الخزف المتقدم
حتى اليوم أكثر الخزف المعروف كالبلاط، الفخار، و الأدوات الصحية، والطوب وجميعهم يعتمدوا على الخزف الطينى.وهذا يسمى الخزف التقليدى والذي
يصنع من ثلاث مكونات أساسية :سيليكا، الطين وفلسبار.
الطين يتكون من (أكسيد الألومنيوم، أكسيد السيليكا وأكسيد الهيدروجين) مع نسبة قليلة من أكاسيد مثل أكسيد التيتانيوم، أكسيد الماغنسيوم،
أكسيد الكالسيوم ،أكسيد الصوديوم، و أكسيد البوتاسيوم.هذا الطين يزود من إمكانية التشغيل للسيراميك.
السيليكا :لديه درجة ذوبان عالية ومكون حرارى من الخزف التقليدى.
الفلسبار:لديه مركب أساسي وهو (أكسيد البوتاسيوم، أكسيد الألومنيوم (الألومنيا )،أكسيد السيليكون ) والذي لديه درجة ذوبان منخفضة والذي
يصنع منه الزجاج.
لدينا نوع آخر وهو الخزف المتقدم أو الحديث والذي ظهر في القرن العشرين وأصبحت المواد لها تركيب وعمليات خاصة والتي طورت تطبيقات الخزف.
الخزف المتقدم مميز بنقاءه كيميائيا"،تصنيع دقيق، ودرجة ذوبان عالية وعديد من الخواص المهمة .
حوالى 90 % الآن من هذا الخزف يستخدم تطبيقات الإلكترونية والتي تسمى بالخزف الإلكترونى.و 10 % الأخرى تشكل بناء الخزف وهي الخواص الميكانيكية
مثل الصلابة ومقاومة التآكل والمتانة.
تعريف الخزف المتقدم
يتميز هذا النوع من الخزف :
عالية الأداء من حيث الخواص الميكانيكية، الكيميائية، الكهربية، الحرارية.
في الغالب تسلك سلوك المواد الغير عضوية والغير معدنية والتي تتكون من مكونات معدنية وغير معدنية مرتبطة بواسطة رابطة أيونية أو تساهمية.
لديه خصائص وظيفية فريدة من نوعها.
موقعها في بداية دورة التطور.
بناء الخزف المتقدم
نسبة المشاركة المتداولة من الخزف تكون 10 % فقط. ولكن هذه المشاركة من المتوقع ان تزيد عندما تكون محاولات استخدامهم في المحركات لتصبح ناجحة. بسبب زيادة الصلابة ومعامل المرونة وانخفاض الكثافة ومقاومة للحرارة العالية والتآكل البيئى يوجد اهتمام كبير في استخدام الخزف في التطبيقات
كثيرة المطالب مثل المحركات الحرارية والتوربينات ومكونات السيارات حيث ان اسنخدام الخزف سينتج عنه حياة طويلة والعمل في درجات الحرارة
العالية وحفاظ للوزن.
وتصنف تركيب الخزف المتقدم في ثلاث أقسام:
أكاسيد: الألومنيا والزركونيا
غير أكاسيد :الكاربيدات، النيتريدات، السيليكات
مركبات :مكونة من أكاسيد وغير أكاسيد.
خصائص مركبات الخزف المتقدم وكيفية إنتاجها
أكسيد الخزف: تتميزبمقاومة الأكسدة، وعازلة للكهرباء، انخفاض توصيلها الحرارى وسعرها مرتفع وأكثر تعقيدا في التصنيع ويتم إنتاجه
كالآتى :تجهز مواد عالية النقاء بإستخدام طرق معالجة معادن لإنتاج الخزف المركز مصحوبة بمزيد من المعالجة لإزالة الشوائب وإضافة مركبات
اخرى لصناعة مركب المطلوب.
خزف غير أكاسيد: انخفاض مقاومة الأكسدة، عالى الصلابة، عالى توصيل للحرارة، موصل كهربى، يعتمد التصنيع على طاقة عالية ولذلك يكون سعرها
مرتفع ويتم إنتاجة على ثلاث مراحل :الأولى إعداد المساحيق، ثانيا" خلط هذه المساحيق لصناعة المركب المطلوب، ثالثا" ضغطها وتشكيلها في صورة
المركب النهائى.
الخزف المعتمد على المركبات :الصلابة، ويوجد منها عالية مقاومة الأكسدة ومنها منخفضة لمقاومة الأكسدة، تغير موصلات الحرارية والكهربية، معقدة في التصنيع، وهذا النوع يتكون من اكسيد السيراميك وغير أكسيد السيراميك وهذا النوع يتم إنتاجه من عدد كبير من المركبات كلما أمكن.
أمثلة لبعض مكونات الخزف وخصائصها :
الألومنيا :الأكثر استخدام بسبب ارتفاع صلابته ومقاومة التآكل وارتفاع معامل المرونة وتماسكها وغير خاملة ومتانة مناسبة. وعلى نقيض هذا تقدم
خزف الألومنيا النقى ليس مدفوعا" بتطبيقات البناء ولكن تحتاج لقليل من عوازل موصلات للكهرباء لشمعة إشعال بالشرر في محركات السيارات و
الطائرات اثناء الحرب العالمية الثانية.الألومنيا لديه صلابة للكسر منخفضة ولكن من الممكن ان تتحسن عن طريق صنع مركب من دقائق صغيرة من
الزركونيا التي تنتشر بشكل موحد.الزوركونيا المنتشرة في الألومنيوم بمثابة مادة نشطة ويحدث شرخ ينتشر في الألومنيا يؤدى إلى تبلورها و
توسعها.خزف الألومنيا زادت تطبيقاته مثل سدادات مضخات، فوهات السفع الرملى، قوالب البثق والألومنيا كمادة حيوية تستخدم في مختلف أجهزة تقويم
العظام مثل مفصل الرجل الصناعى ومفصل الركبة.
سيليكون كاربيد :عناصر السيليكون كربيد والمواد المقاومة للحرارة ( البوتقات وأفران الصهر ) تستخدم بإتساع، وهذه العناصر لديها كثافة
مناسبة وصلابة لذا تستخدم في مكونات المحمل مثل الكروى، فوهات السفع الرملى، مكونات حقول النفط، سيليكون كربيد النقى اصبح متوفر اقتصاديا"بسبب
تقدم في اعداد المساحيق الدقيقة وضغطها ومعالجتها.
سيليكون نيتريد :لديه خواص أفضل من السليكون كاربيد ولكن أغلى. عدد صغير من الشركات تطور وتنتج سيليكون نيتريد وهو إختيارفى بناء
تطبيقات عالية الحرارة.
الزركونيا: يتركب من 90 % أكسيد زوركونيوم والذي ينتج من رمال سيليكات الزوركونيوم يتميز بارتفاع كثافته وتوصيل حرارى منخفض، صلابته ضد
الكسر عالية، معامل الاحتكاك منخفض.
وظيفية الخزف المتقدم:
يصمم للتطبيق لتأثيرات البنية المجهرية في الحجم، حدود الحبيبات وعلى سطح مواد الخزف المتقدم.
وهذه الوظائف تشمل التوصيل الأيونى (مثل الزوركونيا المتزن جزئيا")، وأشباه الموصلات،وخصائص المكثف، بيزو كهربى، وكهروحديدية، موصلات
فائقة
هذه البيانات توضح وظيفة وخواص الخزف المتقدم
| الوظيفة | الخواص |
|---|---|
| ميكانيكية السطح | الصلابة، مقاومة التاكل، مقاومة الصدمة الحرارية، معامل المرونة |
| حرارية | توصيل الحراري والتمدد الحراري |
| كهربية، مغناطيسية، ضغطية | الموصل الكهربائي، أشباه الموصلات، العوازل الكهربية، مغناطيسيه حديدية. |
| ضوئية | تأثيرات كهروضوئية |
| كيميائية بيولوجية | مقاومة التأكل، تأثيرات الحفازات ( عامل مساعد ) |
| نووية | مقاومة الاشعاع، التأكل |
العديد من الخواص لوظيفية الخزف المتقدم معتمدة على ظاهرة حدود الحبيبات.
هذه الظاهرة تشمل :
1-حدود الحبييبات المنتشرة.
2-تحكم في آلية رد فعل التشكل مع أخذ في الأعتبار حدود الحبيبات.
3-إجهادات حدود الحبيبات.
4-مقاومة الكهربية العالية ممتدة على حدود الحبيبات.
و مثال على انتشار حدود الحبيبات يكون منع الحبيبة من النمو أثناء معالجة الألومنيا عن طريق إضافة كميات دقيقة (اقل من 0.2 % ) من أكسيد
الماغنسيوم.
يوجد مقاومة كهربية العالية على امتداد حدود الحبيبات تستخدم في تطوير مكثف الخزف وذلك لحماية دوائر الأسلاك الكهربية من قدرة الموجات.و
بإضافة أكسيد البزموت إلى اكسيد الخارصين تنتج طبقة عالية مقاومة على امتداد الحدود حبيبات أشباه الموصلات لأكسيد الخارصين. هذه طبقات
الحدود تشكل توصيل ثلاثى أبعاد والذي ينتج ارتفاع غير خطى بين خصائص التيار والجهد عكس علاقة أوم الخطية.
اكاسيد الخزف المتقدمة
أكسيد الزركونيوم
على مدى الأعوام ال 35 الماضية، تطورت الزركونيا إلى مادة سيراميكيه متقدمة متطورة والتي تستخدم طبقا لوظائفها الميكانيكية وخصائصها الفنية
. وتستند الخواص الميكانيكية على ظاهره تسمى " التحول الصلب "، التحول الفيريتى المتأخر للتعديل العالي لدرجات الحرارة " رباعي المحاور "
للتعديل المنخفض لدرجات الحرارة " ثلاثي المحاور " باضا فه بعض الاكاسيد المستقرة كأكسيد الإيتريا والكالسيا والماغنيزيا والتي تؤدى إلى
زيادة عوامل الإجهاد curve-R & K. خزف الزكونيا المستقر جزئيا بما في ذلك خليط الأكسيد الزركونيا-ألومينا المركب تبدي مرونة هيكلية عالية
تجعلها مؤهله للاستخدام في أجهزة متنوعة مثل السكاكين المستخدمة في السرعة العالية لقطع الورق والبوليمرات، كراسى التحميل المقاومة للصدأ، قوالب سحب الأسلاك، مقاعد الصمام، رؤوس الصمام، الكاشطات والمحركات المستخدمة في قطاع التعدين واجزاء استنفاذ محركات الاحتراق الداخلى في
السيارات.
درجه حراره الاستقرار العالية للزركونيوم ( نقطه الانصهار 2677 درجه سيليزيه ) ومقاومته للصدمات الحرارية (فرق درجه الحرارة = 500 - 400 درجه
سيليزيه ) اقترانا بالتوصيلية الحرارية المنخفضة (< ا كيلو وات/ متر) والتمدد الحراري العالي ( > 10 10-6 كلفن ^ -1) تستخدم في طلاء الرش
بالبلازما للعوازل الحرارية في التربينات الغازيه في مجال الفضاء. الألياف المقاومة للحراره والطوب الذي يستخدم في تبطين القوالب الزجاجيه
المستخدمة في الصهر. وادوات القطع للتشغيل الميكانيكي عالي السرعة للسبائك المحتويه على عنصر النيكل.
الخصائص الفنية للزركونيوم المستقرة جزئيا تعتمد على التوصيلية الأيونية عند درجات الحرارة العالية. تطبيقات هذه الخاصية تتضمن الانحلال الكهربي
لأجهزة استشعار الأكسجين، خلايا أكاسيد الوقود الصلبة، ولأنه في درجات الحرارة العالية التوصيلة الأيونية تستبدل بالتوصيلية الألكترونيه في
الفراغات الموجودة في شرائح الأكسجين الفرعية للزركونيوم المستقرة، كتطبيقات لهذه الخاصية، عناصر التسخين في الأفران عاليه الحرارة،
الأقطاب المستخدمة في المولدات الهيدرو- ديناميكية، الأقطاب السالبة في مشعلات البلازما الجوية
طرق انتاج الزركونيوم
المواد الخام المستخدمة في انتاج الزركونيوم هي الزركونيوم المعدنى (سليكات الزركونيوم) والباديلييت (أكسيد الزركونيوم)، والتي يتم تعدينها
بشكل اساسى في أستراليا، جنوب إفريقيا والولايات المتحدة الأمريكية، التركيب الكيميائى للزركونيوم يتضمن التفاعلات الحرارية لسيليكات
الزركونيوم والتي يستخدم فيها الكربون كعامل مخفض للحرارة فوق 1750 درجه سيليزية، والتطهير المباشر بواسطة خليط من فحم الكوك والكلورين
تحت 1200 درجه سيليزيه، تميؤ رباعى كلوريد الزركونيوم إلي كلوريد الزركونيل (أوكسي كلوريد الزركونيوم) ثم التكليس المباشر فوق 800 درجه
سيليزية، وبتفاعل سيليكات الزركونيوم مع هيدروكسيد الصوديوم أو كربونات الصوديوم وتفاعل هيدروكسيد الناتج مع حمض الكبريتيك يتكون (أكسي
سلفات الزركونيوم) ثم يتم تكليس الناتج فوق 800 درجه سيليزيه. توجد طرق أخرى للمعالجة تتضمن ( تفاعل سيليكات الزركونيوم مع [[أكسيد
الكالسيوم]] على درجه حراره 1600 درجه سيليزيه ثم ترشيح سيليكات الكالسيوم الناتجة من التفاعل مع حمض الهيدروكلوريك )، وطريقه البلازما
التي تتم عن طريق ( الفصل الحرارى لسيليكات الزيكونيم في مفاعل بلازمي فوق 2100 درجه سيليزية وترشيح السيليكا الزجاجية المتكونة مع هيدروكسيد
الصوديوم ).
