تحقیق مقاله کاربردهای مواد سرامیک

مهندسی سرامیک و کاربردهای آن

1-1-کاربردهای پزشکی:

سرامیک­ها، این مواد دست‌ساخته بشر، از ابتدای تاریخ تمدن تا به امروز توانسته‌اند مواد بسیار مفیدی را در اختیار انسان­ها قرار دهند. از سفالینه‌های هزاران سال قبل تا راکتورهای هسته‌ای و اخیراً نیز محافظ سفینه‌های فضایی و غیره.

یکی از کاربردهای مواد سرامیکی که در ارتباط نزدیک با زندگی بشر است، شامل بکارگیری قطعات سرامیکی در بدن انسان است. به این دسته از سرامیک­ها "زیست-سرامیک (Bio-ceramic)" گویند. این دسته از سرامیک­ها اهمیت فراوانی در زندگی روزمره یافته­اند. البته استفاده از مواد مختلف بعنوان "ایمپلانت (implant)" به دوره قبل از میلاد مسیح بر می­گردد. اما از اواخر قرن نوزدهم، در اثر پیشرفت و افزایش اطلاعات پزشکی در این مورد کوشش­های جدی انجام گرفت.

اولین مواد مصرفی بعنوان ایمپلانت، ترکیبی از برنج و مس بود که بدلیل خوردگی شدید این مواد در بدن، استفاده آنها با شکست مواجه شده است. از آنجایی که در پزشکی مدرن ضرورت استفاده از مواد مختلف به منظور ترمیم عیوب بدن انسان احساس می‌شد، پلیمریست­ها گستره وسیعی از این مواد را برای استفاده به جامعه پزشکی معرفی کردند و متالوژرها نیز با استفاده از آلیاژهای جدید و متفاوت، قطعات ارتوپدیک بسیاری برای بدن ساختند. اما حتی این مواد نیز بعلت خوردگی شیمیایی در بدن ایجاد عارضه می­کرد؛ حال آنکه بسیاری از ایمپلانت­ها، مانند اتصال مصنوعی در مفاصل ران، بایستی برای همیشه در بدن انسان باقی می‌ماند. از این رو، پژوهشگران برای دستیابی به موادی با مشخصات بهتر به دنیای سرامیک راه پیدا کردند.

هیچ ماده‌ای که در بدن انسان جایگذاری شود کاملاً خنثی نیست. با این وجود، خوردگی سرامیک­ها بدلیل ماهیت ذاتیشان خیلی کمتر از فلزات است. پیشرفت­های وسیع در علم سرامیک منجر به دستیابی به موادی با خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی متفاوت و متنوع شد که می‌توانند خواص خود را برای مدت زمان طولانی در بدن موجود زنده حفظ کنند. بعضی از این مواد عبارتند از: آلومینا، کربن پیرولیتیک و زجاجی، فسفات­های کلسیم و سدیم و غیره.

خصوصیاتی که یک ایمپلانت دایمی سرامیکی باید داشته باشد بطور خلاصه در زیر آمده است:

1- سازگاری بیولوژیکی: عموماً مواد ایمپلانت باید با بافت­های بدن سازگاری داشته باشند و ایجاد حساسیت و مسمومیت نکنند.

2-عدم خوردگی: در بدن موجود زنده خوردگی بیولوژیکی روی ندهد.

3- کارایی در عملکرد: باید بتواند به نحو مطلوب وظیفه‌ای را که در هر نقطه از بدن بر عهده آن قرار می­دهند بخوبی انجام دهد.

4- قابلیت استریلیزه شدن: قابلیت استریل و ضدعفونی شدن را داشته باشد، بدون اینکه تغییری در ترکیب آن ایجاد کند. یا باعث تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی شود.

5-قابلیت دسترسی: قابل دسترس بوده و براحتی تولید شود.

امتیاز سرامیک­ها بعنوان مواد زیستی بدلیل سازگاری آنها با محیط فیزیولوژیکی است و این سازگاری بدلیل وجود یونهایی مشابه با یونهای موجود در آن محیط، مثل کلسیم، پتاسیم، منیزیم و سدیم است.

تحقیقات انجام شده در آزمایشگاه و روی بدن موجود زنده روی مواد زیر متمرکز شده است: کربن، اکسیدآلومینیم، هیدروکسید آپاتیت، فسفات تری­کلسیم، ترکیبات شیشه‌ای و غیره که جالب‌ توجه‌ترین این مواد عبارتنداز: دریچه‌های قلبی مصنوعی، زانوی ارتوپدیک (استخوان و مفاصل)، موادی که برای ترمیم و بازسازی جای دندان در فک بکار می­روند، موادی که به­وسیله آنها از راه پوست می‌توان با داخل بدن ارتباط پیدا کرد، مفصل ران پروستتیک، پیهای مصنوعی و غیره.

