سیمان مقدمه: مصرف سيمان درکشورها مي تواند به عنوان شاخصي از پيشرفتگي آنها در نظر گرفته شود. البته توجه به اقليم هر کشور،نوع مصارف سيمان و مسائلي ديگر ضروري مي باشد. در کشورها نيز درطي چند سال گذشته نياز به اين ماده ي پر اهميت مهندسي بيشتر شده است و اين نياز منجر به تأسيس کارخانجات متعددي در سطح کشور شده است. البته از ديدگاهي ديگر کشور ايران به خاطر دارا بودن منابع عظيم نفت و انرژي و دارا بودن ذخاير مواد اوليه ي مصرفي در بخش سيمان،مستعد توليد سيمان نيز مي باشد. اقليم بياباني و نيمه خشک منطقه ي ما و عدم وجود منابع چوب نيز مي تواند عاملي ديگربراي توسعه ي صنعت سيمان و مصرف آن در بخش ساختمان سازي باشد. سيمان يک ماده ي متداول در کشور ما محسوب مي گردد و کسي نيست که اين ماده را نشناسد ولي اطلاعات افراد در مورد اين ماده اندک است از اين رو،دراين مقاله تلاش شده است تا اطلاعاتي مناسب در مورد صنعت سيمان ارائه گردد. همچنين مطالب به نحوه اي بيان شده است تا عموم عزيزان بتوانند از آن استفاده کنند. اميدواريم که مطالعه ي اين مقاله باعث افزايش سطح اطلاعات خواننده باشد. تعريف: سيمان پودري است که خاصيت چسبانندگي ايجاد مي کند. اين ماده پس از واکنش با آب مي تواند ايجاد ساختارهاي بلوري يا هيدراتهاي بلند کند که پس از سخت شدن،حتي در زير آب هم به صورت يک بافت سخت و يکپارچه در مي آيد. بنابر يک تعريف درگي سيمان گردي است نرم، جاذب آب و چسباننده خرده سنگ که اساساً مرکب است از ترکيبات پخته شده و گداخته شده ي اکسيد کلسيم با اکسيد سيلسيم، اکسيد آلومينيم و اکسيد آهن. ملات اين گرد قادر است به مرور در مجاورت هوا و يا در زير آب سخت شود،در زير آب ضمن داشتن ثبات حجم مقاومت خود را نيز حفظ مي نمايد. و در فاصله ي 28 روز در زير آب ماندن داراي حداقل مقاومت 250 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع مي شود. در رم قديم مخلوطي از خرده سنگ و آهک پخته درست مي کردند که از ترکيب اين مخلوط با آب،بتن حاصل مي شد و از اين بتن براي کارهاي ساختماني استفاده مي گرديد. اين نوع ساختمانها را (caementitium) opus مي ناميدند. به مرورکلمه ي cementum به مخلوط هاي مورد استفاده در اين نوع ساختمان سازي اطلاق گرديد. منظور از cementum نوع خاصي خرده سنگ است که وقتي پودر آنها با آهک مخلوط مي شد،مخلوط حاصله داراي خاصيت هيدروليکي بيشتر مي شد و به مرور در مجاورت هوا و در زير آب سخت مي گرديد و داراي مقاومت و سختي قابل توجهي مي شد. اين خرده سنگها از باقيمانده ي آتشفشان يعني خاکستر آتشفشان بودند و يا اينکه از خردکردن خرده آجرهاي توليد شده درکوره آجرپزي که در واقع همان خاک رس پخته است،بدست مي آمده اند. تاريخچه همانگونه که گفتيم مواد چسباننده ي پايه هيدروليکي به دوران روميان باز مي گردد. در آن دوران روميان از موادي شبيه به سيمان امروزي استفاده مي کردند. اين مواد که جزء مصالح ساختماني آن دوره بودند از ترکيب خرده سنگ با يک ماده ي چسباننده مانند آهک پخته ساخته مي شدند. علاوه بر اين مواد، افزودني هايي شبيه پودر بسيار نرم سفالهاي پخته شده و خاکستر آتشفشاني نيز اضافه مي شده است. مواد افزودني باعث ايجاد خاصيت چسبندگي هيدروليکي در مخلوط مي شود. اين ماده ي چسباننده در سير تحول به نام سيمان (cement) معروف گشت. درطول تاريخ اين ماده ي چسبنده ابتدا cementum و بعدها با نام هاي cament, cimentum و نهايتاً سيمان (cement) نام گرفت. ادامه دارد.......... منبع راسخون
1. 2. سير تحول روش هاي توليد در توليد سيمان کلاً دو روش وجود دارد که به شرح زير است: 1) روش تر 2) روش خشک در روش تر مواد اوليه به صورت دوغاب درآمده و دوغاب حاصل پس از آسياب شدن و رسيدن به خواص مطلوب به داخل کوره اي مي روند که در اين کوره ابتدا آب دوغاب خشک شده،سپس واکنش هاي مربوط به زنيترينگ انجام مي شود. البته لازم به توضيح است که در فرآيند تر معمولاً مواد خردايش يافته در تانکرهايي آب خور شده و کلاً خواص دوغاب پيش از مرحله ي پخت معين مي گردد. در روش خشک مواد پس از خردايش و آسياب ابتدا پيشگرم شده،سپس به داخل کوره رفته که طول کوره ي پخت کلينکر در اين روش معمولاً بسيارکوتاه تر از حالت تر مي باشد. علت اين کوتاهي اين است که در روش خشک نياز به خشک کردن مواد خردايش يافته نيست. توضيحات داده شده دربالا توضيحات مختصري در مورد فرآيند توليد سيمان بود. در قسمت هاي بعدي در مورد فرآيند توليد سيمان به صورت جزئي تر صحبت مي کنيم. 2. 2. سير تحول کوره ي پخت کلينکر کوره هاي استوانه اي عمودي (shaft kiln) که به صورت تناوبي کار مي کردند اولين تجهيزات مورد استفاده در فرآيند پخت سيمان محسوب مي شدند. اولين قدم در راه توليد پيوسته سيمان با به کارگيري کوره ي حلقوي هافمن (Hoffmann Annular Kiln) برداشته شد. واژه کلينکر سيمان نيز در اين زمان يعني هنگامي متداول گرديد که تغذيه ي کوره هاي حلقوي به وسيله مواد خامي صورت مي پذيرفت که شکل قطعات آجر (خشت) در مي آمدند و مشابه با پخت آجر در کوره هاي آجرپزي عمل پخت آنها صورت مي گرفت. کوره هاي چرخنده پخت سيمان (Rotary Cement Kilns) به دوره اي باز مي گردند که امتيازشان توسط فردريک رانسوم در سال هاي 1885/1886 به ثبت رسيد. پخت آزمايشي سيمان در کوره هاي گردنده در آلمان از سال 1897 آغاز شد و توليد صنعتي کلينکر سيمان دو سال بعد آغاز گرديد. اولين کوره ي داراي پيش گرمکن مشبک (preheater) در سال 1929 و اولين کوره داراي پيش گرمکن سيکلوني (cyclonepreheater) در سال 1950 وارد چرخه ي توليد سيمان درآلمان شدند. 3. 2. سير تحول وسايل خردايش در کارخانجات سيمان در گذشته سنگ شکنهاي فکي (Jaw crushers) جهت خردکردن اوليه ي مواد خام و کلينکر،غلتکهاي خردکنده (Grinding Rolls) براي ريزکردن مواد خام خردشده در مرحله اول و نهايتاً تجهيزات آسياب سنگي (Millstone Arrangements) که از دو قطعه سنگ آسياب با قطرهاي 105- 0.8 متر واقع بر روي يکديگر تشکيل مي شد، جهت پودرکردن مواد خام مورد استفاده قرار مي گرفتند. خوراک آسياب از طريق بازشويي واقع در مرکز سنگ فوقاني به فضاي بين سنگ ساکن فوقاني و سنگ متحرک تحتاني که توسط يک شفت محوري مي چرخيد به آسياب وارد و خرد مي گرديد. هدف اوليه توسعه ي روشهاي آسياب کردن بر محور توليد پودرهاي نرم تر و بالا بردن توان عملياتي تجهيزات متمرکز بود. مطابق با استاندارهاي موجود نرمي سيمان بايد به اندازه اي مي بود که درحين الک کردن با الکي با چشمه هايي به قطر 0.2 ميلي متر، مقدار باقيمانده ي روي الک از حداکثر 20% کمتر باشد. اين امر موجب شد تا تجهيزات آسياب با تجهيزات سردکننده که ازجمله معايب آنها استهلاک بيش از حد و بازده پايين آنها بود،تواماً به کار گرفته شد که در اين راه ظهور سيستم هاي جداکننده ي مکانيکي عمل کننده به کمک هوا در سال 1889 پيشرفت مهمي محسوب مي شد . از جمله تجهيزاتي که بعدها جهت آسياب کردن مواد مورد استفاده قرار گرفتند مي توان به آسياب هاي لبه اي (Edge Mill)، که براي آسياب کردن مواد خام درحالت تر به کار مي رفت،انواع مختلف آسياب گلوله اي (Ball Mill) و آسياب گريفين (Griffinmill) که در آمريکا طراحي شده بود، اشاره کرد. در آسياب نوع گريفين آونگي وجود داشت که سر آن به شکل يک غلتک خردکننده طراحي شده بود و در طول رينگي فولادي مي چرخيد که در اين حالت عمل آسياب کردن با نيروي گريز از مرکز ناشي از چرخش آونگ انجام مي شد. دستيابي به پودرهاي نرم تر با توان عملياتي قابل قبول در واقع با استفاده از آسياب لوله اي (tube mill) در صنعت سيمان آلمان و در سال 1892 ممکن گرديد. آسيابهاي لوله اي اوليه آسيابهاي تک محفظه اي (mill single chamber) بودند که قطرآنها 102 متر و طول آنها بين 6-5 متر و ظرفيت توليد آنها بالغ بر3 تن سيمان در ساعت بود. سيمان خروجي از اين نوع آسياب از چنان نرمي برخوردار بود که پس از الک کردن آن با الک به قطر 0.09 ميلي متر مقدار باقيمانده بر روي آن در حدود 15 درصد مي شد. ضمن اين که توان برق مصرفي آنها نيز حدوداً 20 کيلو وات ساعت بر واحد زمان [kwh A] بود. از سال 1920 انواع مختلف آسيابهاي لوله اي جايگزين ساير آسيابها جهت آسياب کردن مواد خام و سيمان گرديدند.
3. مواد اوليه در توليد سيمان مواد اوليه سيمان از ترکيبات مختلفي مانند کربنات ها، آلومينا سيليکات ها،اکسيد آهن و آلومينيوم تشکيل مي شود. البته سه جزء کربنات ها،آلوميناسيليکات ها و اکسيد آهن در تشکيل کلينکر ازاهميت خاصي برخوردارند. البته اجزاي ديگري هم به مواد اوليه اضافه مي شود که اين مواد اضافه شده نقش تسهيل کننده را بر عهده دارند. اين مواد بر روي شرايط کوره، پيش گرم کن و شرايط پخت تأثير مي گذارند. مهمترين مواد اوليه مورد استفاده در صنعت سيمان ترکيبات آهک است. مواد آهکي که در صنعت سيمان استفاده مي شود مينرالهاي حاوي کربنات کلسيم است که در بين اين مينرالها سنگ آهک مهمترين نوع مينرال است که در صنعت سيمان استفاده مي شود. و علاوه بر آن مواد آهکي مثل سنگ گچ، مارل، مواد آهکي و شنهاي دريايي و سنگهاي مرمريتي نيز استفاده مي شود. که اين سنگ هاي از نظر ترکيب شيميايي از کربنات کلسيم تشکيل شده است. و شکل اين مينرال ها کلسيت و آرگونيت حاوي مقادير متفاوتي ناخالصي از جمله کوارتز يا سيليس، خاک رس، فسفات، پريت (Fe S2)، ستريت (Fe CO3)، ژئوتيت (Fe oH)، رونوميت 2(CaMg (CO3، مگنيت، گچ (CaSo4. 2H2o)، فلوريت (CaF2) و... مي باشد. سنگي آهک در کاخانه هاي سيمان بر مبناي منشأ تشکيل و انواع ناخالصي هاي موجود درآن طبقه بندي مي شود. چون منشأ تشکيل سنگ بر روي مينرالهاي موجود، درجه ي بلور شدن،اندازه ذرات، قدرت سيماني شدن، ميزان فشردگي و ناخالصي هاي موجود در سنگ تأثير داشته و همچنين تأثيرات عمده اي روي خواص فيزيکومکانکي، ميزان تجزيه پذيري، قدرت ترکيب سنگ با سايراجزاي سيمان، دارد. که اين خواص از اهميت خاصي بر روي فعاليت، واکنش پذيري و ميزان ترکيب پذيري ماده اوليه، درجه خردشوندگي و همچنين تأثيرات آن روي آسيابهاي سيمان دارد. آسياب نشدن کامل مواد اوليه موجب واکشن ناقص اجزا شده که اين مسأله باعث تخريب بتن به خاطر تشکيل و وجود مواد ناخاسته در بتن مي گردد. 1. 3. مواد افزودني، مواد تسهيل کننده ي ترکيبات مورد استفاده در کارخانجات سيمان اين مواد عبارت اند از: سنگ معدن هاي طبيعي و يا زباله هاي صنعتي که براي تصفيه ترکيبات موجود براي توليد انواع سيمان مورد استفاده قرار مي گيرد. افزايش اين مواد به سيمان چه قبل از ورود مواد اوليه به کوره،و چه بعد از تشکيل کلينکر و درحين آسياب شدن به سيمان،مي تواند تأثيرات متفاوتي در خواص بعدي سيمان داشته باشد. از جمله ي اين مواد عبارت اند از:ترکيبات آلومينيوم سيليکات که در سنگ معدنهاي مختلف درصد سيليس و با آلومين متفاوت است. از جمله سنگهاي غني از سيليس مثل ماسه سنگ، فلينت، دياتوميت و سنگهاي کوارتريتي و همچنين سنگهاي آلومينا سيليکاتي (خاک رس، شيل و...) است که درصد تخلخل سنگ ها متفاوت است که دو نوع اول از نوع سنگهاي نرم مي باشد و شيل از نوع سنگهاي رسوبي مي باشد. در اين سنگها علاوه بر ترکيبات آلومينا سيليکات ترکيبات ديگري از جمله سيليس آزاد، منيزيت، قليايي ها و گوگرد نيز وجود دارد. براي توليد سيمان سفيد از افزودني کائولن سفيد با درصد آلوميناي بالا استفاده مي شود. بوکسيت يکي از انواع رسهاست که ترکيب شيميايي آن داراي مقاديرمتفاوتي هيدروکسيد آلومينيوم است و همچنين مقادير متفاوتي مينرالهاي مختلف هيدراته ي آهن وجود دارد در صورتي که سنگ غني ازآلومينيوم باشد مينرالهاي موجود در آن را بوهميتا (Al2O3. 3H2O - لا) و يا دياسپور (Al2O3. H2O-×) و گپسيت (Al2O3. 3H2O) تشکيل مي دهد. که در توليد سيمان استفاده مي شود به عنوان مواد تسهيل کننده ترکيبات از سنگ معدنهاي غني از اورانيوم استفاده مي گردد. ميزان استفاده از ترکيبات آلومينايي بين 5-10 درصد در کارخانه سيمان متغيراست و در صورتي که ازسنگ آهک خالص استفاده شود اين مقدار تا 25 درصد مي تواند افزايش يابد. علاوه براين ترکيبات مواد ديگري هم استفاده مي شود که عبارت است از: خاکستر آتش فشاني، باقي مانده سوختهاي زغال سنگ در نيروگاه ها،سرباره ذوب آهن و ضايعات کارخانه کاغذسازي. علاوه بر ترکيبات شيميايي که لازم است با هم، هم خواني داشته باشند، مواد افزودني و مواد تسهيل کننده نيز بايد با هم، هم خواني داشته باشند. 4. فرآيند توليد سيمان 1. 4. خردايش مواد خام معمولاً خردايش مواد اوليه توسط ماشينهاي مختلف صورت مي گيرد. که در اين قسمت سنگ شکن ها و آسياب ها قرار گرفته اند. سنگ شکنهاي مورد استفاده در صنعت سيمان عبارتند از: 1) سنگ شکن فکي 2) سنگ شکن مخروطي 3) سنگ شکن نوردي مکانيزم سنگ شکن هاي بالا براساس اعمال فشار بر روي مواد اوليه است. که علاوه براين نوع سنگ شکن ها سنگ شکن هايي وجود دارند که اساس کارآنها ضربه است. اين نوع سنگ شکن ها عبارتند از: 1) سنگ شکن ضربه اي 2) سنگ شکن چکشي از لحاظ بازده،بازده سنگ شکن چکشي از سه نوع فکي، مخروطي و نوردي بيشتر است. امروزه نيز به خاطر همين مسئله استفاده از اين نوع سنگ شکن در کارخانجات سيمان متداول گشته است. اين نوع سنگ شکن بسيارعظيم الجثه است. و داراي چکش هاي بسيار بزرگ است. آسياب هاي مورد استفاده در کارخانجات سيمان دو نوع اند: 1) آسياب هاي گلوله اي 2) آسياب هاي لوله اي اين آسياب ها همچنين براساس مسير پيمايش ماده نيز تقسيم بندي مي شوند که براين اساس به دو نوع سيستم تقسيم مي شوند: 1) سيستم باز 2) سيستم بسته در مسير باز مواد فقط يک بار عبور مي کند اما در مسير بسته مواد پس از آسياب شدن و خردشدن از الکهاي با مش معين عبور کرده و موادي که بر روي الک باقي مي مانند دوباره به سنگ شکن باز مي گردد. البته اکثر آسياب ها معمولاً داراي سيستم بسته هستند. البته آسياب ها را براساس خواص ديگر آنها نيز طبقه بندي مي کنند مثلاً براساس حالت مواد مورد خردايش قرار گرفته ولي با توجه به تحولات انجام شده در صنعت سيمان دنيا و تغيير روش ها از روش تر به روش خشک،اين تقسيم بندي ها و طبقه بندي ها منسوخ گشته است.
2. 4 خشک کردن مواد اوليه مواد اوليه معمولاً داراي رطوبت هستند اين رطوبت در برخي موارد به 10 تا 12 درصد نيز مي رسد. براي داشتن شرايط بهينه درآسياب کردن و فرآيند پيش گرم کردن مواد اوليه در سيکلون ها بايد مواد اوليه رطوبت زيادي نداشته باشند از اين رو مواد اوليه خشک مي گردند. براي خشک کردن مواد اوليه معمولاً از روشهاي مختلفي استفاده مي شود. براساس نحوه ي حرکت مواد اوليه و جريان هوا اين تقسيم بندي به صورت زير است: 1) خشک کن داراي جريان متقابل 2) خشک کن داراي جريان موازي 1. 2. 4. خشک کن داراي جريان متقابل اساس کارکليه ي خشک کن ها بر مبناي برخورد مستقيم يا غير مستقيم مواد با يک سيال گرم است که در طي اين برخورد انتقال حرارت مابين سيال و مواد اوليه صورت مي گيرد. در خشک کن هاي جريان متقابل، حرکت سيال و مواد اوليه درخلاف جهت همديگر است. در اين خشک کن از محلي که مواد اوليه خارج مي گردد،هواي داغ وارد مي گردد. مسأله ي مهم در اين خشک کن ها تنظيم دماي مواد اوليه است. بايد توجه داشت که دماي مواد اوليه از مقدار معيني بالاتر نرود زيرا اين امر موجب تجزيه ي گرمايي کلسيم کربنات مي شود. 2. 2. 4. خشک کن داراي جريان موازي اساس کاراين نوع خشک کن شبيه خشک کن با جريان متقابل است با اين تفاوت که جهت حرکت هوا نسبت به جهت حرکت مواد اوليه يکسان است. در اين نوع خشک کن از محلي که مواد اوليه خارج مي گردد،هوا نيز خارج مي گردد. 3. 2. 4.مقايسه ي خشک کن داراي جريان موازي با نوع داراي جريان متقابل توانايي خشک کن با جريان متقابل کمتر از توانايي خشک کن هاي با جريان موازي است. همچنين احتمال کلوخه شدن مواد اوليه درانتهاي خشک کن جريان متقابل به دليل افزايش ناگهاني دماي مواد اوليه در انتهاي خروجي مواد، وجود دارد. در کل در صنايع سيمان بيشتر از خشک کن با جريان متقابل استفاده مي کنند. 3. 4. پيش گرم کردن مواد پيش از ورود مواد مهيا شده (آسياب شده) به داخل کوره ي پخت کلينکر،اين مواد بايد پيشگرم شوند. مزيت پيش گرم شدن مواد اين است که بازده کوره پخت کلينکر افزايش مي يابد و در ضمن طول کوره نيز کاهش مي يابد. اين مسائل موجب کاهش هزينه ي نگهداري و هزينه ي اوليه ي احداث کارخانه مي گردد و براي ما مفيد مي باشد عمل پيش گرم شدن مواد در سيکلون ها اتفاق مي افتد. سيکلون ها ساختاري است استوانه اي که انتهاي پاييني آن تنگ مي گردد. و اساس کار اين وسيله بدين صورت است که با حرکت مواد و هواي داغ (سيال داغ) از داخل اين وسيله،دماي مواد افزايش مي يابد. براي افزايش بازده سيکلون،طراحي به گونه اي است که مواد اوليه در داخل سيکلون به صورت مارپيچ (مترگونه) حرکت مي کنند. (مواد اوليه از بالا به پايين مي آيند). سيال نيز که عمدتاً يک هواي گرم شده است از بخش پاييني سيکلون وارد مي گردد. شکل خاص سيکلون و وجود پره هايي در داخل سيکلون باعث مي شود که جريان هواي وارده به شکل گردابي (چرخشي) در آمده. که اين حرکت گردابي به مواد اوليه يک نيروي گريز از مرکز وارد مي کند و باعث تجمع ذرات درشت در يک محل خاصي مي شود. با تجمع ذرات در کنار هم اين ذرات به هم چسبيده (سنگين مي شوند) و از سيکلون خارج مي گردند. جريان هوايي که از پايين وارد پيش گرم کن مي شود ذرات را به دو قسمت تقسيم مي کند. يکي از تقسيم بندي ها ذراتي هستند که نيروي اصطکاک آنها با هوا بيشتر از نيروي وزن آنهاست. که اين غلبه ي نيروي اصطکاک بر نيروي وزن باعث حرکت آنها به سمت بالاي سيکلون مي شود. و تقسيم بندي دوم ذرات درشت است که به پايين حرکت مي کنند پس در هر سيکلون از بالا به پايين ذرات درشت تر مي شوند. معمولاً در کارخانجات سيمان بخش پيش گرم کن از 4 يا 5 سيکلون تشکيل شده است. که دماي ورودي به اين سيکلونها در حدود 1100 درجه سانتيگراد و هواي خروجي در حدود 330 درجه سانتيگراد است. ورود هوا بسيار گرم اين مطلب را متذکر مي شود که سيکلون ها در تماس با هواي 1100 درجه سانتيگراد را بايد با آجر نسوز عايق کاري کنيم. با حرکت خوراک اوليه در طي اين سيکلون ها، دماي خوراک به حدود 800 درجه سانتيگراد مي رسد. ضمناً خوراک با طي سيکلون ها در زمان 25 ثانيه به انتها مي رسند. ذرات بسيار ريز از بالاي سيکلون ها خارج گشته (بوسيله ي جريان هوا) وارد فيلترها مي شود. اين فيلترها از دو نوع فيلترهاي کيسه اي (بگ فيلتر) يا الکتروفيلتر هستند. در فيلترهاي کيسه اي جريان هوا وارد يک کيسه مي شود که در درون اين کيسه ذرات مواد باقي مانده و جريان هوا تصفيه مي گردد. در الکتروفيلتر نيز اعمال يک ميدان الکتريکي باعث جذب بار ذرات گشته و ذرات نهايتاً تجمع يافته و براساس افزايش وزن آنها،ذرات به پايين الکتروفيلتر مي ريزند. در کارخانجاتي که مي خواهند عمل فيلتراسيون هوا به شکلي کامل تر انجام شود،از دو نوع اين فيلترها به صورت سري استفاده مي کنند. 4. 4. کوره ي پخت کلينکر در کارخانجات توليد سيمان بيشترين هزينه مربوط به کوره است. حداکثر ظرفيت کوره بستگي به قطر کوره، ميزان چرخش کوره و شيب کوره دارد. بنابراينکه توليد کارخانه چه مقداري است و نياز به کلينکر در کارخانه چه مقدار است،سرعت چرخش کوره تغيير مي کند. هر چه سرعت کوره بيشتر شود مقدار کلينکر خروجي بيشتر مي شود. اين کوره داراي يک شيب ملايم است که هر چه اين شيب کمتر باشد ميزان انباشتگي مواد بيشتر مي شود. هرچه قطر کوره نيز بيشتر باشد،ميزان انباشتگي مواد بيشتر مي شود ولي بايد به اين نکته توجه کرد که تشکيل فازهاي مناسب در داخل کوره نيازمند انتقال گرماي معيني از سطح توده ي مواد داخل کوره به عمق آن است بنابراين توجه به تنظيم مشعل کوره و ميزان انباشتگي مواد اوليه امري حياتي است و بر روي خواص کلينکر توليدي اثر مي گذارد. 1. 4. 4. نحوه ي چينش آجرها در کوره ي پخت کلينکر نحوه ي چينش آجرها بدين نحو است که در ابتداي کوره و درجايي که مواد از پيش گرم کن وارد کوره مي شوند از بتن هاي آلومينايي که بيش از 90 درصد آلومينا دارند استفاده مي شود. علت استفاده از اين بتن ها اين است که اين بخش از کوره داراي سايش بسيار بالايي است. در واقع خوراک کوره اگرچه ريز هستند ولي به خاطر اينکه ترکيب شيميايي و مينرالي آنها از مواد اکسيدي با سختي بالاست،سايش شان بسيار زياد است. اين بخش هاي کوره عمدتاً پس از مدتي ترميم مي گردند. طول کوره ها 75 متر است که نحوه ي چينش آجرهاي آن از ابتدا (محل ورود مواد) تا انتها (محل خروج کلينکر) به صورت زير است: 1) در سه متر اوليه آجرهاي شاموتي که 70 درصد آلومينا دارند . 2) در 25 متر بعدي آجرهاي منيزيتي که 80 درصد آنها منيزيا است. 3) در 21 متر بعدي آجرهاي شاموتي با 70 درصد آلومينا . 4) در 26 متر آخر آجرهاي آلومينايي استفاده مي شود. 2. 4. 4. سوخت کوره ي پخت کلينکر جهت پخت کلينکر سيمان در کوره از سوختهاي زغال سنگ، گازوئيل، مازوت و گازطبيعي استفاده مي شود. از سوختهاي ضايعاتي (Waste Fuels) مختلف نيز مي توان به جاي سوختهاي استاندارد استفاده کرد که اين سوختها به عنوان سوختهاي جايگزين شناخته مي شوند. از جمله سوختهاي جايگزين مي توان به لاستيک هاي مستعمل اتومبيل ها، لجن اسيدي (Acid Sludge) که در طول فرآيند عمل آوري نفت خام حاصل مي شود. گل رس سفيدکاري. (Bleachinhg clay) که ازجمله ضايعاتي است که درحين استخراج روغن و گريس توليد مي شود،روغنهاي دورريز و نيز زباله و ضايعات مواد مورد استفاده انسانها اشاره کرد. مقدار کالري توليدي توسط زغال سنگ با افزايش رطوبت و خاکستر آن کاهش يافته و درمورد گازطبيعي نيز ازمقدار کالري توليد شده با افزايش بخش نيتروژن يا co2 کاسته مي شود. معمولاً براي هر 150 کيلوگرم مواد خام اوليه، 20 کيلوگرم سوخت لازم است. البته توجه به خلوص سوخت مصرفي نيز مسأله اي حياتي است. انتخاب سوخت براي فرآيند پخت کلينکر يک مسأله ي مهم است.اين مسأله با توجه به اقليم و موقعيت کشور انتخاب مي شود. در کشور ما نيز با توجه به وجود منابع عظيم گازطبيعي بهترين گزينه گازطبيعي است. مزاياي گازطبيعي علاوه بر هزينه ي کم براي کارخانجات داخلي،آلودگي کمتر نيز هست. ضمناً با استفاده از گازطبيعي احتمال ورود ناخالصي به خوراک کوره از سوخت هاي جايگزين وجود ندارد. اين مسأله بر روي خوردگي ديرگدازهاي کوره و کنترل فرآيند پخت کلينکر تأثير بسزايي دارد. و از ديدگاه بنده خوردگي ديرگدازها را کاهش داده و کنترل وضعيت فرايند پخت کلينکر را نيز آسان تر مي کند. 3. 4. 4. کوتينگ در کوره عوامل مختلف درتشکيل لايه در کوره ي پخت کلينکر تأثير مي گذارد. مثلاً يکي از اين عوامل ميزان ويسکوزيته ي فاز شيشه اي است. اگر کوتينگ تا حدود 20 سانتيمتر رشد داشته باشد مفيد است و به صورت يک لايه ي محافظ عمل کرده و از خوردگي آجرهاي نسوز جلوگيري مي کند. اگر ضخامت اين کوتينگ از 20 سانتيمتر بيشتر شود به آن حلقه (رينگ) مي گويند که اين رينگ مخرب بوده و احتمال اين وجود دارد که رشد آن بيشتر شود و باعث بسته شدن بخشي از کوره بگردد. اين بسته شدن مي تواند حتي باعث انفجار کوره گردد. وظايف کوتينگ در کوره: 1) حفاظت آجر نسوز در مقابل حرارت 2) حفاظت از آستر نسوز درمقابل حمله ي شيميايي ترکيبات کلينکر 3) بهبود يکنواختي کلينکر (فاز شيشه اي بوجود آمده بر روي سطح کلينکر مي نشيند و سطح کلنيکر را غير يکنواخت مي کند. با حرکت کلينکر بر روي کوتينگ،سطح کلينکر کاملاً گرد و يکنواخت مي شود.) 4) کاهش تشعشع حرارتي 5) حفاظت از بدنه کوره کلنيکرتوليدي از انتهاي ديگر کوره خارج شده و به سرعت سرد مي شود اين سريع سردکردن بر خواص گيرش سيمان توليدي اثر مي گذارد. سپس کلينکر آسياب مي شود و به صورت يک پودر نرم درمي آيد. پودر حاصله بوسيله ي مواد افزوني معين مخلوط مي شود و به سمت مراکز مصرف فرستاده مي شود. منبع راسخون
کاربرد سرامیک در روغن موتور تکنولوژی متالوسرامیک برای نخستین بار توسط دانشمندان هوا فضای شوروی سابق به جهانیان معرفی شد. این تکنولوژی پس از فروپاشی شوروی وارد دنیای صنعت و به خصوص صنعت خودروسازی شد. مبنای این تکنولوژی کاهش اصطکاک و استهلاک در راستای بالا بردن راندمان مکانیکی دستگاه های صنعتی و جلوگیری از اتلاف نیرو است. ولی چگونه؟ بیایید سری به درون موتور یک اتومبیل بزنیم. همه ما می دانیم که دیواره سیلندرها با رینگ های کمپرسی پیستون به شدت در تماس است. این تماس، اصطکاک زیادی را به وجود می آورد که با کاهش راندمان مکانیکی موتور همراه است. ولی از طرفی اگر این اصطکاک وجود نداشته باشد تراکم یا کمپرسی محفظه احتراق از قسمت دیواره سیلندر فرار خواهد کرد. بدیهی است که این امر موجب کاهش شدیدتر راندمان حجمی و حتی خاموش شدن موتور خواهد شد. پس چاره چیست؟ بیایید اندکی دقیقتر شویم. در محیط مادی هر گونه حرکتی با اصطکاک همراه است. اصطکاک نه تنها در دیواره سیلندرها که در لابه لای چرخ دنده های گیربکس و دیفرانسیل، در قسمت تماس میل بادامک و سوپاپ و در بسیاری از قسمتهای موتور دیده می شود. حال این سؤال مطرح می شود که آیا می توان اصطکاک موجود در سیلندرها و سایر قسمتها را بدون از دست دادن تراکم موتور از بین برد؟ آیا می توان بدون لق کردن چرخ دنده ها، اصطکاک موجود در بین آنها را به حداقل رساند؟ این جاست که متالو سرامیک وارد میدان می شود! چندی بیش کمپانی یاماها در یکی از مدل های خود برای ساخت سیلندرهای موتور بجای چدن از سرامیک استفاده کرد. نتیجه کار به طرز حیرت انگیزی رضایت بخش بود. ولی سرامیک ماده ای بسیار گرانبها است و فراگیر شدن آن نیاز به گذر زمان و ارایه روشهای جدید برای تولید ارزانتر دارد. Ceramic Coating عبارت است از تکنولوژی روکش کردن فلزات با لایه ای نازک از سرامیک مخصوص. تاکنون در بسیاری از موارد دیده شده که فلزات و سطوحی که در حال کارکرد اصطکاک زیادی را باعث می شوند، با لایه ای از سرامیک پوشیده شده اند. ولی این روش را نمی توان با متالو سرامیک یکسان دانست. زیرا ۱) این لایه سرامیکی بسیار گران قیمت است. ۲) برای این کار باید موتور یا دستگاه مورد نظر را متوقف کرده، قطعات آن را از هم باز کرد و پس از انجام عملیات پوشش با سرامیک دوباره آن را مونتاژ کرد. شاید این عمل در مورد اتومبیل کار ساده ای باشد ولی در مورد دستگاه های غول پیکر صنعتی فرآیند پیچیده تری دارد. باز و بسته کردن یک دستگاه غول پیکر که به عنوان مثال در خط تولید یک اتومبیل فعال است دست کم به۳ یا۴ روز زمان نیاز دارد که این کار برابر است با خواباندن یا shut down خط تولید و خلاصه هزاران و حتی میلیونها دلار ضرر مالی. ۳) لایه سرامیکی کمی ترد و شکننده است و تنش های وارد برقطعات ممکن است باعث خرد شدن این لایه شود. ولی در متالو سرامیک قضیه اندکی متفاوت است. برای درک این موضوع باید سری به دنیای نوظهور نانو تکنولوژی بزنیم.یک روغن موتور بسیار مرغوب مانند API SL یا SM را در نظر بگیرید که درون آن با ذرات بسیار ریز سرامیک اشباع شده است. این ذرات با قطر نانو بقدری ریز هستند که قادرند از هر نوع فیلتری عبور کنند. وقتی روغن در قسمتهای مختلف موتور سیر می کند این ذرات را همراه خود به آن قسمتها می برد. اگر بر روی یک کاغذ یا یک دیوار صاف دست بکشید تصور خواهید کرد که کاملاً صاف است. در صورتی که اگر با میکروسکوپ به آن بنگرید تعداد زیادی پستی و بلندی مشاهده خواهید کرد. دیواره سیلندر نیز چنین وضعیتی دارد. یعنی در نگاه اول بقدری صیقلی و صاف است که همانند آینه تصاویر را انعکاس می دهد، ولی این سطح نیز پر است از نقاط برجسته و فرو رفته. دمای قسمت نوک تیز این برآمدگی ها گاه به۱۰۰۰ درجه سانتیگراد می رسد. اگر چه دمای کارکرد روغن ممکن است بین۹۰ تا۱۵۰ درجه سانتیگراد باشد ولی اگر بخواهیم به صورت نقطه ای به این مسئله نگاه کنیم، همین نقطه های کوچک به مرور باعث خراب شدن روغن می شوند. متالو سرامیک در اینجا عرض اندام می کند. ذرات سرامیکی معلق در روغن زمانی فعال می شوند که در یک نقطه سایش و دمای زیادی وجود داشته باشد. این ذرات پس از رسیدن به این نقاط، با دریافت دمای موجود در این نقاط به صورت اتم به اتم به این پستی و بلندی ها پیوند می خورند و مانند بتونه پستی و بلندی ها را پر می کنند. تفاوت لایه متالو سرامیک با لایه سرامیک معمولی در این است که سرامیک معمولی مانند رنگ روی سطوح کشیده می شود، در صورتی که ذرات متالو سرامیک در ابعاد نانو با مولکولهای فلز پیوند می خورند و تقریباً مادام العمر بر روی سطوح باقی می مانند. از طرفی سرامیک معمولی با اینکه از سختی بالایی برخوردار است در عین حال شکننده است و این همان نقطه قوت متالو سرامیک است، چرا که سختی متالو سرامیک۱۰ برابر فولاد و اصطکاک آن۶ برابر کمتر از آینه است. به بیانی ساده تر در صورت استفاده از این تکنولوژی تمامی سطوح موتور که روی یکدیگر ساییده می شوند با لایه ای بسیار نازک، کاملاًَ مستحکم و صاف پوشیده می شوند. در کل، این امر موجبات پر شدن خطوط میکروسکوپی سیلندر و افزایش کمپرس موتور را فراهم می کند. در ضمن براثر از بین رفتن اصطکاک بین سیلندر و پیستون راندمان مکانیکی موتور افزایش می یابد. در این حالت موتور راحت تر کارکرده و سریعتر دور بر می دارد، صداها و لرزش اضافی موتور به حداقل می رسد، سایش قطعاتی مانند میل بادامک و رینگ پیستون ها و مهمتر از همه مصرف سوخت موتور از۱۰ تا۲۵ درصد (بسته به شرایط کارکرد موتور) کاهش می یابد. یکی دیگر از ویژگی های این دستاورد تعمیر موتور بدون نیاز به باز کردن قطعات است. در مواقعی مانند خط افتادگی بر روی دیواره سیلندر باید موتور را باز کرده و با تراش دادن دیواره سیلندر و استفاده از رینگ پیستون بزرگتر این مشکل را برطرف کرد که این امر با اتلاف وقت و هزینه همراه است. در صورتی که از این تکنولوژی استفاده شود می توان بدون باز کردن موتور و فقط با افزودن این ماده به روغن موتور شرایط موتور را به حالت عادی باز گرداند.
از سراميک هاي پيزوالکتريک چه مي دانيد؟ خلاصه: در اين مقاله بصورت خلاصه در مورد آناليز و خواص سراميک هاي پيزوالکتريک توضيح مي دهيم. تمرکز ما بر روي سراميک هاي پلي کريستال است، بنابراين سراميک هاي تک کريستال، مواد پليمري، کامپوزيت هاي آلي / غيرآلي (organic / inorganic composites) جزء اهداف مورد بررسي در اين مقاله نمي باشد. براي فهميدن کامل رفتار سراميک هاي پلي کريستال پيزوالکتريک، مطالعه ي اطلاعات پايه در زمينه ي سراميک ها ضروري مي باشد. براي همين مسأله ما مقدمه اي کوتاه در مورد تاريخچه ي پيزوالکتريسيته و مباحث مربوط به کارهاي انجام شده بر روي سراميک ها و پيشرفت هاي مربوط به رابطه ي ساختار و رفتار مواد پيزوالکتريک به شما ارائه مي دهيم. ما کوشش مي کنيم ما متداول ترين روش هاي اندازه گيري را به خوبي توضيح دهيم و پارامترهاي موثر به خواص پيزوالکتريک ها را توضيح مي دهيم. براي بدست آوردن اطلاعات بيشتر به منابع موجود در پايان مقاله مراجعه کنيد. براي توضيح بهتر، ما از مثال (PZT) lead zirconate titanate استفاده مي کنيم. زيرا اين سراميک بيشترين استفاده را داشته و مطالعات زيادي بر روي آن صورت گرفته است. مواد پيزوالکتريک تاريخچه و کارهاي انجام شده در اين زمينه مواد هوشمند، موادي هستند که متحمل فعل و انفعالات فيزيکي مي شوند. يک تعريف معادل ديگر از مواد هوشمند اين است که اين مواد،موادي هستند که تغييرات محيطي را دريافت کرده و با استفاده از بازخوردهاي سيستم، اين تغييرات را حذف يا تصحيح مي کنند. مواد پيزوالکتريک، آلياژهاي حافظه دار (shape-memory alloys)، مواد الکتروستريک (materials electrostrictive)، مواد تغيير شکل دهنده در اثر مغناطيس (magnetrostrictivematerials)، مايع هاي با خواص الکترورئولوژي (electrorheological fluids)، نمونه هايي از مواد هوشمند متداول هستند. تعريف و تاريخچه پيزوالکتريسيته يک متغير خطي است که به ساختار ميکروسکوپي جامدات مربوط مي شود. برخي از سراميک ها هنگامي که تحت تأثير فشار قرار گيرند پلاريزه مي شوند. اين پديده ي خطي و آشکار به عنوان اثر پيزوالکتريک مستقيم (The direct Piezoelectric effect) نسبت داده مي شود. اثر پيزوالکتريک مستقيم هميشه با اثر پيزوالکتريک معکوس، همراه است. که اين اثر پيزوالکتريک معکوس زماني اتفاق مي افتد که يک قطعه ي پيزوالکتريک در يک ميدان الکتريکي قرار گيرد. نواحي ميکروسکوپ بوجود آمده در اثر پيزوالکتريسيته باعث جابجا شدن بارهاي يوني در داخل ساختار کريستالي مي شود. در غياب نيروهاي فشاري خارجي، اين بارها در داخل کريستال توزيع شده و ممنتم دي پل ها همديگر را خنثي مي کنند. به هرحال، هنگامي که يک تنش خارجي بر قطعه ي پيزوالکتريک وارد شود، بارها به گونه اي جابجا گشته که تقارن دي پل ها از ميان مي رود. بر اين اساس يک شبکه ي پلاريزه ايجاد شده و نتيجه ي آن ايجاد يک ميدان الکتريکي است. ماده اي مي تواند از خود خواص پيزوالکتريک ارائه دهد که سلول واحد آن هيچگونه مرکز تعادلي نداشته باشد. خاصيت پيزوالکتريسيته به گروهي از مواد تعلق دارد که در سال 1880 به وسيله پيروژاکوپ کوري در طي مطالعات آنها بر روي آثار فشار بر روي توليد بار الکتريکي در کريستال هاي کوارتز، کهربا و نمک راچل (Rochelle salt)، کشف شد. در سال 1881 واژه ي Piezoelectricity توسط w.Hankel براي اولين بار براي نامگذاري اين اثرات پيشنهاد شد. البته اثر معکوس اين خاصيت توسط Lipmann از قوانين ترموديناميک استنباط شد. در سه دهه ي بعد، همکاري هاي فراواني در انجمن هاي علمي اروپا در زمينه ي پيزو الکتريسيته انجام شد واژه ي ميدان پيزو الکتريسيته بوسيله آنها استفاده شد. البته کارهاي انجام شده بر روي رابطه ي ميان الکترومکانيکي مختلط با کريستال هاي پيزوالکتريک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت يک مرجع استاندارد است. به هرحال پيچيدگي علم مربوط به مواد پيزوالکتريک باعث شد که کاربردهاي اين مواد تا چند سال قبل رشد پيدا نکند. لانگوين ات آل در طي جنگ جهاني اول مبدل التراسونيک پيزو الکتريکي ساخت. موفقيت او باعث ايجاد موقعيت هاي استفاده از مواد پيزوالکتريک در کاربردهاي زير آبي شد. در سال 1935، Scherrer , Busch خاصيت پيزوالکتريک پتاسيم دي هيدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند. خانواده ي پيزوالکتريک هاي پتاسيم دي هيدروژن فسفات اولين خانواده ي عمده از مواد پيزوالکتريک و فرو الکتريک بود که کشف شده بود. در طي جنگ جهاني دوم، تحقيقات در زمينه ي مواد پيزوالکتريک بوسيله ي آمريکا، شوروي سابق و ژاپن بسط داده شد. محدوديت هاي ساخت اين مواد از تجاري شدن آنها جلوگيري مي کرد اما اين مسأله نيز پس از کشف باريم تيتانات و سرب زيرکونا تيتانات (PZT) در دهه هاي 1940، 1950 برطرف شد. اين خانواده از مواد خاصيت دي الکتريک و پيزوالکتريک بسيار خوبي داشتند علاوه بر اين خانواده قابليت مناسب شدن و استفاده در کاربردهاي خاص را بواسطه ي دپ کردن آنها با عناصر ديگر، دارند. تا اين تاريخ، PZT يکي از مواد پيزوالکتريک پر کاربرد است. اين نکته قابل توجه است که بيشترين سراميک هاي پيزوالکتريک تجاري در دسترس (مانند باريم تيتانات و PZT) ساختاري شبيه به ساختار پرسکيت (Perovskite) با فرمول CaTiO3 دارند. ساختار پرسکيت (ABD3) ساده ترين آرايش اتمي است که در آن اتم هاي اکسيژن در حالت اکتاهدرال قرار دارند و اتم هاي کوچکتر (Nb, Sn, Zr, Ti و ... ) به صورت آرايش مربعي با اتم هاي اکسيژن پيوند خورده اند اين کاتيون هاي کوچکتر فضاهاي اکتاهدرال مرکزي را اشغال کرده اند (موقعيت هاي B) و کاتيون هاي بزرگتر (Na, Ca, Sr, Ba, Pb و...) در گوشه هاي سلول واحد جاي مي گيرد (موقعيت هاي A )، ترکيباتي مانند KNbO3, NaNbO3, PbZro3, PbTiO3, BaTiO3 مورد مطالعه قرار گرفته و طول و دماي فروالکتريکي آنها و فازهاي غير فروالکتريک شان به صورت وسيع استخراج شده است. اين ساختارها همچنين بوسيله ي اتم هاي مختلف جانشين شده تغيير مي کند. اين جانشيني هاي اتمي اتفاق افتاده موجب توليد ترکيبات پيچيده تري مانند (Pb, Sr) (Zr, Ti) O3 , (Ba, Sr) TiO3 ، (k, Bi) TiO3, Pb(fe, Ta) O3 و ... مي شود. تقريباًٌ در سال 1965 بود که چندين شرکت ژاپني بر روي توليد فرآيندها و کاربردهاي جديد وسايل پيزوالکتريکي، متمرکز شوند. موفقيت تلاش محققين ژاپني موجب شد تا محققين ديگر کشورها نيز به سمت تحقيقات در اين زمينه جذب شوند و امروزه، نيازها و استفاده ها از اين مواد در بسياري از رشته ها از جمله کاربردهاي پزشکي، ارتباطات، کاربردهاي نظامي و صنعت خودرو گسترش يافته است. بررسي تاريخچه ي پيزوالکتريسيته توسط W.G.Cady انجام شده است و در سال 1971 نيز کتابي با عنوان سراميک هاي پيزوالکتريک منتشر شد. که اين کتاب هنوز هم به عنوان يکي از منابع قوي در زمينه ي پيزوالکتريک ها مطرح است. فرآيند توليد سراميک هاي پيزوالکتريک توليد اغلب سراميک هاي پيزوالکتريک توده اي با تهيه ي پودر آنها شروع مي شود. پودر توليدي سپس در اندازه و شکل مورد دلخواه پرس مي شود. شکل خام توليدي خشک و فرآوري گشته و از لحاظ مکانيکي سخت تر و پر دانسيته تر مي شود. مهمترين فرآيندهايي که بر روي خواص و ويژگي هاي محصول توليدي اثر مي گذارند شامل: فرايند توليد پودر، فرآيند خشک کردن پودر و زينترينگ مي شوند. مراحل بعدي انجام شده شامل: ماشين کاري، الکترونيک و قطب دار کردن (Poling) مي شوند (قطب دار کردن يعني: استفاده از يک ميدان DC جريان براي جهت دهي به دي پل ها و القاي خاصيت پيزوالکتريکي است) معمولي ترين روش براي تهيه ي پودر، مخلوط کردن اکسيدهاي مورد نيازاست. در اين فرآيند، پودر از مخلوط کردن نسبت هاي استوکيومتري مناسب از اکسيدهاي تشکيل دهنده ي پيزوالکتريک بدست مي آيد. براي نمونه براي توليد (Lead Zirconiate titanate) PZT ، اکسيد سرب، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيم، ترکيبات اصلي هستند. براساس کاربرد و استفاده اي که از پيزو الکتريک توليدي مي شود، انواع متنوعي از عناصر دوپ شونده نيز به مخلوط افزوده مي شود. که اين عناصر دوپ شده موجب ايجاد خواص مورد نظر ما مي شوند. سراميک هاي PZT به ندرت بدون استفاده از افزودني هاي دوپ شونده توليد مي شوند. استفاده از عناصر دوپ شونده موجب اصلاح برخي از خواص اين نوع سراميک ها مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي A قرار مي گيرند باعث کاهش ضريب اتلاف (dissipation factor) شده که اين مسأله بر روي توليد گرما تأثير مي گذارد، اما باعث کاهش ضرايب پيزوالکتريسيته (Piezoelectric coefficients) مي شود. به همين دليل پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها بيشتر در کاربردهاي التراسونيک و با فرکانس بالا استفاده مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي B قرار مي گيرند، باعث افزايش ضرايب پيزوالکتريسيته مي شوند اما همچنين موجب افزايش ثابت دي الکتريک شده که اين مسأله زيان آور است. پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها دوپ شونده، به عنوان فعال کننده در کنترل کننده صدا- لرزش (control vibration and noise ) ، عضله هاي خم کننده (benders)، کاربردهاي موقعيت يابي نوري (optical positioning application) و ... استفاده مي شوند. فلوچارتي از مراحل تهيه ي سراميک هاي PZT آورده شده است. مخلوط نمودن پودر اکسيدهاي مورد استفاده در توليد سراميک هاي پيزوالکتريک يک به دو روش انجام مي شود که در زير بيان شده اند. 1-روش سايش خشک با بال ميل 2-روش سايش تر با بال ميل هر دو روش تر و خشک داراي مزايا و معايبي هستند. روش سايش تر با بال ميل سريع تر از روش خشک است. به هر حال عيب روش تر اضافه شدن مرحله اي براي جداسازي مايع از پودر توليدي است. متداول ترين روش توليد PZT ها از سايش تر با بال ميل بهره مي گيرد. در روش سايش تر پودر پودر اين سراميک ها با بال ميل، از اتانول به عنوان مايع و از زيرکونياي تکليس شده به عنوان محيط سايش استفاده مي شود. البته ممکن است به جاي يک آسياب معمولي از يک آسياب ارتعاشي (Vibratory mill) استفاده شود. اين فرآيند که توسط Herner ابداع شده خطر آلودگي پودر با اجزاي جدا شده از گلوله ها و محيط سايش را کاهش مي دهد همچنين محيط زيرکونيا به خاطر کاهش ريسک آلودگي استفاده مي شود. البته مرحله ي تکليس نيز يکي از مراحل تعيين کننده در توليد سراميک هاي PZT است. اين مرحله موجب کامل شدن فرآيند تبلور کشته که فاز پرسکيت در اين مرحله تشکيل مي شود. اهداف اين مرحله خارج شدن مواد آلي و فرار از مخلوط است و واکنش اکسيدهاي موجود در مخلوط براي ايجاد ترکيبات فازي مناسب قبل از فرآيند توليد قطعه است. همچنين از اهداف ديگر اين مرحله کاهش حجم شرپنکيج و يکنواختي بهتر در طي زينترينگ و پس از آن است. پس از تکليس، يک ماده ي چسبنده به پودر افزوده مي شود و مخلوط شکل دهي مي شود. شکل دهي قطعات ساده با روش پرس خشک در قالب و براي بدنه هاي پيچيده تر، روش هاي اکستروژن و ريخته گري دوغابي استفاده مي شود. پس از آن اشکال توليدي زينترينگ مي شود ( در واقع بوسيله يک آون مواد چسبنده ي آن خارج شده و دنس مي شود.) مشکل عمده در زينترينگ سراميک هاي PZT، فراريت Pbo در دماي 800 درجه سانتي گراد است براي به حداقل رساندن اين مشکل، نمونه هاي PZT در حضور يک منبع سرب مانند PbZro3 زينتر مي شوند و در داخل يک بوته ي ذوب بسته حرارت دهي مي شوند. اشباع شدن اتمسفر محل زينتر کردن با PbO باعث به حداقل رسيدن اتلاف سرب از بدنه هاي PZT مي شود. در اين شرايط زينترينگ مي تواند در دماي متنوعي بين 1200-1300 درجه سانتيگراد انجام شود. با وجود اين تدابير پيش بيني شده معمولاً اتلاف 2-3% در مقدار سرب اوليه صورت مي گيرد. پس از برش و ماشين کاري قطعه به شکل مناسب، الکترودها تعبيه مي شود و يک ميدان DC براي جهت دهي به قلمرو دي پل هاي داخل سراميک پلي کريستال اعمال مي شود. قطب دار کردن بوسيله ي جريان DC مي تواند در دماي اتاق و يا در دماهاي بالاتر انجام شود. البته اين مسأله به ماده و ترکيب سراميک بستگي دارد. فرايند پلاريزاسيون تنها اندکي دي پل هاي موجود در سراميک پلي کريستال را هم جهت مي کند و نتيجه ي پلاريزاسيون پلي کريستال کمتر از حالتي است که سراميک تک کريستال باشد. اين تکنيک توليد داراي ابهامات زيادي است البته تعداد زيادي از روش هاي توليد ديگر وجود دارد که سراميک هاي PZT با خواص و ريزساختار عالي توليد مي کنند. يک مشکل بوجود آمده در اين روش انحراف از حالت استوکيومتري است. اين مشکل اغلب به خاطر وجود ناخالصي در مواد اوليه و اتلاف سرب از بدنه در طي فرآيند زينترينگ بوجود مي آيد. که باعث تغيير خواص PZT در اثر جانشيني هاي ناخواسته، مي شود. به عنوان يک نتيجه، خواص الاستيک در اثر اين مشکل مي تواند 5% ، خواص پيزوالکتريک 10% و خواص ديک الکتريک 20 درصد ( با يک بچ ثابت) تغيير کنند. همچنين، خواص دي الکتريک و پيزوالکتريک عمدتاً به علت عدم وجود يکنواختي کاهش پيدا مي کنند (اين عدم يکنواختي به خاطر هم زدن کم اتفاق مي افتد). اين مسأله هنگامي که اکسيدهاي اصلي هم گون باشد مهم مي باشد. در روش هاي توضيح داده شده در بالا، به هرحال، اجزاي اصلي به صورت محلول جامد در آمده و اين نشان داده شده است که مخلوط شدن هم گون محلول جامد هنگامي که اين مسأله امکان نداشته باشد، مشکل است. روش هاي ديگر براي توليد سراميک هاي پيزوالکتريک به شرح زيراند: 1) فرآيند هيدروترمال (Hydrothermal Processing) 2) روش هاي هم رسوبي (coprecipitation methods) همچنين اين نکته قابل توجه است که توسعه ي وسيعي در زمينه ي فرآيندهاي توليد پودر (Powder Processing)، شکل دهي و زينترينگ بوجود آمده است که نتيجه ي اين توسعه ها، افزايش کاربرد سراميک هاي پيزوالکتريک است. روابط ساختاري و خواص مواد دانستن اطلاعات مربوط به پيزوالکتريسيته از ساختار مواد شروع مي شود. براي توضيح بهتر، اجازه دهيد بر روي يک کريستال از ( اين تک کريستال هاي کوچک با قطر ميانگين کمتر از Mm100) يک سراميک پلي کريستال متمرکز شويم. اين کريستال از اتم هاي مثبت و منفي تشکيل شده است که فضاي خاصي را در سلولهاي تکراري (سلول واحد) اشغال کرده اند. تقارن خاص سلول واحد تعيين کننده ي اين مسأله است که آيا کريستال ما خاصيت پيزوالکتريسيته دارد يا نه؟ همه ي کريستال ها از 32 کلاس ( از 7 سيستم: تريکلينيک، مونوکلينيک، ارتورومبيک، تتراگونال، رمبوهدرال، هگزاگونال و کيوبيک) مشتق شده اند. از 32 کلاس، 21 عدد از آنها داراي تقارن مرکزي نيستند و 20 کلاس داراي خواص پيزوالکتريک هستند. ( يک کلاس از 21 کلاس فاقد تقارن مرکزي، پيزوالکتريک نيست زيرا اين کلاس داراي ديگر عناصر تقارن است). نبودن مرکز تقارن بدين معناست که يک حرکت شبکه ي يون هاي مثبت و منفي نسبت به همديگر که در نتيجه ي اعمال تنش بوجود مي آيد،توليد يک دو قطبي الکتريکي مي کند. يک سراميک از قرارگيري تصادفي اين کريستال هاي پيزوالکتريک تشکيل شده است و به همين دليل غيرفعال است. اثرات کريستال ها همديگر را خنثي نموده و خاصيت پيزوالکتريک قابل اندازه گيري در سراميک بوجود نمي آيد. نواحي با بردار قطبي يکسان،قلمرو (domain) ناميده مي شوند. قطب دار کردن يکي از روش هاي معمولي مورد استفاده براي جهت دهي به قلمرو هاست که اين عمل بوسيله ي پلاريزاسيون سراميک ها با استفاده از يک ميدان الکتريکي ساکن انجام مي شود. الکترودها بر روي سراميک اعمال مي شود تا قلمروهاي پيزوالکتريکي چرخيده و در جهت ميدان،جهت گيري کنند. نتيجه ي بدست آمده اين گونه نيست که تمام قلمروها هم جهت شوند و با جهت گيري يکسان بخشي از قلمروها سراميک پلي کريستال داراي يک اثر پيزوالکتريکي بزرگ مي شود. در طي اين فرايند ماده ي پيزوالکتريک در جهت محور قطبي شدن انبساط و در جهت عمود بر آن انقباض دارد. روابط ساختاري هنگامي که در مورد معادله ي ساختاري مواد پيزوالکتريک مي نويسيم بايد تغيرات تنش و جابجايي الکتريکي در سه جهت عمود بر هم محاسبه گردد. اين جابجايي الکتريکي بوسيله ي اثرات کوپل هاي عمود بر هم بوجود آمده است. همچنين اين اثرات نيز بخاطر تنش هاي مکانيکي و الکتريکي حاصل مي شود. علامت تانسور ابتدا معين مي گردد که در شکل 4 جهات مرجع نشان داده شده است. حالت کرنش با تانسور مرتبه دوم Sij معين مي شود و حالت تنش نيز بوسيله ي تانسور مرتبه دو Tkl تعيين مي شود. روابطي وجود دارد که تانسور تنش را به تانسور کرنش، تسليم Sijkl و سختي Cijkl مرتبط مي سازد. رابطه ميان ميدان Ej (تانسور مرتبه اول) و جابجايي الکتريکي Di (تانسور مرتبه اول)، ثابت دي الکتريک Eij است. که اين ثابت يک تانسور درجه 2 است. بنابراين معادلات مربوط به مواد پيزوالکتريک به صورت زير نوشته مي شوند: Di=ETij.Ej+dijk Tjk Sij=dijk Ek+E Sijkl Tkl که در اين روابط dijk و dijk ثوابت پيزوالکتريک هستند و تانسوري درجه 3 هستند. با لانويس E, T نشان مي دهند که ثابت دي الکتريک Eij و ثابت الاستيک Sijkl تحت شرايط تنش ثابت و ميدان الکتريکي ثابت، اندازه گيري شده است. عموماً تانسور مرتبه اول، 3 جزء دارد، تانسور مرتبه 2، 9 جزء و مرتبه 3، 27 جزء دارد. همچنين تانسور مرتبه 4، 81 جزء دارد. درصد خيلي کمي از اين اجزاء تانسوري، مستقل هستند. هر دوتاي اين روابط وابسته به جهت هستند. آنها يک بسته از معادلات هستند که اين خواص را در جهات مختلف ماده شرح مي دهند. تقارن فضايي و انتخاب بردارهاي مرجع، تعداد اجزاي مستقل را کاهش مي دهد. يک راه مناسب براي توصيف آنها استفاده از جهات برداري مناسب مانند آنهايي که در شکل 4 نشان داده شده است. بر اساس عرف، جهت قطبي شدن را با محور 3 نمايش مي دهيم. همچنين صفحات برشي با زيرنويس 4، 5و 6 نشان داده شده است که اين صفحات بر جهات 1،2،3 عمود مي باشد. کاربرد مواد پيزوالکتريک مواد پيزوالکتريک کاربرد وسيعي در علوم مختلف دارند. اين مواد در بسياري از وسايل که نيازمند تغيير انرژي مکانيکي به الکتريکي و يا بالعکس است، استفاده مي شوند. زمينه ي وسيعي از کاربردهاي مواد پيزوالکتريک وجود دارد و با وجود اين مسأله که اين مواد نزديک به يک قرن است که مورد مطالعه قرار گرفته اند. ولي هنوز هم پتانسيل استفاده شدن در کاربردها و ابداعات ديگر را دارند. البته به خاطر وسعت اين کاربردها از بيان آنها چشم پوشي مي کنيم.
