metallurgydata متالورژی دیتا

توسعه ی تکنولوژی های نظامی پیشرفته به کمک علم سرامیک
مواد سرامیکی گوناگونی راه خود را برای ورود به وسایل نظامی و تکنولوژی های دیگر، پیدا کرده اند. اجزای موتور (engine components)، پوشش های محافظت کننده پرتابه ها از رادار (missile radomes)، زره های شخصی و زره های مخصوص وسایل نقلیه تنها قسمت کوچکی از این کاربردهاست. در ۵۰ سال گذشته، سرامیک ها برای محافظت پرسنل و وسایل سبک نظامی در برابر سلاح های سبک و تهدیدات سلاح های جنگی، استفاده شده است.
خواص متمایز سرامیک های پیشرفته (advanced ceramics) شامل موارد زیر می شود:
۱- سبکی (light weight)
2- توانایی مقاومت در برابر دماهای خیلی بالا
۳- سختی (hardness)
4- مقاومت در برابر سایش
۵- مقاومت در برابر خوردگی
۶- سطوح کم اصطکاک
۷- خواص الکتریکی ویژه
این خواص ممتاز موجب برتری سرامیک ها در برابر مواد مرسوم در تولید جنگ افزارهای نظامی مانند فلزات و پلاستیک ها است. به همین دلیل، سرامیک ها شالوده ای برای تولید سبک ترین و بادوام ترین زره های مخصوص بدن انسان است. این زره های مخصوص بدن برای محافظت در برابر گلوله های متوسط و کوچک مناسب هستند. برای تولید این زره ها ترکیباتی بهینه از سیلیسیم کاربید و بورکاربید برای محافظت حداکثری از بدن استفاده می شود که این مواد در حالت گرم پرس می شوند. سیستم های زرهی کامل که شامل صندلی های زرهی سرامیکی، اجزا و سیستم های کنترل هواپیماست، در هلی کوپترهایی مانند Apache, Chinook, Blakhawk, Super Cobra, Super Puma, Gazelle و دیگر انواع هلی کوپترهای نظامی دیده می شود. قطعات زرهی کاشی مانند نیز در بسیاری از هواپیماهای دارای بال ثابت مانند C17, C130 استفاده می شود.
صفحات خمیده ی تکی، دوتایی و سه تایی و سیستم های زرهی چندگانه (multi- hit armor system) دارای ترکیب شیمیایی بور کاربید و سیلیسیم کاربید هستند که این مواد جزء مواد سرامیکی پیشرفته محسوب می شوند. این سرامیک های پیشرفته دارای عملکردهای خاصی است که نیروهای اعمالی به بدن، پهلوها و شانه ها را دفع می کند. محافظت پیشرفته برای نواحی آسیب پذیری دیگر بدن شامل مفصل ران ها، زانوها و بازوها نیز در دست طراحی است.
ارتش آمریکا در حال توسعه ی کامپوزیت های فلز- سرامیک و مخلوط های سرامیک – فلز هیبریدی است. این مواد باعث بهبود عملکرد این تولیدات می شود. اولین نوع از این زره ها، زره های سرامیکی پوشش داده شده با فلز است. که این آلیاژها باعث به تأخیر افتادن شکست سرامیک های مورد استفاده در کاربردهای بالستیکی می شوند.
علت این امر این است که فلز با سرامیک پیوند بهتری برقرار می کند. نوع دوم که در Stryker-Interim Amared Vehicle یافت می شود، از یک کامپوزیت با زمینه ی پلیمری استفاده می کند که بوسیله ی فلزاتی محافظت می شود. کاربردهای دیگر برای زره های سرامیکی شامل: وسایل جنگی مورد استفاده در دریا ( که قبلا به آنها وسایل تهاجمی آبی- خاکی نیز می گفتند) و سیستم های زرهی که در آینده ارتش آمریکا از آنها بهره می گیرد، می شود.
سرامیک های شفاف، قهوه ای دید را بهتر می کنند
به دلیل اینکه سرامیک ها انواع مشخصی از طول موج های الکترومغناطیس را از خود عبور می دهند ( که این طول موج ها می توانند در گستره ی طیف سفید و یا انواع دیگر از طول موج های الکترومغناطیس باشد) می توان از آنها در ساخت کلاهک رادارهای مادون قرمز، محافظ سنسور (Protection Sensor) و پنجره های چندین طیفی (multi- spectral windows)، استفاده کرد. علاوه بر این خواص نوری، سرامیک ها مقاومت در برابر سایش مطلوب، استحکام و پایداری گرمایی خوبی نیز دارد. نوع خاصی از شیشه – سرامیک ها توانایی برآورده سازی احتیاجات پنجره های الکترومغناطیس مورد استفاده در گلوله های توپخانه را دارند که علت این امر خواص الکتریکی مطلوب این ماده و سازگاری با دماهای بالاست.
از سیلیسیم نیترید (یک سرامیک غیر اکسیدی) برای ساخت پوشش های راداری پرتابه ها استفاده می شود که این ماده مخصوصاً برای ساخت پوشش های راداری پرتابه ها استفاده شده است و جزء جدیدترین تکنولوژی های پدافند هوایی مورد استفاده است. علت استفاده کردن از آن استحکام مکانیکی مناسب و خواص دی الکتریک این ماده است. این ماده اجازه می دهد تا امواج ماکروویو و دیگر انرژی ها از داخلشان عبور کرده تا رادار بتواند اهداف درحال نزدیک شدن را رهگیری کند.
استحکام این ماده اجازه می دهد تا سیستم های پرتابه در برابر ایروژن و دمای بالایی که در طی پرواز در جو و با سرعت های واقعاً بالا بوجود می آید مقاومت کنند. همچنین توسعه ی پنجره های مادون قرمزی که در حال انجام است که در این پنجره ها از نانوکریستال های اکسید ایتریم برای کاربردهای پرتابه ای، استفاده می شود.
بهبود خواص شیشه ها و شیشه- سرامیک ها، برای تولید شیشه های زره مانند با عملکرد بالستیک مطلوب، مطرح شده است. شیشه ها را می توان در اندازه های بزرگ و دارای انحنا ساخت و می توان از آنها برای بهبود عملکرد بالستیک استفاده کرد. برای رسیدن به این اهداف یک شیشه ی فیوزد سیلیکایی انتخاب خوبی است. مواد شفاف دیگری نیز برای تولید شیشه های محافظ پنجره ها (windshields) ، پوشش های محافظ منبع احتراق (blast shields) و محافظ سنسورهای هواپیما (Sensor Protection) استفاده شود. یک نوع ماده ی سرامیکی که اسپینل (منیزیم آلومینات) نامیده می شود خواص نوری ممتازی در ناحیه ی مادون قرمز دارد که باعث می شود از این ماده در سنسورها (جاهایی که خواص جذبی محافظین سنسورها بسیار مهم است) استفاده می شود.
بهبود راندمان موتور توربینی (turbine engine)
هلی کوپترهای نظامی در آینده می توانند دورتر پرواز کنند و همچنین بار بیشتری حمل کنند. و همه ی این توانمندی ها را مدیون علم سرامیک هستند.
بازده موثر موتورهای توربینی با استفاده از کامپوزیت های زمینه سرامیک و پوشش های محافظ (به خاطر سازگاری گرمایی بالایشان)، بالا برده می شود. سرامیک ها پتانسیل کار در دماهای بالای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد را با کمترین خنک سازی (یا بدون خنک سازی) دارند. همچنین کامپوزیت ها ۳۰-۵۰ درصد آلیاژهای فلزی که هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند، سبک ترند.
هنگامی که کامپوزیت های مورد استفاده در محفظه ی احتراق و پره های توربین با مواد سرامیکی پوشش داده شوند، دمای کاردهی تا ۱۶۵ درجه c افزایش می یابد و اجزای محفظه ی احتراق، از ترکیب شدن محافظت می شود. یک روش پوشش دهی که در آن از چندین جزء سرامیکی استفاده می شود، توانسته است پوششی تولید کند که ۳۰۰ ساعت کار در دمای ۱۵۶ درجه cرا تحمل کرده است. این پوشش ها بر پایه ی هافنیم اکسید ساخته شده است.

 

رشد سالم در بسیاری از بخش های بازار سرامیک های تخصصی یک فضای مطمئن و بسیار امیدوارکننده را برای آینده این صنعت رقم زده است. این امر با وجود روند اخیر افزایش بهای انرژی و سطوح سخت رقابتی ، نه تنها بین شرکت ها بلکه بین مواد جایگزین نیز صورت پذیرفته است.

یک محدوده کلی از استفاده رایج مواد سرامیکی پیشرفته از قبیل آلومینا ، زیرکونیا ، کاربید سیلیسیم ، نیترات سیلیسیم و سیالون وجود دارد که می تواند از نظر خواص ، قیمت و با همان کاربردها با مواد دیگر مشابه رقابت کند.

یک حقیقت اساسی در رابطه با اطمینان موجود در صنعت این است که این گونه به نظر می رسد که به طور کلی در شرایط اقتصادی کنونی بسیاری از بازارهای عمده مصرف کننده از قبیل کاربردهای پزشکی ، تجهیزات الکترونیکی و کاربردهای هوا و فضا که نسبت به دیگر بازارها وابستگی کمتری دارند.

این رشد منجر به افزایش مصرف مواد معدنی ، به خصوص برای عیارهای آلومینا و زیرکونیا با خلوص بالا گردیده است. هرچند مصرف مواد معدنی در بخش سرامیک های صنعتی تنها یک سهم اندکی از مصرف کلی را به خود اختصاص داده است البته با یک ارزش افزوده بالاتر.

روند اصلی برای تولیدکنندگان سرامیک های تخصصی ، تولید مجموعه ای از مواد تخصصی تر و با خصوصیات فنی تر می باشد.

دیگر ویژگی برجسته عرضه مواد معدنی مورد لزوم صنعت سرامیک های تخصصی ، در کنار ارزش افزوده بالا و ظرفیت پایینشان ، این است که از نظر بازار حامی این تولید کنندگان بوده و رابطه ای بین مصرف کنندگان محصولات آنان باشند.

سرامیک های صنعتی یا پیشرفته یک گروه بزرگ و متنوع از مواد را شامل می شوند که برای کاربردهای وسیعی جهت مصارف خاص و غالب اوقات سفارشی برای یک هدف معین تولید شده اند.

این بدان معنیست که هیچ گونه تعریف مشخصی برای سرامیک های تخصصی وجود ندارد ، بلکه شامل یک چتری است که مواد سرامیکی بسیار ویژه با خواص مکانیکی ، الکتریکی ، حرارتی ، بیولوژیکی و شیمیایی بسیار بالا را پوشش می دهد. سپس این مواد برای استفاده به عنوان اجزاء سازنده  درکاربردهای هایتک (تکنولوژی بالا) بهینه می گردند.

سرامیک های مهندسی اصطلاح دیگری می باشد که اغلب به طور گسترده ای در مورد سرامیک های به کار گرفته شده در صنایع ساختمانی ، محیطی و فرایندهای شیمیایی استفاده می شود و در الکترونیک چندان کاربردی ندارند.

در سال 2007 کل بازار سرامیک های مهندسی در اروپا در حدود 2،900میلیون دلار بالغ گردیده و در همین سال بازار برای سرامیک های مهندسی در ایالات متحده 2،000 میلیون دلار بوده و تا سال 2012 مصرف سرامیک های مهندسی در اروپا متجاوز از4،100میلیون دلار و در ایالات متحده2،600 میلیون دلار تخمین زده شده است.

از نظر جغرافیایی ، آلمان بزرگترین مصرف کننده سرامیک های تخصصی در اروپا می باشد که بالغ بر 43 درصد میزان مصرف کل اروپا را به خود اختصاص داده است. همچنین ، آلمان در این زمینه یک تولید کننده بزرگ نیز به حساب می آید که بیش از مقدار مصرفش تولید می کند، در حالی که ایالات متحده یک وارد کننده صرف می باشد.

به تعدادی از این بازارها در جدول ضمیمه اشاره گردیده است که کاربردهای وسیع صنایع استفاده کننده سرامیک های تخصصی به روشنی در آن مشخص گردیده است.

هوا و فضا

سرامیک های تخصصی نقش های کلیدی بسیاری را در صنایع هوافضا بازی می کنند. آلومینا ، نیترید سیلیسیم ، و نیترید آلومینیوم به دلیل حفظ پایداری ابعادشان در محدوده های دمایی بسیار بالا و دارا بودن استحکام مکانیکی بالا ، در قطعات حساس مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین این مواد دارای مقاومت شیمیایی و نسبت سفتی به وزن بسیار خوبی می باشند.

آلومینا ، نیترید سیلیسیوم و نیترید آلومینیوم در سیستم های کنترل و تجهیزات هواپیما ، سیستم های هدایت موشک و تجهیزات موقعیت یابی ماهواره ای مورد استفاده قرار می گیرند. دیگر کاربردهای این مواد شامل چسب هایی برای موتورهای توربینی گازی ، نصب خطوط انتقال سوخت، سیستم های احتراق موتور ، سیستم های آشکارسازی و اطفاء حریق ، صفحات نمایشگر تجهیزات و سرعت سنج ها می باشد.

همچنین مواد سرامیکی الکترونیکی ( پیزوالکتریک و دی الکتریک) نیز در صنعت هوا و فضا در حسگرهایی برای تعیین لرزش ، ژیروسکوپ ها (گردش نما) و حسگرهای سطح یاب برای مخازن سوخت مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال کارخانه سرامیک های تخصصی Morgan در شهر ساوث همتون کشور انگلستان ، در حال حاضر تأمین کننده قطعات برای هواپیمای بویینگ 777 با یک تجهیزاتی شامل پیزوسرامیک ها برای 52 حسگر مافوق صوت مخزن سوخت آن و حسگرهای مشابه که در هواپیماهای جنگنده مورد استفاده قرار می گیرند، می باشد.

در حال حاضر شرکت های هواپیمایی تجاری و همچنین برنامه های فضایی و دفاعی به از نظر کاهش هزینه ها  تحت فشارهای زیادی قرار دارند و هم زمان ملزم به افزایش کارایی خود می باشند. هرچند با افزایش تقاضا برای حمل و نقل مسافر و محموله های تجاری ، فروش آن در بخش های نگهداری ، تعمیر و بازرسی رونق خوبی گرفته است. همچنین بخش ساخت هواپیماهای جدید از قبیل هواپیماهای عظیم الجثه برای حمل کالا و جت های داخلی نیز با افزایش فروش مواجه گردیده است.

یکی از کاربردهای آتی این مواد در کاوش های فضایی است که توسط بخش سرامیک های تخصصی Morgan واقع در Erlangen کشور آلمان در دست ساخت می باشد و در رابطه با برنامه توسعه فضایی اروپا بوده که شامل مخازن تخلیه بار از جنس آلومینا برای سیستم نیروی محرکه یونی می باشد. موتورهای یونی می توانند از نظر وزنی یک جایگزین سبک برای موتورهای شیمیایی باشند که سفینه ها را قادر خواهند ساخت تا 10 برابر سریعتر حرکت کرده و مسافت های بیشتری را بپیمایند.

صنعت خودرو

در حال حاضر در صنایع اتوموبیل سازی بیش از 50 کاربرد متفاوت برای سرامیک های تخصصی وجود دارد و این کاربردها به طور روز افزون در حال افزایش می باشند.  در طی ده سال گذشته ، خواص قدرتمند حرارتی ، الکتریکی و شیمیایی ، سرامیک ها را به طور فزاینده ای به یک جایگزین پردوام  جذاب و ارزان قیمت به جای فلزات مبدل کرده است.

سرامیک های تخصصی دارای کاربردهایی برای کاهش سروصدا ، کنترل حرارتی ، فیلتراسیون و سایش در تمامی بخش های صنعت حمل و نقل از تراکتورها گرفته تا اتوبوس ها و موتورسیکلت ،می باشند.

هم آلومینا (اکسید آلومینیوم) و هم زیرکونیا(اکسید زیرکونیوم) در دماهای بالا یک استحکام مکانیکی بالا و پایداری ابعادی را از خود نشان می دهند. سختی آلومینا این ماده را به یک جایگزین ارزان به جای فلزات به عنوان درزگیر در موتورهای دیزلی به دلیل اینکه بتونه های فلزی پوششی سریعاً پوسیده می شدند و اکثر اوقات نیاز به جایگزین داشتند ، مبدل کرده است.

 

بازار سرامیک های تخصصی مصرف کننده مواد معدنی

قطعات موتور گرمایی، درزگیرها ابزار و تیغه های برش کیفی ابزار ضد فرسایشی برای شکل دهی فلزات قطعات مورد استفاده در دما و انرژی بالا قطعات مورد استفاده در مهندسی مکانیک قطعاتی برای ماشین های نساجی عایق الکتریکی لوله ها و میله ها برای مقاومت فیوز و محترق های گازی	سرامیک های ساختمانی
عایق ها ، زیرلایه و پکیج های IC ، خازن ها سرامیک های پیزو الکتریک ، گوشی های موبایل، ایپود ، LED های قدرتمند(سیستم های سبک)	سرامیک های الکتریکی و الکترونیکی
موتورهای سفینه ها و هواپیماها ، موتورهای خودروهای دیزلی و موتورهای دریایی	پوشش های سرامیکی
اورتوپدی ، ستون فقرات ، دندانپزشکی ، ساخت مفاصل مصنوعی	پزشکی
تسلیحات سرامیکی برای هواپیماها  و خودرو های نظامی	هوافضا وتسلیحات
کاتالیزورهای خودرو سازی ، کاتالیزورهای اگزوزهای دیزلی ، گیج های سوخت ، کنترل کننده های فشار تایر ، موتورهای هیبریدی ، باتری های سوختی (APU) ، کامپوزیت های زمینه فلزی و مغزی های نمکی سرامیکی	صنعت خودرو
کاتالیزورهای سه شاخه خودرو سازی ها، کاتالیزورهای لوله اگزوز دیزلی، کاتالیزورهای خروجی های صنعتی و نیروگاه ها ، صنعت نفت و شیمی	کاربردهای کاتالیزوری
فلزات مذاب ، اگزوزهای موتورهای دیزلی ، گازهای فرایند گرم	فیلترها
درگیرها ، آسترهای سرامیکی ، قطعات یاتاقان ها، محصولات عایق بندی آب بندی	پمپ و بخش های یاتاقان
تجهیزات کوره ای ، قطعات حمل فولاد مذاب ، پوشش ها ، نازل ها ، ورق های دریچه های کشویی ، عایق های حرارتی ، توپی ها	محصولات دیرگداز خاص

 

همچنین در حال حاضر ، صفحات آلومینا  در کامیون های سنگین برای کنترل سوپاپ های هوای فشرده لازم جهت تنظیم سطح تعلیق کابین ، شاسی یا صندلی ، مورد استفاده قرار می گیرد.

در پمپ هاب آب نیز ، یاتاقان های سرامیکی جانشین مناسبی برای یاتاقان هایی با محوری از جنس فولادهای کربنی شده اند. یاتاقان های سرامیکی در برابر تأثیرات سایشی ذرات موجود در آب مقاومت بیشتری را نشان داده و در نتیجه ضریب اطمینان را افزایش می دهند. با توجه به کارگیری از این سرامیک ها در دستگاه های توربوشارژر و یاتاقان ها  ، رشد استفاده از موتورهای دیزلی به ویژه در بازار کامیون با افزایش مواجه گردیده است.

با توجه به نیاز به کنترل مواد آلاینده خصوصاً توسط کامیون های سنگین ، بازار سرامیک های تخصصی در مبدل های کاتالیکی با رشد همراه بوده است. دکتر جان بریگز اظهار داشت که کاربردهای کاتالیزور در اگزوزهای اتوموبیل هایی با موتور دیزلی به رشد خود ادامه خواهد داد، چون در ظرف دو تا سه سال آینده در اروپا و ایالات متحده امریکا مقررات جدید آلودگی هوا به کار گرفته می شود.

هم اکنون ، در اروپا استفاده از فیلترهای ذرات ریز و کاتالیزورهای اکسیداسیون نسبت به ایالات متحده امریکا رواج بیشتری پیدا کرده است. به هر حال یکی از زمینه های رشد عمده در هر دو منطقه می باشد و در آینده در دیگر مناطق نیز به اجرا در خواهد آمد.

نظر به این که در صنایع هوافضا ، خواص پیزوالکتریک سرامیک های PZT ،در حسگرهای سطح سنج اولتراسونیک در مخازن سوخت خودروها منجر به ارائه دقت بیشتر می شود ، از این رو این سرامیک ها جایگزین گیج های شناور متداول گردیده اند.

سرامیک های PZT نشان داده اند که در شرایط بد سوختی بسیار مقاوم می باشند. همچنین پیزوسرامیک ها به شکل قوس های موجود در سیستم های صندلی های راحت در مدل های پیشرفته خودرو  به کار گرفته می شود که با استفاده از دریچه هایی  ایجاد اثرات ماساژ می کنند.

پیزوسرامیک ها همچنین در سیستم های کنترل فشار لاستیک اتوموبیل ها  به کار گرفته می شوند که در ماه نوامبر سال 2006 در کشور ایالات متحده تبدیل به یک استاندارد ایمنی مجاز گردید. سرامیک در داخل لاستیک اتوموبیل قرار می گیرد و توانایی منحصر به فرد آن برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی بدین معنی است که هر وقت نیروی مکانیکی بر اثر حرکت  لاستیک بر روی زمین بر سرامیک اعمال می شود ، سرامیک از خود الکتریسیته ساطع می کند که بر روی مانیتور خودرو مشاهده می شود.

طبق سخنان دکتر Zimmermann مدیرعامل شرکت CeramTec در سمینار اخیر ، در آینده کاربرد سرامیک ها در خودروهای مدرن و پیشرفته افزایش خواهد یافت که به سرامیک هایی با کارایی بالا در موتورهای هیبریدی ، باتری های سوختی (APU) و کامپوزیت هایی با زمینه فلزی می توان اشاره نمود .

رونق تسلیحات دفاعی سرامیکی

در طول چهارسال گذشته ، هزینه های دفاعی در زمینه کاربرد ترکیبات سرامیکی افزایش چشمگیری پیدا کرده و تسلیحات سرامیکی سریع ترین رشد را در بازار در کشور ایالات متحده داشته اند.

تا 11 سپتامبر ، هزینه ها با رکود مواجه بود اما جنگ در عراق و افغانستان بازارهای تسلیحات سرامیکی در ایالات متحده را بین سال های 2003  و 2006 با ده برابر افزایش مواجه گردیده و در سال 2006 بالغ بر 550 میلیون دلار گردید.

هرچند هزینه ها در امریکا ، به عنوان بزرگترین بازار ، به اوج خود رسیده و احتمال می رود با کاهش اندکی مواجه شود چون بخش اعظم ارتش ایالات متحده در طی این دوره دوباره تجهیز گردیده است.

تجهیزات الکترونیکی

کاربردها برای سرامیک های تخصصی در بخش الکترونیک شامل ارتباطات ، لیزرها ، تکنولوژی های الکترونیک نوری و سخت افزار فناوری اطلاعات(IT) می باشد. به دنبال افزایش چشمگیر در تقاضا برای ذخیره سازی اطلاعات در رایانه های خانگی از قبیل ذخیره سازی فایل های صوتی ، تصویری و عکس ها و همچنین در حالت پیشرفته تر برای بازپخش برنامه های تلویزیونی و ضبط آنها ، رشد در بازار سخت افزار IT سرعت گرفته است.

همچنین قطعات ساخته شده از سرامیک های صنعتی در پیریزهای لمسی و اتاق های پردازش ، تجهیزات پردازش نیمه رسانا و وافرهای تولید  در کارخانجات مورد استفاده قرار می گیرد.

بازار لیزر نیز از مصارف روزافزون سرامیک های تخصصی بی نصیب نمانده و تعداد کاربردهای آن به عنوان قطعات کوچکتر و به صرفه تر از نظر اقتصادی با افزایش مواجه شده است. در این راستا رشد بازار شامل تجهیزات دندانپزشکی ، ابزار جراحی ، وسایل علامت گذاری محصولات و همچنین ابزار طیف سنجی نیز شده است.

رشد به واسطه افزایش تقاضا برای تجهیزات نقشه برداری در ارتش و کاربردهای تجاری می باشد.

پزشکی

قطعات و اجزاء فرعی ساخته شده از سرامیک های تخصصی به دلیل دوام بلند مدت و سازگاری با شرایط بدن در بسیاری از روش های رشته پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.

مهمترین کاربردهای این مواد به عنوان اندام مصنوعی و ابزارهایی با قابلیت ایمپلنت که به طور فزاینده ای پیشرفت کرده اند و همچنین تجهیزات جراحی و عیب یابی می باشد.

در حال حاضر استفاده از این سرامیک ها در مفاصل سرامیکی ران یکی از تکنولوژی های ایجاد شده مناسب می باشد و دیگر مفاصل از قبیل زانوها ، انگشتان و ایمپلنت های نخاعی در مرحله آزمایشات بیمارستانی می باشد. از دیگر موارد کاربرد این مواد می توان به سیستم های لیزر و جابه جایی سیالات اشاره نمود.

با توجه به نسبت جمعیت سالمند در آمریکای شمالی و اروپا، این گونه به نظر می رسد که بازار سرامیک های تخصصی در بخش پزشکی به روند رو به رشد خود ادامه می دهد. علاوه بر آن حرکت به سوی تکنیک های جراحی بسته یک نیاز برای توسعه قطعات سرامیکی کوچکتر و پیچیده تر را ایجاب می کند.

در امریکای شمالی واقع در Coorstek ایالا متحده، در مطالعات اخیر تعدادی از انواع مواد معدنی ،با علامت تجاری CeraPure ، که به طور ویژه برای بازارهای پزشکی طراحی گردیده و شامل آلومینا ، زیرکونیا و اکسید زیرکونیوم تقویت شده با اکسید آلومینیوم می باشند که شرکت این محصولات را به نام نسل آینده معرفی کرده است.

پاکسازی محیطی

بزرگترین بازار در کاربردهای محیطی برای سرامیک های تخصصی ، فیلترهای مخصوص و کاتالیزورهای تقویتی برای وسایل نقلیه و کارخانجات صنعتی و پوشه ها یا غشاء ها می باشند. این موارد یک دامنه وسیعی از صنایع را در بر می گیرند که شامل کاتالیزورهای سه راهه اتوموبیل ، کاتالیزورهای اگزوز موتورهای دیزلی، کاتالیزورهای تقویتی نیروگاه ها و تشعشعات صنعتی و همچنین در صنایع نفتی و شیمیایی می باشد.

با افزایش تولیدات جهانی برای پاسخگویی به رشد فزاینده تقاضای انرژی، فروش در بخش فرایندهای هیدروکربنی برای حذف آلودگی با افزایش مواجه شده است.

به طور کلی ، پیش بینی می شود تا سال 2009 بازار سرامیک های سازگار با محیط زیست در اروپا به حدود 361/1 میلیون یورو و در ایالات متحده به 871 میلیون یورو برسد. برخی از این آمارها متعلق به کاتالیزور سرامیکی  de-NO_xمورد استفاده در صنایع به ویژه در ایالات متحده امریکا می باشد.

دیرگدازها

با توجه به تعدد پروژه های پتروشیمی و فولادی در کشور چین ، کشورهای خاور میانه و همچنین هند در طی دو تا سه سال گذشته ، دنیای سرامیک های تخصصی حرارتی ، به خصوص دیرگدازها بسیار سودآور بوده است. همچنین پیش بینی می شود مصارف دیرگدازهای با کارایی بالا در کشورهای چین و هند با در میان مدت رشد مواجه گردند.

در صنایع دیرگداز یک روند رو به رشد در استفاده از آلومینا های واکنش پذیر( اکسیدهای آلومینیوم آسیاب شده بسیار ریز) در دیرگدازهای یکپارچه با کارایی بالاتر با استفاده از سیمان های محتوی آلومینا بالای کمتر، وجود دارد.

همچنین اکسید آلومینیوم ویژه به کارگرفته شده در دیرگدازهای ریخته گری مداوم ( دریچه های کشویی و مناطق کنترل سیال) و در پاتیل های فولادی با رشد مواجه شده است. به همین دلیل، به واسطه افزایش تولید فولاد و علاوه بر آن بر در نتیجه ارتقاء کیفیت محصولات فولادی شرکت ها و استفاده از دیرگدازها با ارزش افزوده بالا  ، تا حدی رشد وجود داشته است.

در بلند مدت نیز ، آلومینای ویژه می تواند جایگزین محصولات کم تأثیرتر شود و همچنین به عنوان یک جایگزین از مشکلات بهداشتی آنها کم کند. با توجه به تجهیزات کوره ، بازار برای کئوردیریت در حال تنزل بوده ،در حالی که بازار کاربید سیلیکون با ارزش بالا در حال رشد است.

ابزار برشی و سایشی

مصرف سرامیک های تخصصی در ابزار با کارایی بالا برای برش چدن و فولادهای سخت شده ، شاید تنها یک سهم 200 میلیون دلاری از بازار جهانی 6 میلیارد دلاری را به خود اختصاص دهد که در میان بخش های صنایع خودروسازی ، هوانوردی و مهندسی مکانیک پراکنده شده است. رشد در این بخش در نتیجه دگرگونی سرامیک های پیشرفته مزایایی از قبیل افزایش ظرفیت تولید و بهره وری برای فروشندگان آنها به همراه داشته است.

بازار سمباده ها به ویژه برای پرداخت کاری ظریف در بازار صنعت خودرو سازی در حال رشد می باشد. مشتریان آماده برای پرداخت پریمیوم برای محصولاتی هستند که بتوانند زمان توقف ماشین را 3 تا 4 برابر بیشتر کاهش دهد.

همچنین در میزان ظرافت سنگ زنی قطعات نیز پیشرفت هایی به وجود آمده به طوری که تولید کنندگان به منظور اتصال بهتر قطعات مختلف و کاهش مصرف سوخت به دنبال دقت و ظرافت بیشتر می باشند. این امر دوباره نوید یک رشد در مصرف سرامیک های تخصصی به ویژه برای آلومینای تصفیه شده را می دهد.

مواد معدنی استفاده شده در سرامیک های تخصصی

مواد معدنی استفاده شده در سرامیک های تخصصی از نظر تولید بسیار پرهزینه می باشند، اما این موضوع در مقابل درآمد حاصل از تقلیل هزینه و خصوصیات بسیار کارامد ارائه شده توسط مواد تشکیل دهنده این سرامیک ها بی اهمیت می باشد.

این مواد عبارتند از:

• اکسید آلومینیوم با خلوص بالا
• اکسید زیرکونیوم با خلوص بالا
• کاربید سیلیسیوم
• کاربید بور و نیترید کربن

آلومینا

اکسیدهای آلومینیوم بالاتر یکی از مهمترین ویژگی های سرامیک های تخصصی صنعتی می باشد و تولید کنندگان آلومینا در جستجوی توسعه سریع بازار مصرف  تولیدات خود می باشند به نحوی که محصولات به طور مستمر گسترش می یابند تا پاسخگوی نیاز مشتریان باشند.

سرامیک های با اکسید آلومینیوم بالا خواصی از قبیل استحکام بالا ، مقاومت در برابر ضربه و سختی را از خود به نمایش می گذارند و همچنین این مواد دارای مقاومت حرارتی بسیار بالایی نیز می باشند.

