تحقیق مقاله کاربرد سرامیک های پیشرفته

کاربرد سرامیکهای پیشرفته

فهرست:

تعریف سرامیک

تاریخچه

انواع سرامیک‌ها

صنعت سرامیک های پیشرفته

خواص برتر سرامیک‌ها نسبت به مواد دیگر

کاربردهای مختلف مواد سرامیکی

سرامیک‌های الکترونیکی

سرامیکهای سازه‌ای

پودرها و افزودنی­ها

سرامیک­های ساختاری

نگاهی به کاربردهای سرامیکهای پیشرفته

تقسیم بندی سرامیکهای ساختاری

خواص ممتاز سرامیکهای ساختاری پیشرفته

کاربردهای سرامیکهای ساختاری پیشرفته

بازار سرامیکهای ساختاری در جهان

گزارشی از تحولات بازار سرامیک‌های پیشرفته در آمریکا

خلاصه و نتیجه گیری

تعریف سرامیک

به مواد (معمولاً جامد)ی که بخش عمدهٔ تشکیل دهندهٔ آنها غیرفلزی و غیرآلی باشد، سرامیک گفته می‌شود.این تعریف نه‌تنها سفالینه‌ها، پرسلان(چینی)، دیرگدازها،محصولات رسی سازه‌ای، ساینده‌ها، سیمان و شیشه را در بر می‌گیرد، بلکه شامل آهنرباهای سرامیکی، لعاب‌ها، فروالکتریک‌ها، شیشه-سرامیک‌ها، سوخت‌های هسته‌ای و ... نیز می‌شود.

تاریخچه

برخی‌ها آغاز استفاده و ساخت سرامیک‌ها را در حدود ۷۰۰۰ سال ق.م. می‌دانند در حالی که برخی دیگر قدمت آن را تا ۱۵۰۰۰ سال ق.م نیز دانسته‌اند. ولی در کل اکثریت تاریخنگاران بر ۱۰۰۰۰ سال ق.م اتفاق نظر دارند. (بدیهی است که این تاریخ مربوط به سرامیک‌های سنتی است.)واژهٔ سرامیک از واژهٔ یونانی کراموس گرفته شده‌است که به معنی سفال یا شیء پخته‌شده‌است.

طبقه‌بندی سرامیک‌ها

سرامیک‌ها از لحاظ کاربرد به شکل زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

سرامیک‌های سنتی(سیلیکاتی)

سرامیک‌های مدرن(مهندسی)

سرامیک های اکسیدی

سرامیک های غیر اکسیدی

سرامیک‌های اکسیدی را از لحاظ ساختار فیزیکی می‌توان به شکل زیر طبقه‌بندی کرد:

سرامیک‌های مدرن مونولیتیک (یکپارچه)

سرامیک‌های مدرن کامپوزیتی

انواع سرامیک‌ها

سرامیک‌های سنتی

این سرامیک‌ها همان سرامیک‌های سیلیکاتی هستند. مثل کاشی، سفال، چینی، شیشه، گچ، سیمان و ...

سرامیک‌های مدرن

این فرآورده‌ها عمدتاً از مواد اولیهٔ خالص و سنتزی ساخته می‌شوند. این نوع سرامیک‌ها اکثراً در ارتباط با صنایع دیگر مطرح شده‌اند

سرامیک‌های اکسیدی

برخی از پرکاربردترین این نوع سرامیک‌ها عبارت‌اند از:

برلیا (BeO)

تیتانیا (TiO2)

آلومینا (Al2O3)

زیرکونیا (ZrO2)

منیزیا (MgO)

سرامیک‌های غیراکسیدی

این نوع سرامیک‌ها با توجه به ترکیبشان طبقه‌بندی می‌شوند که برخی از پرکاربردترین آنها در زیر آمده‌اند:

نیتریدها

BN

TiN

Si3N4

GaN

کاربیدها

SiC

TiC

WC

صنعت سرامیک های پیشرفته

بازار سرامیک‌های پیشرفته در ایالات متحده امریکا در سال ۱۹۹۸ نزدیک به ۷۰۵ میلیون دلار بود که در سال ۲۰۰۳ به ۱۱ بیلیون دلار رسید.

