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.