المواد الخزفية

حديث المواد الخزفية نوع جديد من السيراميك، مُطوّر من السيراميك التقليدي، يعتمد على سيراميك خاص، ويتميز بخصائص مميزة تختلف عن السيراميك التقليدي. وقد تجاوز مفهوم ونطاق السيراميك التقليدي منذ زمن طويل، وهو نتاج تكنولوجيا متقدمة وجديدة. لذا، تُعدّ مواد السيراميك مادةً قديمةً وحديثة.

المواد الخزفية الحديثة هي مواد غير عضوية وغير معدنية. وهي إحدى الفئات الرئيسية الثلاث للمواد الحديثة، إلى جانب المعادن والمواد العضوية. كما أنها تُعرف عمومًا بجميع المواد باستثناء المعادن والمواد العضوية. يتناول هذا الفصل المواد الخزفية الحديثة، أو المواد غير العضوية وغير المعدنية الحديثة.

تتميز المواد الخزفية الحديثة بخصائص تقنية عالية. بالمقارنة مع المواد التقليدية، تتميز بشكل رئيسي بالخصائص التالية:

(1) بناءً على متطلبات التطور العلمي والتكنولوجي الحديثمساءًإنه نتاج تطور العلوم والتكنولوجيا الحديثة وهو منتج عالي التقنية.

(2) عملية التصنيع معقدة وتتطلب توجيهًا نحو الإنجازات العلمية والتكنولوجية الحديثة. لذا، فهي منتج يتطلب معرفة تقنية مكثفة.

(3) يتمتع بخصائص ممتازة ومميزة ويمكنه تلبية متطلبات الصناعات التجارية والتكنولوجية الجديدة.

تصنيف المواد الخزفية

مع تطور الإنتاج والعلوم والتكنولوجيا، تتزايد أنواع المواد والمنتجات الخزفية يومًا بعد يوم. ولتسهيل فهم خصائص المواد أو المنتجات المختلفة، عادةً ما تُصنف من زوايا مختلفة.

1. التصنيف حسب التركيب الكيميائي

(١) سيراميك الأكسيد. هناك أنواع عديدة من سيراميك الأكسيد، والتي تحتل مكانة مهمة جدًا في عائلة السيراميك. أكثر أنواع سيراميك الأكسيد شيوعًا هي Al2O3، وSiO2، وMgO، وZrO3، وCeO2، وCaO، وCr2O3، والموليت (3Al2O3.2SiO4)، والإسبنيل (MgAl2O3)، وغيرها. يُستخدم Al2O3 وSiO2 في السيراميك على نطاق واسع مثل سبائك الفولاذ والألومنيوم في المواد المعدنية. بعض أنواع سيراميك الأكسيد مُدرجة في الجدول ١١.١. تنتمي السيليكات أيضًا إلى سلسلة الأكسيد، مثل ZrsiO4. كما تندرج أكاسيد مركبة مثل BaT وCgyiO؛ وغيرها ضمن هذه الفئة.

يتم تصنيف المواد السيراميكية حسب التركيب الكيميائي

(٢) سيراميك الكربيد. يتميز سيراميك الكربيد عمومًا بدرجة انصهار أعلى من الأكاسيد. أكثرها شيوعًا هي SIC، وSC، وPhoenix C، وTIC، وغيرها. يجب أن يكون سيراميك الكربيد محميًا من العوامل الجوية أثناء عملية التحضير.

(٣) سيراميك الأميد. يُعد كلوريد الأميد الأكثر استخدامًا، ويتميز بخواص ميكانيكية شاملة ممتازة ومقاومة عالية لدرجات الحرارة العالية. بالإضافة إلى ذلك، تتزايد استخدامات سيراميك النيتريد TZN وBN وAI. ومن المتوقع أن يكون أداء C3N4، الذي ظهر مؤخرًا، أفضل من أداء Si3O4.

(4) أربعة أنواع من السيراميك الكيميائي. تطبيقات سيراميك البوريد محدودة. تُستخدم بشكل رئيسي كمضافات عميقة أو كمراحل ثانية تُضاف إلى مصفوفات سيراميكية أخرى لتحسين الأداء. من أشهرها Ti وZr&، وغيرها.

2. التصنيف حسب الأداء والاستخدام

(١) السيراميك الإنشائي. يُستخدم السيراميك الإنشائي كمواد إنشائية لتصنيع الأجزاء الإنشائية. وتعتمد خصائصه الميكانيكية بشكل رئيسي على: القوة، والمتانة، والصلابة، ومعامل المرونة، ومقاومة التآكل، ومقاومة درجات الحرارة العالية (قوة تحمل درجات الحرارة العالية، ومقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة التآكل)، وغيرها. معظم أنواع السيراميك الأربعة المذكورة أعلاه، المصنفة حسب التركيب الكيميائي النووي، هي سيراميك إنشائي، مثل حجر AjZQ. يُعدّ كلٌّ من 3N4 وZX مواد سيراميك إنشائية نموذجية ذات خصائص ميكانيكية فائقة.

(2) السيراميك الوظيفي. يُستخدم السيراميك الوظيفي كمواد وظيفية لتصنيع الأجهزة الوظيفية، بالاعتماد بشكل رئيسي على خصائصه الفيزيائية، مثل الخواص الكهرومغناطيسية والحرارية والبصرية والبيولوجية، وغيرها. على سبيل المثال، الفريت. أما السيراميك الكهروضوئي، فيُستخدم بشكل رئيسي لخصائصه الكهرومغناطيسية. ويُستخدم في تصنيع المكونات الكهرومغناطيسية، بينما يُستخدم السيراميك العازل في تصنيع المكثفات، ويُستخدم السيراميك الكهرضغطي في تصنيع مستشعرات الإزاحة أو الضغط. ويمكن استخدام سيراميك الإلكتروليت الصلب في تصنيع كاشفات الأكسجين بفضل خصائصه في نقل الأيونات. ويُستخدم السيراميك الحيوي في تصنيع العظام والأسنان الاصطناعية. وتندرج أيضًا المواد فائقة التوصيل والألياف البصرية ضمن فئة السيراميك الوظيفي.

تجدر الإشارة إلى أن التصنيف المذكور أعلاه نسبي أيضًا. فبدلاً من أن يكون مطلقًا، لا توجد أحيانًا حدود دقيقة بين السيراميك الإنشائي والسيراميك الوظيفي. في بعض المواد الخزفية، يوجد كلاهما. السيراميك الكهرضغطي. على الرغم من إمكانية تصنيفه كسيراميك وظيفي، إلا أن له أيضًا متطلبات معينة لخصائصه الميكانيكية، مثل القوة والمتانة والصلابة ومعامل المرونة. أولًا، يجب أن يتمتع بقوة كافية لمنع التلف عند تحمل قوة E، وذلك لتحقيق الخصائص الكهرضغطية الشائعة. بالإضافة إلى ذلك، مثل السيراميك الإنشائي عالي الحرارة أو السيراميك المقاوم للصدمات الحرارية والحريق لأجزاء المركبات الفضائية المقاومة للحرارة، على الرغم من انتمائه إلى فئة السيراميك الإنشائي. ومع ذلك، فإن مقاومة التمدد الحراري لا تتحدد فقط من خلال قوته ومتانته ومعامل المرونة، بل إن الموصلية الحرارية ومعامل التمدد الحراري يتطابقان أيضًا مع الخصائص الميكانيكية، مما يؤثر بشكل كبير على مقاومة الصدمات الحرارية. مقاومة التآكل من أهم خصائص السيراميك الكيميائي (مثل المضخات المقاومة للأحماض)، ولكن يجب أن تتمتع بخصائص ميكانيكية معينة لتلبية متطلبات الصناعة. يصعب تحويل المواد فائقة التوصيل إلى أسلاك نظرًا لارتفاع نسبة الدهون فيها. لذلك، لا تزال غير قابلة للتطبيق العملي. باختصار، سواءً كان الأمر يتعلق بالسيراميك الهيكلي أو الوظيفي، فإن الخصائص الميكانيكية هي أهم خصائص المواد السيراميكية. لكن الاستخدامات المختلفة لها متطلبات مختلفة للخصائص الميكانيكية.

يتناول هذا الفصل بشكل رئيسي السيراميك البنيوي.

مزايا السيراميك

1. خصائص أداء المواد السيراميكية

كما نعلم جميعًا، فإن الروابط الكيميائية للمواد المعدنية (كالذهب الخالص أو السبائك) تتكون في الغالب من معادن. وتتكون من ذرات معدنية موجبة وسحب إلكترونية تملأها. لا تمتلك الروابط المعدنية اتجاهًا محددًا، ولذلك، يتمتع المعدن بخصائص تشوه لدن جيدة. أما بالنسبة للسيراميك الذي يتجاهل المركبات غير المعدنية، فإن خصائصه الكيميائية أعلى من الروابط الصحية والتساهمية. تتميز هذه التركيبة الكيميائية باتجاهية قوية وطاقة ربط عالية. لذلك، يصعب على المواد السيراميكية الخضوع للتشوه اللدن. كما تتميز بهشاشة عالية وحساسية عالية للتشقق. وهذا هو نقطة ضعف المواد السيراميكية. ولكن بفضل هذا النوع من الروابط الكيميائية تحديدًا، تتمتع السيراميكيات الإنشائية بسلسلة من الخصائص الخاصة التي تتفوق على المواد المعدنية.

①صلابتها العالية تحدد مقاومتها الممتازة للتآكل؛

② نقطة لهب عالية. ثبت أن مقاومته للحرارة ممتازة.

③ثبات كيميائي عالي، مما يضمن مقاومة جيدة للتآكل.

على الرغم من المزايا الرائعة للمواد الخزفية، إلا أن عيبها الفادح - الهشاشة - يحدّ من أدائها وتطبيقاتها العملية. لذلك، أصبحت تقوية السيراميك موضوعًا محوريًا في مجال أبحاث المواد الخزفية، وتجذب اهتمامًا عالميًا (للمزيد من التفاصيل، انظر قسم تقوية السيراميك).

2. مقارنة بين السيراميك الحديث (المتقدم) والسيراميك التقليدي

مقارنة بين السيراميك الحديث والسيراميك التقليدي، هناك اختلافات جوهرية في تركيب المواد الخام، وعملية التحضير، والهيكل التنظيمي، والأداء.

التباين بين السيراميك التقليدي والسيراميك الحديث