لإنتاج اكسيد الايتريا الزركونيوم المستقرة بتوزيع متجانس تجرى عمليه sol-gel والتي تبنى اساسا على تميؤ خليط من كلوريد الزركونيل وثلاثى
كلوريد الاتريوم. الهيدروكسيد المتكون يتعرض لعمليه تقطير اسيوتروبيك، تجفيف، كلس بين 850 درجه سيليزية و950 درجه سيليزية، السحق المبلل
و التجفيف بالرش.
في مرحله التسخين، الطور الثلاثى المحاور ( الباديلييت الطبيعى ) لخام الزركونيوم الصافى يكون في مرحله الاستقرار حتى 1170 درجه سيليزيه. ثم
يتحول إلى الطور الرباعى المستقر حتى 2370 درجه سيليزيه وبذلك يتكون شكل المكعب حتى نقطه الانصهار 2677 درجه سيليزيه. الثلاث ذرات المتبقية من
الأكسجين تفكك أو يشوه تركيبها بشكل قوى. وهذا يفسر ميلها للازدواجية. مستوى الازدواج (001) والمركب من ذرات OII سريعة الحركة وبالتالي تكون
حركتهم بشكل سهل من مواضع اتزانهم.و في اسقاط المستوى 010 يكون جدار مستوى الازدواج ظاهر على شكل خطوط منقطة أو متقطعة. وتتكون من الدوران
حول المحور المزدوج x = ½ وy =½ والتي تحل محل نصف الازدواج ب ½ a.
و على الرغم من إن الشكل الرباعي يكون رقم تنسيقه هو 8 الا ان بنيته يتم تشوهيها. 4 ذرات أكسجين تكون محاطه بذره الزركونيوم في شكل رباعى
مسطح على مسافه 206.5 طول لرابطة والأربع ذرات الأخرى للأكسجين تكون على مسافه 245.5 طول رابطة على رؤوس امتداد الشكل الرباعي الأسطح والتي تدور
بزاويه 90 درجة ويحتوى مكب الزركونيا على مكعب متمركز الوجة من نوع بنيه الفلوريت.
تحول المارتينزيت ( رباعى الأضلاع – ثلاثي المحاور) وبمعنى آخر (عمليه القص قليله الانتشار) بشكل قريب من سرعة الصوت والتي تتميز بتحول مغناطيسى
خلال دورات التبريد والتدفئة وطبقا لأن هذا التحول ينتج عنه تغيير كبير في الحجم حوالى 5% في الزركونيوم النقى يزداد حد المرونة واجهاد
الخضوع مسببا تشكيل شقوق وتصدعات وتفكك في جسيمات الزركونيوم الضخمة.اضافه اليتيريا، الكالسيا والماغنسيا تعمل على تأخير عمليه التحول
. التنوى والنمو للجزيئات رباعيه الأضلاع التي تتخذ شكل العدسة تحدث في حاله الاستقرار ضد عمليه التحول حتى في نطاق درجه حرارة الغرفة. الجزيئات
الرباعيه متبدله الاستقرار تولد ضغوط عرضيه ومن ثم تنتج شقوق صغيره في المصفوفات المحيطة دون الحالة الحرجة في ميكانيكا الكسر " غريفيث اروو-
وان ". التشقق التابع للطول الحرج قادر على الحركة خلال مجال الإجهاد ولكن يمكن أن يحدث له انحناء من الجسيمات التي تتحول تلقائيا إلى الشكل
الثلاثى المحاور في محيط التشقق الناتج. وتتم امتصاص طاقة التصدع ويعمل تغير الحجم على منع التصدع من الحدوث والانتشار على نطاق اوسع. وهذا
ما يعبر عنه بزياده في صلابه الكسر للزركونيوم المستقر جزئيا بما يسمى ( آلية التحول الصلب ). وبالفعل قيم لزركونيوم المستقره جزئيا اعلى بكثير
من قيمها في الخزفيات الهندسية الأخرى والتي تتراوح بين 7 ( أكسيد الايتريا مع 8% كتلة ) 10، ( أكسيد ماغنسيوم مع 3.4 % كتلة أكسيد ماغنسيوم )
9، ( أكسيد الايتريا وأكسيد الكالسيوم مع 3.3 % كتلة أكسيد كالسيوم ) و11 ( أكسيد كرميوم )، 3/2 ميجا نيوتن متر. وتكون قيم نقاط
قوة الانحناء متراوحه بين 600 و800 ميجا باسكال وصولا لقيمه عظمى 950 ميجا باسكال لبوليسيستالس الزركونيوم رباعى الأضلاع والتي تستخدم في رؤوس
الكريات.
طرق انتاج خزف الزركونيوم المقوى تتضمن الآتي
•اكاسيد الخزف المختلطة بالتكليس والضغط الساخن
•المعالجة الحرارية للزركونيوم المستقر جزئيا
تطبيقات على اكسيد الزركونيوم
تطبيقات الخزف الحيوية
المتطلبات الواجب توافرها في اليتيريا المستقرة لاستخدامها في صناعه الأدوات الطبية :
•مقاومه كيميائيه عالية
•عمر طويل تحت تأثير الظروف الفسيولوجية
•قوه عاليه
التبطين والعزل الحراري
درجه حراره الاحتراق في محركات السيارات وتوربينات الغاز في الفضاء الجوي محدوده للغايه بسبب عجز مواد البناء المعدني المشتركة عن تحمل درجه
الحرارة التي تتجاوز تقريبا 1000 درجه سيليزيه. تطبيق التبطين والعزل الحراري استنادا إلى الزركونيا مستقرة هي إحدى الطرق لزيادة درجة حرارة
الاحتراق ومن ثم كفاءة الشغلة والتوافق البيئي بتقليل الكمية من المواد الهيدروكربونية في غازات العادم. يتم تطوير وتحسين التبطين والعزل
الحراري في مجالين اساسيين. المجال الأول يتعلق بصناعه الفضاء الجوي ومتعلق بتبطين شفرات السبائك الفائقه الاستنتينيه وريش مراوح محركات توربين
الغاز لزياده عمر المكونات المعرضه للعديد من العمليات المجهده. فتره عمراجزاء مكونات التوربين من سبيكه النيكل الفائقه الغير مبطنه محدده
بالإجهاد الميكانيكي تحت 800 درجه سيليزيه، بواسطه التآكل السريع مابين 800 درجه و900 درجه سيليزيه، وبواسطه الإجهاد الحراري بين 900 و1050
درجه سيليزيه. فوق هذا الحرارة، الأكسدة، والانكماش متحكمين في عمر هذه المكونات. استنادا الي الزركونيا يعمل التبطين والعزل الحراري علي
زياده الثبات الحراري لمراوح التوربين الي ما يتجاوز 1200 درجه سيليزيه ( ميتش 1994 ) بزياده كفاءه تبريد مراوح التوربين، والاقتران ب (نيكل،
كروم ) مبطنات روابط كرالي، تمنع التآكل السريع بواسطه الأملاح المنصهره والغازات العدائيه. المجال الثاني للتطبيق هو مادة محتملة لإدراجها في
ترددية محركات الاحتراق الداخلي، خاصه محركات الديزل. الأهداف هي ادخال مكونات مثل المكابس، الصمامات، الانابيب المتفرعه المدخله ومنافذ
العادم، ولحمايه الاجزاء المتحركه من البلي والتآكل.
المبطنات والعوازل الحرارية السميكه تلبي متطلبات الكفاءة الحرارية ولكن تنشئ مشكله مجموع الاجهادت المتبقيه. ومن ثم قد تم تجهيز الأمثل لمواد
الخزف في مجالين: التعديل الكيميائي عن طريق الاستفادة من كميه الايتريا، والتعديل الجزيئي عن طريق الاستفادة من كثافه المادة المبطنة. طلب
اضافي مهم للتحكم في الإجهاد عندما تتعرض اجزاء مقطع التوربين إلي درجه حراره عاليه جدا تدريجيا. الإجهادات المتبقيه في المادة المبطنة
المستخدمة كرش تقلل المقاومة المطلوبة للصدمات الحرارية ومن ثم عمر المادة المبطنة بواسطه التشقق.هذه الإجهادات تنشأ من حالات عدم التوازن مع
مراعاة التركيب، والبناء، والتركيب الجزيئي لمواد التبطين المستخدمة كرش وكذلك تشكيل الفرق في لجنه التجارة والبيئة مابين ركازه
السبائك الفائقه وال 7% الايتريا.
يمكن محاولة نعديل هذه المتغيرات من خلال التغيرات في تكوين الخزف ، تطبيقات الخزف / طبقات روابط المبطن المتدرجه، فضلا عن لركازه قبل
التسخين أو التبريد.
لقد بذل كثير من المجهود في الماضي للتنبأ بالاجهادات المتبقيه الناتجة عن التبطين عن طريق صياغه العمر المتوقع لمواد التبطين والعزل الحراري
ولكن تم مواجهه المشاكل بافتراض نظريه الاستمرارية وعدم الاخذ في الاعتبار العناصر المحدودة المرونة، العمليات الغير خطيه، والطبيعة العامة
مواد التبطين بالرش للبلازما.
مواد التبطين والعزل الحراري تكون مسامية. ولذلك يمكن ان تجد الغازات الأكاله طريقها خلال مساميه متصله وتتفاعل سلبا مع ركازه السبائك
الفائقه الاوستينيتيه. العديد من النهج يتم اختبارها لمنع التاكل السريع.
