سرامیک

سرامیکها معمولا به استثنای فلزات و آلیاژهای فلزی و مواد آلی ، شامل تمام مواد مهندسی می‌شوند که از نظر شیمیایی جزو مواد معدنی هستند و بعد از قرار گرفتن در دمای بسیار بالا ، شکل اولیه خود را حفظ کرده و مقاوم‌تر می‌شوند. ظروف سفالی ، چینی و چینی‌های بهداشتی و غیره ، جزو این گروه می‌باشند.

به عبارت دیگر: بر تمامی مصنوعاتی که از کانی های غیر فلزی ساخته می شوند سرامیک اطلاق می گردد. فراورده های سرامیکی بسیار متنوعند و مصارف گوناگون دارند. سرامیکها را به انواع زیر طبقه بندی می کنند.
۱- سرامیکهای بهداشتی
۲- سرامیکهای الکتریکی دی الکتریکها- نیمه هادی ها

پیزو الکتریکها
۳- سرامیکهای ساختمانی سیمان
آجر
کاشی
۴- شیشه ها شیشه های سیلیکاتی
شیشه های سرامیکی
شیشه های غیر سیلیکاتی
۵- انواع چینی
۶- مواد ساینده کاربید سیلیسیم – کاربید تنگستن و غیره
۷- انواع لعاب
۸ – انواع دیر گداز ها
۹- تک بلورها
۱۰- سرامیک های پیشرفته

سرامیکها را بر اساس نوع بدنه آنها که ممکن است متراکم یا متخلخل باشد نیز تقسیم بندی میکنند.

• 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.
از زمانی که انسان غارنشینی را به قصد یافتن مکان زیست بهتر

، پشت سر گذاشت، با مصالح ساختمانی سر و کار پیدا کرده بود. بدیهی است که این مواد از نوع موجود در طبیعت بود، مانند پوست برای بنا کردن خیمه و یا گل و سنگ برای تهیه مسکن دائمی‌. بعدها بشر آموخت که از قطعات چوب و تخته و میخ و پیچ برای استحکام بنا استفاده کند و موادی مانند آهک ، ساروج و سیمان را برای اتصال محکم‌تر قطعات سنگمانی است. خاک رس به صورت ناخالص در تهیه کوزه ، گلدان هاى گلی ، ظروف سفالی ، اشیا و لوله‌هاى سفالی ، سرامیک ، سیمان و به صورت خالص ، در تهیه ظروف چینی و … مصرف می‌شود.
مواد اولیه سرامیکها :سرامیکها ، از سه ماده اولیه خاک رس ، فلدسپارها و ماسه تهیه می‌شود. خاک رس ،‌ همان سیلیکاتهای آلومینیوم هیدراته است که به صور

ت کانی‌های مختلفی یافت می‌شوند.

مهمتری مواد اولیه بدنه سرامیکها خاک رس ، آلکالی فلدسپات و سیلیس است.
در سرامیکهای ویژه مانند سرامیکهای الکتریکی از تالک ، ترکیبات سرب ، تیتانیم و عناصر فلزی استفاده می شود.
آلکالی فلدسپات به دو صورت فلدسپات پتاسیک و سدیک است.
فلدسپات سدیک خالص در دمای ۱۱۱۸ درجه سانتیگراد به طور کامل ذوب میشود.
فلدسپات پتاسیک در دمای ۱۱۵۰ درجه شروع به ذوب شدن می کند. ذوب شدن فلدسپات پتاسیک غیر متجانس است. زیرا هنگام ذوب شدن مایعSiO2 آزاد می شود و جامد لوسیت باقی میماند. ذوب کامل پتاسیم فلدسپات در دمای ۱۵۸۰ درجه صورت می گیرد . فلدسپات پتاسیک بیشتر در بدنه سرامیک به کار میرود . درصورتی که فلدسپات سدیک در شیشه و لعاب به مقدار کم در بدنه استفاده می شود. آلکالی فلدسپات در بدنه دو نقش مهم ایفا می کند. ۱- کاهش دمای ذوب ۲- ایجاد سختی
سیلیس : نقش سیلیس در بدنه ،ایجاد فاز شیشه و افزایش مقاومت آن است .
خاک رس : بیشترین بخش سرامیک را تشکیل می دهد. کانی های رسی به گروه کائولینیت ، اسمکتیت ، و ورمیکولیت تقسیم می شود که بیشترین مصرف را کائولین دارد. در مثلث فلدسپات- خاک رس – سیلیس ، انواع فراورده های سرامیکی نشان داده شده است . گلهایی که در سرامیک سازی استفاده می شوند عبارتند از گل چینی ، گل سفال ری و گل توپی (گل بال)
گل چینی از کائولین،آلکالی فلدسپات و سیلیس تشکیل شده است .گل چینی سفید،حاوی ۵۰درصدکائولین،۳۰درصد فلدسپات و۲۰درصد سیلیس است.(بصیری،۱۳۶۳).چنانچه شکل پذیری گل کم باشد به جای۵۰درصدکائولین از۴۰درصد همراه با۱۰درصد گل توپ

