سيراميك

📅 آخر تحديث: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة
خط زمني قصير للسيراميك بأنماط مختلفة

السيراميك هو أي من المواد المختلفة الصلبة والهشة والمقاومة للحرارة والمقاومة للتآكل والتي يتم تصنيعها عن طريق تشكيل ثم إطلاق مادة غير عضوية وغير معدنية، مثل الطين ، في درجة حرارة عالية. [1] [ 2] ومن الأمثلة الشائعة الفخار والخزف والطوب .

كانت أقدم أنواع السيراميك التي صنعها البشر عبارة عن طوب طيني محروق يستخدم لبناء جدران المنازل وغيرها من الهياكل. كما صُنعت أشياء فخارية أخرى مثل الأواني الفخارية والأوعية والمزهريات والتماثيل الصغيرة من الطين ، إما بمفرده أو مخلوطًا بمواد أخرى مثل السيليكا ، والتي تصلبت عن طريق التلدين بالنار. وفي وقت لاحق، تم تزجيج السيراميك وحرقه لإنشاء أسطح ناعمة وملونة، مما يقلل من المسامية من خلال استخدام الطلاءات الخزفية الزجاجية غير المتبلورة فوق الركائز الخزفية البلورية. [3] تشمل السيراميك الآن المنتجات المنزلية والصناعية والبناء، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من المواد المطورة للاستخدام في الهندسة الخزفية المتقدمة، مثل أشباه الموصلات .

كلمة سيراميك تأتي من الكلمة اليونانية القديمة κεραμικός ( keramikós )، والتي تعني "من أو من أجل الفخار " [4] (من κέραμος ( kéramos )  "طين الخزاف، البلاط، الفخار"). [5] أقدم ذكر معروف للجذر ceram- هو الكلمة اليونانية الميسينية ke-ra-me-we ، عمال السيراميك، المكتوبة بخط مقطعي خطي B. [6] يمكن استخدام كلمة سيراميك كصفة لوصف مادة أو منتج أو عملية، أو يمكن استخدامها كاسم، إما مفرد أو، وهو الأكثر شيوعًا، كاسم جمع ceramics . [ 7]

مواد

محرك صاروخي من نتريد السيليكون. على اليسار: مثبت في منصة اختبار. على اليمين: يتم اختباره باستخدام وقود H 2 /O 2 .

المواد الخزفية هي مواد غير عضوية أو معدنية أو أكسيد أو نتريد أو كربيد. يمكن اعتبار بعض العناصر، مثل الكربون أو السيليكون ، سيراميكًا. المواد الخزفية هشة وصلبة وقوية في الضغط وضعيفة في القص والشد. إنها تتحمل التآكل الكيميائي الذي يحدث في المواد الأخرى المعرضة لبيئات حمضية أو كاوية. يمكن للسيراميك عمومًا تحمل درجات حرارة عالية جدًا تتراوح من 1000 درجة مئوية إلى 1600 درجة مئوية (1800 درجة فهرنهايت إلى 3000 درجة فهرنهايت).

صورة مجهرية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح بتكبير منخفض لمادة سيراميكية متقدمة. تجعل خصائص السيراميك من الكسر طريقة فحص مهمة.

تختلف بلورة المواد الخزفية على نطاق واسع. في أغلب الأحيان، تكون السيراميك المحروقة إما زجاجية أو شبه زجاجية، كما هو الحال مع الفخار، والأواني الحجرية ، والخزف. يتسبب اختلاف البلورة وتكوين الإلكترون في الروابط الأيونية والتساهمية في أن تكون معظم المواد الخزفية عوازل حرارية وكهربائية جيدة (بحث في هندسة السيراميك ). مع وجود مثل هذا النطاق الكبير من الخيارات الممكنة لتكوين / بنية السيراميك (تقريبًا جميع العناصر، وجميع أنواع الترابط تقريبًا، وجميع مستويات البلورة)، فإن اتساع الموضوع واسع، ومن الصعب تحديد السمات القابلة للتحديد ( الصلابة ، والمتانة ، والتوصيل الكهربائي ) للمجموعة ككل. الخصائص العامة مثل درجة حرارة الانصهار العالية، والصلابة العالية، والتوصيل الضعيف، ووحدات المرونة العالية ، والمقاومة الكيميائية، والطواعية المنخفضة هي القاعدة، [8] مع استثناءات معروفة لكل من هذه القواعد ( السيراميك الكهرضغطي ، ودرجة حرارة انتقال الزجاج ، والسيراميك الفائق التوصيل ).

لا تعتبر المواد المركبة مثل الألياف الزجاجية وألياف الكربون ، على الرغم من احتوائها على مواد سيراميكية، جزءًا من عائلة السيراميك. [9]

لا تصلح المواد الخزفية البلورية عالية التوجه لمجموعة كبيرة من المعالجة. تميل طرق التعامل معها إلى الوقوع في إحدى فئتين: إما صنع السيراميك بالشكل المطلوب عن طريق التفاعل في الموقع أو "تشكيل" المساحيق بالشكل المطلوب ثم التلبيد لتشكيل جسم صلب. تشمل تقنيات تشكيل السيراميك التشكيل باليد (بما في ذلك أحيانًا عملية دوران تسمى "الرمي")، والصب الانزلاقي ، والصب الشريطي (المستخدم لصنع مكثفات سيراميكية رقيقة جدًا)، والقولبة بالحقن ، والضغط الجاف، وغيرها من الاختلافات.

لا يعتبر العديد من خبراء السيراميك المواد ذات الطابع غير المتبلور (أي الزجاج) سيراميكًا، على الرغم من أن صناعة الزجاج تتضمن عدة خطوات من عملية السيراميك وخصائصها الميكانيكية مماثلة لخصائص المواد السيراميكية. ومع ذلك، يمكن للمعالجات الحرارية تحويل الزجاج إلى مادة شبه بلورية تُعرف باسم السيراميك الزجاجي . [10]

تشمل المواد الخام الخزفية التقليدية المعادن الطينية مثل الكاولينيت ، في حين تشمل المواد الأحدث أكسيد الألومنيوم، المعروف باسم الألومينا . تشمل المواد الخزفية الحديثة، التي تصنف على أنها سيراميك متقدم، كربيد السيليكون وكربيد التنغستن . كلاهما ذو قيمة لمقاومته للتآكل وبالتالي يتم استخدامه في تطبيقات مثل ألواح التآكل لمعدات التكسير في عمليات التعدين. تُستخدم السيراميك المتقدمة أيضًا في الصناعات الطبية والكهربائية والإلكترونية والدروع.

