خواص السيراميك

{{}}

خواص السيراميك

معظم السيراميك يتكون من رابطه من عنصريين أو أكثر على سبيل المثال الالومينا فهي تتكون من ألومنيوم واكسجين.ومن المعروف ان ذرات السيراميك تترابط مع بعضها بواسطه [رابطه كيميائيه] تساهميه أو ,^[1] وهنا تسمى الرابطة المعدنية. يغطي مفهوم المواد السيراميكية طيفاً واسعاً من المواد. حديثاً تم الاصطلاح على تقسيمها إلى قسمين أساسيين: المواد السيراميكية التقليدية والمواد السيراميكية المتقدمة. تبعاً للتصنيف العلمي فإن المواد السيراميكية تنقسم إلى:^[2]

المواد الإنشائية: كالقرميد والآجر مواد العزل الحراري <^[3]: بأنواعه المواد التقنية: ولها تسميات عدة منها السيراميك الهندسي والسيراميك الصناعي والسيراميك المتقدم. تنقسم هذه المواد بدورها إلى : الأكاسيد المعدنية: كالألومينا والزيركونيا الأكاسيد اللامعدنية: :الكربيدات والنترات والسيليكات وأكاسيد البور

وهذه الأنواع من الروابط تنشا نتيجه معامل مرونه عالى وصلاده عاليه ودرجه انصهار عاليه ومعامل تمدد حرارى قريب من الحديد الزهر ومقاوم للمواد الكيميائية.http://ceramics.org/learn-about-ceramics/structure-and-properties-of-ceramics=

والمعروف ان الروابط بين المعادن اضعف من الروابط في السيراميك والتي تسمح بالالكترونات بالتحرك بحريه بين الذرات.وتقاوم معظم منتجات السيراميك الأحماض والغازات والأملاح. – تستخدم مواد السيراميك الشائعة عوازل للكهرباء.

–تستخدم بعض أنواع السيراميك بالغه الصلادة في قطع المعادن والتجليخ والتلميع وفي رش مختلف المعادن بالرمال ومواد السراميك هذه تشمل على اكاسيد الالومينا وكربيد السيليكون.

وفيما يلى أهم الخواص للسيراميك.

ا. تتميز بانها على درجه عاليه من الصلادة.

ب. معامل المرونة عالى جدا.

ج. ذات معامل تمدد حرارى صغير قريب من الحديد الزهر.

د.على درجه عاليه من مقاومه الصدا والتاكل.

ه. رديئه التوصيل للكهرباء لذلك تستخدم كعوازل.

ن. كثافتها صغيره.

و. غير قابله للمغناطيسيه.

ي. اقل متانه لذلك يتم كسرها عندما تسقط على الأرض.

ملحوظه.. هذه الخواص تعتمد على تركيب المادة وطريقه صناعتها.

بعض الاستخدامات المترتبه على الخواص.

ا.مقاومات الحرارة. تجعل خاصية مقاومة الحرارة مقاومات الحرارة مناسبة لتصنيع الغلايات الصناعية والأفران، مثل الأفران التي تستخدم في صناعة الفولاذ. وتغطي مقاومات الحرارة المصنوعة على شكل بلاطات أسطح مكوك الفضاء لتقاوم الحرارة الكثيفة التي تنشأ بفعل السرعات الفائقة. ويشمل السيراميك الذي يدخل في صناعة مقاومات الحرارة على الألومينا وأكسيد المنجنيز، والسليكا وكربيد السليكون وأكسيد الزركونيوم.

ب. يدخل السيراميك في صناعة أطباق ممتازة للأغذية والمشروبات. وهي لا تمتص السوائل، وتقاوم الأحماض والأملاح والمنظفات والتغيير في درجات الحرارة. وتُصنع غالبية أدوات المائدة من خليط من الصلصال والفلسبار والكوارتز.

ج. المعدات الكهربائية. يُستخدم السيراميك غير الموصّل للكهرباء، عازلاً في صناعة شموع الإشعال في السيارة، وفي خطوط القدرة الكهربائية، وفي أجهزة التلفاز. وهذا السيراميك يحتوي على الألومينا والخزف الصيني. وهناك سيراميك آخر هو تيتانات الباريوم يُستخدم في صناعة المكثفات التي تختزن الشحنات الكهربائية في المعدات الإلكترونية. ويستخدم السيراميك الممغنط في الدوائر الإلكترونية وفي المحركات الكهربائية. وتُلصق الدوائر الإلكترونية المعقدة على طبقات رقيقة من الألومينا.

د.ينتج الصانعون مواد السيراميك الشائعة من معادن مثل الصلصال والفلسبار (سليكات الألومنيوم) والسليكا والتلك. وهذه المعادن التي تُسمى السليكات، تشكل معظم مكونات القشرة الأرضية. ويُعد الصلصال من السليكات المهمة، لكنه لا يُستخدم في كل مواد السيراميك، فالزجاج مثلاً يُصنع من الرمل. ويصنع الكيميائيون مواد تُسمى السيراميك المتطور في المختبر من مركبات أخرى غير السليكات. ومن بين هذه المركبات، أكسيد الألومينا وكربيد السليكون وتيتانات الباريوم.

ه.ويُغطي الصانعون العديد من منتجات السيراميك بطبقة لامعة في عملية تعرف بالتزجيج تمنعها من امتصاص السوائل، وتجعلها ملساء، وسهلة التنظيف. كما تستخدم هذه المادة أيضًا في أغراض تزيين المنازل والمحال.

يمكن تقسيم السيراميك إلى نوعين.

1.السيراميك التقليدى

يمثل المنتجات السيراميكية المحتوية على الاطيان بحيث تكون نسبة الاطيان فيها من 20 % إلى 100 % ويصطلح عليه أحيانًا بالمصطلحات التالية:.

1.الفخار

مصطلح عام لكل السيراميكيات المنتكونه من الاطيان والتي لاتستخدم في التركيبات الحرارية والتركيبيه.

2.الخزف الصينى'  : يشير إلى القطع السيراميكيه ذات اللون الأبيض أو العاجى أو الرمادى الفاتح بعد الحرق.

3.الاوانى الخزفيه
' :يشمل القطع السيراميكيه المزججه أو الغير مزججه مثل ادوات المائده أو الاطباق.

4.الخزف الحجرى:يشمل السيراميكيات المتزججة وتصنع من الطين النارى الغير حرارى أو من الطين مع بعض المواد المساعدة ويستخدم في صناعه القطع الفنية.

5.البورسلين :هي السيراميكيات المزججه أو الغير مزججه المتكونه من الطين الصينى ورمل الكوارتز مع الفلسبار ويستخدم في العوازل الكعربائيه.

2. السيراميك الهندسي

السيراميكيات التقليدية ضعيفه بسسبب احتوائها على المسامات والشقوق بالاضافه إلى معامل مرونه منخفض لذلك السيراميك الهندسي طور جوانب الضعف تلك من خلال الحصول على سيراميكيات ذات كثافه تامه مع القليل من الشقوق ومعامل مرونه عالى وتستخدم في المجالات الضوئيه والكهربيه والميكانيكيه.

ومن ابرز السيراميك الهندسي الالومنيا والزركونيا ونيتريد البورون.

و.بسبب الترابط الأيوني فان المادة السيراميكية عاليه الاستقرار والتحمل فهى صلبه وذات درجه انصهار عاليه ومقاومه للمواد الكيميائية.

ي. تتركز في المواد السيراميكية اجهادات موضعية وعند عدم وجود تاصر في منطقه معينه فان المادة تتهشم وتتكسر.

أصبحت مجالات الاستفادة من الخزف عديدة ومتسعة جدًّا يدخل فيها الخزف بشكل أساسي، ومن هنا قُسّم السيراميك كمنتجات تبعًا للخواص

الفيزيائية والكيمائية إلى:

1- منتجات كهربائية:

مثل أجزاء الدوائر الكهربائية -ومرشح الفلتر- وأجهزة تعمل بالموجات فوق الصوتية-وأجهزة ضبط نسبة الوقود في الهواء في محركات

السيارات- وأجهزة مراقبة تسرب الغازات.

