علم سرامیک

سرامیک :

کلمه سرامیک از Clay  یا خاک رس گرفته شده است که در لاتین به آن Kerames گفته می شود . این واژه در اثر کثرت استعمال به سرامیک تبدیل شده است .

اطلاعات اولیه :

سرامیک ها معمولا به استثنای فلزات و آلیاژهای فلزی و مواد آلی ، شامل تمام مواد مهندسی می شوند که از نظر شیمیایی جزو مواد معدنی هستند و بعد از قرار گرفتن در دمای بسیار بالا ، شکل اولیه خود را حفظ کرده و مقاوم تر می شوند . ظروف سفالی ، چینی و چینی های بهداشتی و غیره ، جزو این گروه می باشند .

تاریخچه :

آشنایی انسان با مواد سرامیکی و استفاده از آنها ، قدمتی به طول تاریخ دارد . سفالینه های کشف شده در مناطق باستانی دنیا نشان می دهد که انسان در دوران باستان ، گل رس و چگونگی کار با آن و پخت و مقاوم سازی آن آشنا بوده است . اما امروزه سرامیک ، کاربردهای بسیار فراتر از ظروف سفالی یا چینی دارد و در صنعت و تکنولوژی ، استفاده های فراوانی از آن می شود .

مواد اولیه سرامیک :

سرامیکها ، از سه ماده اولیه خاک رس ، فلدسپارها و ماسه تهیه می شود . خاک رس ، همان سیلکاتهای آلومینیوم هیدارته است که به صورت کانی مختلفی یافت می شوند .

دید کلی :

از زمانی که انسان غارنشینی را به قصد یافتن مکان زیست بهتر ، پشت سر گذاشت ، با مصالح ساختمانی سرو کار پیدا کرده بود . بدیهی است که این مواد از نوع موجود در طبیعت بود ، مانند پوست برای بنا کردن خیمه و یا گل و سنگ برای تهیه مسکن دائمی . بعدها بشر آموخت که از قطعات چوب و تخته و میخ و پیچ برای استحکام بنا استفاده کند و موادی مانند آهک ، ساروج و سیمان را برای اتصال محکم تر قطعات سنگ و یا چوب به یک دیگر بکار می رود ، ولی خاک رس مهمترین ماده اولیه تهیه بسیاری از مصالح ساختمانی است . خاک رس به صورت ناخالصی در تهیه کوزه ، گلدان های گلی ، ظروف سفالی ، اشیاء و لوله های سفالی ، سرامیک ، سیمان و به صورت خالص ، در تهیه ظروف چینی و . . . مصرف می شود .

تعریف :

از نظر واژه : سرامیک به کلیه جامدات غیره آلی و غیره فلزی گفته می شود .

از نظر ساختار شیمیایی : کلیه موادی که از مخلوط خاک رس با ماسه و فلدسپار در دمای بالا بدست می آیند و توسط توده شیشه مانندی انسجام یافته و بسیار سخت و غیره قابل حل در حلال ها و تقریبا گداز ناپذیر می باشند ، سرامیک نامیده می شوند .

نقش اجزای سه گانه در سرامیک :

خاک رس : موجب نرمی و انعطاف و تشکیل و تنوع شگرفی یافته و اهمیت و کاربردهای آن نیز وسعت پیدا کرده است . ذرات بلوری سرامیک می شود .

ماسه : قابلیت چین خوردن ، پس از خشک و گرم شدن و تشکیل بلوری سرامیک را کاهش می دهد .

فلدسپار : در کاهش دادن دمای پخت و تشکیل توده شیشه ای و چسباننده ذرات بلوری سرامیک موثر است .

خواص سرامیک ها :

خواص سرامیک ها بسته به نوع و درجه خلوص هریک از اجزای اصلی ، مواد افزودنی ، لعاب ، زمان حرارت دادن ، مواد اکسنده و کاهنده های موجود در محیط ، تفییر می کند .

سرامیک های ویژه

مقره های برق :

که عایقهای خوبی برای گرما و برق هستند و در آنها از Al2O3  و Zr2O3 استفاده می شود .

سرامیک های مغناظیسی :

در این نوع سرامیک از اکسیدها آهن استفاده می شود . مهمترین کاربرد آنها در تهیه عنصرهای حافظه در کامپیوتر است .

