سرامیک های پیشرفته می توانند به کربن زدایی خودروهای ما، نیرو بخشیدن به شهرهای هوشمند ما یا حتی تقویت اکتشافات فضایی کمک کنند.

اما آیا می توان آنها را مواد پایدار در نظر گرفت؟

این مقاله کمی به پایداری سرامیک های پیشرفته می پردازد.

سرامیک فنی چیست؟

سرامیک فنی اولین بار توسط پروژه ورسای در سال 1993 در مورد مواد و استانداردهای پیشرفته تعریف شد.VAMAS) به عنوان سرامیک های بسیار مهندسی شده، با کارایی بالا، عمدتا غیر فلزی، غیر آلی با قابلیت های ویژه.

امروزه از آنها به عنوان سرامیک های پیشرفته، سرامیک های صنعتی، سرامیک های مهندسی یا سرامیک های با تکنولوژی بالا نیز یاد می شود. صرف نظر از نام، این مواد جامد تکامل یافته محصولات سرامیکی معمولی هستند.

انواع رایج سرامیک های پیشرفته

بر اساس شیمی، سرامیک های پیشرفته به طور کلی به دسته بندی می شوند سه گروه مختلف: سرامیک های اکسیدی، سرامیک های غیر اکسیدی و سرامیک های سیلیکاته.

نمونه هایی از سرامیک های پیشرفته متعلق به این گروه ها به ترتیب آلومینا، سیلیکون کاربید و کوردیریت هستند.

لیست دسته های سرامیک پیشرفته نیز ممکن است شامل شود پروسکایت ها و شیشه سرامیک.

سرامیک های سنتی در مقابل سرامیک های پیشرفته

سرامیک های سنتی برای قرن ها به عنوان ماده ای برای نگهداری کالاها (مثلاً سفال) یا ساخت و ساز (مانند کاشی و آجر بر پایه رسی) استفاده می شده است. در مقایسه، معرفی سرامیک های پیشرفته نسبتاً جدید است. برای مثال، الکتروسرامیک و سرامیک SiAlONs تنها در نیمه دوم 20 معرفی شدندهفتم قرن.

در حالی که سرامیک های معمولی از خاک رس خام (≥ 20%و سایر کانی ها (سیلیس، ماسه، کوارتز و غیره)، همتایان پیشرفته آنها با استفاده از مواد طبیعی بسیار فرآوری شده یا ترکیبات مصنوعی به دست می آیند.

با این حال، تفاوت اصلی بین سرامیک های سنتی و سرامیک های پیشرفته این است که دومی خواص حرارتی، مغناطیسی، نوری و الکتریکی را بهبود بخشیده است. به عنوان مثال، زیرکونیا، به عنوان فولاد سرامیکیمی تواند دمای 2400 درجه سانتیگراد را با حفظ استحکام و مقاومت شیمیایی خود تحمل کند.

به همین دلیل، سرامیک های با کارایی بالا می توانند جایگزین مواد دیگر در شرایط چالش برانگیز مانند دمای بالا و فشار بالا شوند. همچنین برخی از سرامیک های پیشرفته مانند اسپینل (MgAl₂O₄) دارند خواص هسته ای. از آنجایی که این مواد در برابر تشعشع پایدار هستند، می توان از این مواد برای ساخت راکتورهای همجوشی یا ذخیره زباله های رادیواکتیو استفاده کرد.

سرامیک های فنی چگونه ساخته می شوند؟

فرآیند تولید سرامیک های پیشرفته از طریق مراحل اصلی که در زیر توضیح داده شده است انجام می شود.

• بهره: پودر خام برای کاهش اندازه ذرات آن و حذف ناخالصی ها در معرض پردازش قرار می گیرد.
• مخلوط کردن: اجزای پودر فرآوری شده برای ایجاد یک ترکیب همگن ترکیب می شوند. برای تسهیل اختلاط ممکن است بایندرها، پلاستی‌سازها و دیگر معرف‌های مایع اضافه شوند.
• تشکیل: در این مرحله، مخلوط سرامیک‌های صنعتی با هم فشرده می‌شوند (تثبیت) و از طریق تکنیک‌هایی مانند پرس قالب (برای مخلوط خشک) یا ریخته‌گری لغزنده (برای دوغاب) به شکل قالب در می‌آیند. سرامیک های فنی تشکیل شده سپس از طریق فرآیند ماشینکاری سبز تصفیه می شوند تا سطح آنها صاف شود یا شکل آنها اصلاح شود.
• تف جوشی (معروف به شلیک): در اینجا، سرامیک های فنی “سبز” در دمایی کمتر از نقطه ذوب خود گرم می شوند تا چگالی آنها افزایش یابد. بسته به نوع سرامیک های پیشرفته، می توان از تف جوشی حالت جامد یا فاز مایع استفاده کرد.

سرامیک های فنی چقدر پایدار هستند؟

یکی از عوامل موثر بر پایداری سرامیک های پیشرفته، قابلیت بازیافت آنهاست. برای مثال، پودر آلومینا زباله می توان آن را برای ساخت سرامیک های جدید تغییر کاربری داد. محققان دریافتند که نمونه ای با محتوای آلومینا بازیافتی تا 20 درصد سختی و چقرمگی شکست آن را افزایش می دهد.

به طور کلی، سرامیک های فنی در مقایسه با مواد دیگر مانند پلاستیک بی اثر هستند و به راحتی تجزیه نمی شوند. به همین دلیل، آنها آلاینده هایی را که می تواند برای محیط زیست مضر باشد، منتشر نمی کنند میکروپلاستیک ها.

بر خلاف مواد زیست تخریب پذیر و کمپوست پذیر، محصولات سرامیکی صنعتی دوباره به اجزای اصلی خود تبدیل نمی شوند. از سوی دیگر، دوام آنها از نظر پایداری اقتصادی دارایی برتر است. علاوه بر این، سرامیک‌های فنی عملکرد بالا را در مدت طولانی حفظ می‌کنند، بنابراین دفع زباله، هزینه‌های نگهداری و سرمایه‌گذاری بیشتر برای ساخت محصولات سرامیک پیشرفته جدید را کاهش می‌دهند.

با این وجود، تولید سرامیک های پیشرفته دارای ردپای کربن نسبتا بالایی است. که در درجه اول به دلیل فرآیند تولید انرژی بر، که شامل مراحل متعدد عملیات حرارتی می باشد. در واقع، حدود 80 درصد از کل انتشار کربن در طی پخت اتفاق می افتد، که همچنین عمدتاً با سوخت های فسیلی تغذیه می شود. با این حال، بر اساس تجزیه و تحلیل اخیر، فرآیند پخت سرد (CSP) می تواند یک گزینه ارزان تر و سبزتر باشد در مقایسه با روش های پخت سنتی، زیرا می توان آن را در دماهای بسیار پایین تر از دمای اتاق تا 200 درجه سانتیگراد کار کرد. با این حال، CSP هنوز در مراحل ابتدایی خود است و به دلیل نیاز به درک بیشتر فنی-اقتصادی، زمان می برد تا گسترش یابد.

برنامه های کاربردی پایدار

تحقیقات قابل توجهی در مورد سرامیک های پیشرفته برای بهبود پایداری آنها انجام شده است.

دانشمندان در حال توسعه روش های دایره ای برای استفاده مجدد از بقایای فرآیندهای تولید سرامیک هستند. به عنوان مثال، یک مطالعه نشان داد که چگونه قلوه سنگ های سرامیکی خرد شده بازیافتی (RCCR) می تواند برای بهبود خواص ژئوتکنیکی خاک استفاده شود.

علاوه بر این، سرامیک های فنی نقش مهمی در کربن زدایی بخش حمل و نقل دارند. ترکیب مقاومت دما با عایق الکتریکی، سرامیک های پیشرفته مانند دی اکسید تیتانیوم یا زیرکونیا اجازه می دهد سنسورهای لامبدا برای اندازه گیری دقیق سطح اکسیژن در گاز اگزوز خودروها. سنسور با واحد کنترل الکترونیکی خودرو (ECU) ارتباط برقرار می کند که نسبت هوا به سوخت گازهای خروجی را بر اساس غلظت اکسیژن تنظیم می کند. در نتیجه موتور عملکرد بهتری دارد و آلاینده های کمتری منتشر می کند.

کار با انواع سوخت (به عنوان مثال هیدروژن، بیوگاز)، سلول های سوختی اکسید جامد مبتنی بر زیرکونیا (SOFC ها) می تواند خودروهای برقی را که جایگزین سبزتری برای خودروهای بنزینی و دیزلی هستند، تامین کند. سرامیک های فنی مانند کوردیریت یا سیلیکون کاربید اجزای ضروری فیلترهای ذرات دیزل هستند.DPF ها) که آلاینده های اگزوز خودروها را بی خطر می کند.

علاوه بر صنعت خودروسازی، سرامیک های فنی انتقال به انرژی پاک را تقویت می کنند. پوشش های الکتروسرامیک مدتی است که برای محافظت از توربین های بادی در برابر خوردگی استفاده می شود و در نتیجه عمر آنها را افزایش می دهد. پروسکایت همچنین یک ماده بسیار امیدوار کننده برای توسعه پنل های خورشیدی با راندمان بالا است. در ژوئن 2021، یک سازنده چینی ادعا کرد که یک سلول خورشیدی پروسکایت ساخته است که بازدهی حدود 30% در عرض یک سال.

بر اساس یک اخیر مرورسرامیک های پیشرفته می توانند مواد آینده برای تبدیل و ذخیره انرژی باشند. به عنوان مثال، الف مواد سرامیکی مبتنی بر اکسید روی برای تبدیل گرمای زباله های صنعتی به برق یافت شد. با برداشت انرژی مکانیکی از ارتعاشات یا بارها، پیزوالکتریک ها می توانند آن را به الکتریسیته تبدیل کنند.

سپس این مواد سرامیکی هوشمند می توانند قدرت سنسورهای مجهز به اینترنت اشیا، دستگاه های الکترونیکی، لباس های هوشمند یا حتی ذخیره برق در مکان های دور. پرکننده های سرامیکی به دلیل ظرفیت گرمایی بالای خود می توانند انرژی حرارتی را ذخیره کنند. ناگفته نماند که الکترولیت های سرامیکی می تواند راه حل ایمن تر و کارآمدتر برای باتری های لیتیوم یون قابل شارژ باشد.

برنامه های فضایی

کاربرد سرامیک های فنی در برنامه اکتشاف فضایی می تواند تأثیر غیر مستقیمی بر پایداری داشته باشد. فلزات خاکی کمیاب (REM) و سایر مواد معدنی روی زمین قرار نیست برای همیشه دوام بیاورند. خوشبختانه، این می تواند از استخراج شود قمری سیارک های سطحی و نزدیک به زمین (NEAs). با این حال، استخراج فضایی همچنان به تجهیزات بهتری نیاز دارد. اینجاست که سرامیک های پیشرفته وارد بازی می شوند.

نکستلیک پارچه ضد حریق بسیار قوی مبتنی بر سیلیس است که می تواند در برابر برخورد شهاب سنگ ها مقاومت کند و بنابراین برای محافظت از شاتل های فضایی ناسا مفید است. همچنین، سرامیک ساختاری پیشرفته و کامپوزیت های کربن/سرامیک ممکن است پیشرفت در نیروی محرکه هوافضا را تسریع بخشد. ولی آینده پیشرانه الکتریکی استبه خصوص برای ماموریت های طولانی مدت. حتی در این مورد، فناوری پیشرفته سرامیک استراتژیک است. موادی مانند آلومینا یا کاربید سیلیکون را می توان برای ساخت رانشگرها استفاده کرد. فضاپیمای مقرون‌به‌صرفه‌تر، فرکانس مأموریت‌ها را پیش می‌برد و شکار فلزات گرانبها را از فضای بیرونی سرعت می‌بخشد.

نتیجه گیری

تولید سرامیک های پیشرفته پر انرژی هنوز یک چالش بزرگ برای پایداری این مواد است. با این حال، ویژگی‌های همه‌کاره و منحصربه‌فرد سرامیک‌های فنی همراه با عملکرد بالای طولانی‌مدت آن‌ها، آنها را به یک راه‌حل پایدار برای آینده چندین صنعت تبدیل می‌کند.

اگر از خواندن این مقاله لذت برده اید، می توانید مطالب مرتبط بیشتری را نیز در اینجا بخوانید: