الخزف

الخزف الفني هو فرع من علم المواد يتعامل مع علم وتكنولوجيا المواد المعدنية غير المعدنية ذات التطبيقات الصناعية أو العسكرية. يختلف اختلافًا جذريًا عن إبداعات الحرفيين (الفخار) أو الفني (الخزف الفني) وكذلك الخزف للاستخدام المنزلي. يتعامل هذا التخصص بشكل خاص مع البحث والتطوير في السيراميك بخصائص فيزيائية معينة ، والتي تغطي تنقية المواد الخام ، ودراسة وإنتاج المركبات الكيميائية اللازمة لإنتاج المواد النهائية ، وتكوينها في المكونات. دراسة تركيبها وتكوينها وخصائصها الفيزيائية والكيميائية.

هذه المواد هي على سبيل المثال أكاسيد ، مثل الألومينا Al2O3 وثاني أكسيد الزركونيوم ZrO2 ، وغير أكاسيد ، والتي غالبًا ما تكون من السيراميك شديد المقاومة للحرارة (بوريدات وكربيدات ونتريد من معادن مقاومة للصهر ، أو سيراميك مقوى بالسيليكون أو حتى مغنيسيوم) ، أو حتى سيراميك مركب ، وهي مجموعات من الاثنين السابقتين.

الخزف التقني

يمكن أن يكون الخزف التقني متبلورًا بالكامل أو متبلورًا جزئيًا ، مع تنظيم واسع النطاق على المستوى الذري ؛ يمكن أن يكون للسيراميك الزجاجي أيضًا بنية غير متبلورة خالية من التنظيم على المستوى الذري ، أو لديها درجة محدودة من التنظيم. تعرف الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) السيراميك بأنه “جزء به جسم مزجج أو غير مزجج ، من هيكل بلوري أو بلوري جزئيًا ، أو في زجاج ، يتكون جسمه من مواد معدنية وغير معدنية أساسًا ، ويتكون من كتلة منصهرة. يتجمد عند التبريد ، أو يتشكل وينضج ، في نفس الوقت أو لاحقًا ، بفعل الحرارة “[1] ؛ من الممكن أيضًا إضافة طريقة للحصول على درجة حرارة منخفضة عن طريق ترسيب المحاليل الكيميائية عالية النقاء ، مثل التوليف الحراري المائي (en) ، أو عن طريق البلمرة ، مثل عملية sol-gel.

إقرأ أيضا:كيف تتعامل مع تلاميذك

يمكن أن تكون الخصائص المحددة المطلوبة للسيراميك التقني ذات طبيعة ميكانيكية ، أو كهربائية ، أو مغناطيسية ، أو بصرية ، أو كهرضغطية ، أو حديد كهربية ، أو فائقة التوصيل ، على سبيل المثال ، والتي تمثل مجموعة متنوعة جدًا من التطبيقات لهذا النوع من المواد ، سواء في هندسة المواد ، أو الكهرباء. الهندسة والهندسة الكيميائية والهندسة الميكانيكية. نظرًا لأن السيراميك قابل للحرارة ، فيمكنه أداء وظائف لا تكون البوليمرات والمعادن مناسبة لها. وهذا هو سبب وجودها في مجالات متنوعة مثل صناعة التعدين وصناعة الفضاء والطب وصناعة الأغذية والصناعات الكيماوية وصناعة أشباه الموصلات والصناعة النووية ونقل الكهرباء والموجهات الكهرومغناطيسية.

السيراميك

يظل السيراميك صلبًا عند درجات الحرارة العالية ، ويقاوم الصدمات الحرارية (مثل “بلاط” مكوك الفضاء الأمريكي) بالإضافة إلى الشيخوخة والهجمات المناخية أو الكيميائية. تتمتع المواد الخزفية عمومًا بقوة ميكانيكية جيدة وكثافة منخفضة وصلابة عالية ومقاومة جيدة للتآكل. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي العيوب في المادة ، مثل التشققات الناتجة عن التلبيد غير الكامل ، إلى تغيير هذه الخصائص. استخدامها آمن للبشر ، والعديد منها متوافق حيوياً ، مثل هيدروكسيباتيت Ca5 (PO4) 3 (OH) ؛ وبالتالي يتم استخدامها كمعدات صحية أو طبية أو غذائية. السيراميك عمومًا له موصلية حرارية منخفضة.

إقرأ أيضا:فوائد التوت

وهي بشكل عام غير شفافة أو شفافة (زجاج غير متبلور) ، ولكن يمكن أن تكون شفافة أيضًا ، مثل الألومينا Al2O3 ونتريد الألومنيوم AlN وأكسيد الإيتريوم (III) Y2O3 و YAG Y3Al5O12 ، على سبيل المثال لمناظير الرؤية الليلية أو أنظمة توجيه الصواريخ بالأشعة تحت الحمراء إنها عوازل كهربائية ممتازة وتستخدم ، على سبيل المثال ، كعوازل للدوائر الكهربائية أو خطوط الجهد العالي. في ظل ظروف معينة ، لا سيما درجات الحرارة المبردة (بضع عشرات من كلفن) ، تصبح بعض أنواع السيراميك فائقة التوصيل. في السيراميك ، الروابط بين الذرات لها طابع تساهمي أيوني.

الروابط الأيونية

الروابط الأيونية ليست اتجاهية ، فهي تميل إلى تعظيم عوامل الجذب كولوم وتقليل التنافر المتساوي ، مما يؤدي إلى ترتيبات الأنيون والكاتيونات المدمجة ؛ الروابط التساهمية اتجاهية وتؤدي إلى ترتيبات ذرية أكثر اتساعًا. يعتمد الطابع الأيوني إلى حد ما أو بالأحرى التساهمية للرابطة الكيميائية على الاختلاف في الكهربية للذرات المكونة للسيراميك: بشكل عام ، يفضل الاختلاف الكبير في الكهربية الروابط الأيونية بينما يفضل الاختلاف المنخفض الروابط التساهمية ؛ وبالتالي ، فإن فلوريد الكالسيوم CaF2 أيوني بشكل أساسي بينما كربيد السيليكون SiC هو أساسًا تساهمي ، وثاني أكسيد السيليكون SiO2 وسيط.

إقرأ أيضا:الوعي و التزامن العالمي

عن طريق تحرير عملية جافة:يتم تطبيق معالجة حرارية مناسبة ، عادةً حوالي 1200 درجة مئوية ، على خليط من المواد الأولية الصلبة المسحوقة من أجل الحصول على مادة السيراميك المطلوبة. هذا تفاعل طور صلب عند درجة حرارة عالية يستخدم قبل كل شيء للحصول على أجزاء ضخمة ، أي بسمك 1 مم على الأقل. المساحيق مطحونة ناعماً وتصل إلى درجة حرارة عالية ولكن أقل من نقطة انصهارها بحيث يحدث التفاعل الكيميائي على أسطح التلامس بين الحبوب.

نسيج المساحيق المتكونة

التحرير الرطب الترسيب المشترك في المحللهذا النوع من العمليات أسرع ويتطلب درجات حرارة أقل من العملية الجافة. يسمح بتحكم أفضل في نسيج المساحيق المتكونة ويمكن استخدامه لإنتاج طبقات رقيقة بترتيب الميكرومتر. يتكون بشكل خاص من الترسيب المتزامن في الطور المائي للأملاح المعدنية تحت تأثير قاعدة قوية ، مما يعطي هيدروكسيدات رطبة M1M2 (OH) x · zH2O ، أو تحت تأثير حمض الأكساليك HOOC – COOH ، مما يعطي أكسالات رطبة M1M2 (C2O4 ) x · zH2O ، يتم إزالة الماء من هذه المركبات عن طريق التسخين.

في طريقة الهيدروكسيدات المعدنية التي تم الحصول عليها تحت تأثير قاعدة قوية ، من المهم أن يضع المرء نفسه في درجة حموضة تتعايش فيها هذه الهيدروكسيدات ، في الحالة الحالية عند درجة حموضة من 9 إلى 10 ، بحيث يكون هناك في الواقع ، هطول الأمطار المشترك. على سبيل المثال ، يمكن الحصول على الفريت الكوبالت CoFe2O4 عن طريق الترسيب المشترك لكلوريدات المعادن تحت تأثير هيدروكسيد الصوديوم NaOH ثم تسخين الهيدروكسيدات التي تم الحصول عليها إلى حوالي 700 درجة مئوية.

الخزف الفني:عملية سول جل:

تتيح عملية sol-gel تصنيع بوليمر غير عضوي عن طريق تفاعلات كيميائية بسيطة وعند درجة حرارة قريبة نسبيًا من درجة حرارة الغرفة ، أي ما بين 20 و 150 درجة مئوية. يتم التوليف من كحول الصيغة M (OR) n ، حيث M عبارة عن معدن أو ذرة سيليكون ، و R مجموعة ألكيل عضوية CnH2n + 1 ، على سبيل المثال رباعي إيثيل أورثوسيليكات Si (OCH2CH3) 4 (TEOS). تتمثل إحدى مزايا هذه العملية في وجود هذه السلائف لعدد كبير من المعادن والأشباه المعدنية.

وهي إما سائلة أو صلبة ، وفي هذه الحالة تكون قابلة للذوبان في معظمها في المذيبات. المعتادة. لذلك من الممكن تحضير مخاليط متجانسة من المونومرات (السلائف) أو قليلة القسيمات. يتم تشغيل التفاعلات. الكيميائية البسيطة في قاعدة العملية عندما يتم وضع السلائف في وجود الماء: يحدث التحلل المائي لمجموعات الكحول أولاً ، ثم يؤدي تكثيف المنتجات المتحللة بالماء إلى تكوين هلام للنظام. يمكن توضيح ذلك من خلال تفاعلات .إنتاج ثاني أكسيد السيليكون SiO2 من الكحولات .من نوع Si (OR) 4 ، والتي بدأت من خلال التحلل المائي الذي يعطي .وسيطًا هيدروكسيلًا HOSi (OR) 3 الذي ينتشر منه تفاعل البلمرة .مكونًا سلسلة من Si-O – روابط Si siloxane مع إطلاق الماء H2O وكحول ROH.

الخزف الفني:التحلل المائي الكامل

يمكن تحقيق التحلل المائي الكامل للسلائف بشكل عام من خلال الماء الزائد أو استخدام محفزات التحلل المائي مثل حمض الأسيتيك CH3COOH أو حمض الهيدروكلوريك حمض الهيدروكلوريك. يمكن أن يؤدي تكوين المواد الوسيطة مثل (OR) 2Si (OH) 2 أو (OR) 3SiOH إلى التحلل المائي الجزئي. تتيح عملية sol-gel وضع المادة النهائية في أشكال مختلفة ، بما في ذلك الأحجار المتراصة ، والمواد الضخمة من بضعة مليمترات مكعبة إلى بضع عشرات من السنتيمترات المكعبة ، والطبقات الرقيقة ، من بضع نانومترات إلى بضع عشرات من الميكرومترات.

من مسحوق السيراميك تحرير التلبيد – التلبيد هو عملية فيزيائية تعتمد على انتشار المادة .عبر أسطح التلامس بين حبيبات السيراميك لتؤدي إلى صهر هذه الحبيبات والحصول على جزء صلب مكون من مادة خزفية مضغوطة. بقدر ما لا تتطلب عملية التشكيل هذه الوصول إلى نقطة انصهار المادة ، يمكن استخدامها في تعدين المساحيق. لمعالجة المعادن المقاومة للصهر بشكل خاص مثل التنجستن ، والرينيوم ، والأوزميوم ، والتنتالوم ، وكذلك السيراميك شديد الحرارة مثل الهافنيوم ، التنتالوم أو النيوبيوم أو كربيدات الزركونيوم ، التي تتجاوز نقطة انصهارها 2000 درجة مئوية ، بحيث لا يمكن معالجتها عن طريق الصب أو البثق أو الصب عن طريق حقن المواد المنصهرة ، والتي تجعل مقاومتها لتشوه البلاستيك عملية التشكيل والدرفلة غير عملية.

الخزف الفني:تقشير المساحيق وإزالة الكربونات

للتلبيد لإعطاء سيراميك عالي الجودة ، يجب أولاً تغليف المساحيق بأدق ما يمكن من أجل تحسين حجم جزيئاتها وتجانسها. يتم تشكيلها بعد ذلك عن طريق الضغط أو البثق أو الحقن أو الصب أو تقنيات التشكيل الأخرى اعتمادًا. على الشكل المطلوب ، ودرجة رطوبة المساحيق ، أو حتى طبيعة المادة. يمكن أن تؤدي المعالجة .الحرارية في البداية إلى تقشير المساحيق .وإزالة الكربونات منها وتجفيفها ، ثم تضمن انتشار المادة المسؤولة عن عملية التلبيد. وتوحيد السيراميك. يمكن أن يشمل التشطيب مراحل من المعالجة. بالقطع أو التلميع أو طلاء الجزء الذي تم الحصول عليه.

الضغط – في الضغط أحادي المحور ، يتم ضغط المسحوق في قالب صلب باستخدام ثقب. قالب الضغط .من المعدن ويمكن معالجة الأجزاء الملامسة للمسحوق لمقاومة التآكل والتآكل. تؤدي هذه التقنية إلى إنتاج أجزاء .ذات شكل بسيط ، مثل الأختام أو حلقات التحمل الميكانيكية. في الضغط المتساوي ، يتم ضغط المسحوق في حاوية مرنة مثبتة بواسطة. قالب دعم صلب. يتم تطبيق الضغط من خلال سائل أساسه الزيت والماء. تؤدي هذه التقنية إلى إنتاج. أجزاء ذات شكل معقد ، مثل الأنابيب أو شمعات الإشعال. يمكن أن يستخدم تلبيد السيراميك. التقني أيضًا تقنيات. الضغط الساخن ، أو حتى الضغط المتساوي الساكن.

الخزف الفني:مزيج البوليمر والسيراميك

يتيح مزيج البوليمر والسيراميك تشكيل مسحوق خزفي ، مما يجعل من الممكن الحصول على جزء مركب. من الضروري إجراء خطوة تلبيد لاحقة لهذه الطرق للحصول على جزء خزفي من تلقاء نفسه. البثق – يتم دفع الخليط الملدن وغير المنحل سابقًا عبر قالب هندسي معين باستخدام برغي. بعد البثق ، يتم قطع الأجزاء إلى الطول المطلوب ، ثم تخضع للعلاجات المناسبة. تؤدي هذه التقنية إلى إنتاج أجزاء ذات شكل معقد وأبعاد كبيرة ، مثل الأنابيب أو الأنابيب. التصنيع الإضافي – يمكن استخدام تقنيات التصنيع المضافة المختلفة لتشكيل مكونات السيراميك ، لكن الطبيعة الحرارية للسيراميك تمنع استخدام تقنيات نصف القطر (SLS ، EBM). ومع ذلك ، فإن عمليات تصنيع البثق الإضافي (FFF) ، على غرار عملية البثق ، تسمح بإنشاء جزء عن طريق تحريك فوهة البثق لتكوين الحجم. [3] إن إسقاط مسحوق خزفي على راتينج حساس للضوء أو العكس هو أيضًا تقنية مناسبة للسيراميك (Binder Jetting أو Material Jetting).

[4] قولبة حقن المسحوق – يتم إدخال الخليط المميع في قالب له شكل الجزء المراد تصنيعه. يتم تسخين خليط الذوبان الساخن في حاوية ثم دفعه من خلال فوهة إلى القالب ، وتكون درجة حرارته أقل من نقطة انصهار الخليط. بعد التصلب ، عن طريق خفض درجة الحرارة ، يتم إخراج الجزء من القالب. تؤدي هذه التقنية إلى إنتاج أجزاء ذات شكل بسيط أو معقد في سلسلة ، يبلغ أقصى سمك لها 1 سم.

الخزف الفني:تحرير الموثق السائل الصب

مع تحرير الموثق السائل الصب – في صب القالب المسامي ، يُسكب الخليط في قالب له شكل الجزء المراد تصنيعه. يُسمح للجزء بالتصلب. تؤدي هذه التقنية إلى إنتاج أجزاء كبيرة الحجم. في صب القوالب ، يتم تطبيق الضغط على ملاط ​​الصب في قالب مسامي. يدفع تدرج الضغط السائل عبر القالب المسامي ومن خلال طبقة التشكيل ، مما يجعل من الممكن تقليل وقت ضبط التعليق مقارنةً بالصب التقليدي. هذه التقنية ، المستخدمة بشكل خاص في مجال السيراميك التقليدي ، تؤدي إلى إنتاج أجزاء ضخمة. يمكن أن تكون الإنتاجية عالية.