یکی از بزرگترین بازارهای آلومینا ، سرامیک های مقاوم در برابر سایش و ابزار برشی می باشند که بالغ بر حدود 35 تا 40 درصد از مقدار کل مصرف را به خود اختصاص می دهند. این بازار در حدود 60 تا 70 هزار تن در سال  در ایالات متحده و همان مقدار در اروپا برآورد می شود.

پیش بینی می شود که این روند رو به رشد با نرخ 3 تا 4 درصد در هرسال ادامه یابد . قطعات سرامیکی سایشی دارای کاربرد وسیعی در بازار شامل ورق های سایشی ، ورق های تخلیه ، نازل ها ، قطعات سوپاپ ها یا دریچه ها ، قطعات پمپ ها و دیگر اقلام مقاوم در برابر سایش می باشد.

بازار سرامیک های الکتریکی  ( عایق ها و شمع ها) از دیگر بازارهای مهم برای این مواد می باشند. در حقیقت سرامیک های عایق موجود در شمع ها محتوی 85 تا 90 درصد آلومینا می باشند و از این رو یک بازار بزرگ برای اکسید آلومینیوم تصفیه شده در سرامیک های تخصصی به شمار می آیند. البته بازار برای شمع های سرامیکی نیز با سرمایه های صنایع خودرو سازی پیوند خورده است.

از دیگر کاربردهای الکتریکی سنتی برای مصرف آلومینای تصفیه شده ، عایق های مقاوم در برابر ولتاژهای بسیار بالا برای خطوط انتقال برق و نیروگاه ها می باشد. این کاربردها ناشی از خواص دی الکتریک عالی آلومینای با کربنات کلسیم پایین و واکنش پذیری بالا می باشد.

اما بازار برای اکسید آلومینیوم در عایق های سرامیکی رو به کاهش می باشد. نه تنها آلومینا می تواند جایگزین دیگر مواد در عایق های سرامیکی شود ، بلکه به طور کلی عایق های سرامیکی منسوخ شده اند و  به تدریج جای خود را به کامپوزیت های مواد پلیمری بخشیده اند. یکی از دلایل بالا این است که آلومینا توانسته است زمینه را برای جایگزینی کوارتز در عایق های رزینی که دارای وزن کمتری در مقایسه با عایق های سرامیکی سنتی می باشند، فراهم نماید.

همچنین نظر به این که زیر لایه های اکسید آلومینیوم دارای مقاومت حرارتی بالاتری نسبت به لایه های پلاستیکی می باشند از این رو آلومینا در کاربردهای الکترونیکی به عنوان یک زیر لایه سرامیکی برای قطعات استفاده می شود. هرچند افزایش کوچک سازی محصولات الکترونیکی منتج به کاهش سطح مورد نیاز می شود.

کاربر آلومینای در حدود 20 تا 30 درصد بیش از دیگر کاربردها از قبیل جایگزینی مفاصل ، کاتالیزورهای خودرو ، فیلترها ، تسلیحات نظامی و ابزار برش  می باشد.

زیرکونیا

اکسید زیرکونیوم در بسیاری از کاربردهای سرامیک های تخصصی استفاده می شود و بازار مصرف کلی آن سالانه در حدود 12 تا 15 هزار تن برآورد می شود. بزرگترین بازار آن برای پوشش های سرامیکی می باشد، که کل مصرف اروپا و ایالات متحده تا اواخر سال 2008 میلادی در حدود 3 تا 4 هزار تن در سال بود. این امر نشان دهنده رشد قابل توجه مصرف این ماده در طی دهه گذشته می باشد.

همچنین در حال حاضر کاتالیزورهای خودرو یکی از بازارهای مصرف مهم برای زیرکونیا محسوب می شوند ، به طوری که طراحی موتور و نیازهای محیطی  کاربرد کاتالیزورها را افزایش داده اند .

در زمینه پیزو الکتریک ، محصولات با قیمتی کمتر در کشورهای چین ، هند و جنوب شرقی آسیا تولید می گردند که به رشد مصرف زیرکونیا در منطقه کمک کرده اند. رشد جدید بازار مصرف زیرکونیا شامل پیل های سوختی و کاربردهای جدید برای PZT ، الکترونیک و پزشکی می باشد.

به طور تاریخی ، کشور ژاپن همواره یکی از مهمترین بازارهای مصرف برای اکسید زیرکونیوم با خلوص بالا برای تولید مواد الکترونیکی و حسگرها می باشد ، به طوری که در سال 2000 سرامیک های خالص 50 درصد از بازار مصرف زیرکونیا را به خود اختصاص دادند. امروزه تقاضا برای پودرهای اکسید زیرکونیوم با خلوص بالا به منظور استفاده در حسگرهای اکسیژن برای موتور خودروها و کوره ها ، پودرهای دی الکتریک/PZT و همچنین سرامیک های ساختمانی دما بالا و استحکام بالا ،در سراسر آسیا و در واقع کل دنیا افزایش پیدا کرده است.

