سرامیک
انواع سرامیک‌ها و کاربردهای آنها > سرامیک‌های ساختمانی و پیشرفته

به دلیل پیوند یونی یا کووالانسی قوی و مقاومت برشی بالا، مواد سرامیکی دارای شکل‌پذیری کم و مقاومت فشاری بالایی هستند. از لحاظ تئوری، سرامیک‌ها همچنین می‌توانند مقاومت کششی بالایی داشته باشند. با این حال، به دلیل دمای ذوب بالا و نداشتن قابلیت شکل‌پذیری، بیشتر سرامیک‌ها در حالت جامد فرآوری شده، و محصولات از مواد پودری ساخته می‌شوند. پس از چندین مرحله تراکم، حفره‌ها بین ذرات پودر باقی می‌مانند و بخشی از این حفره‌ها در طی فرایند تفجوشی پایدار باقی می‌مانند. سطوح ذرات ممکن است آلوده شده و سپس این آلودگی‌ها بخشی از ساختار داخلی محصول نهایی شوند. در نتیجه، دستیابی به چگالی کامل نظری بسیار دشوار است، و ترک‌های کوچک، منافذ و اجزای ناخالصی تمایل دارند که جزئی جدایی ناپذیر از بیشتر مواد سرامیکی باشند. این موارد به عنوان متمرکز کننده‌های تنش‌های مکانیکی عمل می‌کنند. با اعمال نیروها، اثر این عیوب را نمی‌توان از طریق حرکت خمیری کاهش داد، و نتیجه آن به‌طور کلی شکست ترد است. با استفاده از اصول مکانیک شکست، متوجه می‌شویم که سرامیک‌ها به نقص‌های بسیار کوچک هم حساس هستند.
از آنجا که تعداد، اندازه، شکل و محل نقص احتمالاً از بخشی به بخش دیگر متفاوت است، قطعات سرامیکی تولید شده از مواد یکسان با روش‌های یکسان اغلب در بارهای اعمال شده بسیار متفاوتی از کار می‌افتند. در نتیجه، خواص مکانیکی محصولات سرامیکی از توزیع آماری گسترده‌تری پیروی می‌کنند که پیش‌بینی شکست در آنها نسبت به فلزات بسیار دشوارتر است. این ویژگی باعث محدودیت استفاده از سرامیک‌ها در کاربردهای حیاتی مقاومت-بالا می‌شود.
سرامیک پیشرفته (که به آن سرامیک ساختمانی یا سرامیک مهندسی نیز گفته می‌شود) یک فناوری در حال ظهور است که دارای پایه وسیعی از کاربردهای فعلی و بالقوه است. مواد پایه در حال حاضر شامل: نیترید سیلیسیم، کاربید سیلیسیم، زیرکونیای نیمه پایدار، زیرکونیای سفت شده تبدیلی، آلومینا، سیالون، کاربید بور، نیترید بور، دیبورید تیتانیوم و کامپوزیت‌های سرامیک (مانند الیاف سرامیکی در شیشه، سرامیک-شیشه یا ماتریس سرامیکی) هستند. مواد و محصولات با خصوصیاتی از قبیل استحکام و سختی بالا، مقاومت در برابر شکستگی بالا، مقاومت در برابر گرما و مواد شیمیایی، اندازه دانه ریز و تخلخل کم یا بدون آن مشخص می‌شود. کاربردهای آنها عبارتند از: طیف گسترده‌ای از قطعات مقاوم در برابر سایش شامل ابزارهای برش، پانچ، قالب و اجزای موتور (مانند یاتاقان، سیل و شیرها)، و همچنین استفاده در مبدل‌های حرارتی، توربین‌های گاز و کوره‌ها.
سرامیک‌های آلومینا (یا اکسید آلومینیوم) متداولترین سرامیک‌ها در مصارف صنعتی هستند. آنها نسبتاً ارزان بوده و از مقاومت بالا در برابر سایش، چگالی کم و مقاومت الکتریکی بالایی برخوردار هستند. آلومینا تحت بارگذاری فشاری قوی است و خواص مفید خود را حتی تا دمای ۱۹۰۰ درجه سلسیوس حفظ می‌کند، اما با چقرمگی کم، مقاومت در برابر کشش کم و حساسیت به شوک حرارتی و حمله توسط محیط‌های بسیار خورنده دچار محدودیت می‌شود. به دلیل داشتن دمای ذوب بالا، به‌طور کلی به صورت پودر فرآوری می‌شود. آلومینا را می‌توان از طریق متالیزه کردن یا با استفاده از لحیم کاری سخت به سایر سرامیک‌ها یا فلزات متصل کرد.
کاربید سیلیسیم (Silicon carbide) و نیترید سیلیسیم (silicon nitride) دارای استحکام عالی، سختی فوق‌العاده بالا، چقرمگی کافی، هدایت حرارتی بالا، انبساط حرارتی کم، مقاومت در برابر شوک حرارتی خوب، وزن سبک و مقاومت در برابر خوردگی بالا هستند. این سرامیک‌ها در کاربردهای تنش-بالا دما-بالا، مانند پره‌های توربین، به خوبی کار می‌کنند و ممکن است به خوبی جایگزین سوپرآلیاژهای پایه نیکل یا کبالت شوند.
سختی کاربید بور فقط کمی از سختی الماس، نیترید بور مکعبی و کاربید بور کمتر است. مدول الاستیک بالا، مقاومت فشاری بالا و وزن سبک، آن را برای ساخت جلیقه‌های ضدگلوله ایده‌آل کرده‌است.
سیالون (یک سرامیک ساختمانی سیلیسیم - آلومینیوم - اکسیژن - نیتروژنی) در واقع یک محلول جامد از آلومینا و نیترید سیلیسیم است و خواصی بین خواص هردو دارد. افزایش درصد اکسید آلومینیوم باعث افزایش سختی شده، در حالی که افزایش نیترید سیلیسیم باعث افزایش چقرمگی می‌شود. ماده بدست آمده از فولاد قوی تر، بسیار سخت و به سبکی آلومینیوم است. مقاومت خوبی در برابر خوردگی، سایش و شوک حرارتی دارد. عایق الکتریکی است و استحکام کششی و فشاری خود را تا دمای ۱۴۰۰ درجه سلسیوس حفظ می‌کند. از پایداری ابعادی بسیار خوبی برخوردار است و ضریب انبساط حرارتی آن فقط یک سوم فولاد و یک دهم پلاستیک است. با این حال اگر نیروها از حد بگذرد، خاصیت شکست ترد سرامیک‌ها را از خود نشان می‌دهد.
زیرکنیا نسبت به اکثر فلزات بی اثر است و استحکام خود را تا ۲۲۰۰ درجه سلسیوس حفظ می‌کند. زیرکنیای نیمه پایدارشده ویژگی‌های زیرکنیا را، یعنی مقاومت در برابر شوک حرارتی، سایش و خوردگی، هدایت حرارتی کم، و ضریب اصطکاک کم را با استحکام و چقرمگی بیشتری که با آلایش ماده با اکسیدهای کلسیم، ایتریوم یا منیزیم ایجاد می‌شود، ترکیب می‌کند. زیرکنیای سفت شده تبدیلی (Transformation-toughened zirconia) حتی چقرمگی بیشتری به دلیل فازهای ثانویه پراکنده شده در سرتاسر زمینه از خود نشان می‌دهد. وقتی یک ترک به فاز کم ثبات نزدیک می‌شود، به یک ساختار پایدارتر تبدیل شده و با افزایش حجم جلوی گسترش ترک را می‌گیرد.
هزینه بالای سرامیک‌های ساختمانی همچنان مانعی برای پذیرش گسترده آنها است. سرامیک‌های درجه یک در حال حاضر چندین برابر گرانتر از همتاهای فلزی خود هستند. حتی با افزودن عامل عمرکاری بیشتر و راندمان بالاتر هنوز هم نیاز به کاهش قیمت‌ها وجود دارد. با این وجود، کار در جهت تولید یک سرامیک کم هزینه، استحکام-بالا و چقرمگی-بالا با دامنه دمایی مفید همچنان ادامه دارد.