 

ی می توان استفاده نمود.گل توپی،بیشتر از مونتموریونیت و کائولین دانه ریز و موادآـلی تشکیل شده است و خاصیت چسبندگی آن بسیار خوب است.گل سفالگری بیشتر از خاک رس تشکیل شده و بیشترین مصرف آن در تهیه آجر است.
• 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

موادی که برای بهبود کیفیت به خاک افزوده می شوند عبارتند از:
اگر گل دارای خاصیت نسوز باشد یعنی در دمای پایین ،ذوب و سخت نشود باید مواد کمک ذوب همچون تالک، آهن یا فریت به آن افزود .
اگر گل در دمای پایین ذوب می شود و حالت شکنندگی دارد باید مواد دیر گداز نظیر کائولین ، گل بال ، خاک نسوز یا سیلیس اضافه کرد.

اگر گل دارای چسبندگی زیاد باشد و هنگاه خشک شدن با افزایش حجم همراه گردد باید سیلیس یا کائولن به آن افزود .
چنانچه گل ترد باشد و چسبندگی کم داشته باشد باید گل بال یا بنتونیت

به آن افزود.
اگر گل نیاز به تغییر رنگ داشته باشد می توان مواد رنگی به آن افزود (بصیری ۱۳۶۳)

طبقه‌بندی کانی‌های رس
کانی‌های سیلیکاتی دو لایه‌ای
• کائولینیت : بررسی پراش اشعه ایکس ، وجود دو لایه را در کائولینیت نشان می‌دهد. لایه اول شامل واحدهای ۲-(Si2O5) چهار وجهی است و لایه دوم از واحدهای هشت وجهی ۲-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 شد

ه 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
۱٫ 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.

سرامیکهای پیشرفته
سرامیکهای پیشرفته از یک یا چند عنصر فلزی و غیر فلزی ساخته شده اند. خصوصیات مهم این سرامیکها عبارتند از : سختی زیاد ، استحکام ، مقاومت در برابر شوک های حرارتی ، مقاومت زیاد در حرارت بالا و خواص ویژه الکتریکی . موارد کاربرد این سرامیکها در ساخت قطعات موتور های ماشین و جت ، الکترو مغناطیس و مغناطیس ، بیو سرامیکها ، قطعات باتری ، دیر گدازها ، صنعت تصفیه نفت ، قطعات نوری ، ابزار برش و مته های حفاری ، ساینده ها ، سلولهای خورشیدی وسایر موارد می باشد.
نقش مواد در سرامیکهای پیشرفته
زیرکونیوم : افزایش مقاومت مکانیکی و افزایش ضریب انبساط حرارتی .
کاربرد : ابزارهای برش ، دیسک های برش ، پرس داغ و پوشش بلبرینگ
کاربید ها : سختی زیاد .

کاربرد : مواد ساینده ، مته های حفاری ، پوشش نیروگاههای هسته ای ، قطعات توربین های گازی و صیقل دادن فلزات سخت .
نیترید ها : سخت ، شکننده و عایق بسیار خوب الکتریکی حتی در دما های بالا .
کاربرد : اگزوز جتها ، بوته های ذوب فلزات و پوشش آنتن رادار هواپیما
بور : کارایی بسیار خوب در دما های بالا

آلومینیوم : افزایش مقاومت الکتریکی ، ثابت بودن حجم و ابعاد در دماهای خیلی زیاد، کاهش ضریب هدایت گرما با افزایش دما ، سختی بالا و مقاومت بالای فشاری
کاربرد : ابزار برش ، قطعات ماشینهای نساجی و بوته های ذوب فلزات
بریلیوم : هدایت بسیار خوب حرارتی ، کاهش ضریب هدایت الکتریکی ، خواص دی الکتریک بسیار خوب

اتصال شیشه ای
برای پیوند دادن مواد بدنه از سیلیس استفاده می شود سیلیس به هنگام پخت ذوب میشود و ضمن سرد کردن محلول به صورت شیشه مواد را به هم متصل می کند . میزان آهن در سیلیس باید ناچیز باشد. مهمترین منابع سیلیس عبارتند از :
رگه های کوارتز ، کوارتزیت ، ماسه های سیلیسی و پگماتیت ، علاوه بر سیلیس از ترکیبات قلیایی و فلوئور به عنوان اتصال دهنده استفاده می شود .
کمک ذوبها
موادی که به عنوان کمک ذوب انتخاب می شوند باید بتوانند با سیلیس و دیکر سیلیکاتها ، نقطه ایوتکنیک تشکیل دهند و دمای ذوب آنها را کم کنند . نوع مواد کمک ذوب بر حسب نوع مواد سرامیکی تفاوت می کند . مهمترین کمک ذوبهایی که در صنعت سرامیک استفاده می شوند به شرح زیرند :
بوراکس Na2B4O7+10H2O
کربنات سدیم Na2CO3
نیترات سدیم Na2NO3
نیترات پتاسیم K2NO3
فلوریت CaF2
کریولیت Na3AlF6