سرامیک های شیشه ای :

وقتی شیشه معمولی پس از تهیه در دمای بالایی قرار گیرد ، تعداد قابل توجهی از ذرات بلور در آن تشکیل می شود و خاصیت شکنندگی آن کم می گردد و بر خلاف شیشه های معمولی دیگر ، ایجاد یا پیدایش شکاف کوچک در آنها ساری نمی باشد ، یعنی این شکافها خود به خود پیشرفت نمی کنند . از این سرامیک ها برای تهیه ظروف که آشپزخانه یا ظروفی که برای دادن حرارت لازم باشند ، استفاده می شود که آن را اصطلاحا پیروسرام می نامند .

لعابها و انواع آنها :

لعابها طیف وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی را بر می گیرند . لعاب مربوط به سرامیک معمولا مخلوط شیشه مانندی متشکل از کوارتز ، فلدسپار و اکسید سرب ( Pbo ) است . این اجزا را پس از آسیاب شدن و نرم کردن به صورت خمیری رقیق در آورند . آنگاه وسیله سرامیکی مورد نظر را در این خمیر غوطه ور کرده و پس از لعاب دادن روی چینی ، روی آن مطالب مورد نظر را می نویسند و یا طرح مورد نظر را نقاشی می کنند و دوباره روی آن را لعاب داده و یک با دیگر حرارت می دهند . در این صورت وسیله مورد نظر پر ارزش تر و نوشته و طرح روی آن بادوام تر می شود .

لعاب ها در انواع مختلف وجود دارد :

1 – لعاب بی رنگ : این لعاب که برای پوشش سطح چینی های بدلی ظریف بکار می رود ، بی رنگ و شفاف است و از مخلوط کلسیم و سیلیس و خاک چینی سفید تهیه می شود .

2 – لعاب رنگی : برای رنگ آبی از اکسید مس (Cu2o ) ، برای رنگ زرد از اکسید آهن ( FeO ) و برای رنگ سبز از اکسید کروم ( cr2O3 ) ، برای رنگ زرد از کرومات سرب و برای ارغوانی از کاسبوس استفاده می شود .

3 – لعاب کدر : این نوع لعاب که پوشش چینی های بدلی معمولی بکار می رود و از مخلوط pb3O3 / SiO2 /PbO SnO2 ، نمک و کربنات سدیم تهیه می شود . که آن را پس از ذوب کردن ، سردکردن ، در آب به صورت حمام شبر در می آورند و شئی لعاب دادنی را در آن غوطه ور می کنند .

ظروف لعابی :

ظروف لعابی در واقع ، نوعی ظروف آهنی هستند که سطح آنها را به منظور جلوگیری از زنگ زدن ، از لعاب می پوشانند . البته این نوع ظروف را نباید زیاد گرم یا سرد و یا پرتاب و یا اینکه تحت ضربه قرار داد ، زیرا لعاب سطح آنها ترک برداشته و می ریزند .

انواع چینی :

چینی ها در واقع از انواع سرامیک محسوب می شوند و به دو دسته چینی ها اصل یا سخت و چینی های بدلی تقسیم می شوند .

چینی های اصل :

·        چینی ظرف : که می توان آن را نوعی شیشه کدر دانست ، مانند ظرف چینی معرف به سور . از ویژگیی های این نوع چینی آن است که لعاب رنگی را به خود می گیرد .

·        چینی سیلیسی : این نوع چینی که به چینی لیموژ معروف است ، در کشور فرانسه ، ژاپن و چین تهیه می شود . مواد اولیه آن خاک چینی سفید ، شن سفید و فلدسپار است .

·        چینی آلومینیوم دار : این نوع چینی به نام چینی ساکس و بایو در فرانسه تهیه می شود و دارای CaO / SiO2 / Al2O3 است .

چینی های بدلی :

خمیر این نوع چینی ها ترکیبی حد واسط از خمیر سفال و خمیر چینی های ظریف است . در نتیجه سختی آنها از چینی های اصل کمتر است . از این رو ، حتما باید آنها را با لعاب بپوشانند . این نوع چینی ها خود به دو دسته تقسیم می شوند :

·        بدل چینی های معمولی که خمیر آنها رنگی است و از این رو ، با لعاب کدر پوشاننده می شود .