خواص برتر سرامیک‌ها نسبت به مواد دیگر

دیرگدازی بالا

سختی زیاد

مقاومت به خوردگی بالا

استحکام فشاری بالا

کاربردهای مختلف مواد سرامیکی

در زیر کاربردهای رایج مواد سرامیکی به همراه چندنمونه از مواد رایج در هر کاربرد آورده شده‌است:

الکتریکی و مغناطیسی

عایق‌های ولتاژ بالا (AlN- Al2O3)

دی الکتریک (BaTiO3)

پیزوالکتریک (ZnO- SiO2)

پیروالکتریک (Pb(ZrxTi1-x)O3))

مغناطیس نرم (Zn1-xMnxFe2O4)

مغناطیس سخت (SrO.6Fe2O3)

نیمه‌رسانا (ZnO- GaN-SnO2)

رسانای یونی (β-Al2O3)

تابانندهٔ الکترون (LaB6)

ابررسانا (Ba2LaCu3O7-δ)

سختی بالا

ابزار ساینده، ابزار برشی و ابزار سنگ‌زنی (2O3TiN-Al)

مقاومت مکانیکی (SiC- Si3N4)

نوری

فلورسانس (Y2O3)

ترانسلوسانس(نیمه‌شفاف) (SnO2)

منحرف کنندهٔ نوری (PLZT)

بازتاب نوری (TiN)

بازتاب مادون قرمز (SnO2)

انتقال دهندهٔ نور (SiO2)

حرارتی

پایداری حرارتی (ThO2)

عایق حرارتی (CaO.nSiO2)

رسانای حرارتی (AlN - C)

شیمیایی و بیوشیمیایی

پروتزهای استخوانی P3O12(Al2O3.Ca5(F,Cl))

سابستریت (TiO2- SiO2)

کاتالیزور (KO2.mnAl2O3)

فناوری هسته‌ای

سوخت‌های هسته‌ای سرامیکی

مواد کاهش‌دهنده‌ی انرژی نوترون

مواد کنترل کننده‌ی فعالیت راکتور

سرامیک‌های الکترونیکی

عمده‌ترین استفاده سرامیک­های پیشرفته در صنایع الکترونیک است که حدود 66 درصد کل مصرف سرامیک­های پیشرفته را به خود اختصاص می­دهند. مهم‌ترین مواد سرامیکی برای کاربردهای الکترونیکی، اکسیدهای خالص یا مخلوطی از اکسیدها هستند که شامل آلومینا، زیرکونیا، سیلیسیا، فریت­ها، تیتانات باریم اصلاح‌شده و تیتانات و زیرکونات سرب می‌باشند. فیبرها، محافظ‌ها در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، خازن­ها، تبدیل‌کننده‌ها، القاگرها، ابزارهای پیزوالکتریکی و سنسورهای فیزیکی و شیمیایی عمده‌ترین موارد استفا‌ده سرامیک­های الکترونیکی هستند. میزان بازار جهانی سرامیک­های الکترونیکی در نیمه پایانی سال 2000، حدود 13.3 میلیارد دلار بوده است. مواد مورد مصرف در مدارهای IC مجتمع، محافظ‌های الکترونیکی و خازن­ها تقریباً 67 درصد بازار سرامیک­های الکترونیکی را بخود اختصاص داده‌اند. بازار محصولات سرامیکی الکترونیکی اگر چه نسبتاً بزرگ است ولی نرخ رشد آنها از نرخ رشد دو رقمی که در چند دهه گذشته از خود نشان داده‌اند بیشتر نیست.

سرامیک­های ساختاری

استفاده از سرامیک­ها در کاربردهای ساختاری کمتر از 19 درصد کل بازار است. سرامیک­های ساختاری بعنوان اجزاء تحمل‌کننده تنش یا پوشش قسمت­هایی که تحت تنش هستند شناخته می‌شوند. علاوه بر این، مقاومت سرامیک­ها در برابر خوردگی، سایش و دمای بالا، این مواد را برای کاربرد در تجهیزات صنعتی زیادی مناسب ساخته است. افزایش بازده و کاهش مصرف انرژی، محرک تحقیقات بر روی سرامیک­های ساختاری پیشرفته است. در سال 2005 شاهد بازار جهانی 4.5 میلیارد دلاری برای سرامیک­های ساختاری خواهیم بود و رشد خوبی در بازار اجزای مقاوم به سایش، یاطاقان‌ها، درزگیرها، تجهیزات فرآیندها و پوشش­های سرامیکی محقق می‌شود. بیشترین مواد اولیه مورد استفاده در سرامیک­های ساختاری انواع گوناگون اکسیدآلومینیوم، زیرکونیا، کاربید سیلیسیم و نیترید سیلیسیم می‌باشد.

سرامیکهای سازه‌ای

بازار سرامیک­های سازه‌ای که شامل ابزارهای برش، قطعات مقاوم به سایش، بیوسرامیک­ها، لباس­های ضدگلوله و امیک­های مورد استفاده برای تعمیرات نیمه‌هادی هستند، رشد خواهد کرد. بازار سرامیک­های سازه‌ای پیشرفته در آمریکا از 541 میلیون دلار در سال 2000 به 736 میلیون دلار در سال 2005 خواهد رسید و بالاترین نرخ رشد متوسط سالیانه (حدود 6.3 درصد) را برای چند سال آینده در مقایسه با بازار سرامیک‌های پیشرفته دیگر خواهد داشت. 43 درصد از سرامیک­های سازه‌ای برای قطعات مقاوم به سایش در کشتی‌ها و هواپیماها، قرقره‌ها، قالب‌ها، نازل‌ها، سوپاپ‌ها، درزگیرها، میله استوپر، یاتاقان‌ها و اجزای لازم برای ساخت خمیر کاغذ استفاده می‌شوند. اگر چه سرامیک­های سازه‌ای با شدت زیادی در حال تجاری‌شدن هستند اما در بعضی از این قطعات قیمت آنها بعنوان یک مانع فراروی توسعه بازار آنها عمل می‌کند. (posterior Material) است. سرامیک‌های مورد استفاده در ابزارهای برش نیز 17 درصد از بازار سرامیک­های سازه‌ای را تشکیل می‌دهند که شامل آلومینا (Alco3)، Al2o3/Tic، آلومینای تقویت‌شده با Sicو سیالن نیتریدسیلیکون (ماده پیوندی در زمینه دیرگدازها کربورسیلیسمی) می­باشند. بازار ابزارهای برشی سرامیکی‌ نیز بعلت تجاری‌سازی و افزایش قابلیت­های کامپوزیت­های آلومینا SiC- و ابزارهای سیلیکون نیتراید ترقی کرده است

پودرها و افزودنی­ها

در حوزه سرامیک­های سنتی، پودرها مواد غیرآلی هستند که در فرآیندهای مختلف بصورت بلوک یا قطعه نهایی شکل می‌گیرند و افزودنی­ها مواد غیرآلی هستند که استفاده از پودرها را در فرآیندهای مختلف آسان می‌کنند و در قطعه نهایی باقی نمی‌مانند. این تعریف‌ها صحت خود را تا حد زیادی در مورد سرامیک‌های پیشرفته که از تکنولوژی‌های پیچیده شیمیایی بهره‌ می‌برند، از دست داده‌اند.

پودرهای سرامیکی پیشرفته و افزودنی‌ها بعنوان مواد خام برای سرامیک­های ساختاری و سرامیک­های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پودرهای سرامیکی پیشرفته بازاری بالغ بر 2.7 میلیارد دلار را به خود اختصاص داده‌اند که رشد متوسطی معادل 2 درصد برای آنها تا سال 2005 پیش‌بینی شده است. پوردهای اکسیدی 85 درصد از این بازار را از نظر ارزش و 95 درصد را از نظر وزن به خود اختصاص داده‌اند. بقیه بازار مربوط به غیراکسیدی‌هایی نظیر کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم، نیترید آلومینیوم و تیتانیوم دی‌براید است. پودرهای آلومینیومی با کارایی بالا، پودرهای زیرکونیا که در بیوسرامیک­ها استفاده می‌شوند و کاربردهای مربوط به سیستم‌های مخلوط چند اکسیدی مثل شیشه‌سرامیک­ها و سرامیک­های با ضریب انبساطی پایین، رشد متوسط بالاتری را از خود نشان خواهند داد. رشد بازار افزودنی‌ها کمی بیشتر از پودرها خواهد بود که علت آن رواج افزودنی‌های با کارایی بالا و افزودنی‌های قوی در روش‌های تولید از قبیل شکل دادن گرم و سرد و قالب‌گیری تزریقی است

در دنیای کنونی و به دنبال آن در کشورمان، قطعات، ابزار و محصولات سرامیکی اهمیت و سهم قابل توجهی رابه خود اختصاص داده‌اند. به دلیل فقر دانش پایه در بسیاری موارد، این کالاها در رده‌ی سرامیک‌ها به حساب نمی‌آیند و این امر سبب شده است دست‌اندرکاران و تصمیم‌سازان کشور تنها به کاربردهای سنتی این مواد توجه کنند. هدف اصلی تدوین این کتاب پوشش ظرفیت کامل سرامیک‌ها و همه‌ی کابردهای نوین و تکنولوژیک آن‌ها برای نهادهای تصمیم‌ساز و تصمیم‌گیر کشور است.

نگاهی به کاربردهای سرامیکهای پیشرفته

سرامیکهای ساختاری (structuralceramics) دستهای از سرامیکهای پیشرفته هستند که امروزه استفاده وسیعی از جمله کاربردهای مکانیکی، نظامی، شیمیایی، حرارتی و غیره یافته‌اند و طبق پیش­بینیهای اعلام شده، بازار آنها رو به گسترش است. مقاله زیر، به معرفی ویژگیها، کاربردها و بازار جهانی سرامیکهای ساختاری میپردازد:

براساس تقسیم‌بندی کلی، سرامیک‌ها را می‌توان به سه دسته سرامیک‌های "عامل"، "ساختاری" و "ترکیبی" تقسیم‌بندی نمود. در این نوشتار سعی بر آن شده است که ابعاد مختلف نظیر تقسیم‌بندی، خواص، کاربرد و بازار جهانی سرامیک‌های ساختاری به اختصار تبیین شود.
تقسیم بندی سرامیکهای ساختاری

سرامیک‌های ساختاری را می‌توان بر اساس مواد بکار رفته در آنها تقسیم‌بندی نمود:

1) سرمت‌ها یا کامپوزیت‌های سرامیک – فلز

2) سرامیک‌های اکسیدی (برلیم، آلومینات‌ها، اکسید منیزیم، زیرکونات‌ها)

3) سرامیک‌های پرطاقتشده (PSZ, TZP, ZTA, ZTM)

4) سرامیک‌های نیترید سیلیسیم Si3N4

5) سرامیک‌های کاربید سیلیسیم SiC

علاوه بر تقسیم‌بندی فوق، تقسیم‌بندی‌های دیگری نیز وجود دارد که در کتاب‌های مرجع می‌توان یافت.

خواص ممتاز سرامیکهای ساختاری پیشرفته

خواص ممتاز سرامیک‌های ساختاری پیشرفته عبارتند از:

1) مقاومت مکانیکی بسیار بالا

2) سختی قابل توجه

3) مدول‌ الاستیسیته بالا

4) پایداری ابعاد خوب

5) مقاومت زیاد در مقابل خوردگی و اکسیداسیون

6) دوام زیاد در مقابل سایش

7) دوام زیاد در مقابل تشعشعات

8( پایداری حرارتی بالا

9) دانسیته جرمی بالا

10) ضریب اصطکاک کم

11) ضریب انبساط حرارتی کم

کاربردهای سرامیکهای ساختاری پیشرفته

سرامیکهای ساختاری به‌عنوان اجزای تحمل‌کننده تنش یا پوشش در قسمتهایی که تحت تنش هستند بهکار برده می‌شوند. به علاوه، مقاومت این سرامیکها در برابر خوردگی، سایش و دمای بالا، این مواد را برای کاربرد در تجهیزات صنعتی زیادی مناسب ساخته است. افزایش بازده و کاهش مصرف انرژی، محرک تحقیقات بر روی سرامیکهای ساختاری پیشرفته هستند. (مآخذ2) بر اساس خواص ویژه‌ای که سرامیک‌های ساختاری پیشرفته دارند، این‌گونه سرامیک‌ها امروزه استفاده‌های فراوانی در زمینه‌های مختلف از زندگی روزمره گرفته تا کاربردهای نظامی ‌دارند. برخی از کاربردهای سرامیک‌های ساختاری پیشرفته در جدول زیر آورده شده است. این کاربردها گویای این مطلب است که مواد پیشرفته از جمله سرامیک‌های نوین از مواد اساسی و ضروری برای دنیای صنعتی امروز است.

به صورت کلی 43 درصد از سرامیکهای ساختاری برای قطعات مقاوم به سایش در کشتی‌ها و هواپیماها، قرقره‌ها، قالب‌ها، نازل‌ها، سوپاپ‌ها، درزگیرها، میله استوپر، یاتاقان‌ها و اجزای لازم برای ساخت خمیر کاغذ استفاده می‌شوند. اگر چه سرامیکهای ساختاری با شدت زیادی در حال تجاری‌شدن هستند اما در بعضی از این قطعات، قیمت آنها به‌عنوان یک مانع فراروی توسعه بازار آنها عمل می‌کند.

از دیگر کاربردهای مهم این قطعات، استفاده از آنها در ساخت تجهیزات نیمه‌هادی و لباس‌های ضدگلوله است که باعث مشارکت بخش دفاعی آمریکا در بازار این مواد است.

بعد از سرامیک‌های مقاوم به سایش، بیوسرامیکها با 20 درصد از سهم بازار سرامیک‌های ساختاری در مرتبه دوم قرار دارند. موارد استفاده بیوسرامیکها در ایمپلنت‌های سرامیکی و شیشه‌سرامیکی، شیشه‌سرامیکهای روکش دندان و مواد کپلی (posteriorMaterial) است.

سرامیک‌های مورد استفاده در ابزارهای برش نیز 17 درصد از بازار سرامیکهای ساختاری را تشکیل می‌دهند که شامل آلومینا (Alco3)، Al2O3/TiC، آلومینای تقویت‌شده با SiCو سیالن‌نیتریدسیلیکون (ماده پیوندی در زمینه دیرگدازهای کربورسیلسیمی) میباشند. (مآخذ3)

بازار سرامیکهای ساختاری در جهان

در سال 2005 شاهد بازار جهانی 4.5 میلیارد دلاری برای سرامیکهای ساختاری خواهیم بود و رشد خوبی در بازار اجزای مقاوم به سایش، یاتاقانها، درزگیرها، تجهیزات فرآیندها و پوششهای سرامیکی محقق می‌شود. (مآخذ2) بازار سرامیکهای ساختاری پیشرفته در آمریکا از 541 میلیون دلار در سال 2000 به 736 میلیون دلار در سال 2005 خواهد رسید و بالاترین نرخ رشد متوسط سالیانه را برای چند سال آینده در مقایسه با بازار سرامیک‌های پیشرفته دیگر خواهد داشت. همچنین در گزارشهای دیگر، بازار سرامیک‌های ساختاری آمریکا از 425 میلیون دلار در سال 1998 به 640 میلیون دلار در سال 2003 خواهد رسید که متوسط نرخ رشد سالیانه سرامیک‌های ساختاری در این 5 سال حدود 8.2 خواهد بود. (مآخذ4)

گزارشی از تحولات بازار سرامیک‌های پیشرفته در آمریکا

کشور آمریکا به علت پیشگامی در اکثر تکنولوژی­های نو یکی از بازارهای مهم این تکنولوژی­ها می­باشد. مسلماً برای آشنایی با تحولات تکنولوژیک و تغییرات بازار در این تکنولوژی­ها، مطالعه وضعیت این کشور تا حدودی می­تواند راهگشا باشد. متن زیر که برگرفته از سایت www.ceramicindustry.com است، گزارشی در مورد وضعیت بازار سرامیک­های پیشرفته در کشور آمریکا است.

سرامیک­های پیشرفته در اواخر دهه 1990 رشد یکنواختی داشته و روی­هم­رفته نرخ رشدی حدود 8 درصد در سال داشته‌اند. اما با توجه به رکود اقتصادی اخیر انتظار می‌رود این نرخ رشد برای چند سال آینده (تا 2005) حدود 5.7 درصد در سال باشد. سرامیک­های الکترونیکی بخش عمده‌ای از این بازار را تشکیل می‌دهند و بعضی از این مواد هنوز هم دارای رشد بسیار سریعی هستند. بطوری‌که برای ا?ب?رهادی‌های دمای بالا،