جزوه ساختار سرامیک ها

شنبه 22 / 7 / 1393 ساعت 16:18 | بازدید : 5597 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

جزوه کامل ریخته گری

ساختار سرامیک ها، اولین درس تخصصی در گرایش سرامیک در مهندسی مواد محسوب می شود که پایه و اساس درس های بعدی نیز هست. تعاریف اولیه کلی، پیوند ها و نشگیل ساختارهای مختلف به همراه معرفی نمونه های شناخته شده در هر گروه از ساختارها، بخش اصلی این درس را تشکیل می دهد. مفاهیم بیان شده در این درس، در سایر درس ها مورد توجه و بازخوانی قرار می گیرد و این بر اهمیت این درس می افزاید.

دانلود ادامه مطلب

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 10

تعداد امتیازدهندگان : 2

مجموع امتیاز : 2

ادامه مطلب ...

مونت موریلونیت (Montmorillonite)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 18:14 | بازدید : 12852 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

واژه مونت موریلونیت (Montmorillonite) از نام منطقه montmorillon فرانسه گرفته شده است. در این منطقه برای اولین بار کانی مونت موریلونیت مشاهده و دسته بندی شد. اسمکتیت نام دیگر کانی مونت موریلونیت است. می توان فرمول این کانی را به شکل زیر در نظر گرفت:

Al_1.67Mg_0.33)[(OH)₂Si₄O₁₀].Na_0.33(H₂O)₄)

ترکیب شیمیایی مونت موریلونیت ثابت نبوده و به مقدار زیاد به میزان آب موجود در شبکه بلوری آن که متغییر می باشد، بستگی دارد. گاهی مقداری K₂O و Na₂O نیز در مونت موریلونیت یافت می شود. مونت موریلونیت به علت قابلیت زیاد جانشینی یون ها در شبکه بلوری آن هرگز یک فرمول ایده آل ندارد. در لایه های چهار وجهی جایگزینی Al³⁺ به جای Si⁴⁺ تا حداکثر 15 درصد و در لایه های هشت وجهی این جانشینی از مقادیر کم تا 100 درصد می تواند انجام پذیرد. یون هایی مانند Mg²⁺ و Fe²⁺ و به ندرت Zn²⁺، Ni²⁺، Li⁺ و Cr³⁺ می توانند در ساختمان بلوری مونت موریلونیت جایگزین شوند، لذا ترکیب شیمیایی نزدیک به واقعیت برای این کانی را می توان به صورت زیر تصور کرد.

Al,Mg,Fe³⁺)₄(Si,Al)₈O₂₀(OH)₂.nH₂O)

مونت موریلونیت،Montmorillonite

به دلیل تشابه ساختاری کانی های ایلیت و مونت موریلونیت، ترکیب ساختمانی این دو به صورت بین لایه ای نیز موجود بوده و بسیار معمول است. فرمول شیمیایی کلی مونت موریلونیت به صورت X₂Y₄O₁₀(OH)₂ بوده و در آن X و Y به صورت زیر تعریف می شوند:

X= کاتیون های سه ظرفیتی آلومینیم و هم چنین منیزیم های دو ظرفیتی جانشین شده (در لایه های هشت وجهی) به علاوه کاتیون های یک یا دو ظرفیتی که جهت کمبود بار حاصل از جابه جایی اضافه شده اند.

Y= کاتیون های چهارظرفیتی سیلیس و همچنین کاتیون های سه ظرفیتی آلومینیم جانشین شده (در لایه چهاروجهی) به علاوه کاتیون های یک یا دو ظرفیتی که جهت جبران کمبود با حاصل از جابجایی اضافه شده اند.

در حالت کلی، ترکیب نظری مونت موریلونیت صورت زیر است:

SiO₂	%66.7
Al₂O₃	%28.3
H₂O	%5

بنتونیت یکی از کانی های اصلی گروه مونت موریلونیت بوده و مشخصه آن تورم قابل ملاحظه در هنگام تماس با آب است. این خاک رسی، عمدتا متشکل از مونت موریلونیت (بیش از 70 درصد) بوده و کانی های دیگر مانند کوارتز، فلدسپات، ژیپس (CaSO₄.2H₂O)، کلسیت (CaCo₃) و سایر ناخالصی ها حدود 10 تا 15 درصد محتوای بنتونیت را تشکیل می دهند.

ساختار مونت موریلونیت

ویرایش

ساختار کانی های گروه مونت موریلونیت به صورت سه هشت وجهی و متشکل از دو لایه چهار وجهی سیلیس و یک لایه هشت وجهی مرکزی آلومینا است. ساختار فوق متعلق به پیروفیلیت بوده و سایر اعضای گروه مونت موریلونیت با جایگزینی آلومینیم به جای سیلیس (در لایه های چهار وجهی) و آلومینیم با منیزیم و آهن دو ظرفیتی (در لایه هشت وجهی) حاصل می شوند.

به علت تفاوت ساختار لایه هشت وجهی و چهار وجهی، این دو لایه قابلیت انطباق بر یکدیگر را نداشته و بر خلاف کائولینیت که بین لایه هایش پیوند هیدروژنی برقرار است، در ساختار کریستالی مونت موریلونیت ها لایه هشت وجهی بین دو لایه چهار وجهی محبوس بوده و تنها نیروی موجود، نیرو های ضعیف واندوالس است. به این خاطر در هنگام تماس با آب، ساختار کریستالی مونت موریلونیت ها به راحتی مولکول های آب را جذب و تا شش برابر حجم اولیه خود متورم می شوند.

از نقطه نظر فعالیت شیمیایی نیز گروه مونت موریلونیت به دلیل وجود لایه های درون ساختمانی خود و سهولت تفکیک پذیری این لایه ها، در مقایسه با گروه کائولینیت فعال تر هستند. از طرف دیگر وجود خاصیت جانشینی ایزومرفی در مونت موریلونیت ها باعث می شود که در این گروه به راحتی یک کاتیون با کاتیونی دیگر و با باری متفاوت جایگزین گردد. به عنوان مثال اگر یک کاتیون سه ظرفیتی مانند یون آلومینیم جایگزین یون چهار ظرفیتی سیلیسیم در شبکه چهار وجهی شود کمبود بار مثبت ایجاد شده تنها با اضافه نمودن یک کاتیون خارجی یک یا دو ظرفیتی جبران و موازنه می شود. البته در حالتی که کاتیون خارجی دو ظرفیتی باشد تعداد کاتیون های جذب شده برابر با نصف تعداد بارهای منفی آزاد شده توسط جانشینی ایزومرفی خواهد شد.

یکی از مشخصه های بارز و مهم مونت موریلونیت ها کوچکی فوق العاده اندازه ذرات آن می باشد و این امر سبب ایجاد خواص زیادی در مونت موریلونیت ها می شود. علاوه بر آن بین مونت موریلونیت های سدیمی و کلسیمی نیز تفاوت زیادی وجود دارد. نوع سدیمی این کانی دارای خاصیت شکل پذیری بسیار بیشتر و همچنین توانایی بیشتر جهت تبادل یون، نسبت به مونت موریلونیت کلسیمی می باشد.

ورقه های کانی مونت موریلونیت آسانتر از ورقه های کائولینیت از هم جدا می شوند، زیرا در کائولینیت یون O^2- یک ورقه، روبروی (OH)^-در ورقه مجاور قرار گرفته است، در حالیکه در مونت مریونیت یون O^2- یک ورقه مجاور O^2- ورقه دیگر قرار گرفته است، در حالیکه در مونت مریلونیت یون O^2- یک ورقه مجاور O^2- ورقه دیگر واقع شده است. این اختلاف ناشی از جاذبه بیشتر بین یون های O^2- با ^-(OH) در مقایسه با O^2- با O^2- است، لذا کائولینیت دارای اسکلت نامتقارن و مونت موریلونیت حاوی اسکلت متقارن است. ساختار های متقارن آسان تر از ساختار های نامتقارن از هم جدا می شوند، لذا پلاستیسیته در کانی های گروه مونت موریلونیت قوی تر از پلاستیسته در کانی های گروه کائولینیت است.

از آنجا که در کانی های رسی سه لایه ای بین اتم های اکسیژن لایه سیلیکا در یک ورقه با اتم های اکسیژن ورقه زیرین، پیوند ضعیف واندوالس وجود دارد، لذا آب می تواند به راحتی بین ورقه های این گونه رس ها نفوذ نماید. تمایل شدید به جذب آب و تورم در رس های سه لایه ای، از مشخصات اصلی این گونه رس ها است. باید توجه داشت که در کانی های گروه مونت موریلونیت به دلیل همین تمایل زیاد به جذب آب، میزان آب خارج شده پس از شکل دهی و به هنگام خشک شدن، زیاد خواهد بود. خروج آب زیاد از بدنه سرامیکیسبب ایجاد نقاط ضعف، نظیر انقباض شدید و ترک خوردگی در بدنه می شود.

خواص فیزیکی مونت موریلونیت

ویرایش

مونت موریلونیت به رنگ سفید، خاکستری، گاهی آبی، صورتی، قرمز صورتی، سبز و در حالت خشک مات است. سختی هر یک از پولک ها دقیقا معلوم نیست، ولی بسیار نرم بوده و دارای جلای چرب است، چگالی این کانی ثابت نیست و بین 1.7 تا 2.7 گرم بر سانتی متر مکعب نوسان می کند.

وجود مونت موریلونیت در خاک رس را می توان به دلیل تورم آن در اثر رطوبت و به این ترتیب حالت چربی که به دنبال آن احساس می شود حدس زد، تشخیص دقیق این کانی بدون آنالیزشیمیایی و یا پرتو ایکس غیر ممکن است. باید توجه داشت که بنتونیت های غنی از مونت موریلونیت و بایدلیت Al₂[AlSi₃O₉(OH)](OH)₂.nH₂O را می توان از روی برخی از خصوصیات ظاهری آن ها تشخیص داد:

- این خاک ها بعد از بارش باران به توده لغزنده و چسبناک تبدیل شده و پس از خشک شدن در آن ها درز و شکاف پدید می آید و همزمان تحت تاثیر تورم بخش های زیرین حالت گنبد مانند (برآمدگی) در آن ها ایجاد می گردد، در اثر ادامه خشکی هوا این خاک رس در بخش سطحی خرد و پودر می شود.

- قابلیت جذب آب توسط بنتونیت و تورم آن که بر روی خواص چسبندگی اثر می گذارد خود به خصوصیت دیگر این خاک رس بستگی دارد که به ظرفیت تبادل کاتیونی موسوم است. ویژگی ساختار کانی های رسی به گونه ای است که غالبا بارهای منفی موازنه نشده ای در آن ها وجود دارد که بایستی توسط یون های مثبت مناسب خنثی شوند. این یون ها که دارای قابلیت تعویض هستند، به کاتیون های قابل تعویض موسوم هستند و میزان آن ها از یک خاک رس تا خاک رسی دیگر تفاوت دارد و توسط ظرفیت تبادل کاتیونی اندازه گیری می شود.

مونت موریلونیت

منشا و معادن مونت موریلونیت

ویرایش

بخش قابل توجهی از رس های مونت موریلونیتی ماحصل فرسایش و تخریب سنگ های آتشفشانی و یا آتشفشانی آواری مانند ریبولیت ها، تراکیت ها، داسیت ها، آندسیت ها، بازالت ها و لیپاریت ها هستند. بنتونیت های ناحیه وایومینگ آمریکا نیز بر اثر تخریب و فرسایش در محل خاکستر های آتشفشانی و سپس تجمع آن ها در طی دوران کرتاسوس شکل گرفته اند. علاوه بر موارد فوق مونت موریلونیت ها ممکن است بر اثر پدیده های زایش رسوبی و یا گرمابی نیز پدید آیند. معادن مونت موریلونبت حاصل از پدیده زایش رسوبی در نقاط مختلف دنیا پراکنده بوده و در آن ها کانسار های رسوبی به صورت لایه هایی با ضخامت چندین متر هستند. کانسار های گرمابی مونت موریلونیت دارای شکل و ظاهری نامنظم و بی قاعده بوده و به دلیل استخراج آن ها بسیار مشکل و پیچیده است.

مهمترین معادن مونت موریلونبت اروپا در کشور های انگلستان، فرانسه، آلمان، مجارستان، ایتالیا، چکسلواکی، شوروی سابق، یونان و یوگسلاوی سابق واقع شده اند. در آمریکا نیز غیر از معادن شناخته شده بنتونیت در ناحیه وایومینگ، معادن عمده دیگری در نواحی آریزونا، اوکلاهما، تگزاس و نوادا قرار دارند. دیگر معادن مونت موریلونیت در کشور های کانادا، مکزیک، آرژانتین، آسیا و آفریقای جنوبی واقع هستند.

استخراج کانی های عمدتا مونت موریلونیتی از طریق استخراج باز معادن سطحی صورت می گیرد. در این حالت فرآیند بسیار ساده بوده و تنها شامل عملیات حمل و نقل و جابجایی توسط روش های معمول و متداول می باشد. البته نکته ای که در این حالت بایستی بدان توجه داشت همانا مسئله شکل پذیری یا پلاستیسیته بالا و همچنین رطوبت پذیری زیاد خاک است، به گونه ای که بعضا امکان وجود 15 تا 25 درصد رطوبت در خاک استخراجی می باشد. در این مواقع استفاده از بولدوزرها عملا غیر ممکن می شود، زیرا این ماشین آلات بر اساس جمع آوری خاک و انباشتن آن به صورت پشته های عظیم و سپس انتقال آن کار می کنند و وجود شکل پذیری بالای خاک این امر را غیر ممکن می سازد، لذا به منظور غلبه بر مشکل فوق در بعضی اوقات به جای بولدوزر از جرثقیل ها و یا چرخ های قوی هیدرولیکی (به منظور لایروبی) استفاده می شود. از مزایای این روش علاوه بر استخراج انتخابی، امکان بهره برداری و استخراج مطمئن از لایه ها و رگه های عریض ولی نازک را می توان برشمرد.

کاربرد مونت موریلونیت در صنایع سرامیک

ویرایش

به دلیل خصوصیات نامطلوب مواد مونت موریلونیتی خالص نظیر اثرات منفی و قابل توجه بر روی خواص رئولوژی دوغاب و یا تورم قابل ملاحظه بنتونیت های هیدراته و تبدیل آن ها به فرم ژل کلوئیدی، از مونت موریلونیت های خالص کمتر در صنایع سرامیک استفاده شده و کاربرد آن ها تنها به عنوان یک ماده افزودنی شکل دهنده، با حداکثر 5 درصد فرمول می باشد. از طرف دیگر به دلیل مشخصات مطلوبی که مخلوط مواد مونت موریلونیتی و ایلیتی (به صورت لایه ای) دارند، از آن ها به نحو گسترده ای در صنایع سرامیک به خصوص در تولید کاشی، آجر و فاینس ها استفاده می شود.

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

افزودنی های شکل دادن سرامیک ها

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:52 | بازدید : 1554 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

افزودنی های شکل دادن سرامیک ها (Additives in ceramic Forming) را می توان به ترکیبات آلی و غیر آلی (معدنی) تقسیم بندی کرد. افزودنی های آلی نیز به دو نوع طبیعی و مصنوعی تقسیم بندی می شوند. افزودنی های آلی بیشتر در شکل دادن سرامیک های پیشرفته مورد استفاده قرار می گیرند، در حین فرآیند پیرولیز (تجزیه حرارتی) و پیش از زینترینگ از محصول خارج شوند. در نتیجه از حضور مواد باقیمانده که اثر مخربی روی ریزساختار محصول دارند، جلوگیری می شود. افزودنی های آلی می توانند ترکیب های بسیار متنوعی داشته باشند. افزودنی های غیر آلی یا معدنی پس از فرآیند شکل دادن به طور کامل حذف نشده و معمولا در ساخت سرامیک های سنتی که خواص ویژه ای ندارند، مورد استفاده قرار می گیرند.

نقش افزودنی ها را می توان به سه بخش اصلی تقسیم بندی کرد:

در برخی از روش های فرم دهی ممکن است از سایر مواد افزودنی مانند روان سازها (lubricants) و عوامل تر کننده (wetting agents) نیز استفاده می شود. اصول شیمیایی و عملی استفاده از مواد افزودنی را می توان فرمول بندی کرد اما به دلیل وجود مواد شیمیایی بسیار زیاد و دانش ناکافی در مورد ساختار شیمیایی و مکانیزم های فرآیند، انتخاب افزودنی مناسب برای یک سیستم دشوار است. بسیاری از افزودنی های مناسب به وسیله روش آزمون و خطا بدست آمده اند.

سایر افزودنی های شکل دادن سرامیک ها

ویرایش

تعداد مواد افزودنی که در یک فرآیند شکل دادن مورد استفاده قرار می گیرند باید در حد مینیمم باشد. زیرا احتمال ایجاد واکنش های ناخواسته بین اجزا با افزایش تعداد آن ها، افزایش می یابد. اگر چه مقدار اندکی از سایر افزودنی ها برای کاربردهای خاص به کار می روند. یک عامل تر کننده می تواند برای کاهش کشش سطحی مایع (به ویژه آب) به کار رود و تر شوندگی ذرات به وسیله مایع را بهبود بخشد. معمولا در فرآیندهای پرس، اکستروژن و قالب گیری تزریقی برای کاهش اصطکاک میان قالب و ذرات و مابین ذرات از یک روانکار استفاده می شود. تحت یک فشار خارجی ذرات به راحتی دوباره آرایش می گیرند و منجر به دانسیته بالاتر و یکنواخت می شوند. روانکار ها معمولا اسید استریک، استئارات و سایر ترکیبات مومی هستند. یک هموژنایزر مانند سیکلوهگزانون در برخی موارد در ریخته گری نواری استفاده می شود تا منجر به افزایش حلالیت همزمان اجزا و یکنواختی مخلوط شود.

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

الکتروسرامیک ها (Electroceramics)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:48 | بازدید : 2711 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

الکتروسرامیک ها (Electroceramics) دسته ای از سرامیک های پیشرفته هستند که همگام با رشد و پیشرفت تکنولوژی، توسعه یافته اند. سرامیک های سنتی به واسطه خواص حرارتی و مکانیکی خود مورد توجه قرار می گرفتند ولی به تدریج خواص الکتریکی، نوری و مغناطیسی سرامیک ها در بسیاری از صنایع مانند مخابرات، تبدیل و ذخیره انرژی و الکترونیک مورد توجه قرار گرفت و منجر به توسعه الکتروسرامیک ها شد.

در اولین کاربرد سرامیک ها در صنعت برق از مزیت پایداری آن ها در شرایط بد آب و هوایی و یا مقاومت الکتریکی بالای آن ها که ویژگی بیشتر مواد سیلیکاتی است، بهره گرفته شد. روش هایی که در طول هزاران سال در سفالگری سنتی گسترش یافته بودند برای تولید بدنه عایق های الکتریکی اصلاح شدند. این عایق ها برای انتقال و جداسازی رساناهای الکتریکی در کاربردهایی از خطوط نیرو گرفته تا مقاومت هسته های سیم پیچ و المنت های حرارتی الکتریکی مورد نیاز هستند.

اگر چه در نیمه اول قرن بیستم مشخصه بدیهی سرامیک ها در کاربردهای الکتریکی، پایداری شیمیایی و مقاومت الکتریکی بالا بود، اما کاملا مشخص بود که گستره خواص آن ها بسیار وسیع است. برای مثال، مشخص شده بود که کانی مگنتیت که دریا نوردان اولیه آن را سنگ آهنمی نامیدند، علاوه بر خواص مغناطیسی، دارای خواص هدایت الکتریکی مناسب نیز است. این ویژگی همراه با خنثایی شیمیایی، آن را به عنوان آند در استخراج هالوژن ها از نیترات های معدنی قابل استفاده کرد. هم چنین زیرکنیا به همراه مقادیر کمی از اکسید لانتانیدها (خاک های کمیاب می تواند با عبور جریان به دماهای بالا برسد و به صورت فیلامنت نرنست، یک منبع موثر نور سفید را تشکیل دهد. هم چنین مشاهده شد که برخی سرامیک ها، یعنی رساناهای یونی، جریان الکتریسیته را به خوبی هدایت می کنند. به همین دلیل در دو دهه اخیر این مواد به دلیل نقش تعیین کننده خود در فن آوری پیل سوختی، باتری و حس گرها مورد توجه قرار گرفته اند.

پیشرفت علم الکترونیک از سال 1910 که با استفاده همه جانبه از گیرنده های رادیویی و کابل های مخابراتی چند کاناله همراه بود، محققین را بر آن داشت تا در سال های 1930 تا 1950 در مورد فریت ها تحقیق کنند. فریت های نیکل - روی و منگنز - روی که از نظر ساختار شبیه سنگ آهن هستند، به دلیل مقاومت بالا و حساسیت کم به جریان های القایی، به عنوان مواد هسته ترانسفورماتور و دریچه در فرکانس های بالا تا 1MHz و یا بیش تر استفاده می شدند. فریت باریم ساخت آهن رباهای دائمی با هزینه کم و به شکل های کوچک که با فلزات فرومغناطیسی دست یافتنی نبود، را میسر ساخت. از سال 1940، پودرهای سرامیکی مغناطیسی، اساس نوارهای صوتی و ضبط را تشکیل دادند و سپس برای ساخت هسته مغناطیسی با قطر کمتر از 0.5mm مورد استفاده قرار گرفتند و تا چند سال مبنای حافظه پردازنده مرکزی کامپیوترها بودند. فریت ها و سرامیک ها مشابه دارای ساختارهای گارنت، همچنان ازاجزای موثر در فن آوری مایکروویو هستند.

از دهه 1920، سرامیک های رسانا مورد استفاده قرار گرفتند. به عنوان مثال می توان میله های کاربید سیلیسیمی مورد استفاده برای گرم کردن کوره ها تا دمای 1500 درجه سانتی گراد در هوا را نام برد. هم چنین بر خلاف فلزات که ضریب مقاومت حرارتی مثبت و کوچک دارند، سرامیک ها مقاومت ویژه بالاتر و ضریب مقاومت حرارتی منفی بالایی دارند. بنابراین به عنوان دما سنج و برای محدود گسترده ای از کاربردهای مرتبط با دما مورد استفاده قرار گرفتند. در ضمن در مراحل اولیه مشخص شد که مقاومت ویژه نمونه های متخلخل با ترکیبات مشخص، به شدت تحت تاثیر اتمسفر محیط به ویژه مقدار رطوبت و پتانسیل اکسیداسیون آن قرار می گیرد. بعدها این حساسیت کنترل شد و در آشکارسازهای مواد سمی یا قابل اشتعال مورد استفاده قرار گرفت.

هم چنین مشخص شد که مقاومت الکتریکی سرامیک های بر پایه کاربید سیلیسیم و اخیرا اکسید روی را می توان به میدان اعمالی حساس کرد. این امر باعث گسترش اجزایی شده است که نوسانات ناپایدار را از خطوط نیرو جذب می کنند و مانع از جرقه زدن بین اتصالات رله ها می شوند. اکنون رفتار غیر خطی این مقاومت ها را ناشی از وجود سدهای پتانسیل بین بلورها در سرامیک می دانند.

سرامیک های مورد استفاده به عنوان دی الکتریک برای خازن ها، دارای این عیب هستند که به راحتی نمی توان از آن ها ورقه های نازک تهیه کرد، و یا ورقه های ساخته شده از آن ها بسیار شکننده هستند. با وجود این میکا به طور گسترده در خازن ها مورد استفاده قرار گرفته است و قطعاتی با پایداری بسیار بالا از آن ساخته می شود. لوله های استاتیتی با دیواره نازک (0.1 تا 0.5 میلی متر) برای استفاده در واحدهایی که ظرفیت خازنی پایینی دارند، ساخته شده اند. ضریب گذر دهی نسبی پایین استاتیت (ε_r≈6) کاربرد آن را محدود کرده است، اما ظهور تیتان با ضریب گذردهی بالا (εr≈100) در دهه 1930 باعث پیشرفت و گسترش خازن هایی در محدوده1000pF با اندازه های مناسب، اما با ضریب دمایی منفی بالا شد. از آن زمان ضرایب گذردهی نسبی نزدیک به 30 با ضرایب دمایی پایین از ترکیبات تیتاناتی و زیرکناتی به دست آمده است.