·        بدل چینی های ظریف که خمیر آنها مانند خمیر چینی بی رنگ است اما بر خلاف چینی در مقابل نور شفاف نیست . معمولا سطح این نوع چینی ها را از لعاب بی رنگ ورنی مانند و شفا می پوشانند تا ظاهری مانند اصل پیدا کنند .

طبقه بندی کانی های رس

کانی سیلیکاتی دو لایه ای

کائولینیت : بررسی پراش اشعه ایکس ، وجود دو لایه را در در کائولینیت نشان می دهد . لایه اول شامل واحد های 2 – Si2O5 چهار وجهی است و لایه دوم از واحد های هشت وجهی 2 – Al2(OH) تشکیل شده است . از اتصال دو لایه ، یک لایه یک واحد بوجود مآید که تکرار آن ، لایه کائولینیت را می سازد .

هالوی سیت : کانی دیگر ، هالوی سیت است که در مقایسه با کائولیت کاربرد کمتری دارد

کانی های سیلیکاتی سه لایه ای :   

مونت موری لونیت : مونت موری لونیت دارای سه لایه ، دو لایه به صورت چهار وجهی های سیلیکاتی و لایه وسط به صورت گروه های هیدروکسی آلومینات است . به علت توانایی گیر انداختن سیستمهای مولکولی مختلف ، اغلب به عنوان کاتالیست مصرف دارند .

ایلیت : ساختمان ایلیت ، تقریبا شبیه مونت موری لونیت می باشد و چون همیشه همراه با مخلوط کانی های دیگر است فرمول دقیقی نمی توان برای آن در نظر گرفت .

ترکیبات ثانوی خاک ر س و تاثیر آن بر سرامیک ها :

ترکیبات ثانوی ، شامل ترکیبات آهن ، ماسه ، کربنات کلسیم و منیزیم ، میکا و مواد آلی است که مقادیر آنها در انواع خاک رس متغیر می باشد . ترکیبا ت آهن موجود در خاک رس مثل پیریتها و هیدرو کسیدها آهن و . . . باعث پایین آمدن نقطه ذوب و تغییر رنگ سرامیک قبل از پختن به زرد متمایل به قهوه ای و بعد از پختن به صورتی متمایل به قرمز تیره می شوند . باعث کم شدن حالت پلاستیته و کاهش قدرت چسبند گی می شود .

کربناتها کلسیم و منیزم به عنوان ناخالصی باعث آسیب دیده گی محصول شده و بعد از پخت ، باعث افزایش خلل و فرج و کاهش قدرت مکانیکی و خواص نسوزی محصول می شوند . نمک های سو لفات و کربنات و کلرید های فلزات قلیایی خاک رس و وانادیوم ، قابل حل در خاکهای رس هستند و موجب پخش مواد در توده خاک رس می شوند . ترکیبات وانادیوم لکه های زرد متمایل به سبز ، روی محصول ایجاد می کنند . ترکیبات آلی موجود در خاک رس ، باعث ایجاد رنگ خاکستری می شوند .

انواع سیلیکا :

دی اکسید سیلیکون ، معمولا به سه صورت سنگ ، گرانول و پودر وجود دارد . دی اکسید سیلکون در حالت سنگ به صورت کوارتز یافت می شود که در این حالت کمیاب است . به علت خالص بودن بهترین نوع سیلیکا برای مصرف در سرامیک است . نوع گرانول در صنعت سرامیک سازی خیلی رایج می باشد . این نوع سیلیکا را معمولا قبل از مصرف ، دانه بندی کرده ، می شویند . نوع پودر سیلیکا معمولا خالص نبوده و در ساخت سرامیک چندان مصرف ندارد .

نقش فلدسپار در سرامیک سازی :

فلدسپارها خاصیت سیال کنندگی دارند و امروز نیز از این ترکیبات در صنعت سرامیک استفاده می کنند . نقش این ترکیبات در سرامیک سازی ، ایجاد فاز شیشه ای در توده اولیه است .

انواع فلدسپار در سرامیک :

فلدسپار پتاسیم 6SiO2 و Al2O3 و KO

فلدسپار سدیم 6SiO2 و Al2O3 و Na2O

فلدسپار کلسیم 6SiO2 و Al2O3 و CaO

از بین این ها فلدسپار پتاسیم از همه مهمتر است ، ولی در عمل موادی که به عنوان سیال کننده بکار می روند ، مخلوطی از فلدسپار های مختلف هستند .

HADI KASAEI

شیشه :

شیشه از نظر ساختمان مولکولی در حالت جامد آرایش مولکولی نامنظم دارد . در درجه حرارت های بالا ، شیشه مثل هر مایع دیگری رفتار می کند . اما با کاهش دما ، گرانروی آن به طور غیر عادی افزایش می یابد و باعث می شود مولکول ها نتوانند در آرایشی که لازمه کریستال شدن است ، قرار گیرند . به این ترتیب شیشه از نظر ساختمان مولکولی مانند مایعات نامنظم است ، ولی این ساختمان غیر منظم ، دیگر متحرک نیست .

شیشه جسمی سخت است که سختی آن حدود 8 است و همه اجسام بجز الماسه ها را خط می اندازد . وزن مخصوص شیشه 2.5 گرم بر سانتیمتر مکعب بوده و بسیار ترد و شکنده است . شیشه در مقابل تمام مواد شیمیایی حتی اسیدهای قوی و بازها مقاومت کرده و تحت تاثیر خورندگی واقع نمی شود ، به همین علت ظرف آزمایشگاهی را از شیشه می سازند.  فقط اسید فلوئوریدریک ( HF ) بر آن اثر داشته و شیشه را در خود حل می کند .

تاریخچه :

شیشه گری یکی از قدیمیترین حرفه های است که که بشر به آن اشتغال داشته است . مصری ها سازنده اولین اشیای شیشه ای بوده اند که ظروف بدست آمده از حفاری های مصر قدمت 5000 ساله دارد . رومیان نیز در فن شیشه گری مهارت داشته اند و در این صنعت از سایرین پیشرفته بودند . رونق شیشه سازی در نخستین ادوار تاریخ اسلامی صورت گرفته است ، زیرا هنری بود که در مساجد و زیارتگاه ها و تزئینات مذهبی جلوه خاصی داشته و مورد استفاده قرار می گرفت .

در ایران نیز ساختن شیشه قدمت تاریخی دارد . و نخستین واحد ماشینی تولید شیشه ساختمانی در ایران در سال 1340 شروع بکار کرد .

ترکیبات سازنده شیشه

اجزای اصلی تشکیل دهنده شیشه

با نگاه به جدول عناصر ، کمتر عنصری را می توان یافت که از آن شیشه بدست نیاید ، ولی سه ماده کربنات دو سود ، سنگ آهک و سیلیس ، مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه می باشند . مواد شیشه ساز مورد تایید موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران عبارتند از سیلیس ( sio2 ) دی اکسید بور ( B2O3 ) ، پنتا اکسید فسفر ( P2O5 ) که از هر کدام به تنهایی می توان شیشه تهیه نمود .

گداز آورها :

کربنات سدیم ( Na2CO3 ) ، کربنات پتاسیم ( K2CO3 ) و خرده شیشه ، سیلیکات سدیم و پتاسیم ( Na2Sio3 “ K2SIO3 ) که حاصل ترکیب سیلیس با گداز آورها می باشند ، در آبحل می شوند و از شفافیت شیشه به تدریج کم می

کنند . به همین می شوند و نور از آنها بخوبی عبور نمی نماید .

تثبیت کننده ها :

برای آنکه مقاومت شیشه را در مقابل آب و هوا ثابت کنیم ، باید اکسید های دو ظرفیتی باریم ، سرب ، کلسیم ، منیزیم ، روی به مخلوط اضافه کنیم که به این عناصر ثابت کننده می گویند .

تصفیه کننده ها :

موجب کاستن حباب هوای موجود در شیشه می شوند و بر دو نوعند :

1 – فیزیکی : سلفات سدیم ( Naso4)  ، کلرات سدیم . ( Naclo3 ) با ایجاد حباب های کوچک را جذب و از شیشه مذاب خارج می کنند .

2 – شیمیایی : املاح آرسینک و آنتموان ترکیباتی ایجاد می کنند که حباب های کوچک داخل شیشه را از بین می برند .

