1- نانوتکنولوژی و سرامیک
به
نظر میرسد که نانوتکنولوژی در سرامیکهای پیشرفته آینده نقش داشته باشد.
در طی دو دهه اخیر، نانومواد باعث انفجاری در زمینه های علمی و صنعتی شده
است و این قابلیت را دارد که انقلاب دیگری در مواد ایجاد کند. توجه به
نانومواد به دلیل ویژگیهای منحصر به فردی است که با این مواد میتوان به
آنها دست یافت و همچنین کاربردهای جالبی که از این ویژگی ها به دست
می آیند. تقویت خواص الکتریکی، مغناطیسی و نوری در مورد این مواد گزارش شده
است.
این ویژگیهای بهبودیافته در مقایسه با ویژگیهای مواد سنتی، دری را به
روی کاربردهای بسیاری میگشایند. برخی از کاربردهای فعلی این مواد در
ساینده ها، کاتالیستها، پوششها، ضبط کنندههای مغناطیسی، غشاها،
ضدآفتابها، چسبها، عوامل کنتراست MRI و تقویت کننده‌ها و پرکننده‌ها در
مواد کامپوزیتی میباشد.
به احتمال زیاد نانومواد کاربردهایی در بیومواد، ابزار برش، حسگرهای گاز،
پیلهای سوختی اکسید جامد، سرامیکهای ساختاری، لایه های ضخیم، پوششهای
ضدسایش و فیلم های عملگر شفاف خواهند داشت.
توجه
اخیر به این زمینه، در گردهمایی سالانه انجمن سرامیک آمریکا در سال 2001
مشهود بود که در آن سمپوزیوم، 79 مقاله به این تکنولوژی اختصاص داده شده
بود. به دلیل کارآیی های نانوتکنولوژی، مؤسسه علوم ملی و انجمن تکنولوژی
آمریکا، سال گذشته مؤسسه نانوتکنولوژی ملی را تأسیس کردند. این مؤسسه 495
میلیون دلار از بودجه سال 2001 را به خود اختصاص داد.
شرکتهای بسیاری در حال تلاش هستند تا محصولات نانوساختاری را به طور
تجاری به بازارهای جدید عرضه کنند. در حال حاضر کشورهای آمریکا ، ژاپن و
آلمان برای تجاری کردن نانوتکنولوژی فعالیت میکنند. همچنین 50 شرکت
آمریکایی نیز در حال تلاش برای توسعه و تولید مواد نانوساختاری هستند.
2- بیوسرامیک ها
بیوسرامیکها
کاربردهای بسیاری در بدن از جمله لگن، شانه، زانو، تعمیر استخوانهای آسیب
دیده، درمان بیماریها و کاشتهای دندانی خواهند داشت. اروپا که سیستم
قانونی دولت آن کمتر محافظه کار است، تحقیقات کلینیکی بیشتری در این زمینه
در مقایسه با آمریکا انجام داده است. در کشور آمریکا توجه بسیاری به
بیوسرامیک ها در دهة اخیر شده است. به عنوان نمونه FDA اخیراً یک کاشت
زانویی با پوشش سرامیکی را به جای کاشتهای زانویی کبالت- کرومی معرفی کرده
است.
در
یک پیشرفت جدید دیگر، مطالعات کلینیکی بر روی زانوی سرامیکی دیگری انجام
گرفته است که این زانو میتواند کاملاً جایگزین زانوی انسان شود. این
زانوی سرامیکی از اکسید زیرکونیم ساخته شده است. انگیزه ساخت زانوی
سرامیکی، به دلیل سایش پلیمرها به هنگامی است که فلزات سنتی مورد استفاده
در زانوی مصنوعی با پلی‌اتیلن تیبیال، مفصلدار میشوند. با شبیهسازی های
آزمایشگاهی نشان داده شده است که زانوی زیرکونیایی، 25 درصد سایش کمتری از
زانوهای فلز پلی اتیلن دارد.
در حال حاضر میکروسفرهای شیشهای رادیو اکتیو در کانادا و هنگکنگ برای
درمان سرطان کبد استفاده می شوند. این روش مزایای بسیار مهمی به پزشکان در
مبارزه با سرطان میدهد، به این صورت که تشعشع را مستقیماً به درون تومور
میرسانند. این نوع تشعشع بین پنج تا هفت مرتبه قویتر از تشعشاتی است که
از بیرون تابانده میشوند و هیچ نوع اثرات جانبی یا ناراحتی ندارد. این روش
به زودی در آمریکا ، اروپا و چین نیز پذیرفته خواهد شد. کاربرد این
میکروسفرهای شیشهای برای درمان سرطان کبد و تومورهای مغزی نیز مورد مطالعه
است و نوع تضعیف شده آن برای درمان آرتریت روماتویید مورد ارزیابی قرار
دارد.
3- پیلهای سوختی و سرامیک
پیلهای
سوختی، تکنولوژی تمیز با آلودگی پایین و راندمان بالا برای تولید
الکتروشیمیایی الکتریسته از سوخت هیدروکربنی میباشند. اخیراً پیلهای
سوختی توجه بسیار زیادی را در جامعه فنی به خود جلب کردهاند. همچنین تمایل
بسیاری به سرمایهگذاری روی آنها وجود دارد. گزارش شده است که در سال
2000، پیلهای سوختی از لحاظ شهرت در مرتبه دوم قرار داشتهاند.
کارآیی پیلهای سوختی در پایگاههای تولید نیروی (برق)، حمل و نقل و تولید
برق ارتش میباشد. دو پیل سوختی مختلف که بررسی شدهاند، پیلهای سوختی
سرامیکی دما بالا (که به پیلهای سوختی اکسید جامد یا SOFC معروفند) و
پیلهای سوختی الکترولیت پلیمری (PEM) میباشند. اگر چه PEM ها معمولاً
بهترین کاندید برای کاربردهای خودروسازی هستند، SOFCها نسبت بهPEMها
برتریهایی دارند. از جمله برتری‌های آنها، قابلیت استفاده از
مونوکسیدکربن به همراه هیدرژن به عنوان سوخت است. همچنین به دلیل دمای
کارکرد بالاتر sofcها (C 10000-800)، سوختهای هیدروکربنی میتوانند بر روی
پیل یا درون آن اصلاح شوند، بدون اینکه لازم باشد از اصلاح کنندههای
جداگانه استفاده کنیم. SOFCها نیاز به کاتالیستهای گرانقیمت از جنس فلزات
نجیب ندارند. مزایای دیگر SOFCها راندمان بالا (60 درصد در کاربردهای ثابت و
40 درصد در کاربردهای متحرک)، قابلیت اطمینان، تشکیل واحد و میزان خروج
بسیار پایین Nox و Sox میباشد.
دو طراحی فعلی برای SOFCها، دو نوع تیوپی و صفحهای میباشند که تحت تحقیق
و بررسی قرار دارند. طرح صفحهای برتریهایی مانند دانسیته و قدرت بالاتر،
دانسیته نیروی حجمی بالاتر و هزینه پایینتر تولید دارد. عیب طرح صفحه های،
نیاز آن به آببندی های دما بالا است. موارد دیگری که هنوز برای استفاده
گسترده SOFC ها باید با آنها مقابله کنیم، هزینه تولید، زمان شروع به کار،
سیکل‌پذیری حرارتی و مقاومت در برابر شوک حرارتی میباشند.
4- کاربردهای میکروالکترونیکی سرامیکها
در
آینده، سرامیکها باز هم در کاربردهای میکروالکترونیکی نقش خواهند داشت.
مزایای پایههای سرامیکی درون اتصالی مانند ثبات خواص الکتریکی، نشر حرارتی
بالا، قدرت تکنیک بالا، خطوط هدایت کاملاً واضح و قابلیت سوار کردن اجزای
کنشپذیر، آنها را برای استفاده در قطعات الکترونیکی ایدهآل می سازد. برخی
از کاربردهای این مواد در تلفنهای همراه، پیجرها، سیستم های ترمز ضد قفل
شونده، کنترل‌کنندههای موتور خودرو، باتری قلب و دوربینهای دیجیتالی
می باشد.
