آینده صنعت سرامیک

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.