تا اینجا به موادی اشاره کردیم که عدم وجودشان ، در مواد اولیه باعث از بین رفتن مرغوبیت کالا می شد . حال به چند ماده دیگر که به نوعی در تولید شیشه سهیم هستند ، اشاره می کنیم .  

افزودنی ها :

1 – استفاده از بوراکس به جای اکسید و کربنات سدیم ( گداز آور ) که در اثر حرارت به Na2O و B2O3 تجزیه می شود و در واقع بجای هر دو ماده عمل می کند .

2 – استفاده از نیترات سدیم NaNO3 برای از بین بردن رنگ سبز شیشه ( ناشی از اکسید آهن که همراه مواد دیگر وارد کوره می شود . )

3 – استفاده از اکسید منگنز که باعث مقاومت بیشتر در مقابل عوامل جوی شفاف تر شدن شیشه می شود .

4 – استفاده از اکسید سرب PbO و PH3O4 به جای Cao برای ساختن شیشه های مرغوب بلور و کریستال که باعث درخشنده گی شیشه می شوند .

5 – برای ساختن کریستال مرغوب از اکسید نقره استفاده می کنند .

6 – استفاده از فلدسپار که باعث مقاومت بهتر در مقابل مواد شیمیایی می شود .

7 – برای اینکه شیشه در برابر اسید فلوئوریدریک هم مقاوم باشد ، ترکیباتی از فسفات به آن می افزایند .

8 – استفاده از خرده شیشه که به ذوب مواد سرعت بیشتری می دهد .

9 – استفاده از اکسید فلزات برای تهیه شیشه های رنگی .

10 – اکسید سزیم برای جذب اشعه زیر قرمز و اکسید برای ازدیاد مقاومت حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند .

دو نمونه از عناصر تشکیل دهنده که عمومیت بیشتری دارند ، در زیر ذکر می گردد

1 – ترکیبات 1 : ( اکسید سیلیسیم ( sio2 ) در حدود 74 تا 80 درصد و بقیه شامل پراکسید سدیم ( Nao2 ) تا 15 درصد و اکسید کلسیم 12 تا 7 درصد اکسید منیزیم 2 تا 4 درصد و 2 درصد هم عناصر دیگر مانند – Mno – Fe2O3 sio3 – Tip2 – AL2O3  

2 – ترکیبات 2 : اکسید سیلیسیم ( Sio2 ) در حدود 74 تا 80 درصد ، اکسید سدیم 15 درصد ، اکسید کلسیم 5.55 درصد ، اکسید منیزیم 3.6 درصد اکسید آلومینیوم 1.5 درصد ، اکسید بور ( B2O3 ) و اکسید پتاسیم ( K2O ) هر کدام 0.4 درصد ، اکسید آهن ( Fe2O3 ) و اکسید سیلیسیم 6 ظرفیتی sio2  هر کدام 0.3 درصد .

علاوه بر مواد فوق همیشه مقداری خرده شیشه نیز با این مواد وارد کوره می گردد .  

انواع شیشه وکاربرد های آنها :

شیشه به اشکال مختلف مورد استفاده قرار می گیرد . در ساخت لوازم تزیینی مانند گل ، تابلو و غیره در ساختن ظروف آزمایشگاهی و یا ظروف آشپزخانه مانند لیوان ، بطری و غیری و بالاخره در ساختن شیشه های مسطح که در دو نوع ساده و مشجر عرضه می گردد و مصارف مختلفی دارد که عمده کاربرد آن به عنوان در و پنجره در کارهای ساختمانی است که به شکل های مختلف دارد که عمده ترین کاربرد آن به عنوان در و پنجره در کارهای ساختمانی است که به شکلهای مختلف اعم از شیشه های شفاف ، نیمه شفاف و رنگی ، جاذب حرارت ، ایمنی ، دو جداره ، سکوریت و . . . وجود دارد .

شیشه رنگی :

به دو طریق می توان شیشه رنگی بدست آورد .

1 – با افزودن و کم کردن بعضی مواد شیمیایی در مصالح اولیه تهیه شیشه برای نمونه اکسیدهای مسی به شیشه رنگ های مختلف قرمز می دهد و رنگ آبی پر رنگ بوسیله اکسید کبالت بدست می ]ید . رنگ زرد با افزودن مقداری اکسید اورانیوم و کادمیوم حاصل می گردد .