در حال حاضر تکنولوژی پایههای سرامیکی درون‌اتصالی گوناگون به صورت زیر تقسیم بندی شده است:
- پایه ها
- تکنولوژی فیلمهای ضخیم
- سرامیکهای هم پخت شده دما بالا و دما پایین (HTCC، LTCC)
- تکنولوژی فیلمهای نازک
- انواع تکنولوژیهای اعمال مس روی سرامیک.
در
کاربردهای دیجیتالی، هنگامی که اندازه تراشهها کوچکتر میشود، با
سرعتهای بیشتری عمل میکنند و نشر حرارتی بیشتری دارند. این تکنولوژی با
استفاده از موادی با ثابت دیالکتریک کمتر پاسخ داده است و قابلیت نشر
حرارتی را بهبود میبخشد. نیاز به بهبود عملیات آنالوگ و توجه به
نیازمندیهای کاربردهای بی سیم فرکانس رادیویی ما را به سمت مواد عایق
بهبود یافته با اتلاف دیالکتریک پایین(Qبالا) هدایت کرده است.
تکنولوژیهای پایه های سرامیکی درون‌اتصالی، زمان رسیدن به بازار را کاهش
میدهد که از اهمیت شدیدی برخوردار است. در آینده، افزایش بیشتر کارآیی و
تراکم بیشتر اجزا نیز مورد نیاز خواهد بود. این امر توسط پیشرفت قدرت تفکیک
و ساختارهای چندلای های درون‌اتصالی با آرایش سری یا موازی به دست میآید.
هنگامی که بیشتر تکنولوژی درون‌اتصالی مناسب در مرحله تعریف شده باشد، این
کارایی افزایش یافته و باعث کاهش هزینه ها میگردد.
5- کامپوزیتهای زمینه سرامیکی
ناحیه
دیگر کاربرد آتی سرامیکها، در کامپوزیتهای سرامیکی (CMC) میباشد. صنعت
نیاز شدیدی به موادی دارد که سبک، محکم و مقاوم در برابر خوردگی مکانیکی
باشند و قابلیت عملکرد در محیطهای دما بالا را داشته باشند. دفتر
تکنولوژیهای صنعتی وزارت انرژی آمریکا، برنامهای را آغاز کرده است که
برنامه کامپوزیتهای دارای فیبرهای سرامیکی پیوسته(CFCC) نامیده میشود.
هدف از انجام این کار مشترک میان صنعت، آزمایشگاه های ملی، دانشگاهها و
دولت، ارتقای روشهای پردازش مواد کامپوزیتی سرامیکی قابل اعتماد و ارزان
می باشد.
کارایی این مواد در مشعلهای تشعشعی متخلخل، فیلترهای گاز داغ، مشعلهای
تشعشعی تیوپی شکل و جدارههای توربینهای گازی احتراقی مورد بررسی قرار
گرفته است. CFCCهای به کار رفته در این کاربردها مزایای مهمی در زمینه
انرژی، محیط زیست و اقتصاد فراهم خواهند کرد.
خیلی ها عقیده دارند که CMCها علاوه بر کاربردهای صنعتی، در نسل بعدی
سفینه های فضایی و وسایل نقلیه فضایی نیز بسیار ضروری خواهند بود. مواد
مصرفی فعلی در محیطهای احتراقی معمولاً فلزات شدیداً سرمایش یافته یا
فلزات دیرگداز میباشند. CMCها، جایگزین سبکی برای خیلی از مواد مصرفی
امروزی میباشند. برخی موانعی که باید برای کاربرد گسترده CMCها بر آن غلبه
کنیم، هزینه الیاف (معمولاً الیاف غیر اکسیدی) و هزینه تولید می باشند
(تولید سریعتر و هزینه کمتر).
6- ابر رسانا‌های دما بالا
اگر
چه از هنگام کشف ابر رسانا‌های دما بالا(HTS) در سال 1986، پیشرفت در این
زمینه رشد آهستهتری نسبت به قبل داشته است. در پنج سال اخیر رشدی در زمینه
بهبود خواص این مواد دیده شده و توسعه آنها گزارش شده است. بر طبق یک
احتمال انتظار میرود که بازار HTS در سال 2002 به 62 میلیون دلار برسد.
HTS میتواند
سرعت ارتباطات را ترقی بخشد. با کنار هم قرار دادن تکنولوژی دیجیتال ابر
رساناها و فیبر نوری، ظرفیت و کارآیی آینده شبکه ها با سرعت فوق‌العاده
بالا از طریق الکترونیک های نیمه هادی سرمایشیافته افزایش خواهد یافت و
ارتباطات بلادرنگ و کاربردهای چندرساناای امکان پذیر خواهند شد.
نیاز به الکتریسیته، پیوسته افزایش خواهد یافت و انتظار میرود که تا سال
2030 دو برابر شود. احتمالاً استفاده از مواد HTS به منظور افزایش راندمان و
هزینههای کمتر حیاتی خواهد شد؛ چون سیمهای HTS، الکتریسیته را تقریباً
بدون هیچ گونه اتلافی عبور میدهند. در صنعت برق میتوان از چنین سیمهایی
برای تولید سیمپیچ ها، هادی ها، ماشینها و وسایل برقی با راندمان بسیار
بالا استفاده کرد. استفاده از HTS در این کاربردها میتواند میلیاردها دلار
در هزینه انرژی صرفه جویی کند و با کاهش میزان سوخت در تولید الکتریسته به
محیط زیست کمک کند. در آینده مدارهایی که از مواد ابر رسانای دما بالا
استفاده میکنند، سرعت پردازش کامپیوترها را ترقی داده و اتلاف مقاومتی را
در کنترل‌کننده های موتور کاهش می دهند.
محققین دانشگاه Aoyama Gakuin توکیوی ژاپن اخیراً کشف کردهاند که بورید
منیزیم در دمای k 39 ابررسانا است. با وجود اینکه این دما در HTS دمای
پایینی است، از دمایی که بیشتر در ترکیبات نسبتاً ساده و موجود مشاهده شده
بیشتر است و تقریباً دو برابر هر مادة ابررسانای فلزی است. باید دید که
مواد جدیدی که کشف خواهند شد، چه موادی خواهند بود و دمای بحرانی آنها به
چه حدی میرسد.
7- زمینه های دیگر کاربرد سرامیک
تکنولوژیهای
دیگری که سرامیکها در آینده در آنها نقش خواهند داشت، دستگاههای
میکروالکترومکانیکی(MEMS), سیستمهای هوشمند با استفاده از مواد سرامیکی(
یعنی پیزو سرامیکها) و الگوسازیهای اولیه سریع خواهند بود. در زمینه
MEMS, سرامیک های چگالی پایین با استحکام مکانیکی بالا، خنثایی شیمیایی،
مقاومت در برابر خوردگی مکانیکی و ضریب اصطکاک کم بسیار مناسب هستند.
اگر بخواهیم بیشتر راجع به آینده فکر کنیم، احتمال وجود کامپیوترهای
سریعتری میرود که بر پایه سیستم دوتایی صفر و یک نیستند. این کامپیوترها
در سطح اتمی عمل خواهند کرد و به جای المان های نیمه هادی، دارای نقاط
کوانتومی به عنوان واحد مدارشان خواهند بود.
در زمینه آموزش علم سرامیک و مهندسی آن، نمی توان آینده را به راحتی
پیشبینی کرد، به خصوص هنگامی که به روند تکامل آن از صد سال پیش مینگریم.
امیدواریم که مهندسی سرامیک تنها در برنامه ریزیهای موادی ادغام نشود.
هنگامی که می بینیم مواد سرامیکی چه نقشی دارند و در آینده چگونه نقش
خواهند داشت، بدون شک از دست دادن مهندسی سرامیک موجب زیان صنعت و جامعه
خواهد بود. امروزه آموزش مکاتبهای در حال اجرا است و بیشک در آینده در هر
نظامی نقش خواهد داشت. واحدهای درسی بسیاری از مدارس حرفهای و دانشگاهها
از طریق اینترنت قابل دسترسی هستند. حتی مؤسسه تکنولوژی ماساچوست اعلام
کرده است که این مدرسه مواد درسی لازم برای همه واحدهای درسی را به طور
رایگان از طریق اینترنت ارایه خواهد کرد. این یک برنامه ده‌ساله است و این
موسسه سالی 7.5 تا 10 میلیون دلار خرج خواهد کرد تا به این هدف دست یابد.
به طور یقین، این روند شتاب پیدا خواهد کرد.
