نحوه طراحی محصولات سرامیکی چگونه است؟
سرامیکها مواد ویژه‌ای هستند که در صنایع بسیاری کاربرد دارند. اما اهمیت نحوه طراحی محصولات سرامیکی اغلب نادیده گرفته شده است؛ زیرا بسیاری از مردم معتقدند سرامیک فقط مربوط به سفال و کاشی است. صنعت سرامیک امروزه یکی از صنایع در حال پیشرفت سریع در بسیاری از نقاط جهان است، به طوری که بازار سرامیک پیشرفته دارای حجم بیش از 35 میلیارد دلار در سال در آمریکاست.
صنعت سرامیک به‌عنوان یک صنعت مدرن با انتساب تکنیک‌ها و دانش جدید به‌دست آمده است که در دهه 1970 شروع به گسترش کرد. از آن زمان به بعد یکی از رقابتی‌ترین صنایع در بازار بوده است. در این نوشته به بررسی نحوه طراحی محصولات سرامیکی و انواع آن می‌پردازیم پس برای آشنایی بیشتر با این حوزه با ما همراه شوید.
تولید مواد سرامیکی
مواد سرامیکی به دلیل خواصی که دارند کاربردی هستند؛ نحوه طراحی محصولات سرامیکی به گونه‌ای است که معمولاً دارای نقاط ذوب بالا، مقادیر هدایت الکتریکی و حرارتی پایین و مقاومت فشاری بالا هستند. همچنین به طور کلی سخت و شکننده با پایداری شیمیایی و حرارتی بسیار خوب هستند. مواد سرامیکی را می‌توان به دو دسته سرامیک‌های سنتی و سرامیک‌های پیشرفته طبقه‌بندی کرد. مواد ساخته شده از خاک رس به‌عنوان سرامیک‌های سنتی طبقه‌بندی می‌شوند و معمولاً از خاک رس، سیلیس و فلدسپات ساخته می‌شوند. همان‌طور که از نام آن پیداست، سرامیک‌های سنتی قرار نیست پس از تولید دارای ویژگی‌های خاص سفت و سختی باشند؛ بنابراین از فناوری‌های ارزان قیمت برای اکثر فرآیندهای تولید آن‌ها استفاده می‌شود.
برای اینکه سرامیک را به شکل دلخواه در بیاورند، از آب یا مواد افزودنی چسبنده و به دنبال آن از فرآیند شکل‌دهی استفاده می‌کنند. برخی از متداول‌ترین روش‌های شکل‌دهی به سرامیکها عبارت‌اند از:
- اکستروژن
- ریخته گری لغزشی
- پرس
- ریخته گری نواری
- قالب گیری تزریقی
در نهایت سرامیکها تحت یک عملیات حرارتی به نام پخت قرار می‌گیرند تا یک محصول سفت و سخت و نهایی تولید کنند. برخی از محصولات سرامیکی مانند عایق‌های الکتریکی، ظروف غذاخوری و کاشی ممکن است تحت فرآیند لعاب‌کاری قرار گیرند. برخی از سرامیکها برای کاربردهای پیشرفته ممکن است به منظور برآورده کردن معیارهای طراحی مهندسی خاص، تحت یک مرحله ماشین‌کاری یا پولیش هم قرار گیرند.
سرامیک سنتی
خاک‌رس، فلدسپات، سیلیس، دولومیت، تالک، کلسیت و نفلین مواد رایج مورد استفاده برای اکثر محصولات سرامیکی هستند. هر ماده اولیه خاصیت خاصی مانند استحکام خشک، پلاستیسیته، جمع‌شدگی و غیره را به بدنه سرامیک می‌دهد؛ بنابراین با انتخاب دقیق مواد اولیه، خواص مورد نظر برای خروجی نهایی به‌دست می‌آید.
با توجه به نحوه طراحی محصولات سرامیکی مساحت سطح، اندازه یا توزیع ذرات، شکل ذرات، چگالی و … هر کدام تاثیر خاص خود را در تولید سرامیک دارند. پودر اولیه سرامیک باید برای برآوردن اندازه ذرات مورد نیاز، شکل ذرات و سایر الزامات برای یک صنعت خاص آماده شود، سپس آسیاب برای به دست آوردن اندازه ذرات مورد نظر انجام می‌شود. برخلاف صنعت سرامیک‌های پیشرفته، خلوص پودر سرامیک در سرامیک‌های سنتی مطرح نیست. ظروف سفالی، ظروف غذاخوری، ظروف بهداشتی، کاشی، محصولات رسی سازه‌ای، نسوزها، بلوک‌ها و ظروف چینی از جمله محصولات سرامیک سنتی هستند.