2- منتجات مغناطيسية:

مكونات خاصة بذاكرة الكمبيوتر- والشرائط الممغنطة- والرؤوس المغناطيسية لأجهزة تسجيل الصوت.

3- منتجات نووية:

الحوائط الواقية للمفاعلات النووية.

4- منتجات بصرية:

لإنتاج أجزاء شفافة تقاوم الحرارة العالية والتآكل.

5- منتجات ميكانيكية: الهندسة السيراميكية:

أجزاء آلة الاحتراق الداخلي للسيارات-وأدوات القطع والجلخ- ومضارب التنس- والسكاكين.

6- منتجات حرارية: عوازل حرارية- وحوائط مقاومة الحريق.

7- منتجات كيمائية: وسائط التبادل الإلكتروني- ومساعدات الحفز.

8- منتجات بيولوجية: بيوسيراميك: أجراء صناعية للعظام- ومفاصل صناعية- وأسنان صناعية- ومشارط للعمليات الجراحية.

9- منتجات جمالية: السيراميك التقليدي: استخدامات منزلية أو مؤسسية مثل: أواني الطهي-وبورسيلين الفنادق- وأدوات المائدة-

والأدوات الصحية- وعوازل البورسيلين الكهربية -وبلاط الأرضيات والحوائط- وأشكال ومنحوتات فنية مختلفة.

الكيمياء والخزف

ومما سبق نرى التطور الهائل الحديث في القرن العشرين، وخاصة في طرق تحليل الخامات، وتتيح هذه الطرق معرفة واسعة في خواص وسلوك

المواد السيراميكية، ولقد تطورت هذه الأبحاث، خاصة أثناء الحرب العالمية الثانية وفي ألمانيا تحديدًا، وتوصلوا إلى أجسام تسمى

البورسيلين أسيتايت التي تستخدم في مجال الترددات العالية.

وهناك استخدام الوسائل للخامات في مجال الحراريات حيث تم إنتاج طوب ذي مواصفات ممتازة من خلال زيادة محتوى الألومينا وتحسين طرق

التشكيل، ومن أهم هذه الأنواع: طوب الألومينا سيليكا، والألومينا العالي.

أما التقنيات المستخدمة في إجراء التحليلات الكيميائية للخامات فقد وصلت إلى حد هائل من التطور، حيث يمكن القيام بعملية

التحليل الكيميائي لتركيز يصل إلى أقل من الميكرون.

وكذلك تحليل أسطح يصل تركيز سمكها إلى طبقات ذرية معدودة، وفي مجال تحليلي التركيب الجزيئي للمواد، فإنه من الممكن خلال زمن قصير -

دقائق قليلة- تحديد جزيئات تصل إلى أقل من واحد من الميكرون، كما وصلت صناعة أشباه الموصّلات في العمليات السيراميكية سواء كانت في هيئة مكونات تدخل في تصميم الأجهزة والمعدات، أم كانت في شكل نظم الحاسب الآلي الذي أصبح استخدامه ملموسًا في إنتاج العمليات السيراميكية.

ومن ذلك يتضح أن مفهوم علم الخزف لم يعد يقتصر على تلك المفاهيم الشائعة التقليدية، وإنما أصبح أكثر تطورًا وأهمية.

احد أنواع السيراميك أيضا هو الزجاج

السيراميك الزجاجى ياخذ العديد من خواص الزجاج والعديد من خواص السيراميك فالسيراميك الزجاجى له أكثر من تركيب بللورى

ويتم إنتاجه يما يسمى (controlled crystallization) السيراميك الزجاجى غالبا ما تحتوي على مرحلة البلورية التي تشكل في

أي مكان من 30٪ [م / م] إلى 90٪ [م / م] في تكوينه من حيث الحجم وبذلك نجصل على مواد ذات خصائص حراريه ميكانيكيه عند

تصنيع السيراميك الزجاجى يجمد الزجاج تدريجيا قبل اعاده التسخين والتصلب وأثناء المعالجة الحرايه يتبلور الزجاج جزئيا

أنواع السيراميك الزجاجى : Soda-lime Glass Borosilicate Glass (Pyrex) LAS Glass-Ceramic Soda-lime Glass تركيبه:

70% SiO2, 10% CaO, 15%Na2O, 5% MgO / Al2O3 يستخدم في النوافذ والزجاجات خصائصه سهوله التشكيل درجه انصهاره منخفضه

Borosilicate Glass (Pyrex تركيبه: 80% SiO2, 13% B2O3, 4% Na2O, 3% Al2

^[4]

وخواص الزجاج هي :.

1- الشفافية :يمتاز الزجاج بشفافية صافية متجانسة، تمر من خلاله جميع الأشعة الضوئية من فوق البنفسجية إلى تحت الحمراء، كما

أن للزجاج القدرة على عكس وكسر الضوء ويتراوح معامل انكسار الزجاج بين (1.467-2.179) ويكون معامل الانكسار في زجاج

الرصاص أكبر ما يمكن.

2- القساوة : الزجاج جسم هش سريع التحطم لا يتغير شكله عند الضغط أو الصدمة وتعرّف قساوة الزجاج بأنها قدرته على مقاومة

الخدش أو الاحتكاك.

وتختلف قساوة الزجاج باختلاف تركيبه حيث تعمل زيادة نسبة الجير والسيليكا على زيادة قساوته.

3- مقاومته للمواد الكيميائية :

يقاوم الزجاج بشكل عام المحاليل الكيميائية عدا حمض الفلوردريك والمصهرات القلوية التي تحل الزجاج بسهولة. ويؤثر الماء

على الزجاج بعد تماسه لفترة طويلة جدا

و أهم خاصيه للزجاج من ناحيه تصنيعه هي لزوجته والتي تتعلق بدرجات الحرارة، لذا فإن زجاج السليكا النقي له لزوجه

عالية ويحتاج إلى حرارة عالية جداً للتخلص من الفقاعات الموجودة فيه.

و هذا الشيء يجعل من صناعة زجاج السليكا النقي مكلف جداً.لذا ولأسباب علمية يلزم إضعاف زجاج السليكا لكي يسهل تصنيعه

بشكل اثتصادي. ومن واقع الخبرة، يتضح أن اكسيدات المعادن القلوية هي خير وسيلة لتحقيق ذلك.

و يكمن السر في ذلك بأن كل ذرة سيليكون ترتبط بأربع ذرات فقط من الأكسجين، وأن أي ذرات إضافيه من الأكسجين تعمل خلخلة

التشكيل المتماسك والقوي والمكون من سيليكون – أكسجين – سيلكون. لذا أصبح من السهل علينا تغيير تركيب زجاج السيليكا

و جعله أكثر تحركاً، وذلك باستخدام أكسيدات المعادن القلوية.

و تعتبر هذه أكسيدات المعادن القلوية من أهم عوامل الصهر المستخدمة في صناعة الزجاج، وأكثر هذه الأكسيدات استخداما هي

الصودا التي تعتبر أرخصها ثمنا، وقد استخدمت أكسيدات معادن أخرى القلوية لهذا الغرض مثل (البوتاسيوم والليثيوم... الخ).

وأيضا من أهم أنواع السيراميك «الكوارتز»

الخواص والاستخدامات:

للمرو خاصية مهمة تسمى التأثير الكهروإجهادي. انظر: الكهروإجهادية. فعندما تضغط صفيحة (شريحة) من المرو ميكانيكيًّا،

فإنها تكتسب شحنةً موجبة من جانب، وسالبة من جانب آخر. وهذه الظاهرة هي توليد كهربائيّ إجهادي للجهد الكهربائي عبر

البلورة. وهي تمكن تيّاراً كهربائيًا أو إشارةً كهربائيةً من المرور عبر البلورة. وتُستخدم بلورات المرو، في ناقلات الموجات

الخاصة بأجهزة المذياع والتلفاز ومعظم الردارات. وفي مثل هذه الناقلات، تضخم الإشارة الكهربائية المولدة وتُغيَّر إلى موجة

راديوية ذات تردد معيّن. وهذ الخاصية المسماة بالكهروإجهادية، التي يتمتّع بها المرو، تتيح الأساس لتشغيل ساعات الحائط.

والجهد الكهربائي الذي يُسلّط على شريحة بلورة المرو يجعل هذه الشريحة تتمدد وتنكمش، الأمر الذي يؤدي إلى إحداث ذبذبات بمعدّل

منتظم. ويحدد حجم الشريحة عدد الذبذبات في كل ثانية، ثم تحوّل الذبذبات إلى ثوان ودقائق وساعات. انظر: ساعة اليد. ولايتمدد

المرو كثيراً، لدى تسخينه، كما أنّه لايتصدّع عندما يتمُّ تبريده بسرعة، وهذه الخواصُّ تجعل من المرو مادة مهمة في صنع الحاويات

الزجاجية، التي يمكن أن تصمد في وجه درجات الحرارة الشديدة الارتفاع. وتستخدم البلورة الصخرية في صنع العدسات لبعض

التلسكوبات والمجاهر، وكما تستخدم بلورات المرو الكبيرة كذلك في صنع نبائط بصرية أخرى. ومعظم بلورات المرو المستخدمة لأغراض

صناعية تُنتج بشكل اصطناعي بسبب الإمداد المحدود من البلورات الطبيعية. ويعدُّ حجر المرو الرملي مادة مألوفة من مواد

يتواجد في الطبيعة على شكل كاربون وهو سداسي التركيب البلوري مقاوم للحرارة ومقاوم للتفاعلات الكيمياوية

ويتاكسد في درجات الحرارة العالية بشدة إلى ثاني اكسيد الكربون ولذلك يستخدم في تطبيقات الحرارة العالية في ج مفرغ من

الهواء.

وهو من السيراميكيات التي تتميز بالتوصيل الحراري والكهربائي وتمدده الحراري واطئ ومقاومته للصدمات الحرارية عالية

وتزداد متانته بارتفاع درجة الحرارة، لذلك يستخدم في تطبيقات واسعة منها: البوادق، القوالب في الكبس على الساخن،

مغلفات المزدوج الحراري، الأقطاب الكهربائية، فحمات المحركات الكهربائية، الحث الحراري، ويعتبر وسط مهدئ للنيوترونات ومادة

مزيتة لان حبيباته زيتيه. الحراريات Refractory المواد الحرارية هي المواد التي لها القابلية على تحمل درجات الحرارة العالية

بدون أي كسر أو تشوه. مثال ذلك الطابوق الحراري المستخدم في تبطين الأفران وأنابيب الأفران الكهربائية والبوادق والمواد

المستخدمة في تغليف المزدوجات الحرارية وفي صناعة السمنت الحراري وأهم متطلبات الحراريات هي: 1- درجة انصهار عالية.

2- متانة ميكانيكية في درجات الحرارة العالية (ثبات نسبي للخواص مع زيادة درجة الحرارة). 3- مقاومة التفاعلات الكيمياوية.

إن استعمال المعادن ذات درجات حرارة الانصهار العالية غير مجدي لأنه هذه المعادن تتأكسد بارتفاع درجة الحرارة لذلك يتم

استخدام اكاسيد المعادن (السيراميك) أو سيراميكيات لا تتأكسد، وتصنف الحراريات تبعًا لطبيعتها الكيمياوية إلى: 1- حراريات قاعدية

2- حراريات متعادلة، 3- حراريات حامضية. فالحراريات القاعدية تكون ثابتة تجاه المواد القاعدية ولكنها تتفاعل

مع الحوامض أما الحراريات الحامضية تتفاعل مع القواعد ولذلك عند تصنيع الحراريات يجب معرفة نوع التطبيق فإذا كان التطبيق

مث ً لا احتواء منصهر حامضي فيجب أن تكون مادة الحاوية (البودقة) مصنعة من مادة حامضية أيضا لمنع التفاعل بين الحامض

ومادة البودقة، أما الحراريات المتعادلة فإنها ثابتة تجاه الحوامض والقواعد. الاكاسيد السيراميكيه الحرارية تتعدد الاكاسيد

السيراميكيه الحرارية مثل: حراريات المغنيسيا الكروميت حراريات الزركونيا اوكسيد البيرليوم حراريات المغنيسيا يمكن الحصول

على معدن المغنسايت من الدولومايت ونحصل من كلسنة المغنسايت على المغنيسيا(اكسيد الماغنسيوم)كما يلي: (درجه حراره أكبر من

800) MgCO3 ⇒ MgO + CO2 ويمكن الحصول على اكسيد الماغنسيوم من مصادر أخرى مثل البرسايت أو من أملاح المغنيسيوم الكلوريدات

أو الكبريتات ونحصل على الأخيرة من ماء البحر.ومع أن المغنيسيا تتكون عند 800oC إلا أنها تمتص الماء مرة ثانية ويتحول إلى

هيدروكسايد ويميل إلى التمدد وهذا يعني أن الطابوق سوف يتشقق ولذلك يجب حرق الكاربونات لدرجة حرارة أكثر من1500oC لمنع

تكون الهيدروكسايد. وتعتبر حراريات المغنيسيا قاعدية أي مقاومة للخبث القاعدي ولذلك تستخدم في أفران السمنت وبطانات

أفران صهر الصلب.

خواصها:.

تستخدم في كافة الصناعات الزجاجية بالإضافة إلى استخدامها في صناعة الألياف البصرية والمواد الحرارية،..... تؤدي إضافة

السيليكا إلى تقليل الانكماش وتقليل اللدونة مما يؤدي إلى خروج الغازات دون تأثير على شكل الجسم السيراميكي ويتحد مع

اكاسيد المعادن القاعدية ليكون الزجاج ويعتبر الكوارتز المطحون أكثر استخدامًا من الأنواع الأخرى من مصادر اكسيد السيلكون

وذلك لسهولة تحوله إلى صيغ بلورية أخرى أثناء الحرق (التردمايت إلى الكرستوبلايت) ويتم الحصول على قطع صغيرة من اكسيد

السيلكون بتكسير الكتل الكبيرة مثل الكوارتزايت بواسطة الصدمة الحرارية بعدالتسخين لدرجة 900oC حيث تتحول إلى اللون

الأبيض. ويعتبر الفلنت (Flint) أحد مصادر الكوارتز المهمة والتي تضاف إلى الخامات الأخرى لتحسين خصائص الصلادة والشفافية.

أما رمل السيليكا فانه رمل نقي يحتوي على نسبة أكثر من % 99 من اكسيد السيلكون والأقل منه يكون بسبب اكاسيد الحديد أو

التيتانيوم كلسنة مصادر السيليكا: تهدف إلى تسهيل عمليات الطحن وتتم بتسخين المادة لدرجة حرارة تكون عادة على شكل حصى

إلى قطع صغيرة ويتغير لونها من الأسود إلى الأبيض ثم يطحن الكوارتز المكلسن بوجود %55 ماء إلى اقل من 10μm (قطر دقائق

السيليكا).

^[5] البناء. ويستخدم رمل المرو في صنع الورق الرملي وأوراق الصنفرة والرُّحِي.

المراجع... M.W. Barsoum,"Fundamentals of Ceramics", Mc Graw – hill ,Singapore.1

W. Bolton, "Engineering Materials Technology", 3'ed.، Butterworth-2

Heinemann, Oxford, (1998) 3.F. H. Norton، "Elements of Ceramics", 2nd ed.، Addison – Wesley، Philippines,(1974) 4.W. D. Kingery and H. R. Bowen and D. R. Uhlmann, "Introduction to Ceramics", 2nd ed. (1976)

http://www.yaosta.com/articles/article-67/

مراجع