تاریخچه سرامیک
به انگلیسی: Ceramic یک ماده جامد غیر آلی است که از ترکیبات غیر فلزی تشکیل شده و با گرم شدن در دمای بالا شکل گرفته و سپس سخت شده‌است. به‌طور کلی، سرامیک‌ها موادی سخت، شکننده و مقاوم در برابر خوردگی هستند.
کلمه «سرامیک» از کلمه یونانی κεραμικός (keramikos)، به معنای «سفال» یا «برای سفال»، و آن از κέραμος (keramos)، به معنای «سفالگر، کاشی، سفال» آمده‌است. اولین اشاره شناخته شده به ریشه «سرامـ» مربوط به واژه یونانی-مایکایی ke-ra-me-we، به معنای «کارگران سرامیک» است که با خط هجایی «خط ب» نوشته شده‌است. کلمه «سرامیک» ممکن است به عنوان صفت برای توصیف یک ماده، محصول یا فرایند استفاده شود، یا ممکن است به عنوان یک اسم، به صورت مفرد یا به‌طور معمول، به عنوان اسم جمع استفاده شود.
برخی آغاز استفاده و ساخت سرامیک‌ها را در حدود ۷۰۰۰ سال قبل از میلاد می‌دانند در حالی که برخی دیگر قدمت آن را تا ۱۵۰۰۰ سال قبل از میلاد نیز دانسته‌اند. ولی در کل اکثریت تاریخ‌نگاران بر ۱۰۰۰۰ سال قبل از میلاد اتفاق نظر دارند. (بدیهی است که این تاریخ مربوط به سرامیک‌های سنتی است(
به نظر می رسد که انسان ها حداقل 26000 سال است که سرامیک های خود را می سازند و خاک رس و سیلیس را در معرض حرارت شدید قرار می دهند تا مواد سرامیکی را تشکیل دهند. قدیمی‌ترین نمونه‌هایی که تاکنون کشف شده‌اند در جنوب اروپای مرکزی بوده‌اند و پیکره‌های حجاری شده‌اند، نه ظروف اولین سفال های شناخته شده با مخلوط کردن محصولات حیوانی با خاک رس ساخته شده و در کوره هایی با دمای 800 درجه سانتیگراد پخته می شد. در حالی که قطعات سفالی واقعی تا 19000 سال قدمت پیدا کرده اند، تا حدود ده هزار سال بعد بود که سفال های معمولی رایج شد. مردم اولیه که در بسیاری از اروپا پراکنده شدند به دلیل استفاده از سفال، فرهنگ ظروف طناب دار نامگذاری شده است. این اقوام اولیه هند و اروپایی سفال های خود را با پیچیدن آن با طناب در حالی که هنوز خیس بود تزئین می کردند. هنگامی که سرامیک ها پخته شدند، طناب می سوخت اما یک الگوی تزئینی از شیارهای پیچیده روی سطح باقی می ماند.
اختراع چرخ در نهایت منجر به تولید سفال‌های صاف‌تر و یکنواخت‌تر با استفاده از تکنیک چرخ‌سازی، مانند چرخ سفال‌گری شد. سرامیک های اولیه متخلخل بودند و آب را به راحتی جذب می کردند. با کشف تکنیک‌های لعاب‌کاری، پوشاندن سفال‌ها با سیلیکون، خاکستر استخوان یا سایر موادی که می‌توانستند ذوب شوند و به سطح شیشه‌ای تبدیل شوند و ظرف را در برابر آب کمتر نفوذ کنند، برای موارد بیشتری مفید واقع شد.
بسیاری از متخصصان، موادی با ویژگی آمورف (غیر کریستالی یعنی شیشه) را سرامیک نمی دانند، حتی اگر شیشه سازی شامل چندین مرحله از فرآیند سرامیک باشد و خواص مکانیکی آن مشابه مواد سرامیک باشد. با این حال، عملیات حرارتی می تواند شیشه را به یک ماده نیمه کریستالی به نام شیشه–سرامیک تبدیل کند.
مواد خام سنتی سرامیکی شامل مواد معدنی رسی مانند کائولینیت است، در حالی که مواد جدیدتر شامل اکسید آلومینیوم است که بیشتر به نام آلومینا شناخته می شود. مواد سرامیکی مدرن، که به عنوان سرامیک های پیشرفته طبقه بندی می شوند، شامل کاربید سیلیکون و کاربید تنگستن هستند. هر دو به دلیل مقاومت در برابر سایش ارزشمند هستند. از سرامیک های پیشرفته در صنایع پزشکی، برق، الکترونیک و زره بدن نیز استفاده می شود.
بازار صنعت سرامیک
صنعت سرامیک یک صنعت چند میلیارد دلاری است. فروش جهانی مواد و محصولات سرامیکی حدود ۱۰۰ میلیارد دلار در سال است. ارزش بازار آمریکا به تنهایی بیش از ۳۵ میلیارد دلار در سال است. (البته مانند تمام داده‌های اقتصادی، تغییرات سالانه ای وجود دارد) توزیع کلی فروش این صنعت به شرح زیر است:
در ایالات متحده آمریکا، فروش خاک رس سازه ای به صورت سفال ساختمانی و آجر ۱۶۰ میلیون دلار در ماه است. با این وجود از نظر مالی، بازار سرامیک آشکارا تحت سلطه صنعت شیشه سازی است. کاربرد اصلی شیشه در پنجره‌ها است. تقاضای جهانی برای شیشه تخت حدود ۴۰ میلیارد فوت مربع (۳٫۷ میلیارد متر مربع) است، که ارزش آن بیش از ۴۰ میلیارد دلار می‌شود.
سرامیک‌های پیشرفته دومین بخش بزرگ این صنعت را تشکیل می‌دهند. بیش از نیمی از این بخش از سرامیک‌های الکتریکی و الکترونیکی تشکیل شده‌است. ابررساناهای سرامیکی دما-بالا، که در گروه سرامیک‌های پیشرفته قرار می‌گیرند، در حال حاضر جزء عمده بازار نیستند. این سرامیک‌ها کمتر از ۱٪ از بازار سرامیک پیشرفته را تشکیل می‌دهند. رشد قابل توجهی به دلیل افزایش استفاده از آنها در فیلترهای مایکروویو و تشدیدگرها با کاربرد خاص در تلفن‌های همراه پیش‌بینی شده‌است.
سرامیک‌های مهندسی که به آنها سرامیک ساختاری نیز گفته می‌شود، در ساخت قطعات مقاوم در برابر سایش مانند قالب، نازل و یاتاقان استفاده می‌شوند. بیوسرامیک‌ها (به عنوان مثال درون کاشت‌ها و تاج دندان‌های سرامیکی و شیشه-سرامیکی) حدود ۲۰٪ از این بازار را تشکیل می‌دهند. تاج دندان از پرسلان ساخته می‌شود و سالانه بیش از ۳۰ میلیون تاج دندان در ایالات متحده آمریکا ساخته می‌شود.
فروش وسایل سرامیکی سفید که شامل لوازم بهداشتی (به عنوان مثال کاسه توالت، روشویی‌ها) و ظروف غذاخوری (بشقاب، لیوان) است، حدود ۱۰٪ از کل بازار سرامیک را تشکیل می‌دهد. بزرگترین بخش بازار وسایل سرامیکی سفید، با حدود ۴۰٪، شامل کاشی کف و دیوار است.
لعاب پرسلین پوششی سرامیکی است که روی بسیاری از لوازم فولادی مانند اجاق‌های آشپزخانه اعمال می‌شود. لعاب پرسلین کاربردهای گسترده‌تری به عنوان پوشش داخلی و خارجی در ساختمان‌ها، به عنوان مثال در ایستگاه‌های مترو دارد. به دلیل این کاربردهای گسترده، شاید تعجب آور نباشد که صنعت لعاب پرسلان بیش از 2 میلیارد دلار در سال ارزش دارد.
بیش از ۵۰٪ از مواد نسوز توسط صنعت فولاد مصرف می‌شود. کشورهای عمده سازنده فولاد چین، ژاپن و ایالات متحده هستند. محصولات ساخته شده از خاک رس ساختمانی شامل آجر و بلوک، لوله‌های فاضلاب و کاشی‌های سقفی می‌شود. این اقلام، اقلام قیمت پایین ولی تعداد بالا هستند. هر ساله حدود هشت میلیارد آجر و بلوک سفالی با ارزش بازار بیش از ۱٫۵ میلیارد دلار، فقط در ایالات متحده تولید می‌شود.
کاربردهای مختلف مواد سرامیکی
در زیر کاربردهای رایج مواد سرامیکی به همراه چندنمونه از مواد رایج در هر کاربرد آورده شده‌است
- الکتریکی و مغناطیسی
- عایق‌های ولتاژ بالا
- دی الکتریک
- پیزوالکتریک
- پیروالکتریک
- مغناطیس نرم
- مغناطیس سخت
- نیمه‌رسانا
- رسانای یونی
- تابانندهٔ الکترون
- ابررسانا
- سختی بالا
- ابزار ساینده، ابزار برشی و ابزار سنگ‌زنی
- مقاومت مکانیکی
- نوری
- فلورسانس
- ترانسلوسانسنیمه‌شفاف
- منحرف‌کنندهٔ نور
- بازتاب نوری
- بازتاب مادون قرمز
- انتقال دهندهٔ نور
- حرارتی
- پایداری حرارتی
- عایق حرارتی
- رسانای حرارتی
- شیمیایی و بیوشیمیایی
- پروتزهای استخوانی
- سابستریت
- کاتالیزور
- فناوری هسته‌ای
- سوخت‌های هسته‌ای سرامیکی
- مواد کاهش‌دهندهٔ انرژی نوترون
- مواد کنترل‌کنندهٔ فعالیت راکتور
