مهندسی سرامیک و کاربردهای آن


موضوع تحقیق :

زیر نظر استاد گرامی:

گردآورنده:

مهندسی سرامیک و کاربردهای آن
1-1-کاربردهای پزشکی:
سرامیکها، این مواد دست ساخته بشر، از ابتدای تاریخ تمدن تا به امروز توانسته اند مواد بسیار مفیدی را در اختیار انسانها قرار دهند. از سفالینه های هزاران سال قبل تا راکتورهای هسته ای و اخیراً نیز محافظ سفینه های فضایی و غیره.
یکی از کاربردهای مواد سرامیکی که در ارتباط نزدیک با زندگی بشر است، شامل بکارگیری قطعات سرامیکی در بدن انسان است. به این دسته از سرامیکها "زیست-سرامیک (Bio-ceramic)" گویند. این دسته از سرامیکها اهمیت فراوانی در زندگی روزمره یافتهاند. البته استفاده از مواد مختلف بعنوان "ایمپلانت (implant)" به دوره قبل از میلاد مسیح بر میگردد. اما از اواخر قرن نوزدهم، در اثر پیشرفت و افزایش اطلاعات پزشکی در این مورد کوششهای جدی انجام گرفت.
اولین مواد مصرفی بعنوان ایمپلانت، ترکیبی از برنج و مس بود که بدلیل خوردگی شدید این مواد در بدن، استفاده آنها با شکست مواجه شده است. از آنجایی که در پزشکی مدرن ضرورت استفاده از مواد مختلف به منظور ترمیم عیوب بدن انسان احساس می شد، پلیمریستها گستره وسیعی از این مواد را برای استفاده به جامعه پزشکی معرفی کردند و متالوژرها نیز با استفاده از آلیاژهای جدید و متفاوت، قطعات ارتوپدیک بسیاری برای بدن ساختند. اما حتی این مواد نیز بعلت خوردگی شیمیایی در بدن ایجاد عارضه میکرد؛ حال آنکه بسیاری از ایمپلانتها، مانند اتصال مصنوعی در مفاصل ران، بایستی برای همیشه در بدن انسان باقی می ماند. از این رو، پژوهشگران برای دستیابی به موادی با مشخصات بهتر به دنیای سرامیک راه پیدا کردند.
هیچ ماده ای که در بدن انسان جایگذاری شود کاملاً خنثی نیست. با این وجود، خوردگی سرامیکها بدلیل ماهیت ذاتیشان خیلی کمتر از فلزات است. پیشرفتهای وسیع در علم سرامیک منجر به دستیابی به موادی با خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی متفاوت و متنوع شد که می توانند خواص خود را برای مدت زمان طولانی در بدن موجود زنده حفظ کنند. بعضی از این مواد عبارتند از: آلومینا، کربن پیرولیتیک و زجاجی، فسفاتهای کلسیم و سدیم و غیره.
خصوصیاتی که یک ایمپلانت دایمی سرامیکی باید داشته باشد بطور خلاصه در زیر آمده است:
1- سازگاری بیولوژیکی: عموماً مواد ایمپلانت باید با بافتهای بدن سازگاری داشته باشند و ایجاد حساسیت و مسمومیت نکنند.
2-عدم خوردگی: در بدن موجود زنده خوردگی بیولوژیکی روی ندهد.
3- کارایی در عملکرد: باید بتواند به نحو مطلوب وظیفه ای را که در هر نقطه از بدن بر عهده آن قرار میدهند بخوبی انجام دهد.
4- قابلیت استریلیزه شدن: قابلیت استریل و ضدعفونی شدن را داشته باشد، بدون اینکه تغییری در ترکیب آن ایجاد کند. یا باعث تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی شود.
5-قابلیت دسترسی: قابل دسترس بوده و براحتی تولید شود.
امتیاز سرامیکها بعنوان مواد زیستی بدلیل سازگاری آنها با محیط فیزیولوژیکی است و این سازگاری بدلیل وجود یونهایی مشابه با یونهای موجود در آن محیط، مثل کلسیم، پتاسیم، منیزیم و سدیم است.
تحقیقات انجام شده در آزمایشگاه و روی بدن موجود زنده روی مواد زیر متمرکز شده است: کربن، اکسیدآلومینیم، هیدروکسید آپاتیت، فسفات تریکلسیم، ترکیبات شیشه ای و غیره که جالب توجه ترین این مواد عبارتنداز: دریچه های قلبی مصنوعی، زانوی ارتوپدیک (استخوان و مفاصل)، موادی که برای ترمیم و بازسازی جای دندان در فک بکار میروند، موادی که بهوسیله آنها از راه پوست می توان با داخل بدن ارتباط پیدا کرد، مفصل ران پروستتیک، پیهای مصنوعی و غیره.
این مواد با توجه به نوع فعالیتشان در محیط به 3 دسته تقسیم می شوند:
1- مواد سرامیکی خنثی: مانند آلومینا و کربن
2- مواد سرامیکی با سطح فعال: مانند هیدروکسید آپاتیت و بیوگلاسها
3- مواد سرامیکی قابل جذب: مانند فسفات کلسیم
1-2-نانوسرامیکها و کاربردهای تجاری فعلی آنها در دنیا
نانو مواد، دسته ای از مواد هستند که از طریق کنار هم قراردادن اتم ها، ملکول ها یا مجموعه هایی از آنها و به طور مصنوعی تولید می شوند. نانوسرامیک ها بهدلیل داشتن خواص ویژه در بین مواد دیگر از مهم ترین و کاربردی ترین شاخههای نانومواد محسوب میشوند. متن زیر برگرفته از مقاله سیدمحسن محمودی سپهر از دانشگاه علم و صنعت ایران است که تحت عنوان "مقدمه ای بر نانوسرامیک " در همایش "نانوتکنولوژی، انقلاب صنعتی آینده" ارایه شده بود و به بیان پتانسیل ها و کاربردهای فعلی نانوسرامیک ها در دنیا اشاره دارد:
ظهور نانوسرامیک ها را میتوان از دهه 90 میلادی دانست. در این زمان بود که کشف خواص پودرهای نانوسرامیک بسیار مناسب به نظر می رسید ولی روش های آن از لحاظ فناوری، آسان و مقرون به صرفه نبود.
به وجود آمدن نانو تکنولوژی اهمیت نانوسرامیک ها را بیش از پیش آشکار کرد و نانوتکنولوژی باعث تحلیل بهتر از پدیده ها و یافتن روش های بهتری برای تولید مواد شد. شکل گرفتن مهندسی نانو، منجر به درک بی سابقه اجزای اولیه پایه ای تمام اجسام فیزیکی و کنترل بر این اجزا شده است و این پدیده به زودی روشی را که اغلب اجسام توسط آنها طراحی و ساخته می شده اند، دگرگون می کند.
ویژگی های نانوسرامیک ها:
الف) استحکام مکانیکی : پوشش دادن سطح اجسام با نانوسرامیکها، باعث افزایش استحکام و سختی جسم می شود که استحکام آنها بسیار بیشتر از پوششهایی از نوع سرامیک های معمولی است.
ب) ابررسانایی : نانوسرامیک ها بهعلت داشتن خواص نوری و الکتریکی بهعنوان ابررسانا نیز بهکار می روند.
ج) قدرت پوشش: در ساختار نانو، تعداد مکان های فعال افزایش می یابد، این افزایش در سطح منجر به کاهش مقدار مواد مصرفی میشود و قیمت نهایی محصول کاهش می یابد.
د) قابلیت رقابت با مواد دیگر: نانوسرامیکها ارزش افزوده فوقالعادهای را ایجاد میکنند و این مواد همانند رنگدانه ها و پوششها گرانقیمت هستند.
ه) سازگار با محیطزیست: این پوشش ها با محیط زیست سازگار هستند و آلودگیهای مواد قبلی را ایجاد نمی کنند.
و) انعطاف پذیری: در سرامیک های معمولی انعطاف پذیری وجود ندارد ولی در نانوسرامیکها بهدلیل داشتن خاصیت منحصر به فرد در قابلیت حرکت مرزدانه ها بر روی هم، انعطاف پذیری خوبی وجود دارد.
ز) سطح ویژه بالا: نانوسرامیک ها سطح ویژه بالایی دارند و در انجام واکنش های شیمیایی در کاتالیست ها، سنسورهای گازی، جداسازی و جذب مواد بر روی سطح آن و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.
کاربردهای نانوسرامیک :
بهعلت خواص فو ق العاده ای که نانو سرامیک ها دارند، طراحان محصولات می توانند از آنها بهطور ماهرانه، بهعنوان مواد مخصوص استفاده نمایند. این مواد مخصوص، مواد اولیه مورد نیاز برای ساخت محصولی مستحکم تر که در محدوده دمایی بیشتر عمل میکند را تامین می کنند. از طرفی تولید نانوسرامیک ها در دماهای پایین تر، موفقیت بزرگی است که منجر به تولید اقتصادی محصولات بی عیب و با دقت بالا می شود.
نانوسرامیک ها در حال توسعه و بهکارگیری برای کاربردهای گوناگون هستند که از خواص مغناطیسی، نوری، الکتریکی و دیگر خواص آنها استفاده میشود. خواص منحصر به فرد نانوسرامیک ها، محدوده وسیعی از کاربرد از جمله قطعات سرامیکی بادوام برای موتو رهای خودکار، سیم های ابررسانای انعطاف پذیر و اجزای متصلکننده فایراستیکی را به همراه دارد. بعضی دیگر از پتانسیل ها و کاربردهای دیگر در جدول زیر آورده شده است:
پتانسیل و کاربردهای تجاری فعلی نانوسرامیکها
3-1- مروری کوتاه بر بازار سرامیکهای پیشرفته در جهان
سرامیکهای پیشرفته نسل جدیدی از سرامیکها هستند که دارای خواص بهتری نسبت به سرامیکهای سنتی بوده و کاربردهای زیادی را به خود اختصاص داده اند. متن زیر خلاصه گزارش موسسه SCUP در مورد سرامیک های پیشرفته است:
سرامیکها موادی غیرآلی و غیرفلزی هستند که مقاومت خوبی در دمای بالا از خود نشان می دهند. در ابتدا مواد اولیه سرامیکی بصورت پودر هستند سپس در شکل های مختلف به اجسام صلب تبدیل میشوند. سرامیکها می توانند بصورت آمورف (بی شکل)، تک فاز، چندفاز، تک کریستال و پلی کریستال وجود داشته باشند و خواص این مواد بستگی به ساختار اتمی آنها دارد. محصولاتی مثل آجرها، کاشی، چینی (بصورت ظروف غذا و چینی بهداشتی)، نسوزها، ساینده ها، شیشه آلات (شیشه های تخت، ظروف شیشه ای) و لعاب های چینی جزو سرامیکهای سنتی هستند و در گروه سرامیکهای پیشرفته قرار نمی گیرند.
سرامیکهای پیشرفته دارای خواص فیزیکی، الکترونیکی و مکانیکی خاصی هستند که آنها را نسبت به سرامیکهای سنتی برتری بخشیده است. سرامیکهای پیشرفته در پنجاه سال گذشته توسعه خوبی یافته اند. بازار سرامیکهای پیشرفته که قسمت عمده آن در امریکا، اروپای غربی و ژاپن قرار دارد، در سال 2000 بالغ بر 20.2 میلیارد دلار بوده است. البته خلق کاربردهای جدیدی برای این مواد باعث ایجاد یک رشد 4 درصدی برای بازار این مواد تا سال 2005 خواهد شد.
سرامیک های الکترونیکی:
عمده ترین استفاده سرامیکهای پیشرفته در صنایع الکترونیک است که حدود 66 درصد کل مصرف سرامیکهای پیشرفته را به خود اختصاص میدهند. مهم ترین مواد سرامیکی برای کاربردهای الکترونیکی، اکسیدهای خالص یا مخلوطی از اکسیدها هستند که شامل آلومینا، زیرکونیا، سیلیسیا، فریتها، تیتانات باریم اصلاح شده و تیتانات و زیرکونات سرب هستند. فیبرها، محافظ ها در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، خازنها، تبدیل کننده ها، القاگرها، ابزارهای پیزوالکتریکی و سنسورهای فیزیکی و شیمیایی عمده ترین 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، محافظ های الکترونیکی و خازنها تقریباً 67 درصد بازار سرامیکهای الکترونیکی را بخود اختصاص داده اند. 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 داده اند بیشتر نیست.
سرامیکهای ساختاری:
استفاده از سرامیکها در کاربردهای ساختاری کمتر از 19 درصد کل بازار است. سرامیکهای ساختاری بعنوان اجزاء تحمل کننده تنش یا پوشش قسمتهایی که تحت تنش هستند شناخته می شوند. 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، یاطاقان ها، درزگیرها، تجهیزات فرآیندها و پوششهای سرامیکی محقق می شود. بیشترین مواد اولیه مورد استفاده در سرامیکهای ساختاری انواع گوناگون اکسیدآلومینیوم، زیرکونیا، کاربید سیلیسیم و نیترید سیلیسیم است.
پودرها و افزودنیها:
در حوزه سرامیکهای سنتی، پودرها مواد غیرآلی هستند که در فرآیندهای مختلف بصورت بلوک یا قطعه نهایی شکل می گیرند و افزودنیها مواد غیرآلی هستند که استفاده از پودرها را در فرآیندهای مختلف آسان می کنند و در قطعه نهایی باقی نمی مانند. این تعریف ها صحت خود را تا حد زیادی در مورد سرامیک های پیشرفته که از تکنولوژی های پیچیده شیمیایی بهره می برند، از دست داده اند.
پودرهای سرامیکی پیشرفته و افزودنی ها بعنوان مواد خام برای سرامیکهای ساختاری و سرامیکهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند. پودرهای سرامیکی پیشرفته بازاری بالغ بر 2.7 میلیارد دلار را به خود اختصاص داده اند که رشد متوسطی معادل 2 درصد برای آنها تا سال 2005 پیش بینی شده است. پوردهای اکسیدی 85 درصد از این بازار را از نظر ارزش و 95 درصد را از نظر وزن به خود اختصاص داده اند. بقیه بازار مربوط به غیراکسیدی هایی نظیر کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم، نیترید آلومینیوم و تیتانیوم دی براید است. پودرهای آلومینیومی با کارایی بالا، پودرهای زیرکونیا که در بیوسرامیکها استفاده می شوند و کاربردهای مربوط به سیستم های مخلوط چند اکسیدی مثل شیشه سرامیکها و سرامیکهای با ضریب انبساطی پایین، رشد متوسط بالاتری را از خود نشان خواهند داد. رشد بازار افزودنی ها کمی بیشتر از پودرها خواهد بود که علت آن رواج افزودنی های با کارایی بالا و افزودنی های قوی در روش های تولید از قبیل شکل دادن گرم و سرد و قالب گیری تزریقی است.
1-4-سرامیکهای مغناطیسی:
مواد مغناطیسی، در صنایع مهمی همچون کامپیوتر و خودرو کاربردهای گسترده دارند و بشر روز به روز به دنبال تولید بیشتر و بهتر این مواد است. استفاده از خاک های نادر در این زمینه، رویکردی است که در دنیا مورد توجه بسیار قرار گرفته است. مطلب زیر به بررسی نحوه ظهور مغناطیس های خاک نادر و توسعه آنها تا ظهور مغناطیسهای NdFeB پرداخته است:
پنج رویداد تاریخی تا ظهور مغناطیس های خاک نادر:
1- اولین رویداد، کشف خواص آهنربایی گادولینیوم توسط یوربین و همکارانش بود که در سال 1935 به ثبت رسید و برای اولین بار مشخص شد خاک های نادر دارای خواص مغناطیسی هستند.
2- در پروژه منهاتان در طول جنگ جهانی دوم، رویداد دوم اتفاق افتاد. آن زمان، روش هایی برای جداسازی اورانیوم جهت ساخت بمب اتم لازم بود. این روش ها استفاده کم خطر و شیمیایی از اورانیم را توسعه داد. این موضوع برای خاک های نادر نیز اتفاق افتاد و این تکنولوژی توانایی بالایی را اولین بار برای جداسازی خاک های نادر فراهم کرد.