آپاتیت و کانیهای لیتیوم دار

مواد نسوز
درسرامیکهای نسوز از مواد پر کننده نسوز استفاده می شود. مهمترین آنها عبارتند از :
آلومین ، اکسید زیرکونیوم ، فورستریت ، تالک ، ولاستونیت ، پیروفیلیت ، منیزیت ، رتیل و اکسید کلسیم .
مواد معدنی رنگی
عواملی که بر روی رنگ مصنوعات سرامیکی تاثیر می گذارد عبارتند از :

۱- شرایط و دمای پخت ، ۲- نوع مواد رنگی ، ۳- اندازه ذرات
دمای پخت : گل حاوی آهن در دمای ۹۴۵ درجه سانتیگراد به رنگ صورتی روشن ، در دمای ۱۰۵۰ درجه به رنگ قرمز آجری ، دردمای ۱۱۲۵ درجه به رنگ شکلاتی و در دمای ۱۱۶۰ درجه به رنگ سیاه در می آید و چنانچه در شرایط احیایی پخته شود به جای رنگهای قرمز و قهوه ای ، رنگ سیاه و خاکستری به وجود می آید . (بصیری ۱۳۶۶)
مواد رنگی
اکسید آهن به میزان ۲-۴ درصد ، رنگ قهوه ای تا قرمز سوخته و اکسید منگنز رنگ قهوه ای متمایل به خاکستری ایجاد می کند . از مخلوط آهن ، منگنز ، مس و کبالت رنگ سیاه تولید می شود . مواد معدنی که به منظور تولید رنگ خاصی در محصولات سرامیکی به مواد اولیه اضافه می شود . عبارتند از :
مواد سفید : اکسید تیتانیوم ، اکسید روی ، اکسید انتیموان و سولفید روی
مواد زرد : کرومات سرب و روی ، گل اخرا و لیتارژ
مواد سیاه : آهن سیاه ، گرافیت و کربن
مواد آبی : ترکیبات مس و آهن
مواد قرمز : اکسید سرب (Pb3O4) ، اکسید فریک آهن ، سولفات کادمیوم و سولفید سدیم
رنگ متالیک : آلومینیوم ، گرد روی و پودر برنز

مواد نارنجی : کرومات سرب ، کادمیوم نارنجی و مولیبدن نارنجی
مواد سبز : اکسید کروم ، کروم سبز و اکسید کروم آبدار.
مواد اولیه لعاب
لعاب به پوششی که روی بدنه را فرا می گیرد اطلاق می گردد.
موادی که به عنوان لعاب انتخاب می شوند باید دارای ویژگیهای زیر باشند :
ضمن سرد شدن ماده مذاب ، متبلور نشوند و حالت شیشه ای خود را حفظ

کنند
غلظت آنها مناسب باشند به طوری که روی بدنه باقی بمانند.
مقاومت حرارتی بالا داشته باشند؛
در سرامیکهای مخصوص مقاومت حرارتی بالا داشته باشند.
خواص مختلف سرامیکها:
خواص مکانیکی : مقاومت مکانیکی سرامیک به ترکیب مواد ، اندازه ذرات مواد اولیه ، دانه بندی ، شکل ذرات ، شرایط شکل دهی ، چگونگی خشک کردن و همچنین شرایط پخت بستگی دارد. مواد دانه ریز موجب کاهش تخلخل و بالا رفتن مقاومت سرامیک می گردند . سیلیس و بال کلی باعث افزایش مقاومت مکانیکی می شوند.
خواص شیمیایی : آب ، اسید ها و محلولهای قلیایی با مواد سرامیکی واکنش انجام می دهند و تغییراتی در آن به وجود می آورند.در سرامیکهای ویژه از از مواد مقاوم در برابر اسیدها و قلیایی ها استفاده میشود.
خواص نسوزی : سرامیکهایی که برای دمای بالا به کار می روند از مواد دیر گداز تهیه می گردند .
خواص الکتریکی : از سرامیکها به عنوان نارسانای الکتریکی نیز استفاده می کنند.
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 ر

ا 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 : چینی ظرف: که می‌توان آن را نوعی شیشه کدر د

انست، مانند ظرف چینی معروف به سور. از ویژگیهای این نوع چینی آن است که لعاب رنگی را به خود می‌‌گیرد.
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.
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 پوش

انیده می‌شود.
• 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.