علم سرامیک

مواد سراميکي ، موادي غير آلي و غير فلزي هستند . اکثر سراميک ها از واکنش ميان يک فلز و يک غير فلز به وجود آمده اند . به خاطر همين موضوع است که پيوند بين اتم ها يا به طور کامل يوني است يا به طور عمده يوني باخواص کوالانسي است.
واژه ي Ceramic از Keramikos که يک لغت يوناني است آمده است.
اين واژه به معناي ماده اي است که پخته شده است و اين بدين معناست که خواص مطلوب اين مواد عمدتاً به وسيله ي عبور اين مواد از پروسه اي است که ماده را در دماي بالا عمل آوري مي کند . اين پروسه ي عمل آوري ماده پخت ( Firing) ناميده مي شود.

مواد سراميکي در جامعه ي امروزي بسيار مهم اند . موتورهاي سراميکي و مزايايي که استفاده از مواد سراميکي در زمينه هاي : اقتصاد سوخت ، بازده ، کم کردن وزن و افزايش کارايي دارد ، را در نظر بگيريد . در شکل 1 شما سه تصوير گلچين از نمونه ي اوليه موتور سراميکي و تعدادي از اجزاي سراميکي خودرو را مي بينيد . يا اينکه ساخت توربين سراميکي در سايز ميليمتري را در نظر بگيريد . اين توربين ها در موتورهاي بسيار بسيار کوچک که در آينده ساخته مي شوند کاربرد دارند.

البته اين را بايد بدانيم که آينده زياد دور نيست و به زودي ما توليد اين موتورها را مي بينيم . در شکل شماره ي 2 شما مي توانيد چرخ توربين ريزش دروني محوري ( Radial inflow turbine wheel) که از سيليسيم ( Silicon) ساخته شده است را ببينيد . در روش توليد آن از روش برش با يون واکنش کننده استفاده شده است . اين قطعه ي توليدي در دانشگاه ماساچوست ( MIT) تنها چهار ميليمتر قطر دارد . اين قطعه به وسيله ي تکنولوژي جديدي توليد شده است که اين تکنولوژي براي توليد سيستم هاي ميکرو ـ الکترومکانيکي ( Micro-electro mechanical systems ) استفاده مي شود . سيستم هاي ميکروالکترومکانيکي به طور اختصار MEMS ناميده مي شوند . همه ي اين موتورها با يک ژانراتور الکتريکي مجتمع کامل مي شوند . که انتظار مي رود که وزن اين موتورها تنها يک گرم باشد.
با توجه به گفته هاي محققين دانشگاه ماساچوست ( MIT) ، يک ميکروتوربين سيليسيمي ( Silicon) اوليه که به وسيله ي روش هاي ميکرو توليدي نوع نيم رسانا توليد شده است ممکن است با شروع قرن ، به چرخش درآيد . اگر کوشش هاي ابتدايي با موفقيت همراه باشد دانشمندان براي استفاده از روش ليتوگرافي مشابه براي توليد موتور با توربين ريزش دروني محوري از سيليسيم کاربيد ( Silicon carbide ) برنامه ريزي مي کنند . (سيليسيم کاربيد يک نوع ماده ي سراميکي نسوز است ) .

جداره هاي نازک از کوارتز ( Quartz envelopes ) حباب لامپ هاي روشنايي و ديگر حباب ها را به وجود مي آورد . تعدادي ديگر از کاربردهاي جداره هاي نازک کوارتزي در شکل شماره ي 3 نشان داده شده است.
شايد شما تصور کنيد که مس يک رساناي خوب الکتريسيته است . اين حرف واقعاً درست است اما آيا اين را مي دانيد که سراميک ها مي توانند رسانش الکتريکي بهتري نسبت به مس داشته باشد ؟! اين مساله با کشف مواد سراميکي ابررسانا در دماي بالا ( High-temperature super conducting ceramic materials ) مشخص شد .

در دماي 100 درجه ي کلوين يا زير اين دما ، اين مواد مقاومت الکتريکي خود را از دست مي دهند . به علاوه اين مواد خطوط جريان مغناطيسي را پس مي زنند . که اين پديده به نام اثر ميسنر ( Meissner effect ) معروف است . اين اثر موجب مي شود که يک قطعه آهن ربا بتواند در فضاي روي يک ابررسانا معلق بماند . که در شکل 4 نشان داده شده است . در ژاپن ، يک قطار معلق سريع السير بر اساس قوانين توضيح داده شده در شکل 4 کار مي کند . در ايالات متحده ي آمريکا ، تحقيقات در دانشگاه پاردو ( Purdue university) بر روي ابررسانايي و کاربردهاي مواد سراميکي متمرکز گشته است . که تصوير مربوط به ابررسانايي از سايت اين دانشگاه گرفته شده است .

نمايش کريستال هاي غير آلي ، سيليکات ( Silicate) و آلومينات ( Aluminate) و ديگر عناصر و ترکيبات معمولاً از چند وجهي هاي کوئورديناسيون تشکيل شده است . هر راس چند وجهي مانند يک موقعيت پيوندي ( Ligand Position) است در شکل شماره ي 5 ، ساختار کريستالي يک ماده ابررساناي دما بالا نشان داده شده است .
گرافيت خاصيت نسوز بودن ( Refractory) ، سبکي و مقاومت به خوردگي خوبي دارد . اين خواص براي بسياري از کاربردها مهم است . به عنوان مثال ابزارهايي که براي شکل دهي مطلوب مواد در ريخته گري مداوم استفاده مي شوند ( Dies for continuous casting) ، نازل هاي راکت ( Rocket nozzles ) ، مبدل هاي حرارتي ( Heat exchanger) براي صنايع شيميايي استفاده مي شود را بايد از اين ماده ساخت .

به هر حال مقاومت به سايش نسبتاً ضعيف گرافيت و اکسيداسيون آن از محدوديت هاي استفاده از اين ماده است . که با اضافه کردن روکش هاي تيتانيم کاربيد ( Titonium carbide) که مقاومت به سايش ، مقاومت به اکسيداسيون و مقاومت به خوردگي عالي دارد . باعث بهبود مخواص گرافيت و استفاده از اين ماده در قطعات مي شود . در شکل 6 ، شما تصوير چندين قطعه ي پوشش داده شده با تيتانيم کاربيد(Tic) را مي بيند