3- گزارشی که در سال 1960 توسط هابارد و همکارانش منتشر شد رویداد سوم را رقمزد. این گزارش به وجود خواص آنتی فرومغناطیس در GdCo5 که با ترکیب کردن Gd و Co به وجود آمده بود، اشاره داشت. این موضوع امیدهایی را در مورد وجود خاصیت مغناطیسی در ترکیبات RCo5 (R عنصر خاک نادر) بوجود آورد. البته بعدها هابارد و همکارانش عضویت GdCo5 را در خانواده RCo5 رد کردند.
4- هنوز سال 1966 نشده بود که هوفر و استرنت در مورد خواص مغناطیسی YCo5 (Y یکی از عناصر خاک نادر) گزارشی را منتشر کردند. این اتفاق سرآغازی برای تحقیق در مورد خواص مغناطیسی RCo5 بود و بدین وسیله محققین دریافتند این موضوع زمینه مناسبی برای تحقیق است.
5- سرانجام ساماریم (Sm) بعنوان خاک نادر ایده آل برای استفاده در ترکیبات RCo5 کشف شد. شرکت ها و مراکز تحقیقاتی چون جنرال الکتریک، جنرال موتورز، ریتون و دانشگاه های دیتون و پترسبورگ در امریکا بر روی این ماده کار می کردند. در همان زمان که SmCo5 با خواص مغناطیسی عالی، آرام آرام در حال تجاری شدن بود، ترکیب PtCo نیز ظهور کرد و حتی در ساعتها نیز بکارگرفته شد، اما بسرعت با تجاری شدن SmCo5 از رده خارج گردید. این اتفاق زمانی به وقوع پیوست که SmCo5 در ارزان ترین سطح قیمت و بالاترین حد کورسیویته قرار داشت.
پیشرفت های پس از ظهور SmCo5 و بروز مشکلات
SmCo5 اولین تجربه در بکارگیری خاکهای نادر در ساخت آهنرباهای تجاری بود. بعد از دهه 1970 این مغناطیس ها بهبود نسبتاً کمی در خواص یافتند که مغناطیس های (17-2) Sm2(FeCuCoZr)17 حاصل این بهبود بود. این آلیاژ از هر دو جهت ترکیب و فرآیند ساخت پیچیده بود. اما خواص بهتر و مطلوب تری نسبت به SmCo5 داشت.
علاوه بر امریکا و اروپا که فعالیت هایی در مورد این مواد داشتند حجم زیادی از تحقیقات در ژاپن صورت می گرفت که در این زمینه شرکت های TDK و شینتسو فعالیت بیشتری داشتند. بعد از دهه 1980 تحقیقات بر روی آهنرباهای دائم فریتی در امریکا کاهش یافت و جایگزینی هایی در این زمینه صورت گرفت که از جمله آن بکارگیری مغناطیس (17-2) در هدفون و موتورچرخان واکمن سونی بود.
به علت نیاز به قیمت های کمتر از SmCo5، وجود نیازهای مغناطیسی فراتر از قابلیت های SmCo5 و نیاز به طراحی جدید برای هر کاربرد خاص، تولید یک ماده جدید که این مشکلات را نداشته باشد، ضروری بنظر میرسید.
علاوه بر محدودیت های که در بالا مطرح شد. کبالت مورد استفاده در این ماده نیز مشکلاتی را برای این مغناطیس بوجود آورد. کبالت حدود 66 درصد در SmCo5 و 50 درصد در مغناطیس های (17-2) کاربرد داشت. در دهه های 1970 و 1980 چندین بار تولید کبالت قطع شد که علت آن ناآرامی سیاسی در زئیر، بزرگترین منبع تولید کبالت در غرب بود. با توجه به این مسائل، بعید به نظر می رسد که SmCo5 بتواند در سطح وسیعی از کاربردها مثل اتومبیل به کار گرفته شود. اگر چه بحثهایی در مورد افزایش ساماریم در این ترکیبات وجود داشت ولی این مساله نیز هرگز تحقق نیافت.
ظهور NdFeB
}این روند تا آنجا ادامه یافت که جان هریست از شرکت جنرال موتورز در سال 1978 پیشنهاد تولید مغناطیسی با خواص SmCo5 که فاقد هر دو عنصر Sm و Co باشد را مطرح نمود. در کنفرانس جاذبه و مواد مغناطیس که در نوامبر سال 1983 در پیتسبورگ برگزار شد، اولین فرمول شناخته شده در مورد NdFeB ارائه شد و در مورد آن بحث گردید. در این کنفرانس مشخص شد که گروه های زیادی در مناطق مختلف جهان در این زمینه کار می کنند. {
مهم ترین روش های تولید در این زمینه متالورژی پودر و ریخته گری چرخشی بود. صرف نظر از روش های تولید، نتایج فوق العاده بود و پتانسیل ها در این زمینه غیرقابل باور به نظر می رسید. در سال بعد (1984) NdFeB تجارتی جایگزین SmCo5 و مغناطیس های (2-17) شد و با سرعت زیادی این جایگزینی انجام گرفت که دلایل آن به شرح زیر است:
1) به دلیل مشابهت روش تولید 5SmCo و NdFeB (متالورژی پودر) این جایگزینی به سرعت در کمپانی های تولیدکننده صورت گرفت و این کمپانیها به سرعت به تولید معقولی در این زمینه دست یافتند.
2) در اثر حضور SmCo، پذیرش مغناطیسهای خاک نادر از طرف بازار به راحتی صورت گرفت که به دلیل آشنایی قبلی مصرفکنندگان با مغناطیس های خاک نادر بود.
3) انتظار مشتری های زیادی برای ظهور ماده ای با این خواص، رشد سریع آنرا به دنبال داشت.