سرامیک پیشرفته
سرامیک‌های پیشرفته نوع خاصی از سرامیکها هستند که عمدتاً برای کاربردهای الکتریکی، الکترونیکی، نوری و مغناطیسی در صنعت استفاده می‌شوند. این نوع با سرامیک‌های سنتی متفاوت است؛ زیرا تهیه پودر سرامیک در آن بسیار مهم است.
تکنیک‌های خاصی در تولید سرامیک پیشرفته برای اطمینان از اینکه پودرهای سرامیکی تولید شده دارای خلوص کافی باشند، استفاده می‌شود. به طور کلی نحوه طراحی محصولات سرامیکی پیشرفته به این صورت است که از واکنش‌های شیمیایی برای تولید پودر سرامیک مانند پردازش Sol-gel و واکنش‌های مایع-گاز مانند گاز NH3 و مایع SiCl4 برای تولید Si3N4 استفاده می‌شود. بسیاری از این روش‌ها بسیار پرهزینه هستند؛ زیرا تهیه پودر همیشه یک عامل هزینه‌بر در صنعت سرامیک پیشرفته است.
کاربردهای سرامیک پیشرفته
در صنایع الکترونیک و برق، مواد سرامیکی پیشرفته مانند باریم تیتانات (BaTiO3)، مواد پیزوالکتریک و مواد نیمه‌هادی برای تولید خازن‌های سرامیکی، ویبراتور، سنسورهای دما، نوسانگرها و غیره استفاده می‌شوند. سرامیک‌هایی که برای این نوع کاربردها استفاده می‌شوند، سرامیک‌های کاربردی نامیده می‌شوند. سرامیک مغناطیسی نوع دیگری از مواد سرامیکی پیشرفته است که برای تولید آنتن و سلف استفاده می‌شود. بیوسرامیک‌هایی مانند آلومینا با تراکم و خلوص بالا برای ایمپلنت‌های دندان هم استفاده می‌شوند.
سوالات متدوال
1. سراسرامیک مهندسی چیست؟
سرامیک‌های مهندسی که به آن‌ها سرامیک ساختاری هم گفته می‌شود، نوعی سرامیک هستند که در ساخت قطعات مقاوم در برابر سایش مانند قالب، نازل و یاتاقان استفاده می‌شوند.
2. سرامیک مقاوم در برابر دمای بالا چیست؟
سرامیک‌های با درجه حرارت بالا را می‌توان به‌عنوان ترکیباتی با دمای ذوب بیش از ۳۰۰۰ درجه سلسیوس تعریف کرد که در کاربردهایی مانند هندلینگ فلزات مذاب در دمای بالا، به‌عنوان الکترود در قوس‌های الکتریکی و در کاربردهای هوافضا استفاده می‌شوند.
3. سرامیک آلومینا چیست؟
سرامیک‌های آلومینا (یا اکسید آلومینیوم) متداول‌ترین نوع سرامیکها در مصارف صنعتی هستند. آن‌ها نسبتاً ارزان بوده و از مقاومت بالایی در برابر سایش، چگالی کم و مقاومت الکتریکی بالایی برخوردار هستند.
4. شیشه سرامیک چه ویژگی و چه کاربردی دارد؟
شیشه سرامیکها دارای ویژگی‌های ساختاری شیشه و برخی از خواص ویژه‌ی سرامیکها هستند و می توانند تغییرات دمایی مکرر و سریع را تحمل کنند. با این حال، کاملاً نشکن نیستند و به این علت که از شیشه و سرامیک ساخته شده‌اند همچنان تردی آن‌ها را دارند. این مواد در اجاق گازهای پیشرفته به کار می‌روند.
جمع‌بندی
اولین سرامیک‌های ساخته شده توسط انسان، اشیاء سفالی (کوزه یا ظروف) یا مجسمه‌های ساخته شده از خاک‌رس، به‌تنهایی یا مخلوط‌شده با مواد دیگری مانند سیلیس بودند. بعداً، سرامیکها لعاب‌کاری شدند و برای ایجاد سطوح صاف و رنگی مورد استفاده قرار گرفتند. سرامیک در حال حاضر شامل محصولات خانگی، صنعتی و ساختمانی و همچنین طیف وسیعی از مواد است که حتی برای استفاده در مهندسی سرامیک پیشرفته مانند نیمه هادی‌ها توسعه یافته است. اگر شما هم اطلاعاتی درباره نحوه طراحی محصولات سرامیکی دارید، می‌توانید آن‌ها را در قسمت نظرات با ما به اشتراک بگذارید.