-النفاذ خلال المسامات مع المواد المقاومة للتاكل السريع مثل.نيكل ألومنيد
-الحد من مساميه السطح عن طريق تطبيق طبقه عليا من مسحوق الزركونيا الجيد جدا
-معالجه مواد التبطين بالرش للبلازما بالطين الذي يحتوي على 0.1 ميلليميتر زركونيا والتكثيف الحراري
اللاحق
-اضافه السيليكون الي روابط المبطن لتحسين مقاومتها للتاكل والصدأ والبلي
-إعاده صهر سطح الليزر ( صقل الليزر )
-تفاعل الليزر المعاد صهره مع الالومنيا
-رش البلازما مع محتوي الايتريا المنخفضه الذي توسعه خلال تحول ال t-m يتعارض مع الانكماش الحراري
أجهزه الاستشعار
مثال نموذجي هو تركيز الاكسجين في الخلية مع محلول الزركونيا في الحالة الصلبة، يطبق فيما يسمي المسبار لقياس والتحكم في رسوبيات الاكسجين
في الكاربوراتور. الايتريا – الزركونيا المستقرة هي موصل أيون أكسجين نقي في المعظم مابين 400 و1000 درجه سيليزيه والتي تحمل شحنتها قدرة
مدعمه عن طريق التركيز العالي في الفراغ الذي يوجد في ذرات الإحلال في الاكسجين. ادخال ايونات الايتريا +3 عند مواقع الزركونيا +4 المنتظمه تخلق
هذه الفراغات الانيونيه التي تكون في حالة اعطاء الالكترونات. يمكن أن يتم رفعها عند درجه حرارة تصاعدية إلي نطاق التوصيل ومن ثم يتم توزيعها
[الي الموصل الكهربي. طبقا لمعادله نيرنست، تنشأ القوة الكهربية الحركيه عن طريق الخلية الكهربية يكونواعلي الترتيب الضغط الجزئي للاكسجين في
الخلية المرجعية ( هواء 0.21 ضغط جوي ) وفي خلية القياس، بمعني اخر. الكاربوراتور. بينما تكون هذه القياسات الأساسية مثبته جيدا، تحدث
أخطاء بسبب وجود تردد للغازات الاخري في عوادم السيارات مثل أول اكسيد الكربون، ثاني اكسيد الكربون، النيتروجين، أكسيد النيتروجين.
خلايا وقود الأكسيد الصلب
تحول خلايا الوقود الطاقة الكيميائية المخزنه في الوقود إلي طاقة كهربيه مباشرة خلال تفاعل إلكتركيميائي والذي يعتبر واحد من تقنيات تحولات
الطاقة الأكثر تميزا في المستقبل القريب. وهي تجمع ما بين كفاءه التحويل العالية، مرونه في استخدام الوقود، وإمكانيه التوليد المشترك للطاقة
مع كميه قليله جدا من التلوث السمعي والكيميائي للبيئة. يوجد ثلاث تصميمات مختلفه، الشكل الأنبوبي، والشكل الضخم، واللوحة المسطحه. في كل هذه
الحالات يكون، الأنود ( الكترود الوقود ) يتكون من مواد مركبه مثل نيكل أو نيكل – أكسيد ألومنيوم أو نيكل – أكسيد زركونيوم. الكاثود (
اكترود هواء ) كثيرا ما يصنع من نوع الخزف البيروفسكيتي، مثل مركبات أكاسيد اللانثانيوم (لانثانبوم ماجنيت، لانثانيوم كوبالتيت، لانثانيوم
ماجنيت الاسترنيوتوم ) يتم تفرقه الاثنان الكترود العاملة عن طريق الايتريا – محلول زركونيا مستقره. وتستمر الأبحاث المكثفة علي نطاق عالمي
للتطوير الجديد، مواد الكترود وموصلات أكثر كفاءة لزيادة معدل التحويل الالكتروكيميائي( كفاءة الوقود )، مساحة سطح نشط، كفاءة كهربية، و
للتقليل من درجة حرارة العملية وتدهور النظام وأيضا، تقنيات انتاج متقدمة، تشمل استخدام تقنية الرش بالبلازما لتصنيع خلايا وقود الأكسيد الصلب
المطورة. جدول 3
| المتغير | الحاضر | المستقبل |
|---|---|---|
| قدرة النظام | ا كيلو وات | 7 كيلو وات |
| قطر الخلية | 120 ميلليميتر | 200 ميلليميتر |
| السطح النشط | 100 سنتيميتر ^2 | 300 سنتيميتر ^2 |
| درجه حرارة العملية | 920 درجة سيليزية | 850 درجة سيليزية |
| كثافة القدرة / سنتيميتر ^2 | 175 ميللي وات / سنتيميتر ^2 | 175 ميللي وات / سنتيميتر ^2 |
| كفاءة الوقود | 43 % | 63 % |
| الكفاءة الكهربية | 23 % | 35 % |
| تدهور النظام / 1000 ساعة | 5 % | 1 % |
هذا الجدول يوضح – متغيرات النظام والأهداف الانمائيه للرش بالبلازما ذات الضغط المنخفض لخلايا وقود الأكسيد الصلب.
خصائص السيراميك الكهربائية
تشكل اليوم حوالى 90% من القيمة الاجمالية للسيراميك المصنعة.على الرغم انه من الصعب ملاحظة وجود خزف في كل مكان حولنا ويلمس حياتنا
اليومية في كل خطوة.المكونات الضرورية والحرجة في اغلب الأحيان في تراوح الأدوات من قداحة الغاز المتواضعة إلى الهاتف الخلوى المتطور والتي
تصنع من السيراميك وقد ادى ذللك إلى استعمال السيراميك على نطاق واسع الاجهزة الكهربائية والالكترونية. وتدخل هذه العناصر: تيتانات زركونات
الرصاص في قداحة الغاز والتليفونات والات التصوير والمكثفات التي تصنع من باريوم التيتانيوم في اجهزة التليفزيون والراديو والعديد من
الاجهزة الالكترونية. على سبيل المثال سيراميك الميكرويف العازل يستخدم في المرشحات الانتقائية للهواتف الخلوية وانظمة اتصال القمر الصناعى.و
تستخدم طبقة حديدية لينة في هوائيات الراديو الحساسة والمحولات وتستخدم طبقة حديدية في كثير من المحركات الكهربائية الصغيرة وتستخدم ما يصل
إلى 20 محرك من هذا القبيل في بعض نماذج السيارات للوظائف مثل المقاعد الكهربائية واقفال الباب. خلايا الوقود التي قد تستبدل محرك الاحتراق
الداخلى في السيارات مثل سيراميك الزركونيا ى حيث يعمل بالكهرباء لتوليد الطاقة من الوقود دون احتراق.
و هناك فئة من خزف الكهربى التي تظهر ظواهر متنوعة ولها تطبيقات واسعة حيث ان خزف متعلق بالعازل الكهربائى الشفاف. مشابه
للفيروماجنيت هذة السيراميك يمكن ان يستفطب بشكل كهربائى بشكل دائم واتجاه الاستقطاب يمكن أيضا ان يعكس. البحث الشامل في الوقت الحاضر جارى في
العديد من المختبرات لاستعمال الأفلام الرقيقة من هذه الخزفيات ك"ذكريات غير متطايرة" في اجهزة الكمبيوتر.بالإضافة إلى التطبيقات المحتملة في
الذكريات وهذه المواد أيضا يمكن الحصول عليها من خلال التطبيقات في احهزة الاستشعار الميكانيكية ومحولات اجهزة استشعار درجة حرارة الغرفة و
الاشعة تحت الحمراء.وهي تقنية بسيطة ولكنها فعالة جدا وتدعى عملية سول جل لتحضير افلام رقيقة من تيتانات زركونات الرصاص والسيراميك. حيث تم
العثور على مادة كيميائية مناسبة واجراء بعض التعديلات لتخفيض الكثير من مشاكل التعب ( تدهور في الممتلكات نتيجة ركوب الدراجات الكهربائية
المتكررة ). عناصر تيتانات زركونات الرصاص جزء لا يتجزا من السطح حيث يمكن استخدامها لاستشعار ومرافبة الاهتزازات المفرطة. وتجرى دراسة هذا
المجال في دوائر الهندسة الميكانيكية والطيران في كانبور.
يتكون الجزء الأكبر من سيراميك المتقدمة الحديثة بدء من المساحيق التي تسيطر عليها بعناية التركيب الكيميائى وتوزيع حجم الجسيمات وقد برز في
اعداد المساحيق مجالا هاما للبحث والتطوير في الكيمياء التي لعبت دورا هاما للغاية في مساحيق كانبور العديد من السيراميك.و يجرى حاليا اعداد
باستخدام الكيمياء وتقنيات سول جل. هذه الجسيمات متناهية الصغر تنتج السيراميك والمواد المركبة ذات خصائص متفوقة.
معالجة السيراميك
لاول مرة في معالجة خزف يتم توحيد مساحيق الشكل المطلوب لانتاج ما يسمى ب"الجسم الأخضر". حيث تتم مراجعة تجهيز مسحوق السيراميك المتقدم
مع التركيز على مباشرة الصب واساليب وتقنيات تصنيع الصلب الحر وتناقش المبادئ الاساسية لتشكيل الجسم الأخضر وعلى نطاق واسع يتم توحيد وتشكيل
الخطوة عن طريق الضغط كتلة من المسحوق عند الضغوت التي تصل إلى أكثر من 200 ميجا باسكال. الجسم الأخضر الناتج له مسامية كبيرة تصل إلى 40% حيث
ان جزيئات المسحوق محملة معا من قبل القوات الميكانيكية المتشابكة والسطحية. وساعد على كميات صغيرة حوالى 1% من بعض الرباط العضوى مثل كحول
البولى فينيل. الجسم الأخضر في هذه المرحلة لا يزال هشا للغاية وتحتاج إلى التعامل معها بعنايه. ( كما قدمت اقراص الدواء من خلال عملية مماثلة من
الضغط على المساحيق؛ الا انها تحتوى على كمية كبيرة من الرباط التي تعطيهم قوة أكبر).لتحويل الجسم الأخضر في جسم خزف حيث وجود المسامية
منخفضة والقوة الكافية ويطلق الجسم الأخضر في درجات الحرارة التي تتراوح من حوالى 700 درجة سليزيوس إلى 1700 درجة سليزيوس اعتمادا على
السيراميك. وخلال عمليات الإطلاق يحدث العديد من العمليات والأكثر اهمية هي عملية تلبد والذي يؤدى إلى انخفاض حاد في المسامية وبالإضافة إلى
ذللك فان التركيب الكيميائى يصبح زى رسمى أكثر في جميع انحاء السيراميك ويزيد من حجم الجزيئات والتي يجب ان تسيطر على ها. السيراميك بعد عملية
اطلاق القوى يجب الحصول على الخصائص المرغوب فيها.في اغلب الأحيان لابد من خطوة اخرى وهي التشطيب مثل الطحن إلى الابعاد النهائية المطلوبة في حالة
السيراميك الالكترونى وتطبيق الطلاء المعدى لتكون بمثابة اقطاب كهربائية وهي الخطوة الأكثر شيوعا للتشطيب.العديد من الابتكارات مثل الضغط؛ الضغط
المتوازن؛ صياغة حقن؛صب سول جل؛و قد جعل الانزيم المحفز لتشكيل السيراميك من الممكن ان تحسن من اشكال معقدة لا يمكن تحقيقهعن طريق الضغط على
المسحوق. وقد ادى صب شريط من السيراميك إلى التصغير من المكونات الالكترونية. ويمكن ان يتم عن طريق شريط الصب (ورقة رقيقة من السيراميك من قبل
اى عملية مستمرة بمعدلات تزيد عن عدة امتار في الساعة. قطع الحجم المطلوبة يمكن ان تثقب من الشريط الأخضر ويمكن بالتالى ؛متعددة المستويات
المعقدة؛ ثلاثى الابعاد مكون من معدن عازل السيراميك حيث تعطى العنصر كثافة عالية ووظائف أكبر.معالجة سول جل والتي تتجاوز تماما في مرحاة برز
المسحوق كاسلوب قوى لصنع افلام السيراميك والمساحيق والألياف والكشط ومجالات الزجاج.
الخاتمة
حيث ان السيراميك المتقدم والمواد والعمليات المستخدمة في تطوير وتصنيع مواد السيراميك الذي يحمل خصائص خاصة. السيراميك كما اشار في تكوين
مادة السيراميك والممتلكات وصفت عادة على شكل مواد صلبة ومنتجات حديدية التي تعد من المواد المسحوقه هي الاختراع في المنتجات من خلال تطبيق
الحرارة وعرض الخصائص المميزة مثل القوة والصلابة وانخفاض التوصيل الكهربى والهشاشة.فخصائص مواد السيراميك تختلف أيضا إلى حد كبير بسبب
وجود خلافات في الروابط بصورة عامة حيث وجود الروابط التساهمية والروابط الايونية حيث يعتبر السيراميك من العوازل الكهربية والحرارية الجيدة.
حيث السيراميك المتقدم تقدم من خلال هذا التعريف التقليدى.و من خلال تطبيق منهج حديث وعلوم المواد؛ وقد تم تصميم مواد جديدة من المواد
الموجودة التي تظهر تغيرات مفاجئة. مواد السيراميك تستخدم في التطبيقات الهندسية بدء من اصول متواضعة في مواد البناء والخزف والطوب؛و قد
اصبح السيراميك اليوم بمثابة ثورة في الحياة العصرية حيث وجود السيراميك في كل شئ حولنا في الهيكل السيراميكى للمحركات وبطاريات التخزين و
خلايا الوقود ومحركات توربين الغاز في السيارات.على سبيل المثال السيراميك لديه القدرة على احداث تغيير خطوة في العالم من حولنا إذا ادركت
مراجع
- Technology: Advanced Ceramics - تصفح: نسخة محفوظة 11 يوليو 2017 على موقع واي باك مشين.
- Advanced ceramic materials: products, applications and economic outlook Robert B. Heimann - Chair of Technical Mineralogy, Department of Mineralogy.Freiberg University of Mining and Technology, Brennhausgasse 14, 09596 Freiberg - Germany)
كبرياء