}رشد بازار NdfeB یکنواخت نیست و به نظر می رسد یک جهش سریع و سپس یک توقف دارد. این مسئله بدلیل تغییرات بازار کامپیوتر است. اگر چه کاربردهای دیگری نیز برای این مواد توسعه داده شده است ولی رشد بازار باقیمانده نیز ناهماهنگ است و هنوز تاحد زیادی به بازار کامپیوتر بستگی دارد. {
حضور چین در بازار
در دهه 1990 چینی ها رشد خوبی در حوزه خاکهای نادر داشتند. محرک ابتدایی منابع خاک نادر در اینرمونگولیا نزدیک پاوتو بود که بزرگترین منبع خاک نادر در جهان است و نسبت خاک رس موجود در آن نسبت به سایر جاها کمتر است. در سال 2001 چین برای 80 درصد از تولید لانتانیدهای(گروهی از عناصر خاک نادر) جهان برنامه ریزی کرد. شکل (1)، افزایش منابع تولید خاک های نادر را به اندازه 33 درصد بین سال های 1994 تا 2001 نشان می دهد.
در این دوره سهم امریکا از بازار جهانی از 32 درصد به 6 درصد تنزل کرده است در حالیکه سهم چین از 47 درصد به 82 درصد افزایش یافته است. نفوذ فرآورده های چینی باعث نزول قیمت خاک های نادر در دهه گذشته شده است. برای مثال فلز نئودیمیوم (Nd یک عنصر خاک نادر) که در سال 1990، 50 دلار برای هر کیلوگرم قیمت داشت، الان زیر 10 دلار برای هر کیلوگرم ارزش دارد. قیمت مغناطیسها نیز در این دوره کاهش پیدا کرده ولی به این شدت نبوده است.
بعد از دهه 1990 توان رقابت چین در تولید مغناطیسها به نحو چشمگیری افزایش یافته و امریکا و تمام تولیدکنندگان جهان را تحت تاثیر قرار داده است. وجود منابع خاک نادر، کارگر ارزان و تمایل به تولید انبوه در چین منجر شده که مغناطیسهای خاک نادر و محصولاتی که مغناطیسها در آنها کاربرد دارند از چین به جهان صادر شود. شکل (2) تفکیک واردات مواد مغناطیسی به امریکا را در ده سال گذشته نشان میدهد. در دهه گذشته واردات امریکا 16 درصد افزایش یافته است. سهم چین از واردات امریکا از 7.2 درصد به 34 درصد افزایش یافته و سهم ژاپن از 44 درصد به 32 درصد کاهش یافته است.
1-5-کاربردهای سرامیکهای مغناطیسی:
مواد مغناطیسی از جمله مواد مهندسی بسیار مهمی هستند که کاربردهای مختلفی را به خود اختصاص دادهاند. به طور مثال میتوان به کاربرد آنها در سیستمهای الکترونیکی اشاره کرد که هر روزه از آنها استفاده میکنیم. متن زیر که از خبرنامه انجمن سرامیک ایران (شماره 10) نقل شده است، به معرفی و کاربرد مواد مغناطیسی پرداخته است:
به طور کلی مواد مغناطیسی به دو دسته سختمغناطیس (نظیر آهنرباهای دائم) و نرممغناطیس (نظیر مواد مغناطیسی با پسماند مغناطیسی کم) تقسیمبندی میشوند:
1- آهنرباهای دائم سرامیکی مواد مغناطیسی دائم به دستهای از مواد اطلاق میشود که خاصیت مغناطیسی خود را پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی حفظ میکنند و کاربردهای وسیعی را به خود اختصاص دادهاند. به عنوان مثال میتوان از کاربرد آنها در یخچالها، موتورهای جریان مستقیم، نگهدارندهها، دستگاههای سنجش، بلندگوها و بسیاری موارد دیگر نام برد.
اکثر آهنرباهای دائمی تجارتی، از فریتهای سختمغناطیس سرامیکی تشکیل شدهاند که حاوی اکسیدهای مختلفی میباشند. البته قیمت مواد اولیه فریتهای سختمغناطیس، در مقایسه با مواد مورد نیاز برای آهنرباهای فلزی نظیر آلیاژ AlNiCo و یا ترکیبات آلیاژهای کمیاب خاکی، کمتر میباشد. همچنین لازم به ذکر است که فریتهای سختمغناطیس سرامیکی، به لحاظ دارا بودن میدانهای پسماندزدای (Hc) قویتر در مقایسه با آهنرباهای فلزی نظیرAlNiCo، میتوانند در ابعاد کوچکتری، بدون اینکه مواجه با خطر میدانهای آهنربازدا باشند، تهیه شوند.
فریتهای سختمغناطیس سرامیکی از نوع هگزاگونال، یک بخش از خانواده اکسیدهای کمپلکس با فرمول عمومی MO.6Fe2O3 میباشند که MO معرف اکسیدهای: باریم، استرانسیم، سرب و یا ترکیبی از این عناصر میباشند. از مواد مهم تجارتی در این گروه میتوان به فریتهای باریم با فرمول BaO.6Fe2O3 و فریت استرانسیم با فرمول SrO.6Fe2O3 اشاره کرد.
در این راستا از افزودنیهای مختلفی نظیر Sio2 یا AL2O3 بمنظور افزایش میدان پسماندزدای (Hc) و کمک زینتر، استفاده میگردد. سرامیکهای مغناطیسی همچنین بر مبنای میزان نظم ریزساختارشان که در پروسه تولید قابل کنترل میباشد، به دو گروه تقسیم میشوند:
نوع اول مگنتهای آنیزوتروپ (جهتدار)، که دارای یک محور ترجیهی مغناطیسی میباشند و نوع دوم مگنتهای ایزوتروپ (غیرجهتدار)، که دارای یک بافت ریزساختاری جهتدار نمیباشند و خواص مشابهی را در جهات مختلف از خود نشان میدهند. همچنین در مگنتهای جهتدار آنیزوتروپ بخاطر وجود یک محور یکسان، انرژی مغناطیسی ماکزیمم میباشد.
کاربرد مواد مغناطیسی دائم بر پایه عملکرد ویژه مغناطیسیشان میباشد و در سیستمهای فضانوردی، کامپیوتر، الکترونیک، پزشکی، صنعت خودروسازی، صنایع نظامی، وسایل انتقال اطلاعات و غیره مشاهده میشوند. در واقع فریتهای سخت مغناطیس سرامیکی در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار میگیرند: از اسباببازیهای ساده و قفلهای کابینت گرفته تا موتورهای الکتریکی DC.
آهنرباهای بزرگ در سپراتورهای مغناطیسی برای تغلیظ مینرالها و فیلترهای آبی و آهنرباهای کوچک در صفحات نمایشگر اطلاعات مورد استفاده قرار میگیرند. در صنعت، آهنرباهای دائم سرامیکی به چندین گروه تقسیم میشوند: سرامیکهای مغناطیسی مشهور به گروه 1، از مواد ارزان قیمت ساخته میشوند و کاربردهایی نظیر: قفلهای ساده، کوپلهای مغناطیسی هممحور برای کنتورهای آب و یاتاقانهای بدون اصطکاک در کنتورهای برق را به خود اختصاص دادهاند.
سرامیکهای مغناطیسی مشهور به گروه 2، در موتورهای DC مورد استفاده در خودروها، موتورهای پلهای (Stepper Motors) و کوپلهای مغناطیسی هممحور مورد استفاده قرار میگیرند.
سرامیکهای مغناطیسی مشهور به گروه 5، بصورت آهنرباهای حلقهای شکل در بلندگوها و جداکنندهای مغناطیسی و دیسکهای مورد استفاده در کوپلهای مغناطیسی، مورد مصرف قرار میگیرند.
سرامیکهای مغناطیسی مشهور به گروه 7 و 8، در موتورهای DC، موتورهای Brushiess DC و ژنراتورها و محرکهای القایی خطی استفاده میشوند.
2- فریتهای نرممغناطیس مواد نرممغناطیس بطور کلی با اعمال میدانهای ضعیف مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی از خود نشان میدهند. وقتی نیروی اعمالی حذف میشود، خاصیت مغناطیسی باقیمانده در آنها تضعیف میگردد. اهمیت نرممغناطیسها در بسیاری از سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی مشهود است.
مواد نرممغناطیس در سیستمهای توزیع نیرو، تغییر انرژی الکتریکی به مکانیکی و ارتباطات مایکروویو مورد استفاده قرار میگیرند. آنها همچنین به عنوان مبدلهای الکتریکی و مواد فعال جهت ذخیرهسازی اطلاعات در بسیاری از سیستمهای اطلاعرسانی عمل میکنند. بسیاری از کاربردهای جدید آنها در اثر بهبود خواص و ویژگیهای این مواد بوده است.
مواد اولیه فریتهای نرممغناطیس، اکسیدهای سرامیکی هموژنی هستند که اکسید آهن به عنوان جزء اصلی آنها میباشد. فریتها میتوانند ساختارهای کریستالی متفاوتی را دارا باشند.
بطور کلی 3 ساختار کریستالی برای فریتهای تجاری امروزی شناخته شده است:
اولین کلاس دارای ساختار مگنتوپلامبایت هگزاگونالی است (مثل: BaFe12O19).
دومین کلاس دارای ساختار گارنت میباشد که به گارنت مغناطیسی یا فریتهای مایکروویو نیز شهرت دارد. فرمول عمومی این گروه بصورت 3M2O3.5FeO3 یا M3Fe5O12 میباشد. یونهای فلزی در این ترکیب، در مقایسه با دو کلاس دیگر سه ظرفیتی هستند. در گارنتهای مغناطیسیM، معمولاً ایتریم (Y)+3 یا یکی از یونهای کمیاب خاکیها نظیر Gd+3 بصورت (Gd3Fe5O12) میباشد.
سومین کلاس دارای ساختار اسپینلی میباشد. در اینجا، اکسیدهای آهن یا فلزاتی نظیر: نیکل، منگنز، روی، منیزیم و کبالت بصورت منفرد یا ترکیبی وجود دارند. کلاس اسپینلی نام خود را از مینرال غیر مغناطیسی MgAl2o4 یا MgAl2o3 گرفته است و دارای ساختار مکعبی پیچیدهای میباشد. در اسپینلهای مغناطیسی، یون دوظرفیتی Mg2+ میتواند توسط Cu2+، Co2+، Fe2+، Zn2+، Li2+، Mn2+، Ni2+، و یا در بیشتر مواقع با ترکیبی از این یونها جایگزین گردد. یون Al3+ نیز میتواند جانشین Fe3+ گردد.
اسپینلهای مغناطیسی دارای فرمول عمومی MFe2O4 یا MO.Fe2O3 میباشند.
