خواص برتر سرامیک‌ها نسبت به مواد دیگر

 

انواع سرامیک

1- ارتن ور Earthen Ware:
قطعه ای از سرامیک را نامند که بین 850 درجه سانتیگراد تا 1000 درجه سانتی گراد آتش دیده و دارای تخلخل نامرتب باشد. ارتن ور از لحاظ ترکیب به چندین نوع تقسیم شده که به شرح ذیل می باشد :
الف ـ ارتن ور طبیعی Natural Earthen Ware: که معمولا از یک نوع ماده اولیه ودارای حداکثر ناخالصی است.
ب ـ ارتن ور ظریف Fine Earthen Ware: عبارت است از قطعه ایی که مرکب ازمواد اولیه پرچسب و کم چسب و دارای حداقل ناخالصی است.
ج ـ ارتن ور تالکی Earthen Ware Talc: که نوعی از ارتن ور با استحکام زیاد است و بعلت ریزی دانه های تالک محصول مرغوبی را بدست می دهد.
دـ- ارتن ور نیمه شیشه ای Semivitruse Earthen Ware: که از ترکیب سه ماده اصلی تشکیل شده و دارای تخلخلی متوسط بوده وحاوی درصد جذب آب کم می باشد. این نوع ارتن ور سفید رنگ برخی اوقات شفاف نیز بوده و به علت عدم اتصال ( آلومینیوم سیلیکات) بین ذرات، بسیار ترد و شکننده می باشد. بدین لحاظ اکثر اوقات با چینی اصل اشتباه شده و در زبان عرف بنام بدل چینی مشهور است.
2- استون ور Stone Ware:
قطعه ایی است لعاب دار و یا بدون لعاب که قسمت اعظم آن از مواد دیرگداز تهیه شده و تا نیمه شیشه ای شدن (درجه بحرانی) گرما دیده و در درجات c˚1200 تا c˚1300 در مسیر حرارت قرار گرفته است.
3ـ چینی China:
این نوع سرامیک دارای بدنه ای کاملاً سفید و شفاف با درصد تخلخل کم و گاهی صفر است. لعاب چینی همواره ترانسپرانت و شیشه ای می باشد. درجه پخت این محصول بین c˚1200 تا c˚1450 می باشد . چینی از مواد اولیه مرغوب و کاملاً خالص تهیه شده است .
4- پرسیلن Porcelain:
پرسیلن ها یک بدنه کاملاً سخت و شفاف سرامیکی اند که معمولاً دارای ترکیبات سه ماده ایی می باشند. این نوع اجسام ابتدا در حرارت (c˚900 الی c˚ 950) آتش داده شده و سپس لعابی که معمولاً شفاف است با درجه حرارت بالاتر (بین 1300 الی 1500) بر روی آن داده می شود. در مورد بعضی از پرسلین ها مانند پرسیلن های الکتریکی هردوی این اعمال در یک جا انجام می گیرد. در زبان فنی عرفی اکثر قطعات فنی و مهندس و نیز چینی های بدون لعاب را که دارای درصد تخلخل صفر باشد پرسلین می نامند.
5- سرامیک های خاص Special Ceramics:
بخشی از این نوع سرامیک برای قطعات غیر مادی جهت صنایع الکترونیک بوده که شامل تیتانیت ها Titanite و فریت ها . Ferrites می باشد. همچنین سایر قسمت ها شامل بدنه های دیرگداز بسیار نرم، اجسام شیمیائی، پرسلین های دندانپزشکی، بدنه های مقاوم در برابر شوک های حرارتی، ابزارهای برش سرامیکی و بدنه های انتقال دهنده اشعه مادون قرمز می باشد.

تعریف

• از نظر واژه: سرامیک به کلیه جامدات غیر آلی و غیر فلزی گفته می‌شود.
• از نظر ساختار شیمیایی: کلیه موادی که از مخلوط خاک رس با ماسه و فلدسپار در دمای بالا بدست می‌آیند و توسط توده شیشه مانندی انسجام یافته و بسیار سخت و غیر قابل حل در حلال‌ها و تقریبا گداز ناپذیر می‌‌باشند، سرامیک نامیده می‌شوند.

نقش اجزای سه‌گانه در سرامیک

• خاک رس: موجب نرمی ‌و انعطاف و تشکیل ذرات بلوری سرامیک می‌شود.
• ماسه: قابلیت چین خوردن ، پس از خشک و گرم شدن و تشکیل ذرات بلوری سرامیک را کاهش می‌دهد.
• فلدسپار: در کاهش دادن دمای پخت و تشکیل توده شیشه‌اى و چسباننده ذرات بلوری سرامیک موثر است.

خواص سرامیک‌ها

خواص سرامیک‌ها بسته به نوع و درجه خلوص هر یک از اجزای اصلی ، مواد افزودنی ، لعاب ، زمان حرارت دادن ، مواد اکسنده و کاهنده‌هاى موجود در محیط ، تغییر می‌کند. در قرن حاضر صنعت سرامیک سازی توسعه و تنوع شگرفی یافته و اهمیت و کاربردهای آن نیز وسعت پیدا کرده است.
سرامیک‌های ویژه
• مقره‌های برق:
که عایقهای خوبی برای گرما و برق هستند و در آنها از Al2O3 ، Zr2O3 استفاده می‌شود.
• سرامیک‌های مغناطیسی:
در در این نوع سرامیک از اکسیدهای آهن استفاده می‌شود. مهمترین کاربرد آنها در تهیه عنصرهای حافظه در کامپیوتر است.
• سرامیک‌های شیشه‌اى:
وقتی شیشه معمولی پس از تهیه در دمای بالایی قرار گیرد، تعداد قابل توجهی از ذرات بلور در آن تشکیل می‌شود و خاصیت شکنندگی آن کم می‌گردد و بر خلاف شیشه‌های معمولی دیگر ، ایجاد یا پیدایش شکاف کوچک در آنها ساری نمی‌باشد،‌ یعنی این شکافها خود به خود پیشرفت نمی‌کنند. از این نوع سرامیک‌ها برای تهیه ظروف آشپزخانه یا ظروفی که برای حرارت دادن لازم باشند، استفاده می‌شود که آن را اصطلاحا پیروسرام می‌نامند.
لعابها و انواع آنها
لعابها طیف وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی را در بر می‌گیرند. لعاب مربوط به سرامیک معمولا مخلوط شیشه مانندی متشکل از کوارتز ، فلدسپار و اکسید سرب (PbO) است. این اجزا را پس از آسیاب شدن و نرم کردن به صورت خمیری رقیق درمی‌‌آورند. آنگاه وسیله سرامیکی مورد نظر را در این خمیر غوطه‌ور کرده و پس از سرد و خشک شدن ، آن را در کوره تا دمای معین حرارت می‌دهند. پس از لعاب دادن روی چینی ، روی آن مطالب مورد نظر را می‌نویسند و یا طرح مورد نظر را نقاشی می‌کنند و دوباره روی آن را لعاب داده و یک بار دیگر حرارت می‌دهند. در این صورت وسیله مورد نظر پرارزش‌تر و نوشته و طرح روی آن بادوام‌تر می‌شود.
لعابها در انواع زیر وجود دارند:
لعاب بی‌رنگ: این نوع لعاب که برای پوشش سطح چینی‌های بدلی ظریف بکار می‌رود، بی رنگ و شفاف است و از مخلوط کلسیم و سیلیس و خاک چینی سفید تهیه می‌شود.
• لعاب رنگی: برای رنگ آبی از اکسید مس (Cu2O) ، برای رنگ زرد از اکسید آهن (FeO) و برای رنگ سبز از اکسید کروم (Cr2O3) ، برای رنگ زرد از کرومات سرب و برای رنگ ارغوانی از ارغوانی کاسیوس استفاده می‌شود.
• لعاب کدر: این نوع لعاب که برای پوشش چپنی‌های بدلی معمولی بکار می‌رود و از مخاـوط SnO2 , PbO , SiO2 , Pb3O4 ، نمک و کربنات سدیم تهیه می‌‌شود که آن را پس از ذوب کردن ، سرد کردن و پودر کردن ، در آب به صورت حمام شیر در می‌آورند و شئی لعاب دادنی را در آن غوطه‌ور می‌کنند.
ظروف لعابی
ظروف لعابی درواقع ، نوعی ظروف آهنی هستند که سطح آنها را به منظور جلوگیری از زنگ زدن ، از لعاب می‌پوشانند. البته این نوع ظروف را نباید زیاد گرم یا سرد و یا پرتاب کرد و یا اینکه تحت ضربه قرارداد، زیرا لعاب سطح آنها ترک برداشته و می‌ریزد.

انواع چینی

چینی‌ها در واقع از انواع سرامیک محسوب می‌‌شوند و به دو دسته چینی‌های اصل یا سخت و چینی‌های بدلی تقسیم می‌شوند.
• چینی‌های اصل:
o چینی ظرف: که می‌توان آن را نوعی شیشه کدر دانست، مانند ظرف چینی معروف به سور. از ویژگیهای این نوع چینی آن است که لعاب رنگی را به خود می‌‌گیرد.
o چینی سیلیسی: این نوع چینی که به چینی لیموژ معروف است، درکشورهای فرانسه ، ژاپن و چین تهیه می‌‌شود. مواد اولیه آن خاک چینی سفید ، شن سفید و فلدسپار است.
o چینی آلومینیوم‌دار: این نوع چینی به نام چینی ساکس و بایو در فرانسه تهیه می‌‌شود و دارای Al2O3 , SiO2 , CaO است.
• چینی‌های بدلی: خمیر این نوع چینی‌ها ترکیبی حد واسط از خمیر سفال و خمیر چینی‌های ظریف است. در نتیجه سختی آنها از چینی‌های اصل کمتر است. از این رو ، حتما باید آنها را با لعاب بپوشانند. این نوع چینی‌ها خود به دو دسته تقسیم می‌شوند:
o بدل چینی‌های معمولی که خمیر آنها رنگی است و از این رو ، با لعاب کدر پوشانیده می‌شود.
o بدل چینی ظریف که خمیر آنها مانند خمیر چینی بی‌رنگ است اما بر خلاف چینی در مقابل نور شفاف نیست. معمولا سطح این نوع چینی‌ها را از لعاب بی‌رنگ ورنی مانند و شفاف می‌پوشانند تا ظاهری مانند چینی اصل پیدا کنند.

طبقه‌بندی سرامیک‌ها

سرامیک‌ها از لحاظ کاربرد به شکل زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
سرامیک‌های سنتی (سیلیکاتی)
سرامیک‌های مدرن (مهندسی)
سرامیک های اکسیدی
سرامیک های غیر اکسیدی
سرامیک‌های اکسیدی را از لحاظ ساختار فیزیکی می‌توان به شکل زیر طبقه‌بندی کرد:
سرامیک‌های مدرن مونولیتیک (یکپارچه)
سرامیک‌های مدرن کامپوزیتی
سرامیک‌های سنتی
این سرامیک‌ها همان سرامیک‌های سیلیکاتی هستند. مثل کاشی، سفال، چینی، شیشه، گچ، سیمان و ...
سرامیک‌های مدرن
این فرآورده‌ها عمدتاً از مواد اولیهٔ خالص و سنتزی ساخته می‌شوند. این نوع سرامیک‌ها اکثراً در ارتباط با صنایع دیگر مطرح شده‌اند.
سرامیک‌های اکسیدی

برخی از پرکاربردترین این نوع سرامیک‌ها عبارت‌اند از:

برلیا (BeO)
تیتانیا (TiO2)
آلومینا (Al2O3)
زیرکونیا (ZrO2)
منیزیا (MgO)
سرامیک‌های غیراکسیدی
این نوع سرامیک‌ها با توجه به ترکیبشان طبقه‌بندی می‌شوند که برخی از پرکاربردترین آنها در زیر آمده‌اند:
1. نیتریدها
BN
TiN
Si3N4
GaN
2.کاربیدها
SiC
TiC
WC
شیمی سرامیک
مواد اولیه سرامیکها
سرامیکها ، از سه ماده اولیه خاک رس ، فلدسپارها و ماسه تهیه می‌شود. خاک رس ،‌ همان سیلیکاتهای آلومینیوم هیدراته است که به صورت کانی‌های مختلفی یافت می‌شوند.

طبقه‌بندی کانی‌های رس

کانی‌های سیلیکاتی دو لایه‌ای
• کائولینیت : بررسی پراش اشعه ایکس ، وجود دو لایه را در کائولینیت نشان می‌دهد. لایه اول شامل واحدهای 2-Si2O5 چهار وجهی است و لایه دوم از واحدهای هشت وجهی 2-Al2(OH)4 تشکیل شده است. از اتصال دو لایه ، یک لایه واحد بوجود می‌آید که تکرار آن ، لایه کائولینیت را می‌سازد.
• هالوی‌سیت : کانی دیگر ، هالوی‌سیت است که در مقایسه با کائولینیت کاربرد کمتری دارد.
کانیهای سیلیکاتی سه لایه‌ای
• مونت موری لونیت : مونت موری لونیت دارای سه لایه ، دو لایه به صورت چهاروجهی‌های سیلیکاتی و لایه وسط به صورت گروه‌های هیدروکسی آلومینات است. به علت توانایی گیر انداختن سیستمهای مولکولی مختلف ، اغلب به عنوان کاتالیست مصرف دارند.
• ایلیت : ساختمان ایلیت ، تقریبا شبیه مونت موری لونیت می‌باشد و چون همیشه همراه با مخلوط کانیهای دیگر است فرمول دقیقی نمی‌توان برای آن در نظر گرفت.
ترکیبات ثانوی خاک رس و تاثیر آن بر سرامیکها
ترکیبات ثانوی ، شامل ترکیبات آهن ، ماسه ، کربناتهای کلسیم و منیزیم ، میکا و مواد آلی است که مقادیر آنها در انواع خاک رس متغیر می‌باشد. ترکیبات آهن موجود در خاک رس مثل پیریتها و هیدروکسیدهای آهن و . . . باعث پایین آمدن نقطه ذوب و تغییر رنگ سرامیک قبل از پخت به زرد متمایل به قهوه‌ای و بعد از پخت به صورتی متمایل به قرمز تیره می‌شوند. ماسه ،‌ باعث کم شدن حالت پلاستیته و کاهش قدرت چسبندگی می‌شود.

کربناتهای کلسیم و منیزیم به عنوان ناخالصی باعث آسیب دیدگی محصول شده و بعد از پخت ، باعث افزایش خلل و فرج و کاهش قدرت مکانیکی و خواص نسوزی محصول می‌شوند. نمکهای سولفات و کربنات و کلریدهای فلزات قلیایی خاک رس و وانادیوم ، قابل حل در خاکهای رس هستند و موجب پخش مواد در توده خاک رس می‌شوند. ترکیبات وانادیوم لکه‌های زرد متمایل به سبز ، روی محصول ایجاد می‌کنند. ترکیبات آلی موجود در خاک رس ، باعث ایجاد رنگ خاکستری می‌شوند.

انواع سیلیکا

دی‌اکسید سیلیکون ، معمولا به سه صورت سنگ ، گرانول و پودر وجود دارد. دی‌اکسید سیلیکون در حالت سنگ به صورت کوارتز یافت می‌شود که در این حالت خیلی کمیاب است. به علت خالص بودن بهترین نوع سیلیکا برای مصرف در سرامیک‌ها است. نوع گرانول در صنعت سرامیک سازی خیلی رایج می‌باشد. این نوع سیلیکا را معمولا قبل از مصرف ، دانه‌بندی کرده ، می‌شویند. نوع پودر سیلیکا معمولا خالص نبوده و در ساخت سرامیک چندان مصرف ندارد.
نقش فلدسپارها در سرامیک‌سازی
فلدسپارها خاصیت سیال‌کنندگی دارند و امروزه نیز از این ترکیبات در صنعت سرامیک استفاده می‌کنند. نقش این ترکیبات در سرامیک سازی ، ایجاد فاز شیشه‌ای در توده اولیه است.

انواع فلدسپارها در سرامیک

1. فلدسپار پتاسیم KO , Al2O3 , 6SiO2
2. فلدسپار سدیم Na2O , Al2O3 , 6SiO2
3. فلدسپار کلسیم CaO , Al2O3 , 6SiO2
از بین اینها فلدسپار پتاسیم از همه مهمتر است، ولی در عمل موادی که به عنوان سیال کننده بکار می‌روند، مخلوطی از فلدسپارهای مختلف هستند.