این مواد با توجه به نوع فعالیتشان در محیط به 3 دسته تقسیم می‌شوند:

1- مواد سرامیکی خنثی: مانند آلومینا و کربن

2- مواد سرامیکی با سطح فعال: مانند هیدروکسید آپاتیت و بیوگلاس­ها

3- مواد سرامیکی قابل جذب: مانند فسفات کلسیم

1-2-نانوسرامیکها و کاربردهای تجاری فعلی آنها در دنیا  

    نانو مواد، ‌دسته‌ای از مواد ‌هستند که از طریق کنار هم قراردادن اتم‌ها، ملکول‌ها یا مجموعه‌هایی از آنها و به طور مصنوعی‌ تولید می‌شوند. نانوسرامیک‌ها ‌به­دلیل داشتن خواص ویژه در بین مواد دیگر ‌از مهم‌ترین‌ و کاربردی‌­ترین شاخه­های نانومواد محسوب می­شوند. متن زیر برگرفته از مقاله سیدمحسن‌ محمودی سپهر از دانشگاه علم و صنعت ایران است که تحت عنوان "مقدمه‌ای‌ بر نانوسرامیک‌" در همایش "نانوتکنولوژی، انقلاب صنعتی آینده" ارایه شده بود و به بیان ‌پتانسیل‌ها و کاربردهای‌ فعلی نانوسرامیک‌ها در دنیا اشاره دارد:

‌ظهور نانو سرامیک‌ ها را می­توان از دهه 90 میلادی‌ دانست. در این زمان بود که کشف خواص پودرهای نانوسرامیک بسیار مناسب‌ به نظر می‌رسید ولی روش‌های آن از لحاظ فناوری، آسان و مقرون‌به‌صرفه نبود.

به‌وجود آمدن نانو‌تکنولوژی‌ اهمیت‌ ‌نانوسرامیک‌ ها را بیش از پیش‌ آشکار کرد ‌و نانوتکنولوژی ‌باعث تحلیل‌ بهتر از پدیده‌ها و یافتن ‌روش‌های بهتری برای تولید مواد شد. ‌شکل گرفتن مهندسی‌ نانو، منجر به درک‌ بی‌سابقه‌ اجزای‌ اولیه پایه‌ای‌ تمام اجسام‌ فیزیکی‌ و کنترل بر این اجزا شده است و این پدیده‌ به زودی روشی‌ ‌را که اغلب‌ اجسام‌ توسط آنها طراحی و ساخته می‌شده‌اند، دگرگون‌ می‌کند.

ویژگی‌های نانوسرامیک‌ها:

‌الف) استحکام‌ مکانیکی‌: پوشش‌ دادن سطح اجسام با نانوسرامیک­ها، باعث‌ افزایش استحکام‌ و سختی جسم می‌شود که استحکام آنها بسیار بیشتر از پوشش­هایی از نوع سرامیک‌های معمولی‌ است.

ب) ابررسانایی‌: نانوسرامیک‌ها به­علت داشتن خواص نوری و الکتریکی‌ به­عنوان‌ ابررسانا نیز به­کار می‌روند.

‌‌ج) قدرت پوشش: در ساختار نانو، تعداد مکان‌های فعال افزایش‌ می‌یابد، این افزایش در سطح منجر به کاهش‌ مقدار مواد مصرفی می­شود و قیمت نهایی محصول کاهش‌ می‌یابد.

د) قابلیت‌ رقابت‌ ‌با مواد دیگر: نانوسرامیک­ها ارزش افزوده فوق­العاده­ای را ایجاد می­کنند و این مواد همانند رنگدانه‌ها و پوشش­ها گرانقیمت‌ هستند.

‌ه) سازگار با محیط­زیست: این پوشش‌ها با محیط‌­زیست سازگار هستند و آلودگی­های‌ مواد قبلی‌ را ایجاد نمی‌کنند.

و) انعطاف‌پذیری: در سرامیک‌های معمولی‌ انعطاف‌پذیری وجود ندارد ولی در نانوسرامیک­ها به­دلیل داشتن خاصیت منحصر به فرد در قابلیت‌ حرکت ‌مرزدانه‌ها بر روی هم، انعطاف‌­پذیری‌ خوبی وجود دارد.

ز) سطح ویژه بالا: نانوسرامیک‌ها سطح‌ ‌ویژه بالایی دارند و در انجام واکنش‌های شیمیایی در کاتالیست‌ها، سنسورهای گازی، جداسازی‌ و جذب‌ مواد بر روی‌ سطح ‌آن و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربردهای‌ نانوسرامیک‌:

‌به­علت خواص فو‌ق‌­العاده‌ای که نانو‌سرامیک‌ها دارند، طراحان‌ محصولات‌ می‌توانند از آنها به­طور ماهرانه، به­عنوان ‌مواد مخصوص‌ استفاده نمایند. این مواد مخصوص، مواد اولیه ‌‌مورد نیاز برای‌ ساخت‌ محصولی مستحکم‌تر که در محدوده دمایی بیشتر عمل می­کند را تأمین می‌کنند.‌ از طرفی‌ ‌تولید نانوسرامیک‌ها در دماهای پایین‌تر، موفقیت بزرگی‌ است که منجر به تولید اقتصادی‌ محصولات‌ بی‌عیب و با دقت بالا می‌شود.

‌نانوسرامیک‌ها در حال ‌توسعه و به­کارگیری‌ برای‌ ‌کاربردهای‌ گوناگون‌ هستند که از خواص ‌مغناطیسی، نوری، الکتریکی و دیگر خواص آنها استفاده می­شود. خواص‌ منحصر به فرد نانوسرامیک‌ها، محدوده‌ وسیعی از کاربرد از جمله قطعات‌ سرامیکی‌ بادوام‌ ‌برای موتو‌رهای‌ خودکار، سیم‌های ابررسانای ‌انعطاف‌پذیر و اجزای متصل­کننده فایراستیکی‌ را به همراه دارد. بعضی ‌دیگر از پتانسیل‌ها و کاربردهای‌ دیگر در جدول زیر آورده شده است:

پتانسیل و کاربردهای تجاری فعلی نانوسرامیک­ها

3-1- مروری کوتاه بر بازار سرامیکهای پیشرفته در جهان

سرامیک­های پیشرفته نسل جدیدی از سرامیک­ها هستند که دارای خواص بهتری نسبت به سرامیک­های سنتی بوده و کاربردهای زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. متن زیر خلاصه گزارش موسسه SCUP در مورد سرامیک‌های پیشرفته است:

سرامیک­ها موادی غیرآلی و غیرفلزی هستند که مقاومت خوبی در دمای بالا از خود نشان می‌دهند. در ابتدا مواد اولیه سرامیکی بصورت پودر هستند سپس در شکل‌های مختلف به اجسام صلب تبدیل می­شوند. سرامیک­ها می‌توانند بصورت آمورف (بی‌شکل)، تک‌فاز، چندفاز، تک‌کریستال و پلی‌کریستال وجود داشته باشند و خواص این مواد بستگی به ساختار اتمی آنها دارد. محصولاتی مثل آجرها، کاشی، چینی (بصورت ظروف غذا و چینی بهداشتی)، نسوزها، ساینده‌ها، شیشه‌آلات (شیشه‌های تخت، ظروف شیشه‌ای) و لعاب‌های چینی جزو سرامیک­های سنتی هستند و در گروه سرامیک­های پیشرفته قرار نمی‌گیرند.

سرامیک­های پیشرفته دارای خواص فیزیکی، الکترونیکی و مکانیکی خاصی هستند که آنها را نسبت به سرامیک­های سنتی برتری بخشیده است. سرامیک­های پیشرفته در پنجاه سال گذشته توسعه خوبی یافته‌اند. بازار سرامیک­های پیشرفته که قسمت عمده آن در امریکا، اروپای غربی و ژاپن قرار دارد، در سال 2000 بالغ بر 20.2 میلیارد دلار بوده است. البته خلق کاربردهای جدیدی برای این مواد باعث ایجاد یک رشد 4 درصدی برای بازار این مواد تا سال 2005 خواهد شد.

سرامیک‌های الکترونیکی:

عمده‌ترین استفاده سرامیک­های پیشرفته در صنایع الکترونیک است که حدود 66 درصد کل مصرف سرامیک­های پیشرفته را به خود اختصاص می­دهند. مهم‌ترین مواد سرامیکی برای کاربردهای الکترونیکی، اکسیدهای خالص یا مخلوطی از اکسیدها هستند که شامل آلومینا، زیرکونیا، سیلیسیا، فریت­ها، تیتانات باریم اصلاح‌شده و تیتانات و زیرکونات سرب هستند. فیبرها، محافظ‌ها در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، خازن­ها، تبدیل‌کننده‌ها، القاگرها، ابزارهای پیزوالکتریکی و سنسورهای فیزیکی و شیمیایی عمده‌ترین موارد استفاده سرامیک­های الکترونیکی هستند. میزان بازار جهانی سرامیک­های الکترونیکی در نیمه پایانی سال 2000، حدود 13.3 میلیارد دلار بوده است. مواد مورد مصرف در مدارهای IC مجتمع، محافظ‌های الکترونیکی و خازن­ها تقریباً 67 درصد بازار سرامیک­های الکترونیکی را بخود اختصاص داده‌اند. بازار محصولات سرامیکی الکترونیکی اگر چه نسبتاً بزرگ است ولی نرخ رشد آنها از نرخ رشد دو رقمی که در چند دهه گذشته از خود نشان داده‌اند بیشتر نیست.