مصرف زیرکونیا در ایمپلنت های دندانپزشکی به طور فزاینده ای در حال افزایش می باشد. در برخی موارد به دلیل مقاومت بیشتر در برابر شکست و استحکام بالای آلومینا، اکسید آلومینیوم ترجیح داده می شود. به طور کلی بازار مصرف زیرکونیا در اروپا و امریکا در ایمپلنت های دندانپزشکی در حدود کمتر از 100 تن در سال برآورد می شود. تا کنون بازار بسیار کمی برای مصرف زیرکونیا در ایمپلنت های مفاصل وجود داشته اما ، مصرف در این زمینه منحصر به کشور ژاپن می باشد و انتظار رشد اندکی می رود.

کاربید سیلیسیوم

 کاربید سیلیسیوم با ارزش بالا ، به طور فزاینده ای در سرامیک های تخصصی استفاده می شود و به مانند آلومینا ، مقدار بسیار زیادی از تولید این ماده در قطعات سایشی سرامیکی و درزگیر ها مصرف می شود. بازارهای مصرف جدید و در حال رشد این ماده معدنی شامل فیلترهای دارای ذرات ریز در موتورهای دیزلی و باطری قدرت زای نوری می باشند.

در حقیقت رشد جالب توجه بازار کاربید سیلیسیوم مصرف آن در فیلترهای موتورهای دیزلی می باشد که در سال 2007 در اروپا یک بازار مصرف 2000 تنی در سال را به خود اختصاص داد و تا اواخر سال 2008 با نرخی برابر با 15 درصد در هر سال به رشد خود ادامه می داد. در کشور ایالات متحده امریکا ، بازار مصرف بسیار کوچکتر می باشد و احتمالاً در حدود 500 تن در هر سال می باشد ، اما اینگونه به نظر می آید که رشد آن سرعت بیشتری به خود بگیرد ، چون مقررات محیطی محکمتری نیز وضع شده اند. در سال در 2009 استفاده از فیلترهای ذره ای دیزلی در کلیه خودروهای دیزلی موجود در کشورهای عضو اتحادیه اروپا  الزامی خواهد شد.

همچنین  میزان فروش کاربید سیلیسیوم در بازار دیرگدازها در کوره های کیلن با افزایش روبرو خواهد شد. در حال حاضر اندکی از 4000 تن در سال کاربید سیلیسیوم در کشورهای اروپایی و امریکا در صنایع دیرگداز مورد استفاده قرار می گیرد.

میزان فروش کاربید سیلیسیوم در تسلیحات نظامی در ایالات متحده بزرگترین بازار برای سرامیک های نظامی در حدود 1000 تن در سال برآورد می شود . در طی 4 سال گذشته رشد مصرف سریع تر شده ، اما انتظار می رود در حال حاضر که با عرضه آن برابر شود.

کاربید برم

پودر کاربید برم یکی از عناصر سازنده کلیدی در تولید تسلیحات نظامی سرامیکی سبک می باشد و از این رو این مهمترین کاربرد این ماده در صنعت سرامیک های تخصصی می باشد.

اگرچه در سه یا چهار سال گذشته فروش این ماده با افزایش چشمگیری همراه بوده است ، رشد آتی سریع این ماده احتمالاٌ بی صداتر خواهد بود. بازار مصرف کلی برای کاربید برم در سرامیک های نظامی در اروپا و امریکا در حدود 1000 تن در سال تخمین زده می شود.

نیترید برم مکعبی (CBN) به عنوان یک ماده ساینده گران قیمت مورد استفاده قرار می گیرد. مقدار کلی مصرف در اواخر سال 2008 در اروپا تنها بین 5 تا 10 تن در سال بود. پتانسیل رشد برای تولید CBN در صنایع اتوموبیل سازی و کاربردهای مهندسی مکانیک ، برای استفاده در ماشین های آسیاب با سرعت بالا در فولاد و سوپر آلیاژها می باشد.

نگاهی به آینده

دکتر زیمرمان ، مدیر شرکت CeramTec ، یکی از تولید کنندگان پیشرو در زمینه سرامیک های تخصصی در دنیا، اظهار داشت که به طور کلی در طی چند سال آینده بخش سرامیک های تخصصی دارای یک پتانسیل رشد 6 تا 8 درصدی خواهد بود.

باید منتظر ماند و دید که آیا بازار می تواند در این حد رشد داشته باشد و دیگر کارشناسان آن را 3 الی 4 درصد پیش بینی می کنند که آن نیز می تواند چشم انداز خوبی در شرایط کنونی اقتصادی باشد.

علاوه بر این دکتر زیمرمان پیشنهاد می کند که زمینه های رشد ویژه شامل سرامیک های زیر لایه ای کیفی برای صنایع الکترونیک ، پیزو الکترونیک و قطعات مخصوص با کاربردهایی در صنایع خودروسازی می باشد.

امروزه نسل های جدیدی از مواد کشف شده اند . آقای پروفسور بیل لی اشاره ای به ساختمان سرامیکی 5/5 میلیون پوندی در کالج سلطنتی انگلیس نمود، که تحقیقاتی در زمینه کاربیدها ، بریدها و نیتریدهای مختلف انجام داده که غالباً غیر اکسیدی هستند و بسیار جالب توجه بوده و علاقه زیادی به تولید آنها وجود دارد.

تحقیقات عمده این مرکز شامل فرایند کامپوزیت ها و غیر اکسید ها در درجه حرارت های فوق العاده بالا و سرامیک های غیر اکسیدی سخت ، پوشش های نازک و اندودکاری ، سرامیک های متخلخل با شبکه منفذی قابل کنترل می باشد.