نرممغناطیسها همچنین بر اساس محدوده فرکانسی نیز تقسیم بندی میشوند:
فریتهای غیر مایکروویو برای فرکانسهایی از محدوده شنوایی تا 500MHz
فریتهای مایکروویو برای فرکانسهایی در محدوده 100MHz-500GHz
فریتهای غیر مایکروویو خود به دو بخش زیر تقسیم میشوند:
فریتها با حلقه هیستریزیس مستطیلی شکل برای حافظههای کامپیوتری
فریتهای خطی(مرکب از فریتهای منگنز- روی و نیکل- روی) برای مبدلها و سلفها در فیلترها فریتهای مایکروویو، فراهم کننده یک محیط غیرفعال با تلفات کم میباشند که اجازه انتشار امواج را با تلفات ناچیز فراهم میکنند. در حقیقت با توجه به اینکه امواج الکترومغناطیس از دو مولفه الکتریکی و مغناطیسی تشکیل شدهاند، با برهمکنش مولفه مغناطیسی موج با ممانهای مغناطیسی ماده و مولفه الکتریکی موج با مولفه دی الکتریکی فریت، رفتار موج الکترومغناطیس تحت تاثیر پارامترهایی نظیر قابلیت نفوذ مغناطیسی، قابلیت نفوذ دیالکتریکی و آهنربایش ماده قرار میگیرد. با به کار بردن یک میدان مغناطیسی DC خارجی، واکنشی بین سینگال مایکروویو و محیط انتشار موج(فریت) صورت میپذیرد که امکان کنترل آن را فراهم میسازد.
بیش از 100 نوع ترکیبات فریتی به عنوان فریتهای مایکروویو برای تولید تجهیزات مخابراتی معرفی شدهاند. مواد فریتی نرممغناطیس در وسایلی نظیر: مبدلها، موتورها، ژنراتورها، سولونوئیدها، رلههایDC و حفاظهای مغناطیسی بکار برده میشوند. با وجود مقاومت الکتریکی بالا و خواص مغناطیسی خوب، از این فریتها به عنوان یک هسته عالی برای فیلترها در محدوده فرکانسی 50 – 450KHz استفاده میشود.
با گسترش صنعت تولید تلویزیون در سال 1950، اهمیت صنایع تولید فریتها بیشتر نمود پیدا کرد. هستههای فریتی در سیستم تقارب اشعه الکترونیکی لامپ تصویر تلویزیون و ترانسهای ولتاژ، مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین از فریتهای نرم در منابع تغذیه از نوع (Switch Mode) که کاربردهای وسیعی، در کامپیوتر و مخابرات دارد، استفاده میگردد.
در سال 1970 هستههای فریتی بطور گستردهای برای فیلترها در وسایل مربوط به سیستمهای مخابراتی مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1980 از هستههای فریتی در منابع تغذیه فرکانس بالا استفاده گردید. اکثر فریتهای اسپینلی رایج، یکی از انواع فریتهای منگنز-روی و نیکل- روی میباشند که در ترانسفورماتورها، سلفها و هدهای ضبط صوت یا ویدئو به کار میروند.
عملکرد فریت منگنز- روی ترجیحاً برای فرکانسهایی تا 1MHz میباشد. بقیه فریتهای اسپینیلی نظیر منیزیم- منگنز، نیکل- روی و فریتهای لیتیمی در تجهیزات مایکروویو، مورد استفاده قرار میگیرند. بقیه کاربردهای مربوط به فریتهای نرممغناطیس شامل هستههای حافظه، سنسورهای دمایی، اجزاء موتورهای الکتریکی، هستههای ترانسفورماتورها و حذفکنندهای نویز الکتریکی میباشند.
از میان فریتهایی که به آنها در این مقوله اشاره شده است، فریتهای هگزاگونالی خواص ویژهای دارند که آنها را برای استفاده در فرکانسهای بالا (>100MHz) مناسب کرده است.
فریتهای نیکل- روی برای فرکانسهای بالاتر از فرکانس کاربردی فریتهای منگنز- روی ترجیح داده میشوند، زیرا دارای هدایت الکتریکی پائینتری میباشند. از فریتها معمولاً به عنوان آنتنهای گیرنده در رادیوها استفاده میشود و به جرات میتوان گفت تقریباً تمام گیرندههای رادیویی AM از این آنتنها استفاده میکنند.
نکته قابل ذکر دیگر اینکه، شکل هستههای فریتی با توجه به خواص مکانیکی و مغناطیسی ویژه طراحی میشود. به عنوان مثال اشکال مختلفی از هسته برای سلفهای دارای ضریب کیفیت بالا (Q-Factor) و اتلاف پایین مورد نیاز میباشد.
توسعه بازار مربوط به فریتهای مایکروویو، وابسته به توسعه سیستمها و تجهیزات مخابراتی و نظامی نظیر رادار و غیره میباشد. فریتهای مایکروویو نظیر گارنت ایتریم-آهن به عنوان هدایتکنندههای امواج برای انتشار امواج الکترومغناطیس و جابجاکنندهای فازی (Phase Shiftr) استفاده میشوند. از دیگر کاربردهای فریتهای مایکروویو میتوان به ایزولاتورها، سیرکلاتورها، اسیلاتورها، سوئیچها و فیلترها اشاره کرد.
کار برد های سرامیکهای زیرکونیایی ZRO2
تحقیق درمورد زیرکونیا مورد توجه شمار زیادی از دانشمندان و متخصصین میباشد امروزه کاربردهای تجاری فراوانی برای صنعت سرامیک مهندسی موجود می باشد.
عنصر زیرکونیم در صخره های آتشفشانی یافت میشود و این عنصر بصورت اکسید بادلیت آزاد، که همواره مقادیر جزیی از اکسید هافنیم به همراه دارد، و به صورت اکسید مرکبی با سیلیسیم به نام زیرکن (Zro2، Sio2 ) نیز پیدا میشود.
زیرکونیا دارای سه فاز کریستالین مونوکلینیک، تتراگونال و کوبیک میباشد که در هر فاز دارای نقطه ذوب و دانسیته متفاوت است ومونوکلینیک در دمایc º1170 به تتراگونال تبدیل میشود و در دمای c º 2370 به فاز کوبیک و از آن پس تا نقطه ذوب برابر c º 2680 به فاز مایع تبدیل میگردد.و به همین دلیل در صنعت استفاده از زیرکونیا زیاد میباشد.
زیرکن رایجترین و به طور وسیع پراکنده ترین کانی تجاری میباشد . این کانی که در ابتدا با رسوبات آتشفشانی همراه بوده است ، بواسطه تلفیقی از تاثیرات آب و هوایی و تغلیظ ناشی از دانسیته بالایش بصورت رسوبات ثانوی و پر حجمی در ماسه های ساحلی تجمع یافته است .روشهای تولید محصولات زیرکونیایی کاملاً وابسته به خلوص آن میباشد. خواص سرامیکهای زیرکونیا بر این مطلب اشاره دارد که ترکیب استحکام، چقرمگی (مقدار انرژی لازم برای شکست مکانیکی) و مقاومت شیمیایی امکان کاربرد این مواد را در محیطهای خشن و سخت تحت شرایط بارگذاری شدید، فراهم میسازد. مثلا سرامیکهای دارای آلومیناو زیرکونیا در مقایسه با آلومینای معمولی دارای استحکام ، چقرمگی و مقاومت سایشی بیشتری هستند و در نتیجه میتوان از کاربرد سرامیکهای کامپوزیت (کامپوزیتها اختلاطی از دو یا چند ماده مجزا از نظر فیزیکی و شیمیایی هستند که خواصی را در مجموع ایجاد میکنند که بر خواص مواد سازنده آنها ارجعیت دارند.)، نوک ابزار برش را نام برد. استفاده دیگر ازاین سرامیکها در ساخت قطعات موتور خودروها، به ویژه موتورهای دیزل میباشد، از این ماده میتوان در قسمتهایی از موتور که فشار زیادی را در درجه حرارت پایین تحمل میکند استفاده کرد. عملی ترین کاربرد این ماده استفاده از آن در پوشش سر پیستونها است که با استفاده از خاصیت هدایت حرارتی پایین آن بصورت عایق حرارتی عمل میکند و باعث کاهش گم گشت حرارتی از محفظه احتراق شده و در نتیجه بازدهی و طول عمر موتور را افزایش میدهد.
همچنین یکی دیگر از کاربرد های زیرکونیا که فعلا مورد تحقیق و بررسی میباشد، به عنوان یک ماده بیولوژیکی قابل نصب به جای مفصل فرسوده در بدن انسان میباشد. از موارد مورد استفاده دیگر میتوان عایق های حرارتی و آجر نسوز را نام برد. در این مورد میزان و نوع تخلخل سرامیک تولید شده، تاثیر تعیین کننده ای در خواص حرارتی آن دارد ،( تخلخل به دو دسته تبدیل میشود: تخلخل باز و تخلخل بسته. به تخلخلی که به سطح آزاد جسم راه داشته تخلخل باز و به تخلخلی که از هیچ راه به سطح آزاد مرتبط نیست ودر انتهای عمل پخت حاصل میشود ، تخلخل بسته میگویند.) آنچه در خوردگی آجر مهم است تخلخل باز است و همچنین باعث کاهش استحکام و بارپذیری آجر نیز میشود ولی باعث افزایش مقاومت به شوک حرارتی نسوز میشود زیرا حفره بعنوان عامل کند کننده رشد ترک عمل میکند بطوریکه عوامل بسیاری بر روی تخلخل ظاهری ، نمونه ها بعد از عملیات حرارتی موثر میباشد که از جمله این عوامل میتوان به نوع و توزیع دانه بندی مواد اولیه مورد استفاده و چگونگی توزیع مواد چسبی در بین ذرات سیستم اشاره کرد همچنین به فشار پرس، دما، زمان پخت و افزودنیهای خاص نیز می توانند در دانسیته و تخلخل موثر باشند.
با اضافه کردن اکسید آلومینیوم Al2o3 و ااکسید منیزیم MgO میزان تخلخل کاهش می یابد وبا اضافه کردن Fe2o3 میزان تخلخل افزایش می یابد.
از آنجا که سرامیکها از دانسیته پایین تر و مقاومت پوششی عالی نسبت به فلزات برخوردارند و همچنین با توجه به خواص مقاومت حرارتی بالای این مواد، از انها در ساخت ماشینهای درون سوز نیز استفاده میشود و و همچنین کاربردهای فراوانی را در صنعت دارا میباشند.

فهرست مطالب
1-1-کاربردهای پزشکی: 2
ویژگی های نانوسرامیک ها: 6
کاربردهای نانوسرامیک : 7
پتانسیل و کاربردهای تجاری فعلی نانوسرامیکها 8
سرامیک های الکترونیکی: 9
سرامیکهای ساختاری: 9
پودرها و افزودنیها: 10
1-4-سرامیکهای مغناطیسی: 11
پنج رویداد تاریخی تا ظهور مغناطیس های خاک نادر: 11
پیشرفت های پس از ظهور SmCo5 و بروز مشکلات 13
ظهور NdFeB 14
حضور چین در بازار 16
1-5-کاربردهای سرامیکهای مغناطیسی: 17
کار برد های سرامیکهای زیرکونیایی ZRO2 25

29