سرامیک برای پرواز و ....

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