در اواخر دهه 1940 با ظهور دی الکتریک های با ضرایب گذردهی بالا (εr≈2000-10000) که بر اساس تیتانات باریم ساخته شده بودند، این وضع تغییر کرد، به طوری که برای محدوده گسترده ای از کاربردها، ورقه های کوچک یا لوله هایی با ضخامت 0.2 تا 1 میلی متر ترکیب مفیدی از اندازه و ظرفیت الکتریکی را ارائه می دادند. توسعه ترانزیستورها و مدارهای مجتمع باعث شد تا نیاز به ظرفیت الکتریکی بالاتر و اندازه کوچک که به وسیله ساختارهای چند لایه یکپارچه ایجاد می شد، بیش تر احساس شود. در این موارد لایه های نازک پلیمری حاوی پودرهای سرامیکی ساخته می شود. الگوهایی از جوهر فلزی به عنوان الکترود نشانده می شود و لایه های مختلف بر روی هم انباشته و فشرده می شوند تا قطعات کاملا به یکدیگر چسبیده، درست شود.

پس از سوزاندن و خروج ماده آلی و سینتر، قطعات چند لایه مستحکم با دی الکتریک هایی با ضخامت کمتر از 5 میکرون به دست می آید. این قطعات عمل کنار گذر (bypass)، جفت کردن (coupling) و جدا کردن (decoupling) مدارهای مجتمع نیمه رسانا در مدار های نیمه رسانای لایه ضخیم را انجام می دهند.

این ساختار چند لایه یک پارچه را می توان برای ساخت هر دی الکتریک سرامیکی مورد استفاده قرار داد. تلاش برای توسعه ساختارهای چند لایه که کاربردهای گوناگونی دارند، ادامه دارد. به ویژه فن آوری سرامیک با پخت همزمان در دمای کم (low temperature co-fired ceramic) برای بسته بندی الکترونیکی به ویژه کامپیوترهای بزرگ و سیستم های ارتباطی به وفور مورد استفاده قرار می گیرد.

ضریب گذردهی بالای تیتانات باریم ناشی از خاصیت فروالکتریک آن است که در بسیاری از تیتانات ها، نیوبات ها و تنتالات های با ساختار بلوری مشابه، مشاهده می شود. یک ماده فروالکتریک دارای یک محور قطبی منحصربه فرد است که می تواند به وسیله میدان خارجی تغییر جهت یابد. اگر چه میزان جهت گیری محورهای قطبی بلورک ها در یک سرامیک به علت تصادفی بودن جهت بلورک ها محدود می شود، اما برای تبدیل یک نمونه چندبلور همسان گرد به یک نمونه قطبی کافی است. این قطبش منجر به رفتار پیزو الکتریک، پایروالکتریک و الکترواپتیک می شود که می توان از آن ها در سونار، تمیز کننده های فراصوتی (Ultrasonic Cleaner)، آشکار سازی فروسرخ و نورپردازها (Light Processors) استفاده کرد. مزیت سرامیک های چند بلور نسبت به تک بلورها، سهولت ساخت آن هاست. اکنون فرو الکتریک ها به شکل لایه های نازک در ساخت نوعی حافظه دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرند.

تیتانات باریم را می توان با جانشینی های مناسب و یا سینتر در اتمسفر کاهنده رسانا کرد، که این باعث توسعه در دو زمینه شده است:

1- قطعات با ظرفیت الکتریکی بالا که به وسیله اکسایش مجدد لایه های سطحی صفحات رسانا ساخته می شوند و استفاده از لایه های عایق نازکی که بدین ترتیب ساخته می شوند.

2- مقاومت های دارای ضریب مقاومت حرارتی مثبت بزرگ، زیرا مقاومت قطعاتی که به خوبی دوپ (Doping) و پخته شده اند در یک محدوده دمایی کوچک نزدیک به دمای تبدیل از حالت فروالکتریک به پارا الکتریک، چند رقم افزایش می یابد.

از مقاومت های PTC در گرمکن های ترموستاتی، کنترل کننده های جریان، ابزارهای دگاوس در گیرنده های تلویزیونی و نشان گرهای سطح سوخت استفاده می شود. در مورد مقاومت های حساس به ولتاژ، باید ذکر شود که این پدیده از سدهای پتانسیل الکتریکی در مرز دانه های ناشی می شود. در نهایت سرامیک های ابر رسانا با دماهای انتقال بیش از دمای 100 کلوین کشف شده اند. این پدیده توسعه ابزارهایی با توان بالا در تولید نیروی مغناطیسی برای کاربردهای گوناگون از جمله سیستم های انتقال شناور مغناطیسی را امکان پذیر می سازد.

ظهور سرامیک های فرومغناطیس، فروالکتریک و رسانا به ساخت ترکیبات غالبا عاری از پلاستی سایزرهای طبیعی مانند رس ها نیاز داشته است. این ترکیبات به پلاستی سایزر های آلی نیاز دارند تا شکل پذیری آن ها قبل از سینتر امکان پذیر باشد. بر خلاف پرسلان های سیلیکاتی، متراکم شدن به حضور مقدار زیادی از فازهای گدازآور وابسته نیست، بلکه به مقدار کمی فاز مایع برای بهبود سینتر در حضور فاز مایع یا به سینتر نفوذی حالت جامد و یا ترکیب این مکانیزم ها بستگی دارد. اندازه بلور و مقادیر بسیار کم فازهای ثانویه که در مرز دانه ها وجود دارند ممکن است تاثیر زیادی بر خواص داشته باشد. از این رو کنترل دقیق مواد اولیه و شرایط آماده سازی ضروری است. این امر باعث انجام تحقیقات مهمی در راستای توسعه به اصطلاح روش های شیمیایی تر برای ساخت پودرهای اولیه شده است.

سرامیک ها از بلورک هایی تشکیل شده اند که ممکن است از نظر ساختار، بی نقص بودن، ترکیب و نیز اندازه، شکل و تنش های داخلی با یکدیگر تفاوت داشته باشند. به علاوه فصل مشترک بین بلورک ها مناطقی هستند که در آن ها تغییرات در جهات شبکه ای اتفاق می افتد که اغلب با تغییرات در ترکیب و تاثیرات الکتریکی وابسته به آن همراه است. در نتیجه توجیه رفتار سرامیک ها به طور دقیق، اگر غیر ممکن نباشد، بسیار دشوار است. مطالعه خواص تک بلور های الکتروسرامیک مهم، به درک رفتار سرامیک ها منجر شده است. با این وجود، رشد تک بلورها معمولا کاری دشوار و طولانی است و در ضمن، پیچیدگی ریزساختارهای سرامیکی، پیش بینی خواص آن ها را از تک بلورهای مشابه نامطمئن می کند. بنابراین، معمولا پیش از آن که یک درک جزئی از مکانیزم های فیزیکی اساسی وجود داشته باشد، مشاهدات تجربی منجر به ساخت ابزارهای جدید سرامیکی شده است.

