آشنایی با کامپوزیت زمینه سرامیکی

کامپوزیت زمینه سرامیکی نسبت به سرامیک‌های معمولی، انعطاف‌پذیرتر است و چقرمگی بیشتری دارد. به عبارتی این ماده همان سرامیک‌های معمولی ترد و شکننده است که با استفاده از مواد تقویت‌کننده مستحکم می‌شود. با افزایش استحکام، چقرمگی و انعطاف‌پذیری، کامپوزیت زمینه سرامیکی کاربردهای فراوانی پیدا کرده‌است.

در این مقاله قصد داریم در خصوص  مفاهیم مربوط کامپوزیت سرامیکی صحبت کنیم، پس لطفاً تا پایان مطلب همراه ما بمانید.

کامپوزیت زمینه سرامیکی چیست؟

به‌طورکلی کامپوزیت به ماده‌ای متشکل از دو فاز ماتریس (۹۵ درصد) و تقویت‌کننده ( در حدود ۵ درصد) گفته می‌شود. به عبارتی دیگر هرگاه ماتریس با ترکیب زیر ۵ درصد از الیاف یا همان تقویت‌دهنده‌‌ها همراه باشد، به آن ماده کامپوزیت می‌گویند. می‌توان خواص کامپوزیت‌ها را با توجه به نیاز کنترل کرد، به همین دلیل این مواد در زمینه‌های متعدد کاربردهای گسترده‌ای دارند.

• ویژگی‌های کامپوزیت‌ها

تمامی کامپوزیت‌ها ازجمله کامپوزیت زمینه سرامیکی دارای خصوصیات قابل توجه و منحصربه‌فرد فراوانی هستند برای مثال، گاهاً این مواد علی‌رغم وزن کم‌تر، چندین برابر نسبت به فولاد مستحکم‌تر هستند. برخی از خصوصیات و ویژگی‌های کامپوزیت‌ها را در زیر بیان کرده‌ایم:

1. مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن؛
2. مقاوم در برابر خوردگی؛
3. سازگار با فلزات؛
4. دارای خصوصیات عایق حرارتی؛
5. وزن سبک و استحکام بالا؛
6. هزینهٔ کم و اقتصادی بودن؛
7. و … .

• کاربردهای کامپوزیت‌ زمینه سرامیکی

از زمانی که تولید کامپوزیت‌ زمینه سرامیکی آغاز شده‌است، تاکنون این مواد درزمینه‌های مختلفی کاربرد داشته‌اند. از مهم‌ترین کاربردهای کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی می‌توان به صنایع هوافضا، صنعت خودروسازی، کشتی‌سازی، سازه‌های دریایی، صنایع ساخت‌وساز و عایق‌‌کاری، کاربردهای پزشکی و … اشاره کرد.

روش ساخت کامپوزیت پایه سرامیکی

کامپوزیت سرامیکی با استفاده از روش‌های متنوعی تولید می‌شود. ازجمله می‌توان به روش مخلوط کردن و پرس کردن، دوغاب‌ها، روش مایع، روش فرایند سل-ژل، رسوب بخار و فرایند لینگسید و روش‌های درجا اشاره کرد. هرکدام از این روش‌ها، مراحل خاص خود را دارند و درنهایت به تولید انواع کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی مورد استفاده در صنایع مختلف منجر می‌شوند. در ادامه به معرفی دسته‌بندی و انواع کامپوزیت‌های سرامیکی می‌پردازیم:

کامپوزیت‌های تقویت‌شده با ماده ویسکر SiC

کامپوزیت سرامیکی که با استفاده از ماده SiC تقویت می‌شود را کامپوزیت‌های زمینه آلومینا می‌گویند. آلومینا یا اکسید آلومینیوم به عنوان ماتریس استفاده می‌شود. کاربردهای  کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی آلومینا بسیار گسترده بوده و از زیرلایه‌های دستگاه‌های الکتریکی تا لولای کروی استخوان مصنوعی ران را در برمی‌گیرد. کامپوزیت تقویت‌شده با SiC  مستحکم است و چقرمگی بالایی دارد.

کامپوزیت‌های تقویت‌شده با زیرکونیا

یکی از کامپوزیت‌های آلومینای تقویت‌شده، کامپوزیتی است که توسط مادهٔ زیرکونیا، چقرمه شده باشد. این نوع کامپوزیت سرامیکی بهترین کامپوزیت تقویت‌شده‌ٔ ذره‌ای شناخته‌شده تاکنون است.

کامپوزیت‌های تقویت‌شده با شیشه

این نوع کامپوزیت(SiO2) در گذشته بیشتر مورد استفاده قرار گرفته و بر روی تقویت‌کننده‌های الیاف پیوسته متمرکز است. اما امروزه استفاده از تقویت‌‌کننده‌های با الیاف SiC کاربرد و رواج بیشتری دارند.

کامپوزیت‌های تقویت‌شده با کربن – کربن متخلخل

نوع دیگری از کامپوزیت زمینه سرامیکی کامپوزیت‌های کربن-کربن متخلخل هستند. این نوع کامپوزیت سرامیکی به‌عنوان عایق در شرایط دمایی زیاد و بسیار زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. نام دیگر این کامپوزیت‌ها، الیاف کربن با زمینه کربن است که به‌صورت حروف اختصاری (CBCF) شناخته می‌شوند. به‌طورکلی در شرایطی که اکسایش در دمای بیشتر از  ۴۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد اتفاق می‌افتد و شرایط خلا یا اتمسفر خنثی است، از الیاف کربن-کربن متخلخل استفاده می‌شود.

کامپوزیت‌های تقویت‌شده با کربن – کربن متراکم

یکی از انواع کامپوزیت سرامیکی نوع کربن – کربن متراکم است. در تولید و تقویت این مواد علاوه‌بر الیاف پیوسته، از الیاف ناپیوسته نیز استفاده می‌شود. الیاف ناپیوسته به‌منظور همسان کردن و افزایش استحکام بین لایه‌‌ای در تولید قطعات بزرگ‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرند. شایان ذکر است که الیاف ناپیوسته با استفاده از ابریشم مصنوعی ساخته می‌شوند؛ به ابریشم مصنوعی، ریون نیز می‌گویند.

کامپوزیت زمینه سرامیکی کربن-کربن متراکم در صفحات ترمز هواپیما و ماشین‌های سابقه‌ای کاربرد دارد. البته این نوع کامپوزیت در موارد گسترده‌تری ازجمله قطعات توربین‌های گاز، لبه‌های موشک‌ها و ساخت اندام‌های مصنوعی بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد

دلیل عدم پیشرفت کامپوزیت زمینه سرامیکی

گفتیم که کامپوزیت‌ها انواع مختلفی دارند و کامپوزیت زمینه سرامیکی که با استفاده از مواد و الیاف مختلف تقویت می‌شود، فقط یک نوع از این ماده است. تا زمان نگارش این مقاله کامپوزیت‌های زمینه سرامیک اعم از کامپوزیت‌های آلومینا و سایر موارد نسبت به کامپوزیت‌های زمینه پلیمری کمتر توسعه یافته‌اند. می‌توان دلیل این عدم توسعه سریع را به‌صورت زیر بیان کرد:

1. 1. یکی از دلایل عدم توسعه سریع کامپوزیت زمینه سرامیکی، روش‌های فرآوری این نوع کامپوزیت است. به عبارتی دیگر، این مواد در دماهای بالا فرآوری می‌شوند، بنابراین تنها تقویت‌‌کننده‌هایی را می‌توان به‌کار برد که توان تحمل دمای بالا را داشته باشند. در حقیقت ویژگی مهم سرامیک‌های یکپارچه، این است که خواص تقویت‌کننده‌ها باید حفظ شود، بنابراین با توجه به حرارت بالا در حین کار، فقط تقویت‌کننده‌ای قابل استفاده است که تحمل دمای بالا را دشته باشد. به‌تبع در دسترس بودن چنین تقویت‌کننده‌هایی، عامل مهم توسعه سریع کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی نسبت به کامپوزیت‌های پلیمری است.
   2. به دلیل این‌که فرآوری کامپوزیت‌های سرامیکی در دمای بالا صورت می‌گیرد و از طرفی بین مواد زمینه و مواد تقویت‌کننده تفاوت ضریب انبساط وجود دارد، لذا تنش‌هایی حرارتی به‌وجود می‌آید که این خود عامل مهمی در عدم پیشرفت سریع این مواد نسبت به سایر کامپوزیت‌های موجود دارد.

جمع‌بندی مقاله کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی

کامپوزیت زمینه سرامیکی نوعی کامپوزیت تقویت‌شده با مواد مختلف ازجمله آلومینا (SiC و زیرکونیا)، کربن و الیاف پیوسته و ناپیوسته است. این ماده استحکام فوق‌العاده دارد و از انعطاف‌پذیری و چقرمگی قابل توجهی نسبت به سرامیک معمولی برخوردار است. بر همین اساس در صنایع مختلف ازجمله هوافضا، خودرو، ساخت و صنایع پزشکی کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد. از مهم‌ترین کاربردهای کامپوزیت سرامیکی می‌توان به پروتز و صفحات تثبیت‌کننده در زمینه‌های پزشکی و دندانپزشکی اشاره کرد. امیدوارم مطالب ذکرشده در خصوص این مادهٔ مهم و پُرکاربرد، برایتان مفید بوده باشد.