الأنواع الشائعة من السيراميك المتقدم

أنواع السيراميك المتقدم

1. سيراميك الأكسيد

• الألومينا (Al₂O₃O₃):

من بين جميع أنواع السيراميك المتقدمة، تُعد الألومينا أو أكسيد الألومنيوم أحد الخيارات الأكثر استخدامًا وفعالية من حيث التكلفة. يشتهر بصلابته الرائعة، ومقاومته الممتازة للتآكل، وعزله الكهربائي المتميز، ويجد استخدامًا واسعًا في الركائز الإلكترونية، والأختام الميكانيكية، والزراعات الطبية الحيوية، وأدوات القطع. كما أن ثباته الحراري وقدرته على تحمل درجات الحرارة المرتفعة تجعله مادة مثالية لتصنيع أشباه الموصلات، حيث تكون هناك حاجة إلى قوة عازلة عالية إلى جانب المتانة الميكانيكية.

• زركونيا (ZrO₂):

يتميز الزركونيا بصلابة ممتازة ومقاومة ممتازة للكسر وقوة عالية. وغالباً ما يُطلق عليه اسم "الفولاذ الخزفي" بسبب خاصيته الفريدة في إعاقة انتشار التشقق وإجهاد الصدمات. يُستخدم الزركونيا على نطاق واسع في العديد من التطبيقات، بما في ذلك غرسات الأسنان والمحامل عالية الأداء وأدوات القطع وأجزاء التآكل. وبسبب توافقه الحيوي وجودته الجمالية، يُفضّل استخدام الزركونيا بشكل خاص في الغرسات الطبية والمجوهرات.

2. السيراميك غير الأكسيد

• نيتريد الألومنيوم (AlN):

نيتريد الألومنيوم هو مادة ذات موصلية حرارية عالية، بالإضافة إلى عزل كهربائي ممتاز. كما أنه مهم للغاية في مجال الإلكترونيات عالية الأداء بسبب استخدامه في الإدارة الحرارية، مثل المشتتات الحرارية وركائز إلكترونيات الطاقة والمكونات البصرية. كما أن قدرته على تبديد الحرارة بكفاءة مع توفير العزل الكهربائي يجعله لا غنى عنه في أشباه الموصلات.

• نيتريد السيليكون (Si₃N₄)

يتمتع نيتريد السيليكون بصلابة ممتازة ومقاومة ممتازة للتآكل ومقاومة للصدمات الحرارية. ويُستخدم على نطاق واسع في الأجزاء الميكانيكية والفضائية، وفي مكونات المحركات، وكمادة لأدوات القطع، وفي المحامل عالية الأداء بسبب الضغوط الميكانيكية والحرارية الشديدة التي تتحملها المادة. كما أن متانتها في ظروف درجات الحرارة العالية تجعلها مثالية لمحركات التوربينات وغيرها من التطبيقات عالية الحرارة.

• كربيد السيليكون (SiC):

من بين المواد الأكثر صلابة المعروفة، يتميز كربيد السيليكون بالتوصيل الحراري الشديد والقوة ومقاومة التآكل. تُستخدم هذه المادة في المواد الكاشطة وأدوات القطع والمبادلات الحرارية وأجهزة أشباه الموصلات. كما أن الثبات الحراري العالي والقوة العالية لكربيد السيليكون تجعله مناسبًا للاستخدام في أجزاء مكابح السيارات والدروع الخزفية المستخدمة في القطاعات العسكرية.

• نيتريد البورون (BN):

بالإضافة إلى خصائص التوصيل الحراري وخصائص التشحيم التي يتمتع بها الجرافيت، يُعد نيتريد البورون عازلًا كهربائيًا. يأتي نيتريد البورون في شكلين. نيتريد البورون السداسي الشكل، hBN، يشبه في بنيته الجرافيت وهو عازل كهربائي مثل الجرافيت. أما نيتريد البورون المكعب، cBN، فهو ثاني أكثر المواد صلابة بعد الماس، ويستخدم في أدوات القطع وعجلات الطحن في تصنيع المعادن والسبائك الصلبة. يُستخدم نيتريد البورون المكعب في مواد التشحيم عالية الحرارة، وكعازل حراري وفي التطبيقات الكاشطة.

• كربيد البورون (B₄C):

كربيد البورون هو أحد أقسى المواد المعروفة، حيث تأتي صلابته في الترتيب بعد الماس ونتريد البورون المكعب. ويتميز كربيد البورون بصلابة ممتازة وكثافة منخفضة ومقاومة كيميائية عالية وامتصاص نيوتروني. ونتيجة لذلك، فإن كربيد البورون له استخدامات كبيرة في المجالات المتعلقة بالدفاع، وتحديداً في تصفيح الدروع خفيفة الوزن للمركبات العسكرية والدروع الشخصية. كما أن خصائصه الممتصة للنيوترونات مفيدة في المفاعلات النووية، سواء في قضبان التحكم أو التدريع. وتشمل التطبيقات الواسعة النطاق المواد الكاشطة وأدوات القطع وعوامل التلميع.

جدول بيانات الخصائص والاستخدام

يلخص الجدول التالي الخصائص الرئيسية والاستخدامات الشائعة للمواد الخزفية التي تمت مناقشتها.

لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

1. ما الفرق بين السيراميك المتقدم والسيراميك التقليدي؟

صُمم السيراميك المتطور خصيصاً لخصائص ميكانيكية فائقة، ومقاومة لنطاق واسع من درجات الحرارة والهجوم الكيميائي. كل هذه الميزات تجعلها مناسبة للتطبيقات الصناعية الحرجة، في حين أن السيراميك التقليدي يستخدم عادةً في تطبيقات الزخرفة والتطبيقات منخفضة الأداء.

2. لماذا يُفضّل استخدام الزركونيا في زراعة الأسنان؟

يُستخدم الزركونيا في زراعة الأسنان لتوافقه الحيوي وقوته وصلابته في الكسر، من بين أسباب جمالية أخرى. إن تشابهها مع الأسنان الطبيعية وقدرة هذه المادة على التصرف مثل الأسنان، بالإضافة إلى قوتها العالية ومقاومتها للتشقق، يجعلها مادة مثالية لعمليات زراعة الأسنان.

3. هل يمكن لسيراميك الألومينا توصيل الكهرباء؟

لا، فسيراميك الألومينا هو عازل كهربائي ممتاز ويجد تطبيقات واسعة النطاق حيثما كان العزل الكهربائي مطلوبًا، بدءًا من المكونات الإلكترونية وحتى الركائز.

4. لماذا يُعد كربيد البورون كربيد البورون طلاء جيد للدروع؟

الصلابة الشديدة والوزن الخفيف ومقاومة الاختراق تجعل كربيد البورون مادة مثالية لتوفير حماية فعالة ضد التهديدات الباليستية في كل من الدروع الواقية للبدن الشخصية ودروع المركبات العسكرية.

5. لماذا يُستخدم كربيد البورون في المفاعلات النووية؟

يُستخدم في المفاعلات النووية نظراً لخصائصه الممتصة للنيوترونات، مما يجعله فعالاً جداً للاستخدام كمادة في قضبان التحكم والدروع الواقية من الإشعاع. ويساعد ذلك في التحكم في التفاعلات النووية وحماية المعدات الحساسة.