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

مقره سرامیکی (Ceramic Insulator)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:13 | بازدید : 2904 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

مقره سرامیکی (Ceramic Insulator) جزئی از سرامیک های الکتریکی و یا الکترو سرامیک‌ ها (Electro Ceramics) هستند. در گذشته سرامیک‌ های الکتریکی صرفا شامل مقره‌ های پرسلانی بودند و با توجه به مشابهت مواد اولیه مصرفی و روش‌ های ساخت پرسلان‌ های الکتریکی با ظروف خانگیپرسلان، به طور کلی این نوع بدنه‌ ها جزو فرآورده های ظریف مورد بحث قرار می‌ گرفتند. بعد ها با تکامل علم و صنعت سرامیک، سرامیک‌ های الکتریکی (و نیز عایق‌ های الکتریکی به عنوان جزئی از سرامیک‌ های الکتریکی) شامل بدنه‌ های بسیار متنوعی شدند و کاربرد های متفاوتی پیدا کردند. به عنوان مثال می‌ توان از انواع بدنه‌ های سرامیک‌ های الکتریکی از بدنه‌های پرسلان الکتریکی، استاتیت، کوردیریت، تیتانات‌ ها، فرایت‌ های مختلف، پرسلان‌ های زیرکنی و غیره نام برد و تنوع این بدنه‌ ها به معنی کاربرد های متفاوتی برای سرامیک‌ های الکتریکی است. امروزه سرامیک‌ های الکتریکی در بسیاری موارد در باطری‌ ها و موتور های الکتریکی تا دستگاه‌ های پیچیده الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌ گیرند.

علی‌ رغم تنوع بدنه‌ ها و کاربرد های سرامیک‌ های الکتریکی هنوز نیز در بسیاری از متون به سنت‌ های این صنعت احترام گذاشته شده و همچنان سرامیک‌ های الکتریکی را به عنوان جزئی از سرامیک‌ های ظریف (و نه جزئی از سرامیک های تکنیکی) قابل بررسی می‌ دانند به نحوی که هنوز در فرهنگ سرامیک Dodd که به عنوان مرجع در تکنولوژی سرامیک مورد استفاده قرار می‌ گیرد برای عبارت سرامیک ظریف این تعریف ارائه شده است: این اصطلاح به طور کلی به معنی ظروف خانگی یعنی سرویس‌ های غذاخوری، ظروف پخت و پز و سرامیک های بهداشتی است. ولی صنعت سرامیک‌ های ظریف، کاشیهای دیواری و کف، الکترو سرامیک‌ ها و استون ور های شیمیایی را نیز در بر می‌ گیرد. ولی با این حال اکثر متون فنی در عمل سرامیک‌ های الکتریکی را در چهار چوب سرامیک‌ های تکنیکی و ویژه قرار می دهند و در محدوده سرامیک‌ های ظریف صرفا به بیان بعضی از عایق‌ ها و مقره‌ های الکتریکی و عمدتا بدنه‌های پرسلان الکتریکی اکتفا می‌ نمایند.

پرسلان‌ های الکتریکی

ویرایش

پرسلان‌ های الکتریکی معمولی‌ ترین نوع عایق‌ ها و مقره‌ های سرامیکی هستند و دارای مقاومت الکتریکی و استحکام زیادی هستند. به طور کلی این بدنه در فرکانس‌ های کم و در کلیه ولتاژ ها (اعم از ولتاژ پایین یا بالا) کاربرد دارند. در چنین مواردی، برعکس ظروف خانگی رنگ بدنه و نیمه شفاف بودن اهمیتی نداشته بلکه عمده‌ ترین خصوصیات مورد نیاز مقاومت مکانیکی زیاد و تخلخل و جذب بسیار کم آب است. اصولا ترکیب این بدنه‌ ها برای ولتاژ های پایین و بالا مشابه است ولی عمده‌ ترین اختلاف در مقدار تخلخل است. مقره‌ های ولتاژ پایین ممکن است جذب آبی حدود 0.5 درصد داشته باشند ولی برای مقره‌ های ولتاژ بالا مقدار جذب آب باید حتما صفر باشد.

به طور کلی هنگامی که عایق‌ های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌ گیرند مقداری از انرژی الکتریکی به وسیله بدنه عایق جذب شده و تبدیل به انرژی حرارتی می‌ شود. این عمل علاوه بر گرم کردن عایق باعث کاهش و افت انرژی الکتریکی نیز می‌ شود ضریب توان (Power Factor) درصد افت و کاهش انرژی الکتریکی است که بدین صورت تبدیل به انرژی حرارتی شده است. بدیهی است که برای یک مقره الکتریکی حتی‌ المقدور باید ضریب توان کم باشد. اصولا افزایش تخلخل و در نتیجه جذب رطوبت باعث افزایش ضریب توان می‌ شود و به همین دلیل است که در مورد پرسلان‌ های الکتریکی به خصوص نوع ولتاژ بالا، در مورد کاهش تخلخل تاکید می‌ شود. عامل دیگری که در افزایش ضریب توان مؤثر است، افزایش ترکیبات قلیایی‌ موجود در ترکیب بدنه است. بنابراین باید تا حد امکان از مصرف مقدار زیاد قلیایی اجتناب شود. برای ساخت بدنه‌ های پرسلان الکتریکی توصیه می‌ شود که به جای استفاده از فلدسپات سدیم دار، از فلدسپاتپتاسیم دار استفاده شود. این امر به دو دلیل است:

1- چنانچه سدیم در این بدنه‌ ها به طور کامل حذف شده و به جای آن پتاسیم مورد استفاده قرار گیرد، هدایت الکتریکی کاهش می‌یابد.

2- فلدسپات سدیم‌ دار می‌ تواند باعث افزایش تخلخل و در نتیجه افزایش ضریب توان شود. بدین صورت که فلدسپات سدیم‌ دار سریع‌ تر از فلدسپات پتاسیم‌ دار به ذوب نهایی خود می رسد و سپس اکسید سدیم موجود در آن تبخیر می شود و این عمل در نهایت باعث ایجاد تخلخل می‌ شود. به همین دلیل از مصرف کربنات‌ ها نیز در این بدنه‌ ها باید خودداری شود.

فرمول‌هایی که برای پرسلان‌ های الکتریکی در مراجع مختلف قید شده است، کاملا تقریبی بوده و برحسب خصوصیات و موارد استفاده فرآورده، فرمول این نوع بدنه‌ ها نیز می‌ تواند به مقدار زیادی تغییر کند. فرمول زیر رایج‌ ترین فرمول جهت پرسلان‌ های الکتریکی است:

درصد %	ماده اولیه
30-20	کائولن
30-20	بالکلی
30-20	سیلیس
30	مواد فلدسپاتی

این فرمول شباهت زیادی به فرمول پرسلان نرم دارد با این تفاوت که در فرمول پرسلان‌ های نرم به دلیل رنگ و عبور نور (نیمه‌ شفافی بدنه) از مصرف زیاد بال‌کلی اجتناب می‌ شود. این فرآورده‌ ها به دلیل قطر زیاد و در نتیجه احتمال بروز ترک و شکست درخلال پخت (و خطر دانتینگ Dunting) فقط یک بار حرارت می‌بینند و به اصطلاح تک پخت هستند. درجه حرارت پخت معمولا برای بدنه‌های ولتاژ پایین حداقل حدود 1150 درجه سانتی گراد و برای بدنه‌ های ولتاژ بالا حداکثر حدود 1250 تا 1400 درجه سانتی گراد است.

در این فرآورده‌ ها لعاب نقش بسیار مهمی را ایفا می‌ کند. یکی از و ظایف لعاب، افزایش استحکام بدنه است. این عمل بدین صورت انجام می‌شود که معمولا ضریب انبساط حرارتی لعاب تا حدی کمتر از بدنه است. این عمل در مورد تمامی فرآورده‌ های سرامیک کم و بیش انجام می‌ شود ولی در مورد مقره‌های الکتریکی اهمیت زیادی دارد. با انجام این عمل مقامت مقره در برابر تنش‌ های فشاری و کششی به شدت افزایش می‌ یابد. رنگ لعاب این مقره ها معمولا قهوه‌ای تیره است. ایجاد چنین رنگی در لعاب به دلیل زیبایی نبوده بلکه جهت افزایش استحکام و ایجاد لعاب نیمه‌ هادی است.

مقره پرسلانی

مقره‌ استاتیتی

ویرایش

پرسلان‌ های الکتریکی دارای ضریب توان کمی در فرکانس‌ های پایین هستند ولی با افزایش فرکانس، ضریب توان این بدنه‌ ها افزایش می یابد به نحوی که در فرکانس‌ های بالا مقدار افت انرژی الکتریکی در مقره‌ های پرسلانی به مقدار قابل ملاحظه‌ ای افزایش می یابد. در چنین شرایطی بدنه‌ های پرسلان الکتریکی، بدنه‌ های مناسبی برای عایق‌ ها و مقره‌ های فرکانس بالا نیستند. بدنه‌ های مناسب جهت فرکانس‌ های بالا باید دارای افت کمی در این فرکانس‌ ها باشند و به همین دلیل از بدنه‌های استاتیتی جهت ساخت چنین فرآورده‌ هایی استفاده می‌ شود. استاتیت (Steatite) و یا تالک نام نوعی از سیلیکات منیزیم آبدار طبیعی به فرمول 4MgO.5SiO₂.H₂O و یا 3MgO.4SiO₂.H₂O است. برای ساخت بدنه‌ مقره‌ های استاتیتی حدود 80 درصد (و در بعضی موارد 90 درصد) تالک و یا استاتیت به کار می‌ رود. علاوه بر تالک حدود 15 تا 5 درصد مواد رسی و نیز 10 تا 15 درصد فلدسپات و یا کربنات باریم مورد استفاده قرار می‌ گیرد. این مواد باعث می‌ شوند که بعد از پخت مقادیر بسیار زیادی بلور های متاسیلیکات منیزیم MgO.SiO₂ در این بدنه‌ ها به وجود آید.

مصرف مواد رسی در بدنه‌های استاتیتی برای ایجاد خاصیت پلاستیسیته در بدنه خام است. به طور کلی رس مصرفی در این نوع بدنه‌ها باید کاملا پلاستیک و خالص بوده و مقدار ناخالصی‌ ها به خصوص اکسید آهن و قلیایی در آن بسیار کم باشد. باید توجه داشت که مصرف رس به مقدار بیشتر از 10 درصد در این بدنه‌ ها باعث کاهش شدید محدوده پخت می‌ شود. ماهیت گداز آور های مصرفی نیز تا حدود زیادی خواص الکتریکی مقره‌ های استاتیتی را تعیین می‌ کند. معمولا بدنه‌ هایی که در آن‌ ها از فلدسپات و یا به طور کلی از فلزات قلیایی به عنوان گداز آور استفاده شده است برای ولتاژهای پایین کاربرد دارند، در حالی که برای فرکانس‌ های بالا و افت کم از آن دسته از مقره‌های استاتیتی استفاده می‌ شود که در آن‌ ها به طور کلی فلزات قلیایی وجود نداشته و به جای آن‌ ها از فلزات قلیایی خاکی (و عمدتا باریم) استفاده شده است. این بدنه‌ها نیز مانند پرسلان‌ های الکتریکی تک پخت بوده و درجه حرارت پخت از حدود 1250 تا 1400 درجه سانتی گراد متغیر است. لازم به توضیح است که بدنه‌ های استاتیتی دارای محدوده پخت بسیار باریکی حدود 30 تا 40 درجه سانتی گراد (و حتی در مورد مقره‌های مرغوب حدود 10 تا 20 درجه سانتی گراد) هستند، که در صورتی که از فلدسپات به عنوان گداز آور در بدنه‌ های استاتیتی استفاده شود محدوده پخت وسعت بیشتری پیدا می‌ کند.

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

شیشه سرامیک ها (Glass ceramic)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:11 | بازدید : 1356 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

شیشه سرامیک ها (Glass ceramic) محصولاتی هستند که از طریق فرآیند معمول ساخت شیشه که عبارت است از ذوب مواد اولیه و شکل دادن آن (از طریق پرس، دمش، نورد، ریخته گری و غیره) ساخته می شوند. هر چند در سال های اخیر از روش های دیگر ساخت شیشه مانند سل - ژل یا رسوب از بخار نیز برای ساخت شیشه سرامیک ها استفاده شده است. اما این روش ها هنوز تجاری نشده اند. پس از تهیه قطعه شیشه ای به صورت دلخواه، در مرحله بعدی این قطعه تحت عملیات حرارتی مناسبی قرار می گیرد تا به صورت جزئی یا کامل تبلور یافته و به محصول به اصطلاح شیشه سرامیکی تبدیل شود. این قطعات معمولا در حالت نهایی دارای فاز های بلوری به مقدار 50 تا 100 درصد بوده و بقیه را فاز شیشه ای تشکیل می دهد. در مرحله عملیات حرارتی با کنترل شرایط جوانه زنی و رشد بلور ها از طریق رسوب دادن فاز های بلوری مطلوب، خواص دلخواه در قطعه ایجاد می شود. مقدار و نوع فاز های بلوری و ریزساختار (ابعاد و شکل ذرات بلوری، طرز آرایش آن ها، مقدار تخلخل و غیره) تعیین کننده ویژگی های نهایی قطعه خواهد بود. این روش نسبت به روش ساخت محصولات معمولی سرامیکی دارای مزایایی به شرح زیر است:

1- فرآیند ساخت شیشه معمولا دارای امکان استفاده از اتوماسیون بیشتر، سرعت تولید بالاتر و ضایعات کمتر است. امکان برگشت ضایعات به خط تولید نیز در آن بیشتر از روش های دیگر بوده و در این روش کنترل ابعاد قطعات نیز (به علت ایجاد تغییر کمتر) بهتر صورت می گیرد.

2- کنترل ریز ساختار و در نتیجه خواص در این فرآیند (در مرحله عملیات حرارتی) بهتر می تواند انجام گیرد و دست یابی به اندازه ذرات بسیار ریز یا حذف کامل تخلخل به سهولت امکان پذیر است.

شیشه سرامیک، شیشه - سرامیک، glass ceramic، glass-ceramic

3- با کنترل ترکیب، نوع جوانه زا و عملیات حرارتی می توان مقدار و نوع فاز های به وجود آمده را با سهولت بیشتری کنترل کرد (به ویژه در مرحله کینتیکی رسوب فازها). در نتیجه امکان کنترل خواص نهایی بهتر فراهم می شود. با اینکه مدت نسبتا زیادی از کشف روش ساخت شیشه سرامیک ها از طریق تبلور شیشه توسط رئومور (Reaumur) در سال 1739 می گذرد، اما استفاده از فرآیند شیشه سرامیک به عنوان روشی صنعتی و تجارتی برای ساخت محصولات قابل عرضه به بازار تقریبا از 50 سال پیش معمول شده است.

کارخانه شیشه کورنینگ آمریکا نخستین بار محصولات شیشه سرامیک شوک پذیر را به صورت ظروفی که می توانست مستقیما روی شعله قرار گیرد به بازار عرضه نمود. از آن زمان تا کنون صنعت شیشه سرامیک همگام با شناخت بهتر، ژرف تر و دقیق تر از پدیده های جدایش فازی در شیشه و جزئیات فرآیند های جوانه زنی و رشد و بررسی ریزساختارهای این مواد گسترش بسیار زیادی یافته است. امروزه شیشه سرامیک ها کاربردهای بسیار متنوع و فراوانی یافته اند که محصولاتی مانند ظروف شوک پذیر آشپزخانه، کاشی ها و سنگ های ساختمانی، مقره های برقی، لوله ها و پوشش های مقاوم در برابر خوردگی، قطعات الکترونیکی – اپتیکی، صنایع هوا - فضا، دماغه موشک ها (Radoms)، آینه تلسکوپ ها، بایو سرامیک ها با کاربردهای پزشکی و بسیاری از فرآورده های دیگر را در بر می گیرد.

برای تولید شیشه سرامیک ها باید ابتدا مواد اولیه تهیه شده عملیات ذوب و شکل دهی انجام شود و سپس در طی عملیات حرارتی محصول نهایی بدست آید. در این مطلب به بررسی مواد اولیه، عملیات ذوب و شکل دهی پرداخته می شود و عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها به صورت جداگانه بررسی خواهد.