شیشه و انواع آن تاریخچه مانند بسیاری از مواد دیگر ، در مورد اختراع شیشه نیز تردید بسیاری وجود دارد. یکی از قدیمیترین استفادههای موجود در این ماده ، از "پلینی" نقل شده که در طی آن ، گفته میشود که بازرگانان فنیقی ، ضمن پختن غذا در ظرفی که برحسب اتفاق روی تودهای از لزونا در ساحل دریا قرار گرفته بود، به وجود این ماده پی بردند. یکی شدن ماسه و قلیا نظر آنان را به خود جلب کرد و سبب انجام تلاشهای بعدی در راه تقلید این عمل شد. مصریها در هزاره ششم پیش از میلاد ، جواهرات بدلی شیشهای میساختند. در سال 290 میلادی ، شیشه پنجره ساخته شد. در طی قرون وسطی ، ونیز به مرکز انحصاری صنعت شیشه بدل شده بود. در سال 1688 شیشه جام در فرانسه به شکل فراورده نو عرضه گردید. در سال 1608 میلادی ، در ایالات متحده ، در "جیمزتاون" در ویرجینیا ، صنعت شیشه پایهگذاری شد. در سال 1914، فرایند فورکالت در بلژیک برای کشش مداوم ورق شیشه بوجود آمد. مصارف و جنبههای اقتصادی مصارف و کاربردهای شیشه بسیار متعدد است. در مجموع شیشه سازی در ایالات متحده ، سالانه یک صنعت 7 میلیارد دلاری را تشکیل میدهد و در آن میان ، شیشه خودرو ، سالانه نیمی از مقدار تولید شیشه تخت را به خود اختصاص میدهد. در معماری ، گرایش بیشتری به استفاده از شیشه در ساختمانهای تجاری و بویژه مصرف شیشههای رنگی ، پدید آمده است. ترکیب شیشه شیشه ، محصولی کاملا «شیشهای شده» یا دست کم فراوردهای است که مقدار مواد معلق غیرشیشهای موجود در آن نسبتا کم است. با وجود هزاران فرمول جدید شیشه که طی 30 سال گذشته بوجود آمده، درخور توجه است که هنوز مانند 2000 سال پیش ، 90 درصد تمام شیشههای جهان از آهک ، سیلیس و کربنات سدیم تشکیل یافتهاند. اما نباید چنین استنتاج کرد که در طی این مدت ، هیچ تحول مهمی در ترکیب شیشه صورت نگرفته است. بلکه در واقع تغییرات جزئی در اجزای اصلی ترکیب و تغییرات مهم در اجزای فرعی ترکیب ، پدید آمده است. اجزای اصلی عبارتند از: ماسه ، آهک و کربنات سدیم. هر ماده خام دیگر ، جزء فرعی تلقی میشود، هرچند که بر اثر استفاده از آن ، نتایج مهمی بدست آید. مهمترین عامل در ساخت شیشه ، گرانروی اکسیدهای مذاب و ارتباط میان این گرانروی و ترکیب شیشه است. تقسیم بندی شیشههای تجارتی سیلیس گداخته سیلیس گداخته یا سیلیس شیشهای به روش تفکافت تتراکلرید سیلیسیم در دمای بالا یا بوسیله گدازش کوارتز یا ماسه خالص ساخته میشود و گاه آن را به اشتباه ، شیشه کوارتزی میخوانند. این ماده ، انبساط کم و نقطه نرمی بالایی دارد که به مقاومت گرمایی زیاد آن کمک میکند و امکان استفاده از آن را در گستره دمایی بالاتر از دیگر شیشهها فراهم میآورد. این شیشه ، اشعه ماوراء بنفش را بخوبی از خود عبور میدهد. سیلیکاتهای قلیایی سیلیکاتهای قلیایی تنها شیشههای دو جزئی هستند که از اهمیت تجارتی برخوردارند. ماسه و کربنات سدیم را بسادگی با هم ذوب میکنند و محصولات بدست آمده با گستره ترکیب Na2O.SiO2 تا Na2O.4SiO2 را سیلیکاتهای سدیم میخوانند. سیلیکات محلول کربنات سدیم که به نام شیشه آبی (انحلال پذیر در آب) نیز خوانده میشود، بطور گستردهای در ساخت جعبههایی با کاغذ موجدار و به عنوان چسب کاغذ بکار میرود. مصرف دیگر آن در ایجاد حالت ضد آتش است. انواع قلیاییتر آن به عنوان شویندههای لباسشویی و مواد کمکی صابونها بکار میرود. شیشه آهک سوددار این نوع شیشه %95 کل شیشه تولید شده را تشکیل میدهد و از آن ، برای ساخت تمام انواع بطریها ، شیشه تخت ، پنجره خودروها و سایر پنجرهها ، لیوان و ظروف غذاخوری استفاده میشود. در کیفیت فیزیکی تمام انواع شیشههای تخت ، نظیر همواری و نداشتن موج و پیچ ، بهبود کلی حاصل شده، اما ترکیب شیمیایی تغییر زیادی نکرده است. اصولا ترکیب شیمیایی در گستره زیر قرار میگیرد: SiO2 از %70 تا %74 ، CaO از %8 تا %13 ،Na2O از %13 تا %18. فراوردههایی که این نسبتها را دارند، در دماهای نسبتا پایینتری ذوب میشوند. در تولید شیشه بطری ، بخش عمده پیشرفت از نوع مکانیکی است. در هر حال ، تجارت نوشابهها ، سبب ایجاد گرایشی در بین شیشه سازان برای تولید ظروف شیشهای با آلومین و آهک زیاد و قلیائیت کم شده است. این نوع شیشه با دشواری بیشتری ذوب میشود، اما در برابر مواد شیمیایی مقاومتر است. رنگ شیشه بطریها بدلیل انتخاب بهتر و تخلیص مواد خام و استفاده از سلنیم به عنوان زنگزدا بسیار بهتر از قبل است. شیشه سربی با جانشین شدن اکسید سرب به جای اکسید کلسیم در شیشه مذاب ، شیشه سربی بدست میآید. این شیشهها بدلیل برخورداری از ضریب شکست بالا و پراکندگی نور زیاد ، در کارهای نوری از اهمیت بسزایی برخوردارند. تاکنون میزان سرب موجود در شیشه را به %92 نیز رساندهاند. درخشندگی یک بلور تراش داده شده خوب بدلیل مقدار زیاد سرب در ترکیب آن است. مقدار زیادی از این شیشه برای ساخت حباب لامپهای برق ، لامپهای نئون و رادیوترونها بدلیل مقاومت الکتریکی بالای آنها مورد استفاده قرار میگیرد. این شیشه برای ایجاد حفاظ در برابر پرتوهای اتمی نیز مفید است. شیشه بوروسیلیکاتی شیشه بوروسیلیکاتی ، معمولا حاوی حدود 10 تا 20 درصد B2O2 ، حدود 80 تا 85 درصد سیلیس و کمتر از 10 درصد Na2O است. این نوع شیشه دارای ضریب انبساط کم ، مقاومت فوقالعاده زیاد در برابر ضربه ، پایداری عالی در برابر مواد شیمیایی و مقاومت الکتریکی بالاست. ظروف آزمایشگاهی ساخته شده از این شیشه ، تحت نام تجارتی پیرکس فروخته میشود. با این حال ، در سالهای اخیر نام پیرکس برای اجناس شیشهای بسیاری که ترکیب شیمیایی دیگری دارند (مانند شیشه آلومین _ سیلیکات در ظروف شیشهای مناسب برای پخت و پز) نیز بکار میرود. مصارف دیگر شیشههای بوروسیلیکاتی علاوه بر ظروف آزمایشگاهی عبارت است از واشرها و عایقهای فشار قوی ، خطوط لوله و عدسی تلسکوپها. شیشههای ویژه شیشههای رنگی و پوششدار ، کدر ، شفاف ، ایمنی ، شیشه اپتیکی ، شیشه فوتوکرومیکی و سرامیکهای شیشهای ، همه شیشههای ویژه هستند. ترکیب تمامی این شیشهها بر طبق مشخصات محصول نهایی موردنظر تغییر میکند. الیاف شیشهای الیاف شیشهای از ترکیبات ویژهای که در برابر شرایط جوی مقاوم هستند، ساخته میشوند. سطح بسیار زیاد این الیاف سبب میشود تا آنها نسبت به همه رطوبت موجود در هوا آسیب پذیر باشند. مقدار سیلیس (حدود %55) و قلیایی موجود در این شیشه پایین است. جریان تولید شیشه تخت دید کلی برای ساخت شیشه ، مراحلی وجود دارد که باید طی شود تا مواد اولیه شیشه به محصولی با کیفیت و قابل قبول تبدیل شود. اما در طی ساخت شیشه ، ظرافتهایی وجود دارد که باید آنها را در یک کارخانه تولید شیشه مشاهده کرد و نمیتوان بهصورت تئوری آن را بیان کرد. مراحل ساخت شیشه ذوب کورههای شیشهسازی را میتوان به کورههای بوتهای یا کورههای مخزنی تقسیمبندی کرد. کورههای بوتهای با ظرفیت تقریبی 2 تن یا کمتر برای تولید شیشههای ویژه به مقدار کم یا هنگامی که حفاظت از پیمانه مذاب در برابر محصولات احتراق الزامی است، بسیار مفیدند. بوتهها از جنس خاک رس یا پلاتین هستند. در کوره مخزنی ، مواد پیمانه از یک سر مخزن بزرگی که از جنس بلوکهای نسوز است، وارد میشوند. این کورهها با گاز یا برق گرم میشوند. بسته به توانایی آجر نسوز کوره برای تحمل انبساط ، دمای کورهای که بهتازگی شروع به تولید کرده است، روزانه تنها به اندازه معینی افزایش مییابد. پس از گرم شدن کوره بازیابی گرما ، در تمام اوقات دمایی که دستکم معادل با 1200 درجه سانتیگراد است، همچنان حفظ میشود. بخش زیادی از گرما به جهت تابش در کوره تلف میشود و در واقع مقدار بسیار کمتری از گرما برای ذوب شیشه بهمصرف میرسد. در هر حال ، دمای دیوارههای کوره ممکن است چنان بالا رود که شیشه مذاب آنها را حل کند یا بپوساند، مگر اینکه اجازه داده شود دیوارهها ضمن تابش مقداری خنک شوند. بهمنظور کاهش کنش شیشه مذاب ، غالبا در دیوارههای کوره ، لولههای آب خنککن کار گذاشته میشود. شیشهسازی اطلاعات اولیه شیشههای معمولی که در زندگی روزمره بکار میروند، عمدتا شامل سیـلیس ، کربنات کلسیم ( یا آهک ) و کربنات سدیم و زغال کک است ( گاهی از فلدسپار و دولومیت نیز استفاده میشود ). معمولا این مواد را به صورت پودر یا دانههایی به قطر 0.2 تا 2 سانتیمتر ، مصرف میکنند. البته برای تهیه شیشههای مرغوب و کریستال ، از سیلیس تقریبا خالص (کوارتز) استفاده میشود. در شیشههای معمولی حدود ½ درصد آلومین و 0.08 درصد اکسید آهن iii نیز وجود دارد. تاریخچه صنعت شیشهسازی ، در ایران سابقه بسیار طولانی دارد که به حدود پیش از 2000 قبل از میلاد میرسد. کشف یک ظرف شیشهای زرد رنگ صدفی با زینتی شبیه به خطوط شکسته موجدار که در یکی از قبرستانهای لرستان پیدا شده ، یک گردنبند شیشهای حاوی دانههای آبی رنگ متعلق به 2250 سال پیش از میلاد ، در ناحیه شمال غربی ایران و قطعات شیشهای مایل به سبز که در کاوشهای باستان شناسی لرستان ، شوش و حسنلو بدست آمده است، نشان دهنده سابقه تاریخی صنعت شیشهسازی در ایران است. سیر تحولی و رشد کشف بطریهای گردن دراز که دهانه آن با نقره مسدود شده بود در قرن 12 میلادی ، قالبهای ساخت وسایل شیشهای در نیشابور ، نشان دهنده شتاب بیشتر صنعت شیشهگری در اوایل رواج اسلام در ایران است که بهتدریج با رونق صنعت شیشهسازی در ایتالیا ، راه زوال را در پیش گرفت که تا قرن هفدهم میلادی ادامه یافت. از آن پس ، رونق و بازسازی این صنعت دوباره شروع شد و به مدد مهارت ایرانیان در رنگ آمیزی شیشه ، شتاب چشمگیری پیدا کرد. از آن جمله ، میتوان ساختن انواع محصولات مختلف شیشهای از ابریق گرفته تا گلدان ، بطری و … در شیراز ، اصفهان و قم در قرنهای دوازدهم و هجدهم میلادی را برشمرد. اما از آن زمان به بعد ، بیلیاقتی و غفلت دولمتردان وقت باعث شد صنعت شیشهسازی در ایران افت کند. مراحل مختلف تهیه شیشه تهیه مواد اولیه و تبدیل آنها به پودر با دانهبندی بین 0.1 تا 2 میلیمتر توزین هر یک از مواد اولیه به نسبتهای مورد نظر و مخلوط کردن آنها همراه با 4 تا 5 درصد آب و انتقال مخلوط به کوره ذوب کردن مخلوط در کوره و تهیه خمیر شیشه بیرنگ کردن خمیر شیشه و خارج کردن گازها تبدیل به فرآوردههای مورد نیاز بازار و صنایع نپختن شیشه ( قرار دادن شیشه داغ در کورههایی که دمای کمی دارد، برای کاهش شکنندگی شیشه) فرآوردههای مختلف شیشهای در حال حاضر ، صنایع شیشهسازی عمدتا در پنج شاخه اصلی مصرف در ایران فعالیت دارند: 1. ساختمان سازی 2. صنایع غذایی 3. تهیه لوازم خانگی 4. صنایع خودرو سازی 5. صنایع دارو سازی و آزمایشگاه انواع مهم فراوردهههای شیشهای شیشه جام این نوع شیشه ، برای مصرف در پنجره ، قاب عکس و غیره تهیه میشود و دارای سطح کاملا صاف است. در مرحله تولید با عبور خمیر شیشه بین دو غلطک صاف افقی ، عمودی و یا عبور از روی قلع مذاب به دستگاه برش و کوره پخت هدایت میشود. انواع بطری برای تهیه بطری ، خمیر شیشه را از بالای ماشین قالبزنی توسط قیچی مخصوص به صورت لقمههایی در آورده ، به قسمت قالبزنی وارد میکنند و از پایین ، هوا در آن میدمند تا شکل مطلوب به خود بگیرد. برای تهیه انواع لیوان ، استکان ، لوله چراغ نفتی و فانوس ، مانند تهیه بطری عمل میشود، ولی بجای دمیدن هوا ، از قالب ویژه استفاده میشود. شیشههای ایمنی بدون تلق این نوع شیشهها برای ویترینها و شیشههای عقب و کناری خودرو تهیه میشوند. پس از مراحل برش و شکلدهی ، در پرسهای مخصوص ، آنها را در کوره الکتریکی تا °650C گرم کرده ، بطور ناگهانی سرد میکنند تا بر اثر تبلور جزئی ، بر مقاومت آنها افزوده میشود. شیشه ضد گلوله این نوع شیشه شامل چهار لایه 6 میلیمتری و دو لایه تلق ضخیم است. در هر مورد ، ابتدا از طریق وصل کردن به خلاء ، هوای بین لایهها را خارج کرده ، ضخامت شیشه و تلق را به هم میجشبانند و بعد تحت فشار 13 اتمسفر در دمای °120C ، به مدت سه ساعت نگه میدارند تا لایهها کاملا به همدیگر بچسبند. الیاف شیشهای این نوع الیاف ، با عبور خمیر شیشه از منافذ باریک یک قسمت غربال مانند ، تهیه میشوند. از این نوع الیاف ، در تهیه پارچه ، پتو و لحاف و عایقبندی دستگاههای حرارتی و برودتی و عایق الکتریکی ، صحافی و غیره استفاده میشود. شیشههای مخصوص شیشهها نشکن این نوع شیشهها دارای ضریب انبساط بسیار کماند و در مقابل تغییر ناگهانی دما یا ضربه ، مقاومت زیادی دارند. از این رو ، از آنها برای تهیه ظروف و وسایل آزمایشگاهی و اخیرا ظروف آشپزخانه استفاده میشود. برای تهیه این نوع شیشهها ، به جای Na2O و CaO از Zr2O3 ، Al2O3 و B2O3 استفاده میکنند که به نام شیشههای پیرکس ، ینا و کیماکس شهرت دارند. شیشههای بلور این نوع شیشهها بسیار ظریف و مشابه به کریستالاند. اما سنگین و صدا دهندگی کریستال را ندارند و خاصیت شکست نور در آنها کمتر است. دارای 75 درصد سیلیس ، 18 درصد و 7 درصد Cao اند. شیشههای سربدار این نوع شیشهها از شیشههای معمولی شفافتر و سنگیترند و ضریب شکست بالاتری دارند و دارای سه نوعاند: کریستال: که بسیار شفاف ، سنگین ، صدادار و قابل تراش است و نور را در خود میشکند و طیف رنگی میدهد. از این رو ، در تهیه گلدان ، لوستر و … بکار میرود. دارای 53 درصد سیلیس ، 11 درصد و 35 درصد Pbo است. اشتراس: که سنگ نو نیز نامیده میشود و از آن ، جواهرات مصنوعی درست میکنند. دارای 40 درصد سیلیس 7 درصد و 52 درصد Pbo است. فلینت: که در تهیه عدسی دوربینهای عکاسی و اسباب دقیق فیزیکی بکار میرود. دارای 20 تا 54 درصد سیلیس ، 5 تا 12 درصد و 34 تا 80 درصد سرب است. شیشه ضد پرتوها این نوع شیشه ، شامل یک قسمت و چهار قسمت pbo است، به مقدار قابل توجهی پرتوهای ایکس و پرتوهای رادیواکتیو را جذب کرده ، جلوی اثرات زیانبار آنها را میگیرد. شیشه جاذب نوترون این نوع شیشهها با افزایش اکسید کادمیم ( CdO ) به شیشه معمولی تهیه میشوند و بهعنوان حفاظ در مقابل تابشهای نوترونی ، بویژه در ارتباط با راکتورهای اتمی کاربرد دارند. شیشه شفاف در مقابل IR این نوع شیشه با اضافه کردن مقدار زیادی آلومین Al2O3 به شیشه معمولی حاصل میشود و در دستگاههای طیف نمایی و طیف نگاری IR مورد استفاده قرار میگیرند. شیشه ضد اسید فلوئوریدریک میدانیم که بعضی مواد شیمیایی مانند HF بر شیشه اثر میکنند. این تاثیر در واقع به واکنش سیلیسی موجود در شیشه با فلوئورید هیدروژن است که تولید اسید میکند. از این خاصیت در حکاکی و نقاشی روی شیشه استفاده میشود. اگر مقدار کافی فسفات آلومینیم که ساختار سیلیکات آلومینیم را دارد، در ساختار شیشه وارد شود، شیشه بدست آمده ، مقاومت قابل توجهی در برابر HF از خود نشان میدهد. علت این است که HF بر فسفات آلومینیم اثر ندارد. شیشههای رنگی برای برخی مصارف ویژه ، تهیه شیشههای رنگی ضرورت دارد. برای این کار ، عمدتا از اکسید فلزات استفاده میشود. برای مات یا شیری کردن شیشه ، فلوئوریت کلسیم ، کریولیت ، اکسید آنتیموان (III) ، فسفات کلسیم ، سولفات کلسیم و دیاکسید قلع استفاده می شود، زیرا این مواد ، رسوبهای کلوئیدی در خمیر شیشه تولید می کنند که پس از سرد شدن ، سبب شیری شدن آن میشوند. شیشههای ویژه مقدمه پژوهش و توسعه ، محور اصلی تولید انواع جدید و بهتر شیشه با خواص بهتراست. در این بخش ، برخی از فراوردههای شیشهای جدیدی که در رهگذر پژوهش و توسعه بدست آمده است، بررسی میشود. شیشه سیلیس گداخته شیشه سیلیسی گداخته یا سیلیس شیشهای را میتوان با گداختن سیلیس خالص تولید کرد، اما چنین محصولاتی معمولا حباب دارند و نمیتوان آنها را بهصورت شفاف تولید کرد. اکنون کمپانی کورنینگ ، این شیشه را به روش تفکافت فاز بخار تتراکلرید سیلیسیم در دمای بالا تولید میکند. این نوع فرایند ، بطور طبیعی برای کنترل سیستمهایی مناسب است که در آنها امکان تولید خالص فراهم باشد. سیلیس خامی که با این روش تولید میشود، به شکل ورق یا بول (بول ، خرده سنگهای استوانهای یا گلابی شکل کانی مصنوعی است) است. دمای بالای واکنش ، باعث بیرون رانده شدن آلایندههای نامطلوب میشود و مقدار ناخالصیهای موجود در سیلیس گداخته را به حدود یک در صد میلیون قسمت میرساند. شیشه سیلیس گداخته ، حداقل مقدار جذب فراصوت را داراست. از این شیشه بدلیل انبساط گرمایی کم آن در آینههای تلسکوپی استفاده میشود. شیشه پر سیلیس این محصول که به نام ویکور شناخته میشود، پیشرفت مهمی درجهت تولید شیشهای است که از نظر ترکیب و خواص به شیشه سیلیس گداخته نزدیک است. در این روش ، محدودیتهای پیشین در زمینه ذوب و شکلدهی از میان رفته است. کالاهای نهایی ، حدود 96% سیلیس و 3% اسید بوریک دارد و 1% بقیه از آلومین و قلیا تشکیل شده است. از ترکیبات بورو سیلیکات-شیشه حاوی حدود 75% سیلیس ، در مراحل اولیه فرایند هنگامی که شیشهها ذوب و قالبگیری میشوند، استفاده میشود. پس از خنک شدن ، کالاها را تحت عملیات گرمایی و تابکاری قرار میدهند که سبب جدا شدن شیشه به دو فاز فیزیکی متمایز میشود. کالای شیشهای را در حمام محلول اسید هیدرو کلریک 10% (98C) به مدت کافی فرو میبرند تا فاز انحلالپذیر ، کاملا از آن خارج شود. سپس با شستشوی کامل ، کمترین مقدار باقیمانده از فاز انحلالپذیر و همچنین ناخالصیها شسته میشوند و سپس تحت عملیات گرمایی از بدنه ، آبزدایی شده و ساختارسلولی به شیشه غیر متخلخل تبدیل میشود. این روش از تولید شیشه ، سبب ساخت محصولی میشود که میتوان آن را تا حرارت قرمز آلبالویی ، گرم کرده ، سپس بدون ایجاد هیچگونه آثار نامطلوب ، آن را درمخلوط آب و یخ فرو برد. این شیشه در برابر مواد شیمیایی نیز بسیار مقاوم و در برابر تمام اسیدها به جز اسید هیدرو فلوئوریک بسیار پایدار است. البته این اسید (درمقایسه با سایر شیشهها) با سرعت کمتری به این شیشه حمله میکند. در ضمن ، انقباض این شیشه به نسبت یکنواخت و مساوی صورت میگیرد، بطوری که شکل اولیه همچنان حفظ میشود. شیشه رنگی هر چند قرنها از این شیشهها تنها برای تزئین استفاده میشد، امروزه استفاده از شیشههای رنگی برای مقاصد صنعتی و علمی ضروری است. این شیشهها ، در صدها رنگ مختلف تولید میشوند. شیشه رنگی ممکن است یکی از انواع سهگانه زیر باشد: رنگ شیشه براثر جذب فرکانس خاصی از نور ، توسط عوامل موجود در محلول بوجود میآید. عوامل ایجاد رنگ در این گروه ، اکسیدهای عناصر واسطه بویژه گروه اول هستند (مانند Cr , V , Ti ). این طبقه را میتوان به دو زیر گروه تقسیم کرد، یکی شیشههایی که رنگ آنها ، بدلیل محیط ساختاری شیمیایی آنهاست و دیگری شیشههایی که رنگ آنها به دلیل اختلاف در حالت اکسایش آنهاست. مثلا NiO حل شده در شیشه سدیمی _ سربی است که رنگ قهوهای ایجاد میکند. اما این ترکیب در شیشه پتاسی تولید یک سرخ ژاسپ میکند. رنگ بر اثر ترسیب ذرات کلوئیدی در شیشه بیرنگ ، ضمن انجام عملیات گرمایی بوجود میآید. مثال معمول این نمونه ، ترسیب طلایی کلوئیدی است که شیشه طلایی _ یاقوتی پدید میآورد. رنگ بوسیله ذرات میکروسکوپی یا ذرات بزرگتر که ممکن است خود رنگی باشند، بوجود میآید. مانند قرمز سلنیمی () که در چراغهای راهنمایی ، حباب فانوسها و غیره بکار میرود. البته ممکن است این ذرات ، بیرنگ باشند و شیشه نیمهشفاف تولید کنند. شیشههای پوشش دار این شیشهها با ترسیب فیلمهای فلزی شفاف بر روی سطح شیشه شفاف یا رنگی تولید میشوند. این فیلمها طوری طراحی میشوند که مشخصات عبور و بازتابش خاصی از نور را که در معماری امروز دارای اهمیت است، ایجاد کنند. شیشههای مات یا نیمه شفاف این شیشهها در حالت مذاب ، شفافاند. اما هنگام شکل دهی به دلیل جدایی و تعلیق ذرات ریز در محیط شیشه ، کدر میشوند. این ذرات از نظر اندازه و چگالی در شیشه ، انواع متفاوتی دارند و نور را به هنگام عبور ، پخش میکنند. شیشه مات ، اغلب از شیشه شفاف حاوی نقره بدست میآید. این ذرات نقره در واقع نقش هسته را برای رشد بلورهای غیر فلزی ایفا میکنند. این نوع شیشه برای ایجاد برخی سبکهای معماری مثلا در پنجره نورگیرها به منظور عبور طول موج مشخصی از نور و برای ظروف غذا خوری بکار میرود. شیشه ایمنی شیشههای ایمنی در دو نوع چندلایی و با پوشش سخت میباشند و شیشه نشکن را نیز میتوان شیشه ایمنی به حساب آورد. این شیشهها بهآسانی شیشه معمولی نمیشکنند و ظروف غذا خوری ساخته شده از اینها ، در مقایسه با ظروف غذا خوری معمولی سبکتر و سه برابر محکمترند. شیشه فوتوفرم شیشه فوتو فرم ، نسبت به نور ، حساس است و عمدتا از سیلیکات لیتیم تشکیل یافته است. اکسید پتاسیم و اکسید آلومینیوم موجود در این شیشه ، خواص آن را اصلاح میکند و مقادیر بسیار کم ترکیبات سریم و نقره ، اجزایی هستند که نسبت به نور ، حساساند. بر اثر تاباندن نور فرابنفش به این شیشه ، نقره توسط سریم حساس میشود و با انجام عملیات گرمایی در دمایی نزدیک به 600درجه سانتیگراد در اطراف آن ، تصویری از متاسیلیکات لیتیم ایجاد میشود. متاسیلیکات لیتیم در اسید حل میشود. لذا میتوان آن را به کمک اسید هیدروفلوئوریک 10% حذف کرد. اگر نور پس از عبور از نگاتیو یک نقشه شیشه ، تابانیده شود، یک کپی بسیار دقیق با تمام جزئیات و ریزه کاریها بر روی شیشه بدست میآید. مثلا به همین روش میتوان نقشه مدارهای الکتریکی شیشهای را به ارزانی و به شکل دقیقی تولید کرد. این فرایند ، ماشینکاری شیمیایی شیشه نامیده شده است. شیشه فوتوکرومیک سیلیکاتی این نوع شیشهها مکمل شیشه فوتوفرم هستند، اما در عین حال خواص نامعلوم زیر را نیز دارند: تیره شدن در نور بر اثر وجود نور فرابنفش درطیف مرئی بیرنگ شدن یا کمرنگ شدن در تاریکی و بیرنگ شدن گرمایی در دماهای بالاتر. این خواص نور رنگی واقعا برگشت پذیرند و دچار خستگی نمیشوند. در این شیشه ، ذرات هالید نقره در اندازههایی کمتر از یک میکرون موجودند که در مقایسه با هالید نقره معمولی عکاسی ، واکنش متفاوتی را در برابر نور از خود نشان میدهند. این ذرات را در شیشه صلب و نفوذناپذیری که از نظر شیمیایی بیاثر است، جای میدهند. بدین ترتیب ، مراکز رنگی که محل نورکافت هستند، نمیتوانند از مکان خود به جای دیگر نفوذ کنند و ذرات پایدار نقره را تشکیل دهند و ترکیب برگشت ناپذیر تولید کنند. شیشه _ سرامیک این ماده ، مادهای است که مانند شیشه ، ذوب و شکل داده میشود و سپس بوسیله فرایندهای واشیشهای شدن کنترل شده ، تا حد زیادی به سرامیک بلورین تبدیل میشود. از این مواد ، در ساخت پوشش آنتن رادار هواپیما ، موشکهای هدایت شونده و وسایل الکترونیکی مختلف استفاده میشود. همچنین این مواد تحت نام تجاری پیرو سرام در تولید ظروف آشپزخانه که همزمان برای هر سه کار پخت ، پذیرایی و انجماد غذا استفاده میشوند، بکار میروند. الیاف شیشه اگرچه الیاف شیشه ، محصول جدیدی نیست، با این حال سودمندی آن بدلیل ظرافت فوقالعادهاش افزایش یافته است. میتوان این ماده را به صورت رشته کشید، یا آنکه برای تولید عایق ، نوار و صافیهای هوا میتوان آن را به روش دمشی به شکل شبکه حصیری در آورد. الیاف کشیده شده برای تقویت پلاستیکهای مختلف بکار میروند و محصول چند سازه حاصل در ساخت لوله ، مخزن و وسایل ورزشی نظیر چوب ماهیگیری و چوب اسکی استفاده میشوند. متداولترین رزینهایی که با الیاف شیشه مصرف میشوند، رزینهای اپوکسی و پلی استر هستند. شکل دهی شیشه را میتوان با قالبگیری ماشینی یا دستی شکل داد. عامل مهمی که باید در قالبگیری ماشینی شیشه مدنظر داشت، این است که طراحی ماشین باید چنان باشد که کالای موردنظر ، ظرف چند ثانیه کاملا شکل گیرد. در طی این زمان نسبتا کوتاه ، شیشه از حالت یک مایع گرانرو به جامدی شفاف تبدیل میشود. در نتیجه بهسهولت میتوان دریافت که حل مشکلات طراحی همچون جریان گرما ، پایداری فلزات و لقی یاتاقانها بسیار پیچیده است و موفقیت چنین ماشینهایی به مهندس شیشه کمک شایانی میکند. شیشه پنجره ، شیشه جام ، شیشه شناور ، شیشه نشکن و مشجر ، شیشه دمشی و … ، با ماشین شکل داده میشوند. تابکاری بهمنظور کاهش کرنش در تمام کالاهای شیشهای ، اعم از آنکه به روشهای ماشینی یا دستی قالبگیری شدهاند، لازم است که تحت عملیات تابکاری قرار گیرند. بطور خلاصه ، عملیات تابکاری دو بخش دارد: • اول ، نگه داشتن تودهای از شیشه در دمایی بالاتر از یک دمای بحرانی معین تا زمانی که میزان کرنش درونی ، ضمن ایجاد یک سیلان پلاستیکی ، کمتر از یک مقدار حداکثر از پیش تعیین شده گردد. • دوم ، خنک کردن تدریجی این توده تا دمای اتاق بهنحویکه مقدار کرنش همچنان کمتر از آن میزان حداکثر باقی بماند. تابدان یا آون تابکاری چیزی بیش از یک محفظه گرم و بهدقت طراحی شده نیست که در آن سرعت خنک کردن چنان کنترل میشود که شرایط گفته شده رعایت شود. ایجاد یک رابطه کمی میان تنش و شکست مضاعف ناشی از تنش ، متخصصان شیشه را قادر به طراحی شیشه ای کرده است که میتواند شرایط خاصی از تنشهای مکانیکی و گرمایی را تحمل کند. با استفاده از این اطلاعات ، مهندسان ، مبنایی برای تولید تجهیزات پیوسته تابکاری یافتهاند. این تجهیزات ، مجهز به وسایل خودکار تنظیم دما و گردش کنترل شده هستند که امکان انجام بهتر تابکاری با هزینه سوخت پایینتر و ضایعات کمتر محصول را فراهم میآورند.
سراميک ها در حمل و نقل سازندگان موتور هميشه در جستجوي راه چاره ايي براي کم کردن هزينه ها و افزايش بازده و کارکرد موتورها هستند. يک راه چاره براي بهبود ساختار اتومبيل ها، جايگزين مواد جديد به جاي مواد قبلي است. سراميک ها ممکن است بتوانند به طراحان کمک کرده و در آينده ممکن است که بسياري از اجزاي حياتي موتورها با سراميک ساخته شوند. البته علت اين جايگزيني اين است که سراميک ها داراي مقاومت به خوردگي، مقاومت به سايش، مقاومت حرارتي عالي هستند. همچنين سبک هستند و عايق الکتريسيته و گرمانيز مي باشند. از ابتدا نيز سراميک ها اهميت زيادي در صنايع اتومبيل سازي داشتند و از آنها در عايق شمع اتومبيل و پنجره هاي شيشه اي (اوايل دهه ي 1920) استفاده مي شده است. در اتومبيل هاي مدرن تمام کانورتورهاي تحريک کننده از سراميک ساخته شده اند. در اين وسايل سراميک به صورت لانه زنبوري براي نگه داري کامپوزيت استفاده مي شود. اين کاتاليزورها خروج دود از اگزوز خودروها را کاهش مي دهند. بيشتر اتومبيل هاي مدرن از سنسورهاي سراميکي براي تعيين مقدار اکسيژن مورد نياز براي احتراق استفاده مي کنند که اين سنسورها با ارسال داده به يک سيستم کامپيوتري به طراحان اين اجازه را مي دهد که با اعمال برنامه اي به سيستم کامپيوتري احتراق را بهينه کرده و انتشار گازهاي خروجي از اگزوز را کاهش دهند. بخش هاي کنترلي کامپيوتري و ديگر قطعات الکترونيکي در اتومبيل نيز به طور گسترده از مواد و اجزاي سراميکي بهره برده اند که در اکثر موارد اين قطعات کامپيوتري نقش حياتي در عملکرد آن وسيله ايفا مي کنند. همچنين تعداد زيادي موتور الکتريکي براي تنظيم اتوماتيک صندلي ها، پنجره ها و ... بکارگرفته مي شود. مگنت هاي سراميکي در بسياري از اين موتورها استفاده مي شوند. اخيراً اجزاي سراميکي براي سيستم سوخت رساني و دريچه هاي تنظيم سوخت در موتورهاي ديزل بزرگ (disel engines heavy- duty ) نيز معرفي شده است. اتومبيل ها در آينده ممکن است داراي قطعات سراميکي در بخش هاي داخلي موتور،در مکان هاي داراي سايش در سيستم سوخت رساني و دريچه هاي تنظيم کننده سوخت باشند. در ماشين هاي توليدي در آينده ممکن است از سلولهاي سوختي نيز براي به صفر رساندن انتشار گازهاي خروجي از اگزوزشان استفاده شود. ترمز کردن بهتر با سراميک ها کامپوزيت هاي شامل سراميک که براي توليد بخش هاي چرخنده اتومبيل استفاده مي شوند، وسايل استانداردي براي ماشين هاي مسابقه اي هستند. اين مواد هم اکنون براي توليد برخي از مارک هاي معتبر در زمينه ي اتومبيل مانند ماشين هاي فراري (Ferrari) ، اکثر لامبورگيني ها (Lamborghinis) و پروشه ها (Porsehes)، Audi RS4 , Bentley Conti GT Diamond استفاده مي شود. اين ترمزهاي سراميکي باعث کاهش وزن وسيله ي نقليه به مقدار بيش از 10 پوند مي کند و بخاطر اينکه مقاومت حرارتي آن نيز بسيارخوب است عمر وسيله نيز افزايش مي يابد. عمر لايي هاي اين سيستم ترمز نيز سه برابر شده و کارايي آن بخاطر کاهش وزن به علت استفاده نکردن از فنر، بهبود مي يابد.( در اين سيستم اجزا و بدنه به صورت معلق قرار ندارند) يک سيستم ترمز از جنس کامپوزيت هاي سراميکي بوسيله ي Starfire System ساخته شده است. که در زمينه ي مسابقات موتورسواري مورد آزمايش قرار گرفته و شرکت هايي همچون هندا (Honda) ، ياماها (YAMAHA)، کاوازاکي (Kawasaki)، سوزوکي (Susuki) و ... از آن استفاده کرده اند. يک موتورسوار حرفه اي با نام Josom Di Salyo سيستم ترمز توليدي توسط شرکت Starfire را مورد ارزيابي قرار داد. ارزيابي او بر روي يک موتور ياماهاي 2004 مدل YZF-R1 انجام شد که اين موتور مجهز به ترمزهاي کامپوزيتي خاص بود. اين ترمزها از قطعات پليمري شرکت sTARFIRE توليد شده اند که بوسيله ي بافته هاي الياف کربن تقويت مي شوند. بر خلاف ديسک هاي استيل قبلي، اين نوع چرخنده ها در هنگامي که دما بالا مي رود. واقعاً بهتر کار مي کنند. اين قطعات باعث افزايش بازده موتور، شتاب و استحکام ترمز مي شود. اين مزايا در هنگامي که ترمزها بهبود يافتند شناخته شد. با بکار بردن قطعات غير فنري بيشتر اين موتورها مورد ترجيح قرار گرفته اند و براي استفاده در اجزاي کناري وسايل ترمز مورد استفاده قرار مي گيرند و موجب کاهش وزن تمام شده ي سيستم ترمز مي شود. کلاژهاي سراميکي Jay Leno مجري تلويزيوني معروف، اخيراً در مورد کلاژهاي کامپوزيتي سراميکي مورد استفاده در ماشين Carrera GT شرکت پورشه يک بحث تلويزيوني انجام داد. پس از يک تست رانندگي او گفت: پس از اينکه با سرعت زياد رانندگي مي کنيم، براي کاهش چرخش چرخ ها، بهترين راه استفاده از اين نوع سيستم ترمز است. اين ماشين هرگز ليز نمي خورد و هميشه خوب کار مي کند. يک پورشه مدل Correra GT در مدت 3.6 ثانيه به سرعت حداکثر 60 مايل بر ساعت مي رسد. همچنين در مدت يک ربع به سرعت 131.6 مايل بر سرعت مي رسد. و حتي تا سرعت بيش از 205 مايل بر ساعت نيز مي رسد ما بايد براي اين مسأله از کلاژهاي سراميکي تشکر کنيم زيرا بوسيله ي آنها، شما مي توانيد سرعت خود را بمراتب بالا ببريد. موتور مورد استفاده در پوشه ها، دور موتوري بيش از 20.000 دور بر دقيقه دارد. کلاژ چندصفحه اي Carrera GT سبک تر (7.7 پوند يا 3.5 کيلوگرم) و کوچکتر از هر نوع کلاژقابل قياس است. اين مسأله منجر به اين شده است که کلاژهاي مورد استفاده در 911 Turbo ، Pursche ، 50% وزني نسبت به کلاژهاي قبلي سبک تر باشند. مواد کامپوزيتي مورد استفاده ترکيبي از الياف بافته ي کربن با سيليسيم کاربيد است. سيليسيم کاربيد ماده اي است که سختي آن نزديک به الماس است. همچنين اين ماده اصطکاک و مقاومت گرمايي خوبي نيز دارد. اين خواص باعث شده است که کامپوزيت هاي توليدي، انتخابي ايده آل براي کمک به انتقال بهتر نيرو به سنگ فرش خيابان شود. قطر صفحات کلاژ تنها 6.65 اينچ است. که اين مسأله باعث مي شود نيروي گريز از مرکز بوجود آمده کمتر شود و هرچه قطر کلاژ کوچکتر باشد در نتيجه موتور نيز کوچکتر مي شود. عينک هاي آفتابي براي ماشين تان يک شيشه ي جلوي اتومبيل کامل که بوسيله ي PPG توسعه يافته اند، تقريباً 90 درصد اشعه هاي مادون قرمز خورشيد را جذب مي کند. اين پوشش ها باعث بهتر خنک شدن فضاي داخل اتومبيل مي شود و رنگ داخل اتومبيل نيز محافظت مي شود. رنگ آبي شيشه جلو باعث ايجاد اثر زيبا و موثري مي کند که کمک مي کند وسيله ها در شلوغي بهتر ديده شوند. اين شيشه هاي جلو با استفاده از يک تکنولوژي پوشش دهي نانو کامپوزيتي توليد شده اند. اين پوشش نانوکامپوزيتي به نحوه اي در داخل قطعه ي شيشه اي تشکيل شده است که بر اثر چيزهاي نوک تيز خراش و آسيب نمي بينند. PPG در سال 2006 شيشه هاي جلوي منحصر به فردي براي اتومبيل هاي Dodge charger , Dodge Magnum, Chrysler 300 C توليد کرد. يک اتومبيل خنک تر باعث مي شود که مسافرانش راحتتر باشند. همچنين دستگاه تهويه کمتر کار مي کند و بنابراين مصرف سوخت پايين مي آيد. به علاوه، شيشه هاي جلو مناسب باعث بهبود ديد راننده مي شوند. همانگونه که اين شيشه ها از عبور اشعه هاي آبي جلوگيري مي کنند راننده مي تواند نور زرد و سبز را از ميان شيشه ي جلو ببيند. اين مسأله باعث مي شود تا پديده اي ايجاد گردد که استفاده کننده بتواند بهتر ببيند و هواي غبارآلود و نور زننده کمتر به راننده اذيت کند. اين شيشه ي جلو هيچگونه خراش و يا حباب هوايي نداشته و در طي عمر مفيد خود کيفيشان کاهش نيافته و بخش شيشه اي آن از پوشش نوري آن محافظت مي کند.
سرامیک، تکنولوژی قرن آینده در این مقاله به بررسی مفهوم سرامیک و بعضی کاربردهای آن پرداخته می شود. نخست به معرفی برخی مفاهیم اولیه می پردازیم. چینی به اشیایی گفته می شود که در درجه حرارت بالا تهیه می شوند و دارای شفافیت خاصی هستند و سفال به اجسامی گفته می شود که در درجه حرارت های پایین تر ساخته می شوند و شفاف نیستند. عموما سرامیک ها دارای سختی های متفاوتی می باشند، معمولا شکننده هستند و در مقابل حرارت و فرسایش به خوبی مقاوم هستند. این مواد از خاک نسوز یا مواد معدنی دیگر بخصوص از اکسیدهای فلزی همراه با چند اکسید غیر فلزی ساخته می شوند که عنصر غیر فلزی معمولا اکسیژن است. در نهایت می توان سرامیک را هنر طراحی و ساخت اشیاء از خاک نسوز تعریف کرد. این تعریف را می توان به طور عام برای تمام مواردی که از خاک رس تهیه می شوند مثل پوشش های سرامیکی ، ساینده ها و همچنین شیشه های سرامیکی الکترونیکی به کار برد. این نکته واضح است که انقلاب صنعتی به جز در سایه ی استفاده از کوره ها،ماشین های حرارتی پیشرفته و مواد سرامیکی که برای عایق بندی حرارتی انواع مختلف کوره ها و ماشین ها استفاده می شوند ممکن نیست. در قرن حاظر با تکامل تکنولوژی الکترونیکی ، مواد دی الکتریک که دارای اهمیت بسیاری هستند نیز این مسیر تکاملی را طی نمودند.در کنار آن خصوصیات مغناطیسی و اپتیکی جدیدی برای سرامیک شناسایی شد و به عنوان قسمتی از تکنولوژی جدید الترونیک و الکترواپتیک تکامل یافت. در دنیای الکترونیک اختراع ترانزیستور و لیزر ، موج گونه ی جدیدی از قطعات را عرضه نمود ، ولی نقش مفید انها را محدودیت هایی که مواد مورد استفاده داشتند کم می نمود. در حالی که سرامیک های نوین که در میکرو الکترونیک ، سیستمهای لیزر، قطعات ارتباطی و شبکه ی اجزای مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرند نمونه ای از ایفای این نقش را نشان می دهد. استفاده از سرامیک به عنوان دی الکتریک هایی که دارای ثابت دی الکتریک بالایی می باشند ، ساخت فاز نهایی با ظرفیت بسیار بالاتر را ممکن ساخته است که بعد از کشف ابر رسانا ها اهمیت سرامیک به اوج خود رسید. برای آنکه بتوان به علت بعضی از رفتار های این مواد پی برد روش های متنوعی وجود دارد. یکی از این روش ها بررسی ریز ساختار سرامیک ها می باشد. این خصوصیت نه تنها توسط ترکیب ، نوع و تعداد فازهای موجود در ترکیب مشخص می شودبلکه توسط قرار گیری ، چارچوب و ترتیب فازها نیز مشخص می گردد. در نهایت توزیع فازها و یا زیر ساختار ها به روش ساخت سرامیک، مواد خام مورد استفاده،روابط تعادل فازی و همچنین تغیرات در فازها و رشد دانه ها و عملیات سینترنیک وابسته است. یک سرامیک فرو الکتریک از تعداد زیادی کریستال های کوچک تشکیل شده است که محور های کریستالوگرافی آنها در سرامیک به طور اتفاقی جهت دار شده است. از طرف دیگر هادی های سرامیکی در دماهای بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد نیز کارایی دارند.در حالی که اکثر فلزات در این دما قادر به کار نیستند. البته بعضی از فلزات مانند تنگستن و مولیبدیم نیز در دمای ۱۵۰۰ درجه کار می کنند ولی به علت واکنش با محیط از تنگستن در فضای آزاد نمی توان استفاده کرد. امروزه سرامیک ها تقریبا در همه جا یافت می شوند، از بدنه موتور اتومبیل های مدرن و پوشش حرارتی سفینه های فضایی تا قلب کامپیوتر ها و از داخل آشپزخانه ها تا سد سازی ، شیشه گری و سرامیک های الکترونیکی همه مواردی از کاربردهای سرامیک هستند. ▪ به طور خلاصه بعضی از کاربرد های آن به شرح زیر می باشد: ـ در علوم فضایی به عنوان مبدل ها و سنسورها در ماهواره ها، موشک ها و هواپیماها ـ در اتومبیل ها به عنوان سیستم آژیر و استارت ـ در وسایل دفایی به عنوان تونار(مسافت یاب صوتی دریایی) و آشکار سازها ـ در پزشکی باری آشکار سازی قلب جنین,جرم گیری دندان و MRI ـ در مخابرات به عنوان صافی های مبدل انرژی،سنسورها،خازن های چند لایه و مشددها ـ در وسایل ارتباطی به عنوان خازن هایی برای منابع تغذیه،رادار و سرامیک های مایکروویو برای آنتن ها. ● مواد سرامیکی انعطافپذیر ۱۸مارس ۲۰۰۲- محققان دانشگاه کُرنل با استفاده از نانوشیمی، یک گروه جدید از مواد ترکیبیی را تولید کرده و به نام سرامیکهای انعطافپذیر نامگذاری کردهاند. مواد جدید، کاربردهای گستردهای، از قطعات میکروالکترونیکی گرفته تا جداسازی مولکولهای بزرگ، مانند پروتئینها خواهند داشت. آنچه در این زمینه، حتی برای خود محققان، بیشتر جلب توجه میکند آن است که ساختمان مولکولی مادة جدید در زیر میکروسکوپ الکترونی (TEM) که به صورت ساختمان مکعبی است، با پیشگوییهای ریاضی قرن گذشته مطابقت میکند. اولریش ویسنر، استاد علوم و مهندسی مواد دانشگاه کُرنل، میگوید: "ما اکنون در تحقیقات پلیمری به ساختمانهایی برخورد میکنیم که ریاضیدانها مدتها قبل وجود آنها را از نظر تئوری اثبات کردهاند." ساختمان مادة جدید، خیلی پیچیدهتر از آن مادهای است که Plumber&#۰۳۹;s nightmare نامیده شدهاست. ویسنر در گردهمایی سالانة جامعة فیزیک آمریکا در مرکز گردهمایی ایندیانا، در مورد سرامیکهای انعطافپذیر جدید، گفت: "رفتار فازی کوپلیمر، موجب جهت دهی ترکیبهای نانوساختاری آلی/معدنی میشود." به عقیدة وی، این ماده یک زمینة تحقیقاتی مهیج و ضروری است که نتایج علمی و تکنولوژیکی بسیار هنگفتی از آن بدست میآید. گروه تحقیقاتی ویسنر از طریق شکلهای کاملاً هندسی که در طبیعت یافت میشوند، به طرف نانوشیمی هدایت شد. یک مثال کاملاً مشهود برای ساختار ظریف دو اتمیها، جلبک تکسلولی است که دیوارههای پوستة آن از حفرههای سیلیکاتی کاملاً جانشینشده[۹] ساخته شدهاست. ویسنر میگوید: "کلید طبیعی این جانشینی، کنترل کامل شکل آنها از طریق خود سامانی ترکیبات آلی، در جهت رشد مواد غیرآلی (معدنی) است." محققان دانشگاه کُرنل تصدیق کردهاند که سادهترین راه تقلید از طبیعت، استفاده از پلیمرهای آلی -مخصوصاً موادی موسوم به کوپلیمرهای دیبلاک[۱۰]&#۶۵۵۳۳; است؛ زیرا این مواد میتوانند بهطور شیمیایی به صورت نانوساختارهای با اَشکال هندسی مختلف ساماندهی شوند. اگر پلیمر بتواند به طریقی با مواد غیرآلی (معدنی) -یک سرامیک، خصوصاً یک ماده از نوع سیلیکاتی- ذوب شود، مادة ترکیبی حاصل، ترکیبی از خواص زیر را خواهد داشت: ▪ انعطافپذیری و کنترل ساختار (از پلیمر) ▪ عملکرد بالا (از سرامیک). ویسنر میگوید: "خواص مواد حاصل، فقط جمع سادة خواص پلیمرها و سرامیک نبوده، حتی ممکن است این مواد خواص کاملاً جدیدی نیز داشته باشند." محققان دانشگاه کُرنل تاکنون فقط تکههای کوچکی از سرامیک انعطافپذیر، با وزن چند گرم ساختهاند که البته برای آزمایش خواص مواد، کافی است. مادة حاصل، شفاف و قابل خمکردن است، در عین حال مقاومت قابل توجهی داشته و بر خلاف سرامیک خالص خُرد نمیشود. دربعضی موارد، این ماده، یک هادی یونی بوده و قابلیت کاربرد به صورت الکترولیت باتریهای با کارآیی بالا را دارد. همچنین مادة جدید ممکن است در پیلهای سوختی بکار برود. در بعضـی مـوارد هندسـة ۶ وجهـی مـاده-که از طریـق جفتشـدن حاصـل میشـود -بسیار بـه ساختـار دو اتمیها شبیـه است. در عـوض ویسـنرمیگوید: "با دستیابی به این ساختار مولکولی تقریباً میتوان گفت که به طبیعت کاملشدهای دست یافتهایم." ساختار متخلخل سرامیکهای انعطافپذیر وقتی شکل میگیرد که ماده در دماهای بالا عملیات حرارتی شود. به عقیدة ویسز، این در حقیقت اولین ماده با چنین هندسه و توزیع کم اندازة حفرههاست. چون ماده فقط حفره های ده تا بیست نانومتری دارد. محققین دانشگاه کُرنل، در تلاشند تا دریابند که "آیا این مواد میتوانند برای جداسازی پروتئینهای زنده استفاده شوند؟" ویسنرعقیده دارد که بهخاطر قابلیت خود ساماندهی این مواد، میتوان آنها را به صورت ناپیوسته و در مقیاس زیاد تولید کرد. او میگوید: "ما میتوانیم ساختار را کاملاً کنترل کنیم. ما میتوانیم با کنترل خیلی خوبی این ماده را به مقیاس نانو برسانیم. ما حالا میدانیم که چگونه مجموعهای از ساختارهای با شکل و اندازه حفرههای یکسان، بسازیم." محققان دانشگاه کُرنل این عمل را با کنترل "فازها" و یا با معماری مولکولی ماده بوسیلة کنترلکردن مخلوطی از پلیمر و سرامیک انجام میدهند. ماده از چند مرحلة انتقالی عبور میکند؛ از مکعبی به ۶ وجهی و سپس به نازک و مسطح و بعد به شش وجهی وارونه و مکعبی وارونه. ماده پس از مرحلة مسطح و قبل از مرحلة ۶ وجهی وارونه، به صورت ساختمان مکعبی دوگانه موسوم به Plamber&#۶۵۵۳۳;s nightmare میباشد که قبلاً در سیستمهای پلیمری یافت نشدهبود. این ساختمان اولین ساختار با چنین قابلیت انطباق بالایی است که بوسیلة ترکیب خاصی از پلیمرها و سرامیکها تولید میشود. ویسنرمیگوید: "این شانس وجود دارد که ما به مجموعهای از ساختارهای دوگانة دیگر که در پلیمرها وجود دارد و دیگران چیزی در مورد آنها نمیدانند، دست پیدا کنیم. ما راه را برای یافتن هرچه بیشتر چنین ساختارهایی باز کردهایم." این تحقیقات بوسیلة بنیاد ملی علوم، انجمن ماکس-پلانک و مرکز تحقیقات مواد دانشگاه کُرنل، پشتیبانی شدهاست.
شاخه هاي علم سراميک منبع : راسخون دو گروه عمده از سراميک ها و شيشه ها وجود دارند که اين دو گروه عبارتند از: 1- سراميک هاي سنتي (Traditional ceramics) 2- سراميک هاي پيشرفته (Advanced ceramics) کاربردهاي سراميک هاي سنتي در توليداتي مانند چيني آلات غذاخوري (dinner ware)، ظروف با قابليت استفاده شدن در اجاق غذاپزي (ovenware) و محصولات ساختماني شبيه به کاشي يا پنجره است. اکثر اين کاربردها مدت هاست که استفاده مي شوند و بنابراين مراکز و موقعيت هاي توليد و فروش اين محصولات به حد کمال رشد کرده اند. و نياز به رشد بيشترين اين مراکز انگشت شمار است. سراميک هاي پيشرفته از مواد سراميکي و شيشه هايي ساخته شده اند که خواص مکانيکي، الکتريکي، اپتيکي، شيميايي و بيومديکالي آنها بهبود يافته است. اين مواد در چند دهه ي گذشته چشم انداز و پيشرفت خوبي داشته اند. که از اين رو زمينه هاي توليد و فروش برخي از اين محصولات مي تواند رشدي دو برابر داشته باشند. دو گروه عمده در تقسيم بندي مواد سراميکي را مي توان دوباره به بخش هاي ديگر تقسيم کرد. که اين تقسيم بندي بر اساس توليدات خاص يا بخش هاي فروش انجام مي شود. (جداول 1و2) در بين اين گروه ها توصيف برخي مشکل تر است مثلاً محصولات نسوز (refractories) داراي گروه گسترده اي مي باشد که تقسيم بندي آن مشکل تر مي شود. توليد بسياري از مواد وابسته به مواد نسوز است همانگونه که مي دانيد فلزات در خطوطي توليد و شکل دهي مي شوند که بوسيله ي مواد سراميکي عايق کاري شده اند. مواد نسوز مواد مهمي هستند که در برابر محيط هاي خورنده مقاومت نشان مي دهند. اين محيط هاي خورنده گاهاً داراي دماي بيش از 3200 درجه فارنهايت (1760 درجه سانتيگراد) هستند و همچنين علاوه بر دماي بالا حمله ي عوامل بازي و اسيدي، ضربات مکانيکي و ... نيز وجود دارد. از اين رو سراميک هاي نسوز کمتر شناخته شده اند ولي موادي کاربردي هستند که نقش تعيين کننده اي در ارتقاء توانايي هاي توليد کننده ها براي صرفه جويي در مصرف انرژي و افزايش کيفيت مواد توليديشان دارند. که نتيجه ي اين مسأله پيشرفت اقتصادي در کل جهان مي شود. اگرچه مواد نسوز جزء گروه سراميک هاي سنتي هستند و اين تصور وجود دارد که زمينه هاي رشد اين نوع مواد به حد کمال رسيده ولي کاربرد و مصرف زياد اين مواد باعث شده است که به مواد پيشرفته تبديل شوند. در حقيقت يک زمينه ي جهاني فروش براي سراميک هاي پيشرفته، کوره ها هستند که تخمين زده مي شود که فروشي معادل 211 ميليون دلار داشته باشند.