2 – شیشه سفید را در شیشه مذاب رنگی فرو می کنند تا دو روی آن رنگی شود . شیشه های رنگی در ویترین مغازه ها ، نمایشگاها و ساختمانهای صنعتی بکار می روند .

شیشه ضد آتش ( پیرکس ) :

همراه مواد اولیه این شیشه ها در مقابل حرارت ، مقاومت زیادی دارند ، مقدار زیادی اکسید بوریک بکار می رود و سیلیس آنها به عنوان ظروف آزمایشگاه و آشپزخانه و یا در جلوی بخاری های دیواری و اجاقها استفاده می نمایند .

شیشه مسطح :

این نوع را با اضافه نمودن توری فلزی در میان شیشه می سازند و بیشترین برای درهای ورودی ، کارگاهها ، موتورخانه ها

آسانسورها و هر جایی که خطر شکستن و فروریختن شیشه وجود دارد ، استفاده می نمایند .

شیشه دو جداره ( مضاعف ) :

این شیشه ها ، از دو لایه ساده و گاهی رنگی که به موازات یکدیگر قرار گرفته اند و لبه ها یا درز ها آنها هوابندی شده است و فضای بین آنها با مواد خشک کننده ای مانند سیلیکاژل ، پر و یا در بعضی از موارد بین دو لایه ، خلاء ایجاد می شود . این نوع شیشه که عایق گرما ، سرما و صداست در بسیاری از ساختمانها مانند فرودگاهها ، هتل ها و بیمارستانها بکار می رود .

شیشه سکوریت :

در این حالت ، شیشه مجددا تا حدود 700 درجه سانتی گراد حرارت داده و بعد بطور ناگهانی و تحت شرایط خاص و کنترل شده ای سرد می شود . این عمل باعث افزایش مقاومت شیشه ( حدود 3 الی 5 برابر ) در مقابل ضربه و نیز شوکها حرارتی می گردد . این شیشه ها در صورت شکستن ، به ذرات ریز و مکعب شکل تقسیم می شوند که آسیب رسان نیستند . از این نوع شیشه در ویترین فروشگاهها ، درها شیشه ای و پنجره ها جانبی اتومبیل ها استفاده می گردد .

شیشه نشکن :

این نوع شیشه ها شامل دو یا چند لایه شیشه اند که بوسیله ورقه هایی از نایلون شفاف تحت حرارت و فشار به هم متصل می شوند . همچنین بعضی از انواع شیشه های طلق دار به عنوان عایق صوتی ، جاذب حرارت ، کاهنده شفافیت و شیشه ایمنی بکار برده می شوند . وقتی که این شیشه ها می شکنند ، خاصیت کشسانی نایلون مانع از پخش و پراکندگی ذرات شیشه می گردد .

از جمله کاربردها این شیشه ها در خودروها و ویترین مغازه هایی که اشیاء گرانقیمت می فروشند استفاده می گردد . ممکن است شیشه نشکن را از جنس شیشه سکوریت بسازند . 

شیشه ضد گلوله :

از چند لایه شیشه سکوریت و یا نشکن ، شیشه ضد گلوله می سازند . در هنگام وارد شدن گلوله به داخل شیشه ، از نیروی آن کاسته و در میان شیشه متوقف می گردد .

شیشه انعکاسی ( بازتابنده ) :

در این شیشه ها ، یک سطح شیشه با یک پوشش منعکس کننده نور و حرارت از جنس فلز یا اکسید فلزی دارای این خاصیت پوشاننده می شود . این نوع شیشه ها ، نور خورشید را منعکس می کنند و در کاهش حرارت و درخشنده گی نور موثر هستند . اگر در روشنایی روز از بیرون به شیشه انعکاسی نگاه کنیم مشاهده می کنیم ، شیشه کاملا شفاف خواهد بود . شبها پدیده مذکور برعکس است . یعنی شیشه از خارج شفاف و از داخل مانند آینه است .

این شیشه با منعکس نور خورشید ، حرارت ناشی از تابش خورشید را بطور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد و در نتیجه ، باعث صرفه جویی در هزینه های احداث ، راه اندازی و نگهداری سیستمهای تهویه و تبدیل می شود .