مواد اولیه شیشه سرامیک

ویرایش

برای ساخت شیشه سرامیک ها معمولا از همان مواد اولیه ساخت شیشه استفاده می شود. خلوص مواد اولیه بستگی به نوع محصول دارد. در مورد قطعات دقیق با کاربرد های حساس الکترونیکی یا اپتیکی، مواد بسیار خالص به کار می رود در صورتی که برای محصولات معمولی تر (مانند مصالح ساختمانی) می توان از مواد با خلوص پایین تر استفاده نمود. علاوه بر مواد اولیه معمول در صنعت شیشه، از مواد اولیه طبیعی نیز استفاده می شود. مثلا برای وارد کردن Li₂O به ترکیب شیشه می توان از پتالایت یا اسپیدومن طبیعی استفاده نمود که اقتصادی تر است. در مورد برخی محصولات و به ویژه محصولاتی با کاربرد های ساختمانی از مواد زائد صنعتی مانند سرباره های متالورژیکی یا مواد طبیعی ارزان قیمت مانند بازالت، توف یا گرانیت استفاده می شود.

برای تهیه بچ (Batch) یا مخلوط مواد اولیه از همان اصول تهیه، دانه بندی و مخلوط کردن مواد اولیه شیشه استفاده می شود. ناهمگنی هایی که باعث افت خواص می شوند در داخل ماده تبلور یافته، نمود بیشتری دارد بنابراین لازم است که حین آماده سازی بچ به همگن بودن مخلوط توجه زیادی معطوف کرد. مخلوط مواد اولیه شیشه سرامیک ها غالبا دارای اجزای فرعی است که به مقدار اندکی به آن افزوده می شود. این اجزا باید با دقت بسیار توزین شوند. این موضوع به ویژه باید در مورد جوانه زا ها و اجزاء فرعی که ممکن است اثرات نامطلوبی بر خواص بگذارند (مثلا باعث اعوجاج و تغییر شکل در حین تبلور شوند) رعایت شود. به منظور توزیع یکنواخت این اجزاء فرعی در کل مخلوط اولیه می توان ابتدا این مواد را با یکی از مواد اولیه بچ مخلوط کرده آنگاه آن را به کل مواد اضافه نمود. به هنگام استفاده از مواد طبیعی یا ضایعاتی ممکن است به علت عدم یکنواختی ترکیب مشکلاتی بروز کند که در این مورد باید تدابیری اندیشید. به منظور انجام عمل تصفیه (حباب زدایی) می توان از تصفیه کننده های معمولی مانند اکسید آرسنیک As₂O₃ و اکسید آنتیموان Sb₂O₃، سولفات ها، فلوئورید ها و غیره بسته به نوع شیشه استفاده نمود.

ذوب شیشه سرامیک

ویرایش

برای ذوب مواد اولیه شیشه سرامیک ها می توان از انواع کوره های معمولی در صنعت شیشه استفاده نمود . مثلا کوره پاتیلی، تانک روزانه (Day Tank) یا کوره های ذوب پیوسته. سرعت واکنش های ذوب و دمای انتخابی بستگی به ترکیب شیشه، ساختار کوره و سیستم حرارت دهی آن دارد. در مورد سیستم های شیشه سرامیکی معمول مقدار Al₂O₃ و SiO₂ و نسبت آن ها از نظر دمای ذوب اهمیت زیادی دارد. اگر مجموع این دو اکسید زیاد باشد دمای ذوب افزایش می یابد. به طور مثال اگر در شیشه سرامیک های سیستم SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-Na₂O مجموع Al₂O₃ و SiO₂ در ترکیب بین 62 تا 74 درصد وزنی باشد، معمولا دمای ذوب در حدود 1400 تا 1500 درجه سانتی گراد خواهد بود. دمای ذوب شیشه سرامیک های سیستم SiO₂-Al₂O₃-Li₂O عمدتا بستگی به مقدارLi₂O دارد. اگر مقدار این اکسید در حد معمول (3 الی 4 درصد وزنی) باشد، دمای ذوب حدود 1600 درجه سانتی گراد خواهد بود. سایر اجزای ترکیب، اکسیدهایی نظیرMgO، ZnO، CaO، B₂O₃، P₂O₅ و غیره هستند. اگر مجموع دو اکسید Al₂O₃ و SiO₂ بیشتر از 85 درصد وزنی باشد، آنگاه باید دمای ذوب حدود 1650 درجه سانتی گراد یا بالاتر باشد. حباب زدایی این شیشه ها نیز به علت گرانروی بالا مشکل خواهد بود.

شکل دادن شیشه سرامیک

ویرایش

به هنگام تولید مواد شیشه سرامیکی تمام شیوه های شکل دادن معمول در صنعت شیشه مانند ریخته گری، پرس کردن، دمیدن، کشیدن، نورد کردن و غیره می تواند مورد استفاده قرار گیرد. روش های نسبتا ساده مانند ریخته گری در قالب برای شکل دادن قطعات بزرگ مانند آینه های تلسکوپ یا اشکال اولیه (شمش) برای ساخت شیشه سرامیک های ماشین کاری شونده به کار می رود. ریخته گری گریز از مرکز به صورتی موفقیت آمیز برای شکل دادن قطعات مخروطی شکل مانند دماغه موشک ها به کار گرفته شده است. کشیدن از حالت مذاب برای شکل دادن لوله ها به کار رفته است. شیشه سرامیک های تخت معمولا با روش نورد شکل داده می شوند. پرس کردن یا دمیدن به صورت دستی یا خودکار به منظور تولید قطعاتی با کاربردهای صنعتی یا خانگی (عمدتا ظروف) به کار می رود. هر چند مواد شیشه سرامیکی دارای ترکیبات بسیار متنوعی هستند، هر روش شکل دادنی، بدون توجه به ترکیب شیشه، نیاز به گرانروی خاص و در نتیجه محدوده دمایی (کارپذیری) خاصی دارد. دمای کارپذیری (محدوده دمایی مناسب برای شکل دادن شیشه) باید بالاتر از دمای لیکوئیدوس شیشه باشد (80 الی 120 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای لیکوئیدوس مناسب ترین دما است). این به خاطر جلوگیری از تبلور ناخواسته در حین شکل دادن شیشه است که باعث خرابی محصول می گردد. حین تولد شیشه سرامیک ها این موضوع نسبت به صنعت شیشه اهمیت بیشتری دارد، زیرا در این نوع محصولات سرعت تبلور به علت بالاتر بودن سرعت رشد بلورها بسیار بیشتر از شیشه های معمولی است (گاه تا ده ها هزار بار بالاتر) در نتیجه برخی روش های شکل دادن نمی تواند برای شیشه های معین مورد استفاده قرار گیرد.

اصل مهم دیگری که باید در حین شکل دادن شیشه ها مورد توجه قرار گیرد این موضوع است که اگر شیشه قبلا به زیر دمای بحرانی جوانه زنی سرد شده باشد (یعنی به زیر دمایی که امکان انجام جوانه زنی حجمی با سرعتی قابل توجه وجود دارد) پس از آن هیچگاه نباید مجددا به محدوده ای که در آن امکان رشد بلورها وجود دارد گرم شود. سرد کردن شیشه به زیر دمای بحرانی جوانه زنی ممکن است منجر به تشکیل تعدادی جوانه شود که گرمایش بعدی باعث رشد آن ها و مقداری تبلور گردیده و ترک خوردن و شکست نمونه ها (در اثر تنش های داخلی) را به دنبال داشته باشد. البته تشکیل بلور در حین حرارت دادن مجدد بستگی به سرعت رشد بلور ها در بالای دمای بحرانی جوانه زنی دارد. اگر در بخش های مختلف قطعه ای تاریخچه های حرارتی متفاوتی وجود داشته باشد، این امر ممکن است باعث تبلور غیر یکنواخت در بخش های مختلف قطعه شده و اثری منفی بر خواص آن بگذارد. این شرایط نامطلوب ممکن است حین شکل دادن دستی یا پرس کردن شیشه، هنگامی که لایه ای از شیشه گرمتر بر شیشه ای که قبلا سرد شده، پیچیده یا فشرده می شود، رخ دهد. هنگام تماس بین شیشه گرم و قالب فلزی، سطح شیشه سریعا سرد می شود در حالیکه ناحیه مرکزی آن هنوز گرم است. از سوی دیگر هنگام خروج شیشه از قالب، لایه های داخلی آن، بخش های سطحی قطعه را گرم می کنند. توزیع دما در دیواره محصول پرس شده بستگی به زمان دارد و می توان آن را طبق دستورالعملCoenen تخمین زد. مطابق این دستورالعمل می توان دمای بهینه قالب را به هنگام پرس با توجه به دمای قطعه شیشه ای و ضخامت آن پیدا کرد. در صورتی که این دما به درستی انتخاب نشود ممکن است اشکالاتی مانند ترک خوردن سطحی یا تبلور داخلی در حین شکل دادن قطعه به وجود آید.

موضوعات مرتبط: سرامیک , ,

امتیاز مطلب : 0

تعداد امتیازدهندگان : 0

مجموع امتیاز : 0

عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها (Glass Ceramics Heat treatment)

پنج شنبه 4 / 2 / 1393 ساعت 17:9 | بازدید : 1762 | نویسنده : میلاد محمدزاده | ( نظرات )

عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها (Glass Ceramics Heat treatment) از اهمیت بالایی برخوردار است. زیرا هنگامی که قطعه شیشه ای به شیشه سرامیک تبدیل می شود علاوه بر دست یابی به خواص فیزیکی و شیمیایی مطلوب باید از ایجاد عیوبی نظیر اعوجاج، ترک خوردن و سایر اشکالات نیز جلوگیری شود. فرآیند تبلور را می توان با توجه به وابستگی سرعت های جوانه زنی و رشد به دما کنترل نمود. اگر منحنی های سرعت جوانه زنی و رشد تداخل نداشته باشند، در این صورت فرآیند تبلور را می توان کنترل نمود. در این موارد می توان عملیات حرارتی دو مرحله ای کلاسیک را برای شیشه سرامیک ها اعمال کرد.

شیشه سرامیک، شیشه-سرامیک،ریزساختار شیشه سرامیک، glass ceramic

عملیات حرارتی دو مرحله ای

ویرایش

در عملیات حرارتی دو مرحله ای ابتدا دمای مناسب جوانه زنی (بین دما های T₁ و T₂) انتخاب گردیده و قطعه برای مدت زمان معینی در آن دما حرارت داده می شود. پس از آن دمای قطعه افزایش داده شده (به دمای رشد T₃ و T₄) و مدتی نیز در آن دما نگه داشته می شود تا تبلور کامل شود. سپس به دمای اتاق سرد می شود. معمولا دوره های زمانی را که دمای قطعه در مراحل جوانه زنی یا رشد ثابت نگه داشته می شود (معمولا 0.5 تا 2 ساعت) با توجه به منحنی های سرعت های جوانه زنی و رشد و خواصی که از قطعه انتظار می رود، تعیین می نمایند.

نمودار شماتیک وابستگی سرعت جوانه زنی I و سرعت رشد U به دما

گرمایش محصول از دمای اتاق تا دمای جوانه زنی می تواند با سرعت زیاد انجام شود. (با سرعت 5 تا 20 درجه بر دقیقه) این سرعت بستگی به مقاومت قطعه در برابر تنش های حرارتی دارد که حین حرارت دادن در آن ایجاد می شود. سرعت افزایش دما بین مراحل جوانه زنی و رشد باید با توجه به تغییرات حجمی قطعه در حین تبلور و امکان تغییر شکل آن در اثر سیلان ناروان شیشه تعیین گردد. در صورت به کار بردن سرعت های بالا ممکن است قطعه در اثر ایجاد تنش های حرارتی حاصل از تغییرات حجمی (حین تبلور) ترک بخورد. با سرد کردن آهسته ممکن است این تنش ها از طریق سیلان ناروان شیشه جبران گردد. اگر سرعت رشد بلورها نسبتا کم باشد، در صورت گرمایش سریع در این مرحله ممکن است قطعه دچار تغییر شکل و اعوجاج شود. با افزایش دما، گرانروی شیشه کاهش می یابد و در صورتی که ایجاد فازهای بلوری با سرعتی همگام با این کاهش گرانروی افزایش نیابد (تا با ایجاد چهارچوب های بلوری باعث افزایش استحکام و ثبات ابعاد قطعه گردند) قطعه تغییر شکل پیدا می کند. پس از انجام عملیات حرارتی، سرعت سرد کردن قطعات تا دمای اتاق می تواند نسبتا زیاد باشد (مثلا حدود 10 درجه بر دقیقه یا بیشتر) این سرعت بستگی به ضریب انبساط حرارتی قطعات و ابعاد آن ها دارد. در صورتی که در خلال سردکردن قطعه امکان انجام تغییرات فازی (در مورد فازهای بلوری تشکیل شده) وجود داشته باشد، در تعیین برنامه سرمایش باید دقت بیشتری نمود. اگر تبلور بلافاصله پس از شکل دادن قطعات انجام شود (مثلا در تولید قطعات مسطح از طریق نورد پیوسته)، می توان تغییراتی در روش عملیات حرارتی دو مرحله ای داد. در این حال دمای قطعه شکل داده شده، به دمای اتاق کاهش داده نمی شود و روش A’ می تواند با موفقیت به کار رود.

عملیات حرارتی یک مرحله ای

ویرایش

در صورتی که منحنی های جوانه زنی و رشد در محدوده دمایی T₂-T₃ تا حدودی تداخل داشته باشند، می توان از عملیات حرارتی یک مرحله ای استفاده نمود. در این حال کنترل کمتری روی فرآیند تبلور می توان داشت. مثلا هنگامی که مقدار گرمای آزاد شده در حین تبلور (در صورت استفاده از عملیات حرارتی دو مرحله ای)، زیاد باشد، این امر ممکن است اثر نامطلوبی بر روند تبلور بگذارد. در این صورت با استفاده از عملیات حرارتی یک مرحله ای که در آن جونه زنی آهسته و رشد آهسته که همزمان با آن انجام می شود، اجازه و فرصت توزیع یکنواخت دما را در قطعه می دهند، نتیجه مطلوب تری حاصل می شود. روند عملیات حرارتی 'B نشان گر روشی است که در آن قطعه مستقیما از حالت مذاب (پس از شکل گیری) به دمای تبلور سرد شده و مدتی در آن نگهداری می شود. در این حالت قطعه در حین شکل دادن و سرد کردن، به منظور جلوگیری از تغییر شکل، باید با استفاده از تکیه گاه های مناسب نگهداری شود.

شیشه سرامیک، شیشه-سرامیک،ریزساختار شیشه سرامیک، glass ceramic

امکان استفاده از عملیات حرارتی یک مرحله ای حتی زمانی که تداخل در منحنی های جوانه زنی و رشد وجود نداشته باشد نیز امکان پذیر است. در این صورت سرعت جوانه زنی باید آنقدر زیاد باشد که حین سرد کردن مذاب یا حرارت دادن پیوسته به دمای تبلور (رشد) جوانه زنی کافی انجام شود. با استفاده از این روش می توان زمان تبلور را نسبت به روش دو مرحله ای به میزان زیادی کاهش داد.

عملیات حرارتی می تواند در کوره های صنعتی ناپیوسته یا پیوسته انجام گیرد. کوره های ناپیوسته از نظر اقتصادی چندان با صرفه نیستند. در نتیجه هنگامی که میزان تولید بیش از یک حد معین باشد استفاده از کوره های پیوسته مناسب تر و گاه حتی ضروری است. ساختار کوره های عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها مشابه کوره های معمولی پخت سرامیک ها است و گاهی عملا از همان کوره های سرامیکی استفاده می شود. مثلا کوره های محفظه ای یا تونلی و انواع مختلف کوره های رولری مورد استفاده قرار می گیرد. از نقطه نظر تنظیم دما، کوره های الکتریکی ترجیح داده می شوند اما کوره های گاز سوز نیز غالبا به کار می روند. توزیع دما در کوره عملیات حرارتی باید کاملا یکنواخت باشد و اختلاف دمایی بیش از 5 درجه نسبت به دمای انتخابی مورد نظر مجاز نیست.