موضوع مقاله: مواد پیشرفته | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # مواد پیشرفته | مقدمه: مواد پیشرفته به دسته‌ای از مواد گفته می‌شود که دارای ویژگی‌های بسیار برتر از مواد معمولی هستند. | ## بخش 1: مواد پیشرفته | این گروه دارای ویژگی‌های خاص مانند قابلیت حفظ کردن شکل (آلیاژهای حافظه‌دار) هستند که در حقیقت با درک تغییرات محیط، عکس‌العمل نشان می‌دهند. استفاده از این گونه مواد در ساخت ایمپلنت و تراشه‌های کامپیوتری بسیار توسعه یافته است. به‌طور کلی مواد پیشرفته در گروه‌های متفاوتی از قبیل سرامیک‌های مدرن، آلیاژهای فلزی، نیمه هادی‌ها، بیو مواد (سرامیکی و فلزی)، مواد متخلخل (فیلترهای سرامیکی) و… طبقه‌بندی می‌شود. در این مقاله به بررسی یک شاخه از مواد پیشرفته تحت عنوان سرامیک‌های پیشرفته در حوزه‌های مختلف مانند آزمون‌های غیر مخرب، بایو سرامیک‌ها، استانداردها و دستورالعمل‌های طراحی و… پرداخته می‌شود. برای همین، نیاز به بررسی عیوب ایجاد شده در حین تولید این مواد به‌منظور اطمینان از کارایی نیازمند هست که آزمون‌های غیر مخرب(NDT) می‌توانند در حین کار دستگاه یا حین سرویس بکار برده شوند. برای این منظور فرایند تولید، میزان تافنس شکست و میزان اندازه بحرانی عیوب سرامیک‌های پیشرفته مورد ارزیابی قرار می‌گیرد که در جدول زیر به مراحل مورد نیاز برای ساخت یک سرامیک یکپارچه اشاره شده است. برای نمونه، اندازه عیوب بحرانی برای سرامیک‌های یکپارچه، ۱۰ تا ۱۰۰ میکرومتر، کار را برای آزمون غیرمخرب بسیار سخت کرده است. این درحالی است که کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی حالت شکست و اندازه عیوب بحرانی مختلفی را نسبت به سرامیک‌های یکپارچه دارا می‌باشند. برای این منظور، کل این بخش به دو دسته آزمون غیرمخرب سرامیک‌های یکپارچه و کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی تقسیم شده است. شناسایی عیوب سرامیک‌های یکپارچه اطلاعات مرحله خام پودرها حضور ناخالصی‌های پرچگال Fe و WC در پودر اولیه برای محصول نهایی سرامیکی بسیار مخرب گزارش شده است. از این رو، روش تصویربرداری NMR می‌تواند به راحتی اطلاعات سه بعدی از نمونه را در اختیار بازرس قرار دهد. در این مرحله، یک چرخ خردکننده در تماس با قطعه کار است که سنگ ریزه‌های موجود در چرخ خردکننده می‌توانند سطوح مختلف آسیب را در قطعه ایجاد کند. این روش شبیه تکنولوژی آلتراسونیک کلاسیک، تنها به‌جای برخورد امواج صوتی بر سطح نمونه، نور لیزر برخوردی به نمونه عمق ماده را پویش می‌کند. همانند حالت C-اسکن در آزمون آلتراسونیک، داده‌ها به شکل تصاویر سیاه/سفید از قسمت نمونه مورد بررسی حاصل می‌شوند. روش آلتراسونیک شناسایی آسیب‌های خزشی در روش آلتراسونیک با استفاده از اندازه‌گیری دقیق سرعت آلتراسونیک مورد مطالعه قرار می‌گیرد زیرا خزش خواص الاستیک ماده را و سرعت صوتی را تغییر می‌دهد. شکل زیر نتیجه بررسی نمونه خزش یافته Si3N4 با امواج طولی آلتراسونیک را نشان می‌دهد که در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد به مدت ۲۰۰ ساعت تحت تنش‌های مختلف خزشی قرار داشته است. چهار ماده سرامیکی که هم‌اکنون مورد استفاده قرار می‌گیرید شامل آلومینا، زیرکونیا، تتراکلسیم بتا و کلسیم هیدروکسی آپاتیت است. از این رو شناسایی عیوب این مواد از طریق غیر مخرب بسیار مهم است که روش‌های بحث شده کاربردی در این زمینه‌اند. شناسایی عیوب کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی این نوع سرامیک‌ها سختی کار شناسایی عیوب را به دلیل ساختار پیچیده خود برای آزمون غیر مخرب به وجود می‌آورند. گفتنی است که تفاوت بارز میکروساختاری کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی با سرامیک‌های یکپارچه را می‌توان با دیدن ساختارهای فیبری موجود در کامپوزیت توجیه کرد که شکل زیر به چند نمونه از آن پرداخته است. اطلاعات در حین فرایند برای بیشتر سرامیک‌های کامپوزیتی مرحله فرایند را برای بررسی انتخاب می‌کنند زیرا امکان استفاده از کوپل مایع برای آزمون آلتراسونیک وجود ندارد و این به دلیل این است که جذب آب، خود را می‌تواند به عنوان یک عیب نشان دهد. میزان نرخ هدایت حرارتی در نمونه به نفوذ حرارتی ماده مربوط است که با تعیین اندازه نرخ افزایش دما در صفحه پشتی نمونه به‌دست می‌آید. وقتی که نسبت T به TM به نصف برسد(T/TM=۰٫۵)، نفوذ حرارتی (α)، با فرمولα = 1.37L^۲/π^2t1.۲ به‌دست می‌آید. آلتراسونیک با کوپل هوا این روش به نسبت روش‌های دیگر تقریباً جدید است که با پیشرفت در پیزوالکتریک‌ها و سیگنال‌های دیجیتالی بسیار کاربرپسندتر شده است. روش به این صورت است که وقتی یک موج صوتی در ماده نفوذ می‌کند توسط عیوب پراکنده می‌شوند. ناحیه شامل عیوب (مانند حفرات و مناطق لایه لایه شده) با اندازه‌های مختلف سیاه/سفید، بر روی عکس نمایان می‌شوند. اثر رزونانس صوتی در بسیاری از کاربرد کامپوزیت‌های سرامیکی، رفتار میرایی و فرکانس رزوناسن مهم است. در کل دو روش اصلی برای تعیین فرکانس رزونانس یک ترکیب یا زیرترکیب(subcomponent) می‌توان به کار بست که شامل تحرک پیوسته با فرکانس روبش شده در حالی که لرزش ترکیب اندازه‌گیری می‌شود یا با استفاده از تحرک تأثیر تند همراه با یک روش برای شناسایی لرزش‌های ایجاد شده است. شناسایی تخلخل‌ها اکثر سرامیک‌های کامپوزیتی برای استفاده در دمای بالا طراحی شده‌اند. خواص حرارتی و همگنی آن در داخل ترکیب مهم ارزیابی می‌شود و نواحی با تخلخل بالا یک مشکل به حساب می‌آیند. شناخت این عیوب با چندین روش آزمون غیر مخرب قابل بررسی است از جمله روش آلتراسونیک با کوپل هوا، روش‌های تصویر برداری حرارتی و XTC. تعیین اثر آسیب بر قطعه (توسط جسم خارجی) FOD می‌تواند بر روی هر ترکیبی رخ دهد که تا به امروز تلاش‌های محدودی برای گسترش روش‌های غیر مخرب آن انجام شده است. اخیراً تعیین عیب FOD با دو روش تصویر برداری حرارتی و آلتراسونیک با کوپل هوا انجام شده است. این درحالی است که بازرسی چشمی(VI) قطعه، آسیب‌های محدودی از سطح قطعه را نشان می‌دهد و نمی‌تواند عمق و میزان آسیب را تعیین کند. شناسایی ترک در راستای ضخامت در شناسایی این عیب نیز روش تصویربرداری حرارتی و آلتراسونیک با کوپ هوا استفاده می‌شود. استانداردها و دستورالعمل‌ها برای مواد پیشرفته مقدمه امروزه رفتار ترمومکانیکی و خواص فیزیکی مواد پیشرفته مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. شناسایی و تعیین خواص و عملکرد مواد پیشرفته بنا به دلایل زیر نیازمند است: فراهم آوری ویژگی‌های پایه مواد پیشرفته برای پیشرفته سازی، کنترل کیفیت و بررسی‌های قیاسی مواد فراهم‌آوری یک ابزار مطالعه به منظوره شناسایی مکانیزم‌های عملکرد مکانیکی مواد فراهم‌آوری اطلاعات پیش‌بینی عملکرد مهندسی برای کاربرد مهندسی و طراحی اجزاء همچنین برای اینکه یک ماده تولید شده به مرحله تجاری سازی و عرضه در بازار برسد باید استانداردهای لازم را به‌دست‌آورد. استانداردها استانداردها را می‌توان به دو دسته استانداردهای ملی و بین‌المللی تقسیم کرد که در ادامه به آن پرداخته می‌شود. در سازمان جهانی استانداردسازی(ISO) حدود ۱۳۰ سازمان ملی حاوی استاندارد ملی وجود دارد. ایالات متحده آمریکا ایالات متحده تنها کشوری هست که سازمان‌های استاندارد ملی آن تحت حمایت دولت مردان این کشور نیستند. همچنین، این بنیاد مواد مرجع استاندارد(SRMs) که برای کالیبراسیون دستگاه‌ها استفاده می‌شود را نیز تعیین می‌کند. انجمن مواد و آزمایش آمریکا(ASTM) این انجمن بیشترین نیاز استانداردسازی در حوزه مواد پیشرفته را برطرف می‌کند. برا نمونه، کمیته C28 شامل چندین زیر کمیته مانند C28/07 کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی هست. استاندارد ASTM برای مواد پیشرفته جدول زیر کمیته‌های استانداردسازی ASTM را برای مواد پیشرفته نشان می‌دهد. مواد کمیته‌های ارزیابی تیتانیوم فلزها و آلیاژهای انفعالی و نسوز B10 کربن، گرافیت، کامپوزیت‌های کربن-کربن محصولات گرافیتی و کربنی مصنوعی C5پروسلین (ظروف‌چینی)، تولیدات آلومینیم اکسیدی سرامیک‌های نرم‌افزاری و محصولات مربوطهC21 سرامیک‌های یکپارچه و کامپوزیتی سرامیک‌های پیشرفتهC28 کامپوزیت‌های پلیمری و زمینه فلزی مواد کامپوزیتیD30 بسترهای الکترونیکی، تخته مداری و غیر مواد الکترونیکیF1 بایومواد مواد و تجهیزات جراحی و پزشکیF4 بین‌المللی اروپا در قاره اروپا، هر کشور صنعتی دارای بنیاد استاندارد ملی است مانند BSI (انگلستان)، DIN (آلمان)، AFNOR (فرانسه)، ELOT (یونان) و IPQ (پرتغال). مضافاً، کمیته مطلوب سازی استاندارد اروپا(CEN) برای نظارت بر دیگر ارگان‌های استانداردسازی برای جلوگیری از استانداردسازی‌های مشابه و تکراری تأسیس شده است. برای نمونه، کمیته CEN برای مواد پیشرفته را در جدول ذیل آورده شده است: مواد شامل گروه‌های TC کمیته‌های تخصصی(TC) متنوعموادTC262 (حفاظت از مواد فلزی در برابر خوردگی) پلیمرهامواد TC249 (پلاستیک‌ها)متنوع مواد TC240 (پاشش حرارتی و محصولات مربوط به پوشش‌های ایجاد شده با پاشش حرارتی) پلیمر، شیشه و غیرهمواد TC189 (ژئوتکستایل و محصولات تولیدی از آن)سرامیک‌ها و فلزات دما بالا مواد TC187 (تولیدات و مواد دیرگداز)بلوک‌ها و کامپوزیت‌های سرامیک پیشرفته موادTC184 (سرامیک‌های تخصصی پیشرفته)بیوموادبیوتکنولوژی TC233 (بیوتکنولوژی) آسیا در آسیا مانند اروپا نیز یک سازمان برای نظارت بر استانداردهای کشورهای صنعتی مانند JISC (ژاپن)، CAS(چین)، SA(استرالیا)، BSN(اندونزی) و KSI(کره) نظارت دارد. استاندارد JISC برای مواد پیشرفته JISC دارای سه حوزه مواد یا محصولات (شکل، اندازه، ظاهر و غیره)، اقدام یا روش (نحوه اجرا، پروسه یا روش) و موارد بنیادی (واحدها، کلمات فنی، شرایط گزاری آزمون، دسته‌بندی و غیره). کاربرد دستورالعمل طراحی ساختمان، مسکن و غیره دستورالعمل واحد ساختمان (UBC) مخزن‌های فشار و تجهیزات آن دستورالعمل مخزن بویلری و فشار(ASME) جوشکاری و فلزجوش در فلزات دستورالعمل جوشکاری ساختمانی(AWS)سیستم‌های محافظ آتش، عایق‌ها و غیره دستورالعمل واحد آتش(UFC)لوله‌کشی، HVAC و غیره دستورالعمل واحد مکانیکی مواد متخلخل (فیلترهای سرامیکی متخلخل) محصولات فیلتر سرامیکی دسته ای از مواد پیشرفته سرامیکی به‌شمار می‌روند که با داشتن ساختاری بسیار متخلخل و به هم پیوسته عمدتاً برای کاربردهای انتقال جرم و حرارت و جداسازی و تغلیظ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مهم‌ترین ویژگی فیلترها، داشتن خلل و فرج‌هایی با اندازه و ابعاد مشخص است، به همین دلیل، فیلتر را یک محیط متخلخل می‌نامند. این مواد در کنار نسبت سطح به حجم (سطح مخصوص) بالا دارای پایداری شیمیایی بی نظیر در مجاورت مواد اسیدی و بازی بوده و در دماهای بالا (بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد) پایداری حرارتی بسیار مطلوبی از خود نشان می‌دهند. از این مواد پیشرفته در کاربردهای صنعتی متعدد از قبیل تصفیه و آخالگیری مذاب، کاتالیست‌های صنعتی، سد شعله نیروگاهی، گرمکن‌های تابشی صنعتی، کامپوزیت‌های ریختگی، فیلتراسیون هوا و سیالات (عموماً خورنده)، مواد پزشکی کاشتنی داخل بدن و … استفاده می‌شود. یکی از فاکتورهای نامگذاری فیلتر عدد تخلل است که عبارتست از عبارتست از تعداد سوراخ در اینچ طولی یک فیلتر این عدد از ۱۰الی ۶۰ است لیکن متداولترین نوع تخلل از۱۰ تا ۳۰ است. انواع متداول فیلترهای سرامیکی عبارتند از: فیلترهای سرامیکی سیلیکون کارباید فیلتر سرامیکی از جنس سیلیکون کارباید با استحکام مکانیکی بالا و مقاومت به شوک‌های حرارتی عالی و قابلیت استفاده تا دمای بالای ۱۴۵۰درجه سانتیگراد به رنگ خاکستری و برای تصفیه چدن، برنچ برنز و قابلیت حذف و تصفیه حد اکثر ناخالصی دراین مواد فلزی را دارد. فیلتر سرامیکی آلومینایی این محصول با ظاهری سفید رنگ و استحکام عالی در کلیه کاربردهای در معرض با مواد خورنده و ساینده دما بالا (تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد) کاربرد فراوان دارد. | ## بخش 2: مواد پیشرفته | در صنایع ذوب آلومینیومی از این محصول به منظور تصفیه و آخالگیری و در نتیجه افزایش کیفیت محصولات ریختگی استفاده می‌شود. کاربرد مواد پیشرفته در پزشکی مقدمه به مواد طبیعی یا مصنوعی که در تماس با بافت، خون و سیالات بیولوژیکی بوده و در پروتزها، وسایل تشخیصی درمانی یا نگهداری بدون داشتن تأثیر نامطلوب بر ارگانیسم زنده و ترکیبات آن استفاده می‌شود بیومتریال گفته می‌شود. زیست‌ماده‌ها از نظر سیستمی و دارویی خنثی بوده و برای کاشت درون یا همراه با سیستم زنده استفاده می‌شود. با توجه به این تعاریف برای استفاده از یک بیومتریال در پزشکی یا دندانپزشکی نیاز به داشتن آگاهی کامل در بسیاری از علوم هستیم. به‌طور کی می‌توان گفت موفقیت زیست‌ماده‌ها در محیط بدن به عوامل زیادی نظیر خواص ماده و زیست سازگاری ماده بستگی دارد. برخی از خواصی که بسته به کارکرد زیست‌ماده‌ها در قسمت‌های مختلفی بدن اهمیت دارد عبارتند از: خواص مکانیکی کافی نظیر استحکام و سختی، خواص نوری مطلوب (در صورتیکه ماده در چشم، پوست و دندان استفاده شود)، چگالی مناسب قابلیت سترون شدن و نگهداری طولانی مدت. یک سرامیک باید خواصی نظیر زیست سازگار بودن غیر سمی بودن خنثی بودن در برابر مایعات بدن اجازه یا تشویق بافت آسیب دیده به تشکیل استخوان و… را داشته باشد تا در گروه بیو سرامیک‌ها قرار گیرد. سرامیک‌های مورد استفاده در ساخت کاشتنی‌ها را می‌توان در گروه‌های زیر قرار داد: سرامیک‌های غیرقابل جذب (تقریباً زیست خنثی) سرامیک‌های زیست فعال (نیمه خنثی) سرامیک‌های زیست تخریب پذیر یا جذب شونده (خنثی) سرامیک‌های غیرقابل جذب (تقریباً زیست خنثی) سرامیک‌های زیست خنثی پس از قرارگیری در بدن میزبان خواص فیزیکی و مکانیکی خود را حفظ می‌کند. این دسته از مواد مقاوم به سایش و خوردگی هستندو کلیهٔ خواص بیو سرامیک‌ها از قبل غیر سمی بودن و… را دارا می‌باشند. سرامیک‌های زیست فعال یا واکنش پذیر در سطح (نیمه خنثی) سرامیک‌هایی با فعالیت سطحی پس از کاشت در بدن میزبان (با استخوان واکنش داده و اتصال شیمیایی ایجاد می‌کند). سرامیک‌های جذب شونده (خنثی) این دسته از سرامیک‌ها همان‌طور که از نامشان پیداست پس از کاشت در بدن میزبان دچار تخریب شده و جایگزین بافت‌های آسیب دیده می‌گردد. از جمله سرامیک‌های قابل جذب می‌توان به مرجان‌ها گچ پاریس، هیدروکسی آپاتیت و کلسیم فسفات اشاره کرد؛ و برخی از مصارف سرامیک‌های قابل جذب عبارت است از: ترمیم استخوان‌های آسیب دیده به علت بیماری و ترما پر کردن فضاهای تخلیه شده در اثر تومورهای خارج شده و استخوان‌های از دست رفته ترمیم و جوش دادن مهره و ستون فقرات ترمیم ضایعات دندانی فک و صورت کاشتنی‌های چشمی از جنس هیدروکسی آپاتیت در ادامه به برخی از این مواد صورت اجمالی به برخی از این مواد اشاره می‌شود: کلسیم فسفات سیمان‌های استخوانی کلسیم فسفات بهترین جایگزین بافت سخت هستند. کلسیم فسفات‌ها ترکیباتی هستند که توسط بدن در فرایند استخوان سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد در شکل‌هایی نظیر بلوک‌های متخلخل یا متراکم یا سیمان به عنوان بهترین جایگزین بافت استخوانی مورد استفاده هستند. سیمان‌های کلسیم فسفاتی از دو قسمت پودری و مایع تشکیل شده است که پس از اختلاط یا یکدیگر به صورت خمیر هموژن در می‌آیند که می‌تواند در دمای اتاق و بدن سفت شود. مزایای استفاده از سیمان‌های کلسیم فسفاتی عبارت است از :زیست سازگاری، زیست تخریب پذیری بالا، قابلیت تزریق و…. کاربردهای بالینی سیمان‌های کلسیم فسفاتی کاربردهای ارتوپدیک ترمیم ضایعات فک و جمجمه (اولین بار برای درمان ضایعات موجود بر روی جمجمهٔ بک خوک مورد استفاده قرار گرفت و مشاهده شد بعد از گذشت ۱۸۰ روز بافت مورد نظر جایگزین شده بود) درمان استئونکروز (استئونکروز یا اصطلاحاً مرگ اسنخوان به حالتی گفته می‌شود که جریان خون به بافت زندهٔ استخوانی نرسد و در نهایت سلول‌های استخوانی از بین رود). ی کاربردهای دندانی زیرکونیا و آلومینا زیرکونیا و آلومینا زیرکونیای خالص از تبدیل شیمیایی زیرکون به دست می‌آید زیرکونیا از طریق فرایند رسوب دهی ماده معدنی زیرکون که به فراوانی در طبیعت موجود است به دست می‌آید. در یک بررسی صورت گرفته ۶ درصد مولی Y2O3 به عنوان ناخالصی به زیرکونیا اضافه شده است؛ و زیرکونیای نسبتاً پایدار به دست آمده برای کاشت در استخوان مورد استفاده قرار گرفته است. زیرکونیا در ترکیب با پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده زیاد، زیست سازگاری عالی و اصطکاک و مقاومت بسیار عالی نشان داده شده است. آلومینا ماده ای سرامیکی با سختی بالا و اصطکاک پایین است که در مجیط درون تن خنثی است. زیست مواد پیشرفته فلزی فلزات از گذشته تا به امروز به دلیلی دارا بودن برخی از ویژگی‌ها از قبیل خصوصیات مکانیکی عالی، هدایت حرارتی و الکتریکی مناسب به عنوان بیومتریال (زیست مواد) به صورت گسترده مورد استفاده بوده است. برخی از فلزات به دلیل خصوصیات مکانیکی و مقاومت بالا در برابر خوردگی به عنوان مواد غیرفعال برای جایگزینی بافت سخت مانند مفصل‌های ران و زانو، کاشتنی‌های دندانی و… بکار برده شده است. برخی دیگر از آلیاژهای فلزی برای عملکردهای فعال مانند کاشتنی‌های حلزون گوش مورد استفاده قرار می‌گیرند. سرامیک‌های الکترونیکی عمده‌ترین استفاده از سرامیک‌های پیشرفته در صنایع الکترونیک است که حدود ۶۶ 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، فیبرها، محافظ‌ها در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، خازن‌ها، تبدیل‌کننده‌ها، القاگرها، ابزارهای پیزواکتریکی و سنسورهای فیزیکی و شیمیایی عمده‌ترین موارد استفاده سرامیک‌های اکترونیکی هستند. دی الکتریک‌ها دی الکتریک‌های صنعتی غالباً به چند گروه تقسیم‌بندی می‌شوند که عبارت است از:کتاب ساخت و تولید سرامیک‌ها، محمود سالاریه، جلد اول ترموسترهای PTC(دی الکتریک اکسیدی) ترمیستورهای NTC ترمیسترهای PTC(دی الکتریک اکسیدی) باریم تیتانات BaTio3یک مادهٔ فروالکتریک با ثابت دی الکتریک بالا و مقاومت عایق بالا است؛ بنابراین، از سال کشفش در سال ۱۹۴۳ در صنعت الکترونیک برای خازن‌های سرامیکی به‌طور گسترده استفاده می‌شود. در سال ۱۹۵۵ عدم وابستگی دمایی غیرمعمول مقاومت در بالای دمای کوری نیمه رسانای تولید شده از سرامیک‌های باریوم تیتاناتی کشف گردید. مقاومت این نیمه هادی که ضریب دمای مثبت (PTC) نیمه رسانا نامیده می‌شود، به‌طور شدیدی در بالای دمای کوری (T_c) افزایش می‌یابد، تا دمای T_(n) که مقاومت به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. دمای مشخص شده به سه ناحیه تقسیم می‌شود (ناحیهٔ I, II و III در شکل ۱) بر اساس رفتار مقاومتی انجام می‌شود. کاربردهای ترمیستورPTC ترمیستورهای PTC در محصولات الکترونیکی زیادی مانند تلویزیون‌های رنگی، یخچال‌ها، هیترهای باد گرم و کامپیوترهای شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترمیستورهای NTC ترمیستورهای با ضریب دمایی منفی(NTC) مواد نیمه رساناهایی هستند که مقاومت آن‌ها با افزایش دما کاهش می‌یابد کاربردهای ترمیستور NTC ترمیستورهای NTC به عنوان اصلاح‌کننده دمایی، سنسور دما و وسایل جلوگیری‌کننده از افزایش شدید جریان، مورد استفاده قرار می‌گیرند. تمام این کاربردها بر اساس ویژگی‌های مقاومت- دمایی ترمیستورهای NTC بنا گذاشته شده است. وریستورهای سرامیکی وریستورهای اکسید فلزی وسایل هستند که دارای نیمه رسانای سرامیکی هستند. وریستورهای اکسید فلزی عمدتاً در مدارهایی برای حفاظت در برابر نوسانات شدید القایی، نویزهای زود گذر کوتاه یا نوسانات شدید برق به وجود می‌آید استفاده می‌شود.James K. سرامیک‌های پیزو الکتریک تئوری تمام مواد تحت میدان الکتریکی دچار یک تغییر کوچک در اندازه می‌شوند. اگر کرنش حاصل متناسب با توا ن دوم شدت میدان باشد، این پدیده را اثر الکترواستریکتیو می‌نامند. برخی از مواد پدیده‌ای معکوس را نشان می‌دهند، یعنی هنگامی که تحت یک تنش اعمالی دچار کرنش می‌شوند در آن‌ها یک قطبش الکتریکی پدید می‌آید، به این مواد پیزوالکتریک می‌گویند. مواد پیزوالکتریک یک اثر معکوس نیز از خود نشان می‌دهند، یعنی با اعمال یک میدان الکتریکی، کرنشی (x) متناسب با میدان اعمالی در آن‌ها ایجاد می‌شود. پدیده الکترواستریکشن با رابطه زیر بیان می‌شود: X = QP2 که در آن Q ضریب الکترواستریکشن نامیده می‌شود. برای موادی که ɛrD است، رابطه P~D برقرار است و بنابراین معادله بالا را می‌توان به صورت زیر نوشت: X = QD2 = Qɛ2E2 از ۳۲ گروه مواد بلوری، ۱۱ گروه دارای مرکز تقارن و غیر قطبی هستند. در این مواد تنش اعمالی به جابه‌جایی تقارن یونی منجر می‌شود، به نحوی که تغییر خالصی در گشتاور دوقطبی مشاهده نمی‌شود. ۲۱ دسته بلوری دیگر نامتقارن هستند که ۲۰ دسته از آن‌ها از خود اثر پیزوالکتریک نشان می‌دهند. تنها یک استثناء در سیستم مکعبی وجود دارد که ویژگی‌های تقارنی آن باعث اثر پیزوالکتریک نمی‌شود. توصیف خواص و فرایند ساخت PZTکه در ادامه به آن اشاره می‌شود، ایده‌های مهمی را برای بحث‌های آتی در مورد بهبود خواص پیزوسرامیک‌ها، شامل PZT (و سایر پیزوسرامیک‌ها) برای کاربردهای ویژه مطرح می‌کند. اثر یون‌های جانشین غیر هم‌ظرفیت چندین نمونه از سیستم‌های اکسیدی که به‌وسیله جانشینی کاتیون‌های چند ظرفیتی کنترل می‌شود. به‌عنوان مثال Sb^5+ می‌تواند جایگزین Sn^4+ در SnO2 و به وسیله یک الکترون در نوار هدایت خنثی شود که این باعث رسانایی نوع n می‌شود. اما عموماً مدل‌های سیستم‌های اکسیدی از مدل‌های سیلیسیم پیچیده‌ترند و به مراتب کمتر مورد بررسی قرار گرفته‌اند. یک محدودیت مهم در تحقیق حاضر در دسترس نبودن اکسیدهایی است که خلوص آن‌ها مانند بلورهای سیلیسی در حد چند قسمت ناخالصی در ۱۰۹ باشد. اصطلاح خلوص بالا که برای اکسیدها به‌کار می‌رود معمولاً برای ناخالصی‌های کمتر از ۱ در ۱۰۴ اتم به کار می‌رود که عمدتاً فراوان و متداولی مانند منیزیم، آلومینیم، سیلیسیم، فسفر، کلسیم، آهن و مقدار بسیار کمی از عناصر کمیاب مانند نیوبیم، تنتالم، سریم، لانتانیم و غیره را شامل می‌شود. کمبود حاصل در بار به وسیله فضاهای خالی اکسیژن جبران می‌شود که ممکن است با غلظت‌های ۱ در ۱۰۴، که غلظتی بسیار بیشتر از غلظت مورد انتظار شاتکی در مواد اصلی است، ظاهر شود. یکی از پیامدهای میزان ناخالصی بالا، استفاده از غلظت‌های بالای افزودنی برای کنترل رفتار اکسیدهاست. مقدار افزودنی به ندرت کمتر از ۱ در ۱۰۳ مول است و ممکن است تا ۱ در ۱۰ مول نیز باشد. به‌طوری که ممکن است نقایص بیش از نیمه‌رساناهای کووالانت مانند سیلیسیم و GaAs و غیره برهم کنش کنند. تأثیر یون‌های جانشین مقوله‌ای پیچیده است، اما با احتیاط می‌توان برخی از نتایج را به یون‌های جانشین غیر هم‌ظرفیت در پروسکایت (ساختار CaTiO3و ساختارهای بلوری مشابه آن) تعمیم داد. | ## بخش 3: مواد پیشرفته | عناصر دهندهٔ الکترون توسط جاهای خالی کاتیونی و عناصر گیرنده توسط جاهای خالی اکسیژن خنثی می‌شوند. اختلاف عمده میان جاهای خالی اکسیژنی و جاهای خالی کاتیونی در ساختارهای نوع پروسکایت، تحرک بالاتر در اولویت است. از این رو سد انرژی بزرگتری باید پشت سر گذاشته شود تا یون و جای خالی بتوانند جایگزین یکدیگر شوند. با این وجود، یون‌های اکسیژن یک ساختار شبکه‌ای به هم پیوسته تشکیل می‌دهند به نحوی که جاهای خالی اکسیژن دارای یون‌های اکسیژن همسایه هستند که به راحتی می‌توانند با آن‌ها جایگزین شوند. با افزودن عناصر دهنده الکترون در PZT انتظار می‌رود که غلظت جاهای خالی اکسیژن کاهش یابد که منجر به کاهش غلظت عیوب جفتی پایدارکننده حوزه‌ها و در نهایت کاهش سرعت پیرسازی می‌شود. افزایش حاصل در تحرک دیواره‌ها منجر به افزایش گذردهی، اتلاف دی الکتریک، وارفتگی کشسان، و ضرایب جفت شدگی و کاهش کیفیت مکانیکی و وادارندگی می‌شود. ورود جاهای خالی اکسیژنی در اثر افزودن عناصر گیرندهٔ الکترون باعث کاهش محسوس اندازه سلول واحد می‌شود که پدیده ذکر شده در بالا را تقویت می‌کند. بالاترین مقدار ضرایب زمانی حاصل می‌شود که ترکیب نزدیک به حالت استوکیومتری، مقدار گدازآورها و ناخالصی‌ها حداقل و چگالی در بالاترین حد ممکن باشد. با وجوذ تبخیر PbOدر دماهای بالای ℃۸۰۰، این ماده باید در طول سینتر (تف‌جوشی) در دمای ℃۱۳۰۰ حفظ شود. کینگان و کلارک به بررسی برخی جزئیات در زمینه کنترل اتمسفر در هنگام حرارت دادن PZT و اثر میزان PbO بر روی سینتیک تراکم پرداختند. به علت محدودیت دسترسی به اتمسفر حاصل و سادگی احیای PbO به سرب فلزی، تمام ترکیبات آلی باید قبل از سینتر، توسط حرارت دادن مقدماتی در دمای حدود ℃۶۰۰ در هوا خارج شوند. حرارت دادن ناگهانی معمولاً در کوره‌های الکتریکی ناپیوسته که کاملاً با نمونه‌ها پر شده‌اند، انجام می‌شود. با وجود احتیاط باز هم حدود ۲ تا ۳ درصد کاهش در مقدار اولیه PbO حاصل می‌شود که برای جبران این کمبود از ماده اولیه بیشتری استفاده می‌شود. پیزوسرامیک‌های مهم تجاری ترکیبات، کامپوزیت‌ها و دستگاه‌های مختلفی برای چهار کاربرد اصلی پیزوسرامیک‌ها گسترش یافته است. این چهار کاربرد اصلی عبارتند از: برای تولید ولتاژ تحریک الکترومکانیکی کنترل فرکانس تولید و آشکارسازی انرژی آکوستیک و فراصوت لازمه‌های مورد نیاز برای بهبود عملکرد در کاربردهای مختلف در بخش‌های بعدی مورد بحث قرار می‌گیرد. تیتانات باریم BaTiO3 اولین ماده‌ای بود که به‌عنوان پیزوسرامیک شناخته شد و به‌طور گسترده در چهارمین کاربرد ذکر شده در بالا به کار گرفته شد. در بسیاری از کاربردهای تجاری PZT جایگزین این ماه شده است، اگر چه عاری بودن ترکیب آن از سرب هنوز از نظر ایمنی و سلامت جدابیت دارد. تبدیلات ساختاری که در BaTiO3 رخ می‌دهد با تغییر در اغلب خواص الکتریکی و مکانیکی همراه است. تبدیل ساختارهای مکعبی به تتراگونال و اورتورومبیک به رومبوهدرال دور از دماهای کاری، اما تبدیل تتراگونال به اورتورومبیک تقریباً نزدیک به دمای کاری رخ می‌دهد. جانشین کردن Baبا Pbو Caاین دمای تبدیل فازی را کاهش می‌هد و برای کنترل خواص پیزوالکتریک در نزدیک صفر درجه سانتی گراد استفاده می‌شود که برای شناسایی صدا در زیر آب و پژواک صدا مهم است. تنش‌های داخلی بزرگ ایجاد شده در هنگام سرد کردن نمونه سینتر شده به دمای کوری باعث تخریب آن می‌شود. PbZrO3 با دمای کوری ℃۲۳۴ دارای ساختار اورتورومبیک مشابه ساختار اورتورومبیک BaTiO3 است، اما آنتی‌فروالکتریک است، یعنی دوقطبی‌ها به دلیل جابه‌جایی یون‌هایZn^4+ از مرکز هندسی شش یون O^2- اطراف، به‌طور متناوب در جهات مختلف جهت‌گیری می‌کنند، بنابراین قطبشِ خودبه‌خود صفر است. سرامیک‌های الکترواستریکتیو و پیزوالکتریک‌های رهاساز بر پایه سرب فاکتورهای متعددی وجود دارند که مشخص‌کننده مناسب بودن یک پیزوسرامیک به‌عنوان یک مبدل انرژی هستند. به‌عنوان یک قانون عمومی، هر چه دمای کوری (Tc) بالاتر باشد، مقادیر گذردهی در دمای اتاق و ضریب بار (یا کرنش) کم‌تر خواهد بود. اما دمای انتقال پایین، که باعث ایجاد ضرایب پیزوالکتریک بزرگ می‌شود، خطر قطبش‌زدایی در طول فرایند ساخت مانند ماشین‌کاری، الکترودگذاری و لحیم‌کاری را به همراه دارد. فروالکتریک‌های رهاساز دارای ساختار پروسکایت و سرب، * Pb(B'B")O3 مقادیر گذردهی بالا و استثنایی دارند و بنابراین انتظار می‌رود از نظر الکترومکانیکی کاملاً جالب و به‌عنوان مبدل انرژی مناسب باشند. جستجو برای پیزوسرامیک‌هایی که ویژگی‌های الکترومکانیکی بهینه دارند تا نرکیبات مرز فاز مورفوتروپیک PbTiO3با رهاسازهای مختلف پیش رفته است. تک‌بلورها تلاش‌های انجام شده در زمینهٔ تولید و رشد بلور PZT با اندازه مناسب برای بهبود قابل توجه خواص الکترومکانیکی آن در مقایسه با نمونه‌های چندبلور با موفقیت همراه نبوده است، اما در مورد سیستم‌های ”رهاساز- PT “ می‌توان تک‌بلورهای بزرگ را با استفاده از فلاکس رشد داد. این تک‌بلورها خواص الکترومکانیکی خوبی دارند که البته به نحوهٔ برش قطعه در امتداد محورهای بلورشناسی تک‌بلور بستگی دارد. نیوبات سرب پلی‌مورف فروالکتریک یک نیوبات سرب (PbNb2O6) در دمای اتاق نیمه‌پایدار است. با سرد کردن آهسته به زیر ℃۱۲۰۰ به شکل رومبوهدرال نارنجی- قهوه‌ای تبدیل می‌شود که در دمای اتاق پاراالکتریک است. سرمایش سریع از دمای ℃۱۲۰۰ به ℃۷۰۰، به همراه افزودنی‌هایی مانند ۲٪ وزنی ZrTiO4، این امکان را فراهم می‌کند که فاز تتراگونال در دماهای پایین‌تر نیز وجود داشته باشد. در زیر این دما اعوجاج کوچک اورتورومبیک در محور c رخ می‌دهد که باعث افزایش فروالکتریک شدن آن می‌شود. ساختار تنگستن برنز با ترکیبات فلزات قلیایی اکسید تنگستن مانند* K5.7W10O30 K5.7W10O30 شناسایی می‌شود. نیوبات لیتیم و تنتالات لیتیم نیوبات لیتیم و تنتالات لیتیم خواص مشابه دارند و ساختار بلوری آن‌ها مانند ایلمنیت است. در فازهای فروالکتریک یون‌های M^5+ و Li+ از مراکز هشت‌وجهی‌های در جهت‌های مختلف جابه‌جا می‌شوند. هنگامی که قطبش معکوس می‌شود، هر دو کاتیون در یک جهت مشابه حرکت می‌کنند، یون M^5+ به سمت صفحه میانی بین یون‌های O^2- و یون Li^+ نیز از میان طرف دیگر صفحه O^2- حرکت می‌کنند. تنها دو جهت قطبش امکان‌پذیر است که آن‌ها با یکدیگر زاویه °۱۸۰ اختلاف زاویه دارند. کامپوزیت‌های پیزوسرامیک- پلیمر مقایسه خواص اصلی پیزوالکتریک پلیمری پلی‌وینیلیدن فلوئورید (PVDF) و PZT آموزنده است. انعطاف‌پذیری و چگالی پایین پلیمر در برابر صلبیت، تردی و چگالی بالای PZT قرار می‌گیرد. با این وجود چون گذردهی نسبی در PVDFدر مقایسه PZT پایین (۱۰~) است، ضرایب ولتاژ از نظر مقدار نسبتاً مشابه هستند. کامپوزیت‌های پیزوسرامیک- پلیمر اخیراً به دسته‌ای مواد کامپوزیت افزوده شده‌اند و چون خواص آن‌ها به ویژه در فناوری سونار و تصویربرداری اولتراسونیک پزشکی باعث مزیت‌هایی نسبت به پیزوسرامیک‌ها به تنهایی شده است، گسترش یافته‌اند. در این کاربردها مبدل انرژی اغلب در تماس با آب یا بافت‌های نرم ملنند پوست بدن است.. مزیت این کامپوزیت‌ها شامل تطابق آکوستیکی مناسب بین مبدل و محیط، ضریب جفت‌شدگی الکترومکانیکی بهبود یافته و پهنای نوار بیش‌تر می‌شود. مورد اخیر مهندسی پالس‌های اولتراسونیک کاملاً مشخص و در نتیجه قدرت تفکیک آنی و گیرایی مناسب را میسر می‌کند. جمع‌بندی خواص ویژگی‌های مهم برخی پیزوسرامیک‌های تک‌فاز مهم در جدول زیر آمده است. مقادیر مربوط به BaTiO3و PZT از برگه‌های اطلاعاتی تولیدکنندگان که البته ترکیب دقیق را فاش نمی‌کنند، به دست آمده است. دقت کنید که ویژگی‌های آورده شده تخصصی است که توضیح آن‌ها در این مقاله نمی‌گنجد، بنابراین برای اطلاعات بیشتر در این زمینه به منبع جدول زیر مراجعه کنید. سایر کاربردها که بر اساس حالت‌های مهم کاربردی فهرست شده‌اند شامل موارد زیر است: الف. مولدهای ولتاژهای کم (حسگرها): حسگرهای تصادف خودرو برای فعال کردن کیسه‌های هوا، حذف تداخل‌های صوتی (نوری)، حسگرها متوقف‌کننده خودروها، حسگرهای ضدضربه، مثلاً برای موتورها حسگرهای تعیین سطوح مایعات و غیره. عملگرهای جابه‌جایی: آینه‌های قابل تغییر شکل، عملگرهای کنترل‌شونده با کامپیوتر در ماشین بافندگی، تزریق سوخت (به درون موتورها)، چاپگرهای جوهرافشان، پنکه‌های خنک‌کننده، رله‌های الکتریکی و غیره. مولدهای فرکانس بالا، هم در سطوح "سیگنال" و هم در سطح "توان": جوشکاری فراصوت پلیمرها، سنگ‌شکن کلیه، مرطوب‌کننده‌ها، زنگ‌های اخباری (از همه نوع)، تجهیزات بررسی غیرمخرب، عمق‌سنج برای قایق‌ها و کشتی‌ها، فناوری‌های گوناگون پزشکی، زیردریایی و غیره. لعاب نیمه هادی لعاب قشر نازک شیشه ای یا شیشه مانند هستش که از ذوب یا گداختن مخلوطی از چندین ماده معدنی به‌دست می‌آید، لعاب‌ها باید خواص مهمی داشته باشند تا بتوانند بر روی بدنه ای به صورت ایدئال قرار بگیرند که مهم‌ترین خواص لعاب‌ها عبارتند از کشش سطحی، ویسکوزیته، مقاومت شیمیایی، نقطه ذوب، سختی، فراریت، تناسب لعاب با بدنه، خواص الکتریکی و … لعاب‌های نیمه هادی را می‌توانیم دسته ای از لعاب‌های کریستالین به حساب بیاریم که قابلیت هدایت جزئی الکتریسیته دارند و از طرفی هدایت الکتریکی لعاب‌های نیمه هادی باعث نشت جریان بسیار کوچکی از میان لعاب می‌شود که سبب گرم شدن چند درجه ای سطح لعاب نسبت به دمای محیط می‌شود که این فرایند سبب خشک شدن آلودگی‌های تر موجود در سطح عایق شده و مانع ایجاد قوس الکتریکی میان آن‌ها می‌شود و در نتیجه خطر تخلیه بار الکتریکی کاهش می‌دهد اما در عایق‌های با لعاب معمولی، تمرکز تنش الکتریکی به وجود آمده پیرامون پین‌ها، سبب تخلیه‌های جزئی الکتریکی می‌شود. این تخلیه‌های جزئی رشد کرده و نهایتاً سبب قوس الکتریکی می‌شود و لعابی که روی این عایق اعمال کردیم ازبین می‌رود در حال حاضر بهترین نوع لعاب نیمه هادی، لعابی بر پایه اکسید قلع_آنتیموان است.لعاب‌های نیمه هادی و کاربرد روی مقره‌ها مهدی خیرخواه هدایت الکتریکی بر پایه اکسید قلع برای ایجاد یک لعاب نیمه هادی باید اکسیدهایی را درون یک اکسید زمینه به صورت محلول جامد تشکیل بدهیم تا بهترین شرایط لعاب نیمه هادی را از نظر الکتریکی به‌دست بیاوریم و ازبین انواع اکسیدها بهترین اکسید، اکسید قلع است که بادوپ کردن اکسید آنتیموان در درون اکسید قلع می‌توانیم این لعاب نیمه هادی نوع n را به‌دست بیاوریم اکسید قلع اکسید دی الکتریک فلزی است با ساختار شبه روتایل که در ساختمان آن a=0.4737 nm, b=0.3186 nm ,c=۰ و انرژی باند ممنوعه ترکیب استوکمتریک اکسید قلع ۴٫۶–۳٫۹، الکترون ولت گزارش شده که نشان دهنده هدایت بسیار کم آن در دمای اتاق است. کاربرد لعاب‌های نیمه هادی روی مقره‌های الکتریکی به‌طور کلی مقره‌ها از سه قسمت اصلی تشکیل شدن: بدنه پرسلانی، لعاب نیمه هادی، یراق آلات فلزی دلایل لعاب زنی روی مقره‌ها:افزایش استحکام مکانیکی مقره‌ها، مقاوم کردن بدنه در برابر نفوذ رطوبت و آلودگی، زیبایی و صاف بودن سطح مقره، تمیز کردن راحت مقره‌ها حتی با آب باران. | ## جمع‌بندی | بدنه این مقره‌ها از جنس پرسلان و لعاب آن دارای ترکیب ویژه برای هدایت الکتریکی است.