایی الکتریسیته و رسانایی حرارت کمی دارند (عایق خوبی هستند).
- ازنظر شیمیایی خنثی هستند (با مواد شیمیایی دیگر واکنش انجام نمی‌دهند).
همچنین بیشتر سرامیک‌ها غیر مغناطیسی هستند، بااین‌حال فریت‌ها (سرامیک‌های آهنی) به خاطر محتوای آهنی‌ای که دارند آهنرباهای خیلی خوبی هستند.
این‌ها نکات خوبی هستند، اما اگر به سرامیک‌های سنتی‌ای مثل شیشه یا پرسلان توجه کنید، متوجه وجود یک نقطه‌ضعف اساسی می‌شوید: آن‌ها می‌توانند شکننده و بی‌‌دوام باشند و اگر به زمین بیافتند (تحت یک «شوک» مکانیکی قرار بگیرند) و یا حرارتشان به‌سرعت تغییر کند (شوک حرارتی)، می‌شکنند و خرد می‌شوند.
چرا سرامیک این‌گونه است؟
سؤال جالب اینجاست که چرا سرامیک‌ها چنین رفتاری دارند؟ و جواب نه‌چندان جالبش به علم مواد بستگی دارد. همه‌ی این‌ها به شیوه‌‌ی پیوند اتم‌ها مربوط می‌شود و نحوه‌ی رفتار مواد را همین پیوند اتم‌ها تعیین می‌کند.
به‌عنوان‌مثال، پیوند اتم‌های فلزات، نسبتاً ضعیف است (به همین علت است که اکثر فلزات انعطاف‌پذیرند)، الکترون‌ها در بین این اتم‌ها مشترک‌اند و می‌توانند در بین‌شان حرکت کنند که به زبان ساده به همین دلیل است که فلزات رسانای گرما و برق هستند. از طرفی دیگر، ماده‌ای مانند لاستیک از مولکول‌های زنجیره بلندی (پلیمر) ایجادشده که پیوند بسیار ضعیفی دارند. به همین دلیل است که کائوچوی خام و سفیدرنگ، بسیار کشسان است و علت استحکام لاستیک‌های ولکانیزه‌ی سیاه (همان لاستیکی که در تایر ماشین استفاده می‌شود) این است که در معرض حرارت و گوگرد قرارگرفته‌اند و اتصالات عرضیِ قوی‌ای بین زنجیره‌های پلیمری ایجادشده که آن‌ها را محکم در کنار هم نگه می‌دارد. تمام الکترون‌ها در این پیوندها حبس شده‌اند (قادر به ایجاد جریان الکتریکی نیستند) و به همین دلیل است که لاستیک‌ها عایق خوبی هستند.
سرامیک‌ها در این مورد هم متفاوت‌اند. اتم‌های آن‌ها به‌صورت یونی باهم پیوند دارند (مثل پیوند اتم‌های سدیم و کلر در سدیم کلراید یا همان نمک) و این پیوند، اتم‌ها را محکم در جای خود نگه می‌دارد (باعث سختی و استحکام سرامیک‌ها می‌شود) و تمام الکترون‌هایشان را حبس می‌کند (پس برخلاف فلزات، هیچ الکترون آزادی برای انتقال حرارت و برق وجود ندارد). می‌توان فلزات را خم کرد، کشید و به خاطر این‌که ردیف اتم‌هایی که مرتب در کنار هم قرارگرفته‌اند، می‌توانند بر روی‌هم بلغزند، می‌توان از فلزات در ساخت سیم استفاده کرد؛ اما در سرامیک هیچ ردیف اتمی وجود ندارد، بلکه اتم‌ها یا به شکل کریستال‌های سه‌بعدیِ منظم در کنار هم قفل‌شده‌اند و یا به‌صورت رندوم در کنار هم قرارگرفته‌اند تا یک جامد آمورف (جامدی که هیچ ساختار کریستالی مرتبی ندارد) را تشکیل دهند.
اگر با چکش به توده‌ای از فلز ضربه بزنید، این انرژی مکانیکی واردشده، برای حرکت اتم‌ها بر روی یکدیگر، مصرف می‌شود و به‌عبارت‌دیگر، فلز را خم می‌کند؛ اما اگر با چکش به یک سرامیک مثل شیشه ضربه بزنید، این انرژیِ واردشده هیچ جایی برای رفتن ندارد (شیشه نمی‌تواند تغییر شکل دهد و این ضربه را در خود جذب کند)، بنابراین می‌شکند. این مثال توضیح می‌دهد که چرا سرامیک‌ها در عین سخت بودن، شکننده هم هستند.
بیشتر بخوانید: کاشی و سرامیک
همان‌طور که مشاهده کردیم، تمام سرامیک‌ها این‌گونه رفتار نمی‌کنند. گرافیت به این دلیل انعطاف‌پذیر است که از لایه‌هایی از کربن ساخته‌شده که می‌توانند بر روی‌هم بلغزند (و به همین دلیل است که مداد گرافیتی بر روی کاغذ خط به‌جا می‌گذارد). علت سختیِ الماس این است که ساختار کریستالیِ بسیار محکمی دارد. علت انعطاف‌پذیر بودن خاک رسی که بر روی زمین است، این است که اتم‌هایش مانند گرافیت، از ورقه‌های مسطحی تشکیل‌شده‌اند که می‌توانند روی‌هم بلغزند و با پیوند ضعیفی در کنار هم قرارگرفته‌اند؛ اما هنگامی‌که به آن آب اضافه می‌کنید، مولکول‌های قطبیِ آب (که یک سر مثبت و یک سر منفی دارند)، این پیوندها را می‌شکنند و خاک را نرم‌تر می‌کنند و هنگامی‌که آن را در کوره قرار می‌دهید، آب بخار می‌شود و اتم‌های آلومینیوم، سیلیسیم و اکسیژن در ساختار محکمی که از آلومینیوم سیلیکات تشکیل‌شده است، حبس می‌شوند و توسط شیشه‌ی سیلیکات به هم پیوند می‌خورند. به همین دلیل است که رسی که حرارت دیده، این‌قدر محکم است.
با توجه به تصویر می‌توان به این سؤال پاسخ داد که چرا سرامیک‌ها و فلزات رفتار متفاوتی دارند؟
- علت خم شدن فلزات این است که اتم‌هایشان می‌توانند آزادانه بر روی‌هم حرکت کنند.
- در سرامیک، اتم‌ها پیوند محکمی دارند و اگر بیش‌ازحد به آن‌ها نیرو وارد کنید، می‌شکنند: نیروی اعمال‌شده هیچ جایی برای وارد شدن ندارد.
- در فلزات، الکترودهای آزاد (فلش‌های آبی)، گرما و الکتریسیته را منتقل می‌کنند. به همین خاطر فلزات رساناهای خوبی هستند.
- در سرامیک، الکترون‌ها مشغول نگه‌داشتن پیوند اتم‌ها هستند و نمی‌توانند رسانای گرما و برق باشند. به همین دلیل است که سرامیک‌ها عایق‌های خوبی هستند (غیر رسانا هستند).
موارد مصرف سرامیک چیست؟
مشاهده کردیم که سرامیک‌ها موارد متفاوت بی‌شماری دارند، از شیشه و آجر گرفته تا پرسلان و سیمان. جای تعجب نیست که برای مصالح سرامیکی صدها کاربرد متنوع، از هوافضا گرفته تا باغ‌وحش‌ها، وجود داشته باشد.
مثلاً موتور جت هواپیماها نمونه‌ای از ماشین‌هایی به نام توربین گازی هستند که با سوزاندن ترکیبی از سوخت‌ها کار می‌کنند تا اگزوز آتشینی ایجاد کنند که به هواپیما قدرت حرکت می‌دهد. این نیاز به مقاومت در برابر حرارت است که باعث می‌شود اغلب اجزاء موتور از سرامیک ساخته شوند. به همین دلیل است که 31000 کاشی سرامیکی بر روی شاتل فضایی‌ای که اکنون بازنشسته شده، نصب‌شده بود تا از آن در برابر سوختنش در حین بازگشت به زمین، محافظت کند. در فوریه‌ی 2003، شکست یک کاشی سرامیکی، منجر به از بین رفتن شاتل فضایی کلمبیا درراه بازگشتش به زمین شد (انتظار می‌رود که در نسل بعدی از هواپیماهای فضاییِ چند بار مصرف، از کاشی‌های کامپوزیت ماتریس سرامیکی که کارایی بالاتری دارند استفاده شود).
درحالی‌که هوافضا یکی از کاربردهای فوق‌العاده‌ی سرامیک‌های ویژه است، ساختوساز هم یکی از کاربردهای معروف برای سرامیک‌های معمولی است. حتی در این عصر جدید که پر از پلاستیک‌های متنوع است، بازهم انواع آجر، شیشه، سیمان، بتن، پرسلان و کاشی‌ها از مصالح اولیه‌ی ساختمان‌ها هستند. حتی اغلب ابزارهایی که در ساختوساز به کار می‌روند هم از سرامیک ساخته‌شده‌اند. سرامیک‌های پیشرفته‌ای مثل تنگستن‌کاربید یا سیلیکون‌کاربید، در برش شیشه، مته‌زنی بر روی یک کاشی، سنگ‌زنیِ بتن و یا اره کشیدن بر روی یک آجر، بیشتر کمک می‌کنند و عموماً بهتر و طولانی‌تر از ابزارهای سنتی‌ای که از استیل ساخته‌شده‌اند، کار می‌کنند.
گاهی اوقات سرامیک‌ها درآن‌واحد هم عایق برق هستند و هم عایق گرما: اغلب عناصر گرمایشی، در یک محفظه‌ی سرامیکی ساخته می‌شوند. گازهای رومیزیِ برقی، از شیشه‌های سرامیکی با کارایی بالا ساخته می‌شوند و حباب شیشه‌ایِ لامپ‌ها درعین‌حال که از رشته‌های لامپ در برابر هوا محافظت می‌کند، برای ما هم به‌عنوان یک عایق حرارت و الکتریسیته عمل می‌کند.
بیشتر بخوانید: کفپوش pvc
تمایلی وجود دارد که سرامیک‌های معدنی را به‌عنوان مصالح غیرطبیعی و مصنوعی‌ای ببینیم که کاملاً از دنیای زنده‌ای که در آن زندگی می‌کنیم جدا هستند. شاید تعجب‌آور باشد که بدانید سرامیک در دنیای پزشکی کاربردهای بسیاری دارد. مثل مبدل‌های پیزوالکتریک که امواج مافوق صوت ایجاد می‌کنند و در اسکن‌های بارداری کاربرد دارند، یا دندان‌های مصنوعی که از پرسلان ساخته‌شده‌اند و یا عینک‌های شیشه‌ای و یا ایمپلنت‌های استخوانی که از نیترید سیلیکون ساخته‌شده‌اند و به‌طور هوشمندانه‌ای متخلخل طراحی‌شده‌اند تا میزان رشد طبیعی استخوان را بالا ببرند. اگر نمی‌دانید که سرامیک در جانورشناسی چه کاربردهایی دارد، (همان‌طور که در بالا اشاره کردم) می‌توانید سگ‌های بسیاری را بیابید که درست مانند انسان‌ها، ایمپلنت استخوانی و دندان مصنوعی دارند.
سرامیک چگونه ساخته می‌شود؟
عموماً ساخت سرامیک با استخراج ماده‌ای از زمین که پایه‌ی خاک رسی دارد آغاز می‌شود. این ماده با آب (برای افزایش انعطاف‌پذیری) و مواد دیگر مخلوط می‌شود، به این مواد شکل می‌دهند و سپس آن را در اجاق صنعتی بزرگی به نام کوره، در دمای بالا حرارت می‌دهند. این مرحله‌ی حرارت دادن، در ساخت اکثر سرامیک‌ها مشترک است. کلمه‌ی «سرامیک» در اصل از زبان سانسکریت گرفته‌شده و به معنی «سوزاندن» است. هزاران سال است که برای ساخت سرامیک‌ها، از این چهار فرایند اساسی استخراج مواد از زمین، اضافه کردن آب، شکل‌دهی و حرارت دادن استفاده می‌شود.
6 نوع خاک رسی که استخراج می‌شوند: خاک رس معمولی، کائولن (رس‌چینی)، بنتونیت، خاک سفالگری، گل رخت‌شویی و خاک نسوز و... که هرکدام از این خاک‌ها کاربرد متفاوتی دارند:
از خاک رس معمولی در ساخت آجر، سیمان و شن و ماسه استفاده می‌شود.
- از کائولن در ساخت ورق‌های براق استفاده می‌شود (همچنین از آن در ساخت شربت «کائولن و مورفین» که دارویی برای ناراحتیِ معده است، استفاده می‌شود).
- بنتونیت کاربردهای صنعتی متنوعی دارد، ازجمله حفاری گل و ریخته‌گری ماسه و همچنین در محصولاتی که برای جذب فضولات حیوانات خانگی هستند.
- رس سفالگری یک نوع خاک رس باکیفیت است که به خاطر کاربردش در سرامیک‌سازی، ساخت لوازم بهداشتی و کاشی کف و دیوار، ارزشمند است.
- گل رخت‌شویی هم در محصولات جاذب فضولات حیوانات خانگی به کار می‌رود.
- خاک نسوز در ساخت آجرها و سیمان‌های دیرگداز (دمای بالا) استفاده می‌شود.
هرکدام از این خاک‌ها درجه‌ها و کیفیت‌های متفاوتی هم دارند. برای توضیح این تفاوت مثال زدن از رس چینی و رس سفالگری، دقیق‌تر است. مثلاً رس سفالگری در ساخت وسایل غذاخوری چینی و وسایل حمام، به کار می‌رود؛ اما حتی در یک معدن از خاک سفالگری، خاک‌هایی با درجه‌بندی‌های متفاوت وجود دارد که از مکان‌های مختلف آن معدن استخراج می‌شوند و از این خاک‌ها برای مصارف مختلف، جداگانه نگهداری می‌کنند (آن‌ها را به روش‌های مختلفی باهم ترکیب می‌کنند).
سرامیک‌های خام، قبل از حرارت دیدن می‌توانند به هر شکلی دربیایند. برای محصولات مختلف از فرایندهای تولید متفاوتی استفاده می‌شود. مثلاً لوله‌ها را با روزن‌رانی می‌سازند (خاک رس را فشار می‌دهند تا از یک سوراخ بیرون بیاید، چیزی شبیه به خمیردندان). شیشه از طریق دمیدن، قالب‌گیری، یا شناور شدن بر روی آب به وجود می‌آید (پنجره‌های بزرگ و مسطح، از فرایند شیشه‌ی شناور به وجود می‌آیند). از طرف دیگر آجرها همیشه توسط قالب ساخته می‌شود تا از هماهنگیِ شکل و اندازه‌شان برای ساخت دیوار، اطمینان حاصل شود.
مشاهده کنید: جامع‌ترین و بروز‌ترین آگهی‌های صنعت ساختمان
درحالی‌که امروزه بخش بزرگی از سفالگری با قالب انجام می‌شود، اما هنوز هم برخی از سفال‌ها به روش سنتی، با دست و چرخی که از پا نیرو می‌گیرد، تولید می‌شوند. پرس کردن (فشردن پودر در قالب)، ریخته‌گری و قالب زدن چرخشی (گذاشتن مواد اولیه در داخل قالب چرخان)، از فرایندهای دیگری هستند که در سرامیک‌سازی به‌کار می‌روند. سرامیک‌های پیشرفته‌ی مهندسی‌شده غالباً با روش‌های پیشرفته‌تری ایجاد می‌شوند. به‌عنوان‌مثال نیترید‌سیلیکون که در ابزار برش به کار می‌رود، توسط یک پیوند واکنشی ایجاد می‌شود، در این فرایند به پودر سیلیکون شکل داده می‌شود و توسط گاز نیتروژن حرارت می‌بیند.