تاريخ

أقدم الخزفيات المعروفة هي التماثيل الجرافيتية التي يعود تاريخها إلى 29000-25000 قبل الميلاد.

يبدو أن البشر كانوا يصنعون سيراميكهم الخاص منذ 26000 عام على الأقل، حيث أخضعوا الطين والسيليكا لحرارة شديدة لدمج وتشكيل مواد سيراميكية. أقدم ما تم العثور عليه حتى الآن كان في جنوب وسط أوروبا وكان عبارة عن أشكال منحوتة وليست أطباقًا. [11] تم صنع أقدم الفخار المعروف عن طريق خلط المنتجات الحيوانية بالطين وحرقها عند درجة حرارة تصل إلى 800 درجة مئوية (1500 درجة فهرنهايت). في حين تم العثور على شظايا فخارية عمرها يصل إلى 19000 عام، لم يصبح الفخار العادي شائعًا إلا بعد حوالي 10000 عام. تم تسمية أحد الشعوب الأوائل الذين انتشروا في معظم أنحاء أوروبا على اسم استخدامهم للفخار: ثقافة Corded Ware . قام هؤلاء الشعوب الهندو أوروبية المبكرة بتزيين فخارهم عن طريق لفه بالحبال بينما كان لا يزال رطبًا. عندما تم حرق السيراميك، احترق الحبل ولكنه ترك نمطًا زخرفيًا من الأخاديد المعقدة على السطح.

فخار ثقافة الخزف المجدول من عام 2500 قبل الميلاد

أدى اختراع العجلة في النهاية إلى إنتاج فخار أكثر سلاسة وتناسقًا باستخدام تقنية تشكيل العجلة (الرمي)، مثل عجلة الفخار . كانت السيراميك المبكرة مسامية، وتمتص الماء بسهولة. أصبحت مفيدة لمزيد من العناصر مع اكتشاف تقنيات التزجيج ، والتي تضمنت طلاء الفخار بالسيليكون أو رماد العظام أو مواد أخرى يمكن أن تذوب وتتحول إلى سطح زجاجي، مما يجعل الوعاء أقل نفاذية للماء.

علم الآثار

تلعب القطع الأثرية الخزفية دورًا مهمًا في علم الآثار لفهم ثقافة وتكنولوجيا وسلوك الشعوب في الماضي. وهي من بين القطع الأثرية الأكثر شيوعًا التي يمكن العثور عليها في موقع أثري، وعادةً ما تكون في شكل شظايا صغيرة من الفخار المكسور تسمى شظايا الفخار . يمكن أن تتوافق معالجة الشظايا المجمعة مع نوعين رئيسيين من التحليل: الفني والتقليدي.

يتضمن التحليل التقليدي فرز القطع الأثرية الخزفية، والقطع الفخارية، والقطع الأكبر حجمًا إلى أنواع محددة بناءً على الأسلوب والتكوين والتصنيع والشكل. ومن خلال إنشاء هذه التصنيفات، من الممكن التمييز بين الأنماط الثقافية المختلفة، والغرض من الخزف، والحالة التكنولوجية للأشخاص، من بين استنتاجات أخرى. بالإضافة إلى ذلك، من خلال النظر في التغييرات الأسلوبية في الخزف بمرور الوقت، من الممكن فصل (تسلسل) الخزف إلى مجموعات تشخيصية مميزة (مجموعات). تسمح مقارنة القطع الأثرية الخزفية بالمجموعات المؤرخة المعروفة بتعيين زمني لهذه القطع. [12]

يتضمن النهج الفني لتحليل السيراميك فحصًا أدق لتركيبة القطع الأثرية والقطع الخزفية لتحديد مصدر المادة، ومن خلال هذا، موقع التصنيع المحتمل. المعايير الرئيسية هي تركيبة الطين والصلابة المستخدمة في تصنيع المادة قيد الدراسة: الصلابة هي مادة تضاف إلى الطين أثناء مرحلة الإنتاج الأولية وتستخدم للمساعدة في عملية التجفيف اللاحقة. تشمل أنواع الصلابة قطع الصدف وشظايا الجرانيت وقطع الصلابة الأرضية المسماة " جروج ". يتم تحديد الصلابة عادة من خلال الفحص المجهري للمادة المقواة. يتم تحديد الطين من خلال عملية إعادة حرق السيراميك وتعيين لون له باستخدام تدوين لون التربة لمونسل . من خلال تقدير تركيبات الطين والصلابة وتحديد المنطقة التي يُعرف أنهما يحدثان فيها، يمكن إجراء تعيين لمصدر المادة. بناءً على تعيين مصدر القطعة الأثرية، يمكن إجراء المزيد من التحقيقات في موقع التصنيع.

ملكيات

الخصائص الفيزيائية لأي مادة سيراميكية هي نتيجة مباشرة لبنيتها البلورية وتكوينها الكيميائي. تكشف كيمياء الحالة الصلبة عن الارتباط الأساسي بين البنية الدقيقة والخصائص، مثل الاختلافات الموضعية في الكثافة، وتوزيع حجم الحبيبات، ونوع المسامية، ومحتوى الطور الثاني، والتي يمكن ربطها جميعًا بخصائص السيراميك مثل القوة الميكانيكية σ بواسطة معادلة هول-بيتش، والصلابة ، والمتانة ، والثابت العازل ، والخصائص البصرية التي تظهرها المواد الشفافة .

إن علم الخزف هو فن وعلم تحضير وفحص وتقييم البنى الدقيقة الخزفية. وغالبًا ما يتم تنفيذ تقييم وتوصيف البنى الدقيقة الخزفية على مقاييس مكانية مماثلة لتلك المستخدمة عادةً في مجال تكنولوجيا النانو الناشئة: من النانومتر إلى عشرات الميكرومترات (ميكرومتر). وعادةً ما يكون هذا في مكان ما بين الحد الأدنى لطول الموجة للضوء المرئي وحد الدقة للعين المجردة.

تتضمن البنية الدقيقة معظم الحبيبات والمراحل الثانوية وحدود الحبيبات والمسام والشقوق الدقيقة والعيوب البنيوية والخدوش الدقيقة للصلابة. تتأثر معظم الخصائص الميكانيكية والبصرية والحرارية والكهربائية والمغناطيسية بشكل كبير بالبنية الدقيقة المرصودة. تشير البنية الدقيقة عمومًا إلى طريقة التصنيع وظروف العملية. السبب الجذري للعديد من حالات فشل السيراميك واضح في البنية الدقيقة المشقوقة والمصقولة. تشمل الخصائص الفيزيائية التي تشكل مجال علوم وهندسة المواد ما يلي:

الخواص الميكانيكية

أقراص القطع المصنوعة من كربيد السيليكون

تعتبر الخواص الميكانيكية مهمة في المواد الإنشائية ومواد البناء وكذلك الأقمشة النسيجية. في علم المواد الحديث ، تعد ميكانيكا الكسر أداة مهمة في تحسين الأداء الميكانيكي للمواد والمكونات. إنها تطبق فيزياء الإجهاد والانفعال ، وخاصة نظريات المرونة واللدونة ، على العيوب البلورية المجهرية الموجودة في المواد الحقيقية من أجل التنبؤ بالفشل الميكانيكي العياني للأجسام. تُستخدم تقنية الكسور على نطاق واسع مع ميكانيكا الكسر لفهم أسباب الفشل والتحقق أيضًا من تنبؤات الفشل النظرية مع الفشل في الحياة الواقعية.

المواد الخزفية هي عادةً مواد مرتبطة بروابط أيونية أو تساهمية . تميل المادة التي يتم ربطها معًا بواسطة أي نوع من الروابط إلى الكسر قبل حدوث أي تشوه بلاستيكي ، مما يؤدي إلى ضعف صلابة هذه المواد. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن هذه المواد تميل إلى أن تكون مسامية، فإن المسام والعيوب المجهرية الأخرى تعمل كمكثفات للإجهاد ، مما يقلل من الصلابة بشكل أكبر، ويقلل من قوة الشد . تتحد هذه العوامل لتسبب فشلًا كارثيًا ، على عكس أنماط الفشل الأكثر ليونة للمعادن.

تظهر هذه المواد تشوهًا بلاستيكيًا . ومع ذلك، نظرًا للبنية الصلبة للمواد البلورية، فإن هناك عددًا قليلًا جدًا من أنظمة الانزلاق المتاحة لتحريك الخلع ، وبالتالي فإنها تتشوه ببطء شديد.

للتغلب على السلوك الهش، قدم تطوير المواد الخزفية فئة المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية ، حيث يتم تضمين الألياف الخزفية وتشكيل جسور ألياف عبر أي شق باستخدام طلاءات محددة. تعمل هذه الآلية على زيادة صلابة الكسر لهذه السيراميك بشكل كبير. تعد فرامل الأقراص الخزفية مثالاً على استخدام مادة مركبة ذات مصفوفة خزفية يتم تصنيعها بعملية محددة.

يعمل العلماء على تطوير مواد سيراميكية يمكنها تحمل تشوه كبير دون أن تنكسر. تم العثور على أول مادة من هذا النوع يمكنها التشوه في درجة حرارة الغرفة في عام 2024. [13]

قوالب الجليد لتحسين الخصائص الميكانيكية

إذا تعرض السيراميك لتحميل ميكانيكي كبير، فيمكن أن يخضع لعملية تسمى القوالب الجليدية ، والتي تسمح ببعض التحكم في البنية الدقيقة للمنتج السيراميكي وبالتالي بعض التحكم في الخصائص الميكانيكية. يستخدم مهندسو السيراميك هذه التقنية لضبط الخصائص الميكانيكية للتطبيق المطلوب. على وجه التحديد، تزداد القوة عند استخدام هذه التقنية. تسمح القوالب الجليدية بإنشاء مسام مجهرية في ترتيب أحادي الاتجاه. تطبيقات تقنية تقوية الأكسيد هذه مهمة لخلايا وقود الأكسيد الصلب وأجهزة تنقية المياه . [14]

لمعالجة عينة من خلال القوالب الجليدية، يتم تحضير معلق غرواني مائي يحتوي على مسحوق السيراميك المذاب موزع بالتساوي في جميع أنحاء الغرواني، [ بحاجة لتوضيح ] على سبيل المثال الزركونيا المستقرة باليتريا (YSZ). ثم يتم تبريد المحلول من الأسفل إلى الأعلى على منصة تسمح بالتبريد أحادي الاتجاه. وهذا يجبر بلورات الجليد على النمو وفقًا للتبريد أحادي الاتجاه، وتدفع هذه البلورات الجليدية جزيئات YSZ المذابة إلى واجهة التصلب [ بحاجة لتوضيح ] لحدود الطور البيني الصلب والسائل، مما ينتج عنه بلورات جليدية نقية مصطفة في اتجاه واحد جنبًا إلى جنب مع جيوب مركزة من الجسيمات الغروية. ثم يتم تسخين العينة وفي نفس الوقت يتم تقليل الضغط بما يكفي لإجبار بلورات الجليد على التسامي وتبدأ جيوب YSZ في الالتحام معًا لتشكيل هياكل مجهرية سيراميكية مصطفة بالعين المجردة. يتم بعد ذلك تسخين العينة بشكل أكبر لاستكمال عملية تبخر الماء المتبقي والتماسك النهائي للبنية الدقيقة للسيراميك. [ بحاجة لمصدر ]

أثناء عملية تشكيل الجليد، يمكن التحكم في بعض المتغيرات للتأثير على حجم المسام وشكل البنية الدقيقة. هذه المتغيرات المهمة هي التحميل الأولي للمواد الصلبة للغرواني، ومعدل التبريد، ودرجة حرارة التلبيد ومدته، واستخدام بعض المواد المضافة التي يمكن أن تؤثر على شكل البنية الدقيقة أثناء العملية. إن الفهم الجيد لهذه المعلمات أمر ضروري لفهم العلاقات بين المعالجة والبنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية للمواد المسامية غير المتجانسة. [15]

الخصائص الكهربائية

أشباه الموصلات

بعض السيراميك أشباه موصلات . معظمها أكاسيد معادن انتقالية وهي أشباه موصلات II-VI، مثل أكسيد الزنك . في حين أن هناك احتمالات لإنتاج كميات كبيرة من مصابيح LED الزرقاء من أكسيد الزنك، فإن خبراء السيراميك مهتمون أكثر بالخصائص الكهربائية التي تظهر تأثيرات حدود الحبيبات . أحد أكثر هذه الأنواع استخدامًا هو المقاوم المتغير. هذه هي الأجهزة التي تُظهر الخاصية التي تجعل المقاومة تنخفض بشكل حاد عند جهد عتبة معين . بمجرد أن يصل الجهد عبر الجهاز إلى العتبة، يحدث انهيار للهيكل الكهربائي [ يحتاج إلى توضيح ] بالقرب من حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومته الكهربائية من عدة ميغا أوم إلى بضع مئات من الأوم . الميزة الرئيسية لهذه هي أنها يمكن أن تبدد الكثير من الطاقة، وتعيد ضبط نفسها؛ بعد أن ينخفض ​​الجهد عبر الجهاز إلى ما دون العتبة، تعود مقاومته إلى كونها عالية. هذا يجعلها مثالية لتطبيقات حماية التيار الزائد ؛ نظرًا لوجود سيطرة على جهد العتبة وتسامح الطاقة، فإنها تجد استخدامًا في جميع أنواع التطبيقات. يمكن العثور على أفضل دليل على قدرتها في محطات الكهرباء الفرعية ، حيث يتم استخدامها لحماية البنية التحتية من ضربات الصواعق . تتميز هذه المواد بسرعة الاستجابة، وهي منخفضة الصيانة، ولا تتدهور بشكل ملحوظ من الاستخدام، مما يجعلها أجهزة مثالية تقريبًا لهذا التطبيق. كما يتم استخدام السيراميك شبه الموصل كمستشعرات للغاز . عندما تمر غازات مختلفة فوق السيراميك متعدد البلورات، تتغير مقاومته الكهربائية. مع ضبط مخاليط الغاز المحتملة، يمكن إنتاج أجهزة غير مكلفة للغاية.

الموصلية الفائقة

تأثير مايسنر الذي تم إثباته من خلال رفع مغناطيس فوق موصل فائق من النحاس، والذي يتم تبريده بالنيتروجين السائل

في ظل بعض الظروف، مثل درجات الحرارة المنخفضة للغاية، تظهر بعض السيراميكات موصلية فائقة عند درجات حرارة عالية (في الموصلية الفائقة، تعني "درجات الحرارة العالية" أعلى من 30 كلفن). والسبب وراء ذلك غير مفهوم، ولكن هناك عائلتان رئيسيتان من السيراميكات الموصلة الفائقة.

الفيروكهربائية والمجموعات الفائقة

تظهر الكهرباء الضغطية ، وهي رابط بين الاستجابة الكهربائية والميكانيكية، في عدد كبير من المواد الخزفية، بما في ذلك الكوارتز المستخدم لقياس الوقت في الساعات وغيرها من الأجهزة الإلكترونية. تستخدم مثل هذه الأجهزة خصائص الكهرباء الضغطية، باستخدام الكهرباء لإنتاج حركة ميكانيكية (تشغيل الجهاز) ثم استخدام هذه الحركة الميكانيكية لإنتاج الكهرباء (توليد إشارة). وحدة الوقت المقاسة هي الفاصل الزمني الطبيعي المطلوب لتحويل الكهرباء إلى طاقة ميكانيكية والعكس.

يكون التأثير الكهرضغطي أقوى بشكل عام في المواد التي تظهر أيضًا كهربائية حرارية ، وجميع المواد الكهرضغطية هي أيضًا كهرضغطية. يمكن استخدام هذه المواد للتحويل المتبادل بين الطاقة الحرارية أو الميكانيكية أو الكهربائية؛ على سبيل المثال، بعد التخليق في الفرن، فإن البلورة الكهرضغطية التي يُسمح لها بالتبريد دون أي إجهاد مطبق تتراكم عمومًا شحنة ثابتة تبلغ آلاف الفولتات. تُستخدم مثل هذه المواد في أجهزة استشعار الحركة ، حيث يكفي الارتفاع الطفيف في درجة الحرارة من جسم دافئ يدخل الغرفة لإنتاج جهد قابل للقياس في البلورة.

في المقابل، تظهر الكهرباء الحرارية بشكل أقوى في المواد التي تظهر أيضًا التأثير الكهروضوئي ، حيث يمكن توجيه ثنائي القطب الكهربائي المستقر أو عكسه عن طريق تطبيق مجال كهروستاتيكي. الكهرباء الحرارية هي أيضًا نتيجة ضرورية للكهرباء الحرارية. يمكن استخدام هذا لتخزين المعلومات في المكثفات الكهروضوئية ، عناصر ذاكرة الوصول العشوائي الكهروضوئية .

أكثر هذه المواد شيوعًا هي تيتانات الزركونات الرصاصية وتيتانات الباريوم . وبصرف النظر عن الاستخدامات المذكورة أعلاه، يتم استغلال استجابتها الكهربائية الانضغاطية القوية في تصميم مكبرات الصوت عالية التردد ، ومحولات السونار ، والمحركات الخاصة بالقوة الذرية والمجاهر النفقية الماسحة .

معامل حراري موجب

يمكن أن تتسبب زيادة درجات الحرارة في أن تصبح حدود الحبيبات فجأة عازلة في بعض المواد الخزفية شبه الموصلة، وخاصة مخاليط تيتانات المعادن الثقيلة . يمكن تعديل درجة حرارة الانتقال الحرجة على نطاق واسع من خلال الاختلافات في الكيمياء. في مثل هذه المواد، يمر التيار عبر المادة حتى يصل تسخين جول إلى درجة حرارة الانتقال، وعند هذه النقطة تنكسر الدائرة ويتوقف تدفق التيار. تُستخدم مثل هذه السيراميك كعناصر تسخين ذاتية التحكم، على سبيل المثال، في دوائر إزالة الجليد من النافذة الخلفية للسيارات.

عند درجة حرارة الانتقال، تصبح الاستجابة العازلة للمادة غير محدودة نظريًا. وفي حين أن عدم التحكم في درجة الحرارة من شأنه أن يستبعد أي استخدام عملي للمادة بالقرب من درجة حرارتها الحرجة، فإن التأثير العازل يظل قويًا بشكل استثنائي حتى في درجات حرارة أعلى بكثير. أصبحت التيتانات ذات درجات الحرارة الحرجة أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة مرادفة لـ "السيراميك" في سياق المكثفات الخزفية لهذا السبب بالذات.

الخصائص البصرية

مصباح قوس زينون Cermax مع نافذة إخراج من الياقوت الصناعي

تركز المواد الشفافة بصريًا على استجابة المادة للموجات الضوئية الواردة لمجموعة من الأطوال الموجية. يمكن استخدام المرشحات البصرية الانتقائية للتردد لتغيير أو تعزيز سطوع وتباين الصورة الرقمية. يتضمن نقل الموجات الضوئية الموجهة عبر الموجهات الموجية الانتقائية للتردد مجال الألياف الضوئية الناشئ وقدرة بعض التركيبات الزجاجية كوسيلة نقل لمجموعة من الترددات في وقت واحد ( الألياف الضوئية متعددة الأوضاع ) مع القليل من التداخل أو عدم وجود تداخل بين الأطوال الموجية أو الترددات المتنافسة . هذا الوضع الرنان لنقل الطاقة والبيانات عبر انتشار الموجات الكهرومغناطيسية (الضوء) ، على الرغم من انخفاض طاقته، إلا أنه خالٍ من الخسارة تقريبًا. تُستخدم الموجهات الضوئية كمكونات في الدوائر الضوئية المتكاملة (مثل الثنائيات الباعثة للضوء ، LEDs) أو كوسيلة نقل في أنظمة الاتصالات البصرية المحلية والطويلة المدى. كما أن حساسية المواد للإشعاع في جزء الأشعة تحت الحمراء الحرارية (IR) من الطيف الكهرومغناطيسي ذات قيمة أيضًا لعلماء المواد الناشئين . هذه القدرة على البحث عن الحرارة مسؤولة عن العديد من الظواهر البصرية المتنوعة مثل الرؤية الليلية والتألق بالأشعة تحت الحمراء .

وبالتالي، هناك حاجة متزايدة في القطاع العسكري إلى مواد قوية ومتينة وعالية القوة قادرة على نقل الضوء ( الموجات الكهرومغناطيسية ) في المناطق المرئية (0.4 – 0.7 ميكرومتر) والأشعة تحت الحمراء المتوسطة (1 – 5 ميكرومتر) من الطيف. وهذه المواد مطلوبة للتطبيقات التي تتطلب دروعًا شفافة ، بما في ذلك الصواريخ عالية السرعة من الجيل التالي والكبسولات، فضلاً عن الحماية ضد العبوات الناسفة المرتجلة.

في ستينيات القرن العشرين، اكتشف العلماء في شركة جنرال إلكتريك (GE) أنه في ظل ظروف التصنيع المناسبة، يمكن جعل بعض السيراميك، وخاصة أكسيد الألومنيوم (الألومينا)، شفافًا . كانت هذه المواد الشفافة شفافة بدرجة كافية لاستخدامها في احتواء البلازما الكهربائية المتولدة في مصابيح الشوارع عالية الضغط المصنوعة من الصوديوم . خلال العقدين الماضيين، تم تطوير أنواع إضافية من السيراميك الشفاف لتطبيقات مثل المخاريط الأمامية للصواريخ الباحثة عن الحرارة ، والنوافذ للطائرات المقاتلة ، وعدادات الوميض لأجهزة المسح المقطعي المحوسب . تشمل المواد السيراميكية الأخرى، التي تتطلب عمومًا نقاءً أكبر في تركيبها من تلك المذكورة أعلاه، أشكالًا من العديد من المركبات الكيميائية، بما في ذلك:

  1. تيتانات الباريوم : (غالبًا ما يتم خلطه مع تيتانات السترونشيوم ) يظهر خصائص كهربائية حديدية ، مما يعني أن استجاباته الميكانيكية والكهربائية والحرارية تكون ج
  2. يتميز سيالون (أوكسيدنتريد الألومنيوم والسيليكون) بقوة عالية ومقاومة للصدمات الحرارية والكيميائية ومقاومة للتآكل وكثافة منخفضة. تُستخدم هذه السيراميك في التعامل مع المعادن المنصهرة غير الحديدية ودبابيس اللحام والصناعة الكيميائية.
  3. يستخدم كربيد السيليكون (SiC) كمستقبل في أفران الميكروويف، وهو مادة كاشطة شائعة الاستخدام، وكمادة مقاومة للحرارة .
  4. يستخدم نتريد السيليكون ( Si3N4 ) كمسحوق كاشط .
  5. يستخدم الحجر الصابوني (سيليكات المغنيسيوم) كعازل كهربائي .
  6. كربيد التيتانيوم يستخدم في دروع إعادة دخول المكوك الفضائي والساعات المقاومة للخدش.
  7. أكسيد اليورانيوم ( UO2 ) يستخدم كوقود في المفاعلات النووية .
  8. أكسيد النحاس والباريوم والإتريوم (Y Ba 2 Cu 3 O 7−x )، وهو موصل فائق عالي الحرارة .
  9. أكسيد الزنك ( ZnO ) وهو من أشباه الموصلات ، ويستخدم في صناعة المقاومات المتغيرة .
  10. يمكن تثبيت أكسيد الزركونيوم (الزركونيا)، الذي يخضع في شكله النقي للعديد من التغيرات الطورية بين درجة حرارة الغرفة ودرجات حرارة التلبيد العملية، كيميائيًا في عدة أشكال مختلفة. توصيه موصليته العالية لأيونات الأكسجين باستخدامه في خلايا الوقود وأجهزة استشعار الأكسجين للسيارات . في متغير آخر، يمكن للهياكل غير المستقرة أن تمنح صلابة التحويل للتطبيقات الميكانيكية؛ معظم شفرات السكاكين الخزفية مصنوعة من هذه المادة. الزركونيا المستقرة جزئيًا (PSZ) أقل هشاشة بكثير من السيراميك الأخرى وتستخدم في أدوات تشكيل المعادن والصمامات والبطانات والمواد الكاشطة وسكاكين المطبخ والمحامل المعرضة للتآكل الشديد. [16]

منتجات

حسب الاستخدام

من أجل الراحة، يتم تقسيم المنتجات الخزفية عادةً إلى أربعة أنواع رئيسية؛ يتم عرضها أدناه مع بعض الأمثلة: [17]

  1. هيكلية، بما في ذلك الطوب والأنابيب وبلاط الأرضيات والأسقف والبلاط المزجج
  2. المواد المقاومة للحرارة ، مثل بطانات الأفران ، ومشعات النار الغازية، وأواني صنع الفولاذ والزجاج
  3. الأواني البيضاء، بما في ذلك أدوات المائدة ، وأواني الطبخ، وبلاط الجدران، ومنتجات الفخار، والأدوات الصحية [18]
  4. السيراميك الفني، المعروف أيضًا باسم السيراميك الهندسي، والمتقدم، والخاص، والدقيق. وتشمل هذه العناصر:

السيراميك المصنوع من الطين

في كثير من الأحيان، لا تشمل المواد الخام للسيراميك الحديث الطين. [19] وقد تم تصنيف تلك التي تشمل الطين على النحو التالي:

  1. الفخار ، يتم حرقه عند درجات حرارة أقل من الأنواع الأخرى
  2. الفخار الحجري ، الزجاجي أو شبه الزجاجي
  3. البورسلين الذي يحتوي على نسبة عالية من الكاولين
  4. الخزف العظمي

تصنيف

يمكن أيضًا تصنيف السيراميك إلى ثلاث فئات مميزة من المواد:

  1. أكاسيد : الألومينا ، البريليوم ، السيريوم ، الزركونيا
  2. غير أكسيدات: كربيد ، بوريد ، نتريد ، سيليسيد
  3. المواد المركبة : المقواة بالجسيمات، والمقواة بالألياف ، ومجموعات من الأكاسيد وغير الأكاسيد.

يمكن تطوير كل فئة من هذه الفئات إلى خصائص مادية فريدة.

التطبيقات

سكين مطبخ بشفرة سيراميك
تم استخدام السيراميك التقني كمادة علوية متينة في إطار ساعة الغوص
  1. شفرات السكين: ستبقى شفرة السكين الخزفية حادة لفترة أطول بكثير من شفرة السكين الفولاذية، على الرغم من أنها أكثر هشاشة وعرضة للكسر.
  2. أقراص الفرامل الكربونية والسيراميكية للمركبات: مقاومة للغاية لتآكل الفرامل في درجات الحرارة المرتفعة.
  3. تم تصميم مصفوفات السيراميك والمعادن المركبة المتقدمة لمعظم المركبات القتالية المدرعة الحديثة لأنها توفر مقاومة اختراق فائقة ضد الشحنة المشكلة ( طلقات الحرارة ) ومخترقات الطاقة الحركية .
  4. تم استخدام السيراميك مثل الألومينا وكربيد البورون كصفائح في السترات المدرعة الباليستية لصد نيران البنادق عالية السرعة . تُعرف هذه الصفائح عادةً باسم الحشوات الواقية للأسلحة الصغيرة أو SAPIs. تُستخدم مواد خفيفة الوزن مماثلة لحماية قمرة القيادة في بعض الطائرات العسكرية.
  5. يمكن استخدام محامل الكرات الخزفية بدلاً من الفولاذ. تؤدي صلابتها الأكبر إلى انخفاض قابليتها للتآكل. تدوم المحامل الخزفية عادةً ثلاثة أضعاف عمر المحامل الفولاذية. تتشوه أقل من الفولاذ تحت الحمل، مما يؤدي إلى اتصال أقل بجدران احتجاز المحمل وانخفاض الاحتكاك. في التطبيقات عالية السرعة للغاية، تسبب الحرارة الناتجة عن الاحتكاك مشاكل أكثر للمحامل المعدنية مقارنة بالمحامل الخزفية. السيراميك مقاوم كيميائيًا للتآكل ويفضل للبيئات التي تصدأ فيها المحامل الفولاذية. في بعض التطبيقات تكون خصائصها العازلة للكهرباء مفيدة. تشمل عيوب المحامل الخزفية التكلفة الأعلى بشكل كبير، وقابليتها للتلف تحت الأحمال الصدمية، وإمكانية تآكل الأجزاء الفولاذية بسبب صلابة السيراميك الأكبر.
  6. في أوائل الثمانينيات، أجرت تويوتا أبحاثًا حول إنتاج محرك كظومي الحرارة باستخدام مكونات سيراميكية في منطقة الغاز الساخن. كان استخدام السيراميك سيسمح بدرجات حرارة تتجاوز 1650 درجة مئوية. تشمل المزايا مواد أخف وزناً ونظام تبريد أصغر (أو عدم وجود نظام تبريد على الإطلاق)، مما يؤدي إلى تقليل الوزن بشكل كبير. لم يكن من الممكن التحقق من الزيادة المتوقعة في كفاءة الوقود (بسبب درجات حرارة التشغيل الأعلى، كما هو موضح في نظرية كارنو ) تجريبياً. وجد أن انتقال الحرارة على جدار الأسطوانة السيراميكية الساخنة كان أكبر من انتقال الحرارة إلى جدار معدني أكثر برودة. هذا لأن فيلم الغاز الأكثر برودة على سطح المعدن يعمل كعازل حراري . وبالتالي، على الرغم من الخصائص المرغوبة للسيراميك، فإن تكاليف الإنتاج الباهظة والمزايا المحدودة منعت اعتماد مكونات المحرك السيراميكي على نطاق واسع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي العيوب الصغيرة في مادة السيراميك جنبًا إلى جنب مع انخفاض صلابة الكسر إلى التشقق وفشل المعدات الخطير المحتمل. مثل هذه المحركات ممكنة تجريبياً ، لكن الإنتاج الضخم غير ممكن بالتكنولوجيا الحالية.
  7. تُجرى حاليًا تجارب على الأجزاء الخزفية لمحركات التوربينات الغازية . وفي الوقت الحالي، تتطلب حتى الشفرات المصنوعة من سبائك معدنية متقدمة تستخدم في القسم الساخن من المحركات التبريد والمراقبة الدقيقة لدرجات حرارة التشغيل. ويمكن للمحركات التوربينية المصنوعة من السيراميك أن تعمل بكفاءة أكبر، مما يوفر مدى وحمولة أكبر.
  8. وقد تم تحقيق تقدم كبير في مجال السيراميك الذي يشمل السيراميك الحيوي مثل غرسات الأسنان والعظام الاصطناعية. وقد تم تصنيع هيدروكسيباتيت ، المكون المعدني الرئيسي للعظام، صناعياً من عدة مكونات بيولوجية وكيميائية ويمكن تشكيله إلى مواد سيراميكية. وتلتصق الغرسات العظمية المغطاة بهذه المواد بسهولة بالعظام والأنسجة الأخرى في الجسم دون رفض أو تفاعل التهابي. وهي ذات أهمية كبيرة لتوصيل الجينات وهندسة الأنسجة . ومعظم سيراميك هيدروكسيباتيت مسامي للغاية ويفتقر إلى القوة الميكانيكية، وبالتالي يتم استخدامه فقط لطلاء الأجهزة العظمية المعدنية للمساعدة في تكوين رابطة بالعظام أو كحشو للعظام. كما يتم استخدامها كحشو للبراغي البلاستيكية العظمية للمساعدة في تقليل الالتهاب وزيادة امتصاص هذه المواد البلاستيكية. ويجري العمل على صنع مواد سيراميك هيدروكسيباتيت نانوية قوية وكثيفة بالكامل للأجهزة العظمية التي تتحمل الوزن، واستبدال المواد العظمية المعدنية والبلاستيكية الأجنبية بمعادن عظمية صناعية ولكنها تحدث بشكل طبيعي. وفي نهاية المطاف، يمكن استخدام هذه المواد الخزفية كبديل للعظام، أو مع دمج الكولاجينات البروتينية ، في تصنيع العظام الاصطناعية.
  9. تتضمن تطبيقات المواد الخزفية المحتوية على الأكتينيدات الوقود النووي لحرق البلوتونيوم الزائد (Pu)، أو مصدر خامل كيميائيًا للإشعاع ألفا في إمدادات الطاقة للمركبات الفضائية غير المأهولة أو الأجهزة الإلكترونية الدقيقة. يتطلب استخدام الأكتينيدات المشعة والتخلص منها التثبيت في مادة مضيفة متينة. يتم تثبيت النويدات المشعة ذات عمر النصف الطويل مثل الأكتينيدات باستخدام مواد بلورية متينة كيميائيًا تعتمد على السيراميك متعدد البلورات والبلورات المفردة الكبيرة. [20]
  10. تُستخدم السيراميك عالي التقنية في إنتاج علب الساعات. وتقدر صناع الساعات هذه المادة لخفة وزنها ومقاومتها للخدش ومتانتها وملمسها الناعم. وتعد آي دبليو سي واحدة من العلامات التجارية الرائدة في استخدام السيراميك في صناعة الساعات. [21]
  11. تُستخدم السيراميك في تصميم أجسام الهواتف المحمولة نظرًا لصلابتها العالية ومقاومتها للخدوش وقدرتها على تبديد الحرارة. [22] تساعد خصائص إدارة الحرارة للسيراميك في الحفاظ على درجات حرارة الجهاز المثالية أثناء الاستخدام المكثف مما يعزز الأداء. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمواد السيراميكية دعم الشحن اللاسلكي [23] وتقديم نقل إشارة أفضل مقارنة بالمعادن، والتي يمكن أن تتداخل مع الهوائيات . [24] قامت شركات مثل Apple و Samsung بدمج السيراميك في أجهزتها. [25] [26]
  12. تُستخدم السيراميك المصنوعة من كربيد السيليكون في مكونات المضخات والصمامات بسبب خصائص مقاومتها للتآكل . [27] كما تُستخدم في المفاعلات النووية كمواد كسوة للوقود بسبب قدرتها على تحمل الإشعاع والإجهاد الحراري . [28] تشمل الاستخدامات الأخرى لسيراميك كربيد السيليكون تصنيع الورق، والباليستية ، والإنتاج الكيميائي، وكمكونات لنظام الأنابيب. [29]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ Heimann, Robert B. (16 April 2010). Classic and Advanced Ceramics: From Fundamentals to Applications, Preface. John Wiley & Sons. ISBN 9783527630189. تم أرشفة من الأصل في 10 ديسمبر 2020 . تم استرجاعه في 30 أكتوبر 2020 .
  2. ^ "سيراميك". القاموس الحر . مؤرشف من الأصل في 2020-08-03 . استرجاع 2020-08-03 .
  3. ^ كارتر، سي بي؛ نورتون، إم جي (2007). المواد الخزفية: العلوم والهندسة. سبرينغر . ص 20، 21. رقم ISBN 978-0-387-46271-4.
  4. ^ keramiko/s. Liddell, Henry George ; Scott, Robert ; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project
  5. ^ ke/ramos. Liddell, Henry George ; Scott, Robert ; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project
  6. ^ "keramewe". Palaeolexicon . مؤرشف من الأصل في 2011-05-01.
  7. ^ "سيراميك" . قاموس أكسفورد الإنجليزي (الطبعة الإلكترونية). مطبعة جامعة أكسفورد . (يشترط الاشتراك أو العضوية في المؤسسة المشاركة.)
  8. ^ Black, JT; Kohser, RA (2012). DeGarmo's materials and processes in manufacturing . Wiley. ص. 226. ISBN 978-0-470-92467-9.
  9. ^ كارتر، سي بي؛ نورتون، إم جي (2007). المواد الخزفية: العلوم والهندسة. سبرينغر. ص 3 و4. رقم ISBN 978-0-387-46271-4.
  10. ^ "كيف يتم تعريف الزجاج والسيراميك والسيراميك الزجاجي؟". TWI Global . مؤرشف من الأصل في 2021-10-01 . تم الاسترجاع 2021-10-01 .
  11. ^ "تاريخ السيراميك". علوم وهندسة المواد التعليمية . أقسام جامعة واشنطن. مؤرشف من الأصل في 2020-11-06 . تم الاسترجاع في 2020-03-02 .
  12. ^ "تحليل الخزف". عملية علم الآثار . مركز الآثار في وادي المسيسيبي. مؤرشف من الأصل في 3 يونيو 2012. تم استرجاعه في 12 نوفمبر 2004 .
  13. ^ "أول مادة سيراميكية ضخمة تتشوه مثل المعدن في درجة حرارة الغرفة". مجلة نيتشر . 23 فبراير 2024. doi :10.1038/d41586-024-00443-8. PMID  38396100.تلخيص وو، ينغجو؛ تشانغ، يانغ؛ وانغ، شياو يو. هو، وينتاو؛ تشاو، سونغ؛ الضابط تيموثي. لو، كون؛ تونغ، كه. دو، كونغكونغ؛ تشانغ، لي تشيانغ؛ لي، باوزونغ؛ تشوغي، زوين؛ ليانغ، زيتاي. ما، منجدونج؛ ني، أنمين؛ يو، دونجلي؛ هو، جولونج؛ ليو، تشونغ يوان. شو، بو؛ وانغ، يانبين؛ تشاو، تشيشينغ؛ تيان ، يونججون (22 فبراير 2024). "سيراميك نيتريد البورون ذو الطبقة الملتوية ذو قابلية عالية للتشوه والقوة". طبيعة . 626 (8000): 779-784. بيب كود :2024Natur.626..779W. دوى :10.1038/s41586-024-07036-5. PMC 10881384 . PMID  38383626. 
  14. ^ مارتينيتش ، فران. راديكا، جوجمير؛ بربير ، فرانو (31 ديسمبر 2018). “تطبيق وتحليل خلايا وقود الأكسيد الصلب في أنظمة طاقة السفن”. برودوغرادنجا . 69 (4): 53-68. دوى : 10.21278 / برود69405 . S2CID  115752128.
  15. ^ Seuba, Jordi; Deville, Sylvain; Guizard, Christian; Stevenson, Adam J. (14 أبريل 2016). "الخصائص الميكانيكية وسلوك الفشل للسيراميك المسامي أحادي الاتجاه". التقارير العلمية . 6 (1): 24326. Bibcode :2016NatSR...624326S. doi :10.1038/srep24326. PMC 4830974. PMID  27075397 . 
  16. ^ جارفي، آر سي؛ هانينك، آر إتش؛ باسكوي، آر تي (1975). "الفولاذ الخزفي؟". نيتشر . 258 (5537): 703-704. رمز Bibcode :1975Natur.258..703G. doi :10.1038/258703a0. S2CID  4189416.
  17. ^ "الأدوات المنزلية: الإنتاج والاختبار ومراقبة الجودة". دبليو رايان، سي رادفورد. مطبعة بيرجامون، 1987.
  18. ^ "Whiteware Pottery". Encyclopædia Britannica . مؤرشف من الأصل في 9 يوليو 2015 . تم استرجاعه في 30 يونيو 2015 .
  19. ^ جايجر، جريج. مقدمة في السيراميك، الجمعية الأمريكية للسيراميك
  20. ^ المواد البلورية لتثبيت الأكتينيدات . مواد للهندسة. المجلد 1. 2010. doi :10.1142/p652. ISBN 978-1-84816-418-5.[ الصفحة المطلوبة ]
  21. ^ "شرح مواد علب الساعات: السيراميك". aBlogtoWatch . 18 أبريل 2012. مؤرشف من الأصل في 8 مارس 2017 . تم الاسترجاع 8 مارس 2017 .
  22. ^ ترينتو، تشين (27 ديسمبر 2023). "ما هي المادة التي يتكون منها هيكل هاتفك؟". Stanford Advanced Materials . تم الاسترجاع في 21 يونيو 2024 .
  23. ^ وين، هايبينج؛ لي، جيايوان؛ يانغ، لي؛ تونغ، شيانغ تشيان (2022). "دراسة جدوى حول نقل الطاقة لاسلكيًا للمركبات ذاتية التحكم ذاتيًا باستخدام مواد سيراميكية جديدة مقاومة للضغط". مؤتمر إلكترونيات الطاقة الدولي 2022 (IPEC-Himeji 2022- ECCE Asia) . ص 182-185. doi :10.23919/IPEC-Himeji2022-ECCE53331.2022.9806898. ISBN 978-4-8868-6425-3.
  24. ^ جوتشا، أبريل (2018). "المواد الذكية تصنع الهواتف الذكية" (PDF) . الجمعية الأمريكية للسيراميك . تم استرجاعه في 21 يونيو 2024 .
  25. ^ "ما هي ميزات التصميم الجديدة في هاتف Samsung Galaxy S10؟". Samsung . 3 أغسطس 2022 . تم الاسترجاع 21 يونيو 2024 .
  26. ^ كين، شون (13 أكتوبر 2020). "شاشة iPhone 12 محمية بزجاج "الدرع الخزفي". سي نت . تم الاسترجاع في 21 يونيو 2024 .
  27. ^ بويكر، ولفجانج؛ كروينر، هارتموت (1994). "سيراميك كربيد السيليكون ونيتريد السيليكون للتطبيقات الهيكلية عالية الأداء: حالة التطوير والإمكانات". في ساكاكي، هـ. (المحرر). الموصلات الفائقة والأسطح والشبكات الفائقة . إلسفير. ص 865-973. رقم ISBN 9781483283821.
  28. ^ دينج، يانجبين؛ تشيو، بوين (2020). "البحث في تحسين أداء الوقود النووي باستخدام غلاف كربيد السيليكون باستخدام وقود عالي التوصيل الحراري". التقدم في الطاقة النووية . 124. doi :10.1016/j.pnucene.2020.103330.
  29. ^ روس، ليزا. "لماذا يستخدم كربيد السيليكون في أشباه الموصلات" . تم الاسترجاع في 27 يونيو 2024 .

قراءة إضافية

  • جاي، جون (1986). جاي، جون (محرر). الخزف التجاري الشرقي في جنوب شرق آسيا، من القرن التاسع إلى القرن السادس عشر: مع كتالوج من الأواني الصينية والفيتنامية والتايلاندية في المجموعات الأسترالية (مصور، طبعة منقحة). مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 978-0-19-582593-0.
  • ريدل، رالف؛ تشين، آي وي، محرران (2013). علم وتكنولوجيا السيراميك . doi :10.1002/9783527631940. ISBN 978-3-527-31149-1.
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=سيراميك&oldid=1252543818"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate