السيراميك

خواص السيراميك. ينتج الصانعون مواد السيراميك الشائعة من معادن مثل الصلصال والفلسبار (سليكات الألومنيوم) والسليكا والتلك. وهذه المعادن التي تُسمى السليكات، تشكل معظم مكونات القشرة الأرضية. ويُعد الصلصال من السليكات المهمة، لكنه لا يُستخدم في كل مواد السيراميك، فالزجاج مثلاً يُصنع من الرمل. ويصنع الكيميائيون مواد تُسمى السيراميك المتطور في المختبر من مركبات أخرى غير السليكات. ومن بين هذه المركبات، أكسيد الألومينا وكربيد السليكون وتيتانات الباريوم.

وتقاوم معظم منتجات السيراميك الأحماض، والغازات، والأملاح، والماء، ودرجات الحرارة العالية، مثلها في ذلك، مثل مكوناتها المعدنية، ولكن لا تمتلك كلها الخواص نفسها. وتُعد مواد السيراميك الشائعة عوازل كهربائية جيدة، أي موصلات رديئة للتيار الكهربائي. ولكن في أحوال أخرى تفقد بعض أنواع السيراميك مقاومتها الكهربائية لتصبح مواد فائقة التوصيل بعد تبريدها. وبعض مواد السيراميك لها خاصية مغنطيسية. ويقوم المهندسون بالسيطرة على خواص السيراميك بالتحكم في مقادير وأنواع المكونات المستخدمة.

أنواع منتجات السيراميك. خواص مواد السيراميك تجعلها مناسبة على وجه الخصوص لبعض المنتجات. وتشتمل المنتجات المصنعة من السيراميك على المواد الكاشطة (مواد تستخدم في عملية التجليخ)، ومواد التشييد وأدوات المائدة والمعدات الكهربائية والمنتجات الزجاجية ومقاومات الحرارة (بطانة القمائن العازلة).

المواد الكاشطة. يستخدم الصانعون بعض مواد السيراميك البالغة الصلادة في قطع المعادن وفي التجليخ، والتلميع، وفي رش مختلف المعادن بالرمال، ومواد السيراميك هذه تشتمل على أكسيد الألومينا وكربيد السليكون.

مواد التشييد. يستخدم الصلصال والطَّفل في صناعة الطوب القوي وأنابيب الصرف في المنازل والبنايات الأخرى. ويصنع البلاط من الصلصال والتلك. ويتكون الإسمنت أساسًا من سليكات الكالسيوم، ويُستخدم في المقام الأول في صناعة الخرسانة. ويستخدم الجبس في صناعة عجينة الجص ولصناعة أغطية الحوائط والأسقف. وتُصنع أحواض الاستحمام، وأحواض الغسيل والمراحيض من الخزف الصيني الذي يتكون أساساً من الصلصال والفلسبار والكوارتز (المرو).

أدوات المائدة. يدخل السيراميك في صناعة أطباق ممتازة للأغذية والمشروبات. وهي لا تمتص السوائل، وتقاوم الأحماض والأملاح والمنظفات والتغيير في درجات الحرارة. وتُصنع غالبية أدوات المائدة من خليط من الصلصال والفلسبار والكوارتز.

المعدات الكهربائية. يُستخدم السيراميك غير الموصّل للكهرباء، عازلاً في صناعة شموع الإشعال في السيارة، وفي خطوط القدرة الكهربائية، وفي أجهزة التلفاز. وهذا السيراميك يحتوي على الألومينا والخزف الصيني. وهناك سيراميك آخر هو تيتانات الباريوم يُستخدم في صناعة المكثفات التي تختزن الشحنات الكهربائية في المعدات الإلكترونية. ويستخدم السيراميك الممغنط في الدوائر الإلكترونية وفي المحركات الكهربائية. وتُلصق الدوائر الإلكترونية المعقدة على طبقات رقيقة من الألومينا.

منتجات الزجاج. الزجاج واحد من أهم المواد، وذلك بسبب شفافيته في المقام الأول. وتشتمل منتجات الزجاج على أوعية الطعام واللمبات الضوئية والنوافذ والعدسات. وتُستخدم ألياف الزجاج عازلاً في حوائط بيوت عديدة. كما أن خطوط الاتصال الهاتفي باتت تُصنع من ألياف الزجاج.  والمُركب الرئيسي في الزجاج هو السليكا.

وهناك طلاء شبه زجاجي يسمى مينا الخزف الصيني يُستخدم مادة واقية لكثير من المنتجات الفلزية، وتشمل هذه المنتجات الأجهزة المنزلية، مثل الثلاجة المنزلية، والفرن المنزلي والغسالات. ويجعل مينا الخزف الصيني اللافتات في الطريق العام مقاومة للأحوال الجوية.

مقاومات الحرارة. تجعل خاصية مقاومة الحرارة مقاومات الحرارة مناسبة لتصنيع الغلايات الصناعية والأفران، مثل الأفران التي تستخدم في صناعة الفولاذ. وتغطي مقاومات الحرارة المصنوعة على شكل بلاطات أسطح مكوك الفضاء لتقاوم الحرارة الكثيفة التي تنشأ بفعل السرعات الفائقة. ويشمل السيراميك الذي يدخل في صناعة مقاومات الحرارة على الألومينا وأكسيد المنجنيز، والسليكا وكربيد السليكون وأكسيد الزركونيوم.

منتجات أخرى. يداوم المهندسون على ابتكار استخدامات جديدة للسيراميك. فعلى سبيل المثال يستخدم الخزف الصيني في صناعة الأسنان الاصطناعية، ومفاصل العظام الاصطناعية. كما يُستخدم سيراميك أكسيد اليورانيوم في عناصر وقود المفاعلات النووية. وتُصنع أدوات قطع المعادن من نتريد السليكون. وتستخدم مقاومات الحرارة المصنوعة من الكربيدات في صناعة أجزاء من محركات الطائرات. كما يستخدم الألومنيوم في صناعة أنواع معينة من أجهزة الليّزر (أجهزة تُعطي حزمات ضوئية مركزة).

صناعة السيراميك. تُستخرج المواد الصلصالية والمعادن الأخرى الداخلة في صناعة السيراميك من باطن الأرض، ثم تصفى ليزداد نقاؤها. ثم تقوم آلات بتكسير، وطحن هذه الخامات إلى حبيبات دقيقة. وتخلط هذه الحبيبات عندئذ بالمقادير الصحيحة، ثم يضاف إليها الماء، أو سائل آخر للحصول على خليط يمكن تشكيله. وأحيانًا تُضاف مادة شبه غروية إلى المخاليط التي لا تحتوي على الصلصال. ويتم صنع المنتجات الزجاجية ومقاومات الحرارة بصهر هذه الحبيبات وتشكيلها وهي على الحالة السائلة.

والطرق الشائعة لتشكيل السيراميك الصلصالي هي، السباكة الردغية والقولبة والبثق والكبس.

وفي السباكة الردغية يُصب الخليط السائل داخل قالب يمتص الماء. وحين يُمتص الماء من الخليط، تتبقى طبقة من حبيبات السيراميك داخل القالب، مكونة بذلك القطع الجوفاء، مثل الأكواب وأباريق الشاي وأواني الزهور. وعندئذ يُفرغ المحلول الفائض من القالب. أما في طريقة القولبة، فتقوم الآلة بكبس السيراميك الصلصالي داخل قالب دوار. وتُستخدم طريقة القولبة في صناعة أطباق المائدة. وتشكل المنتجات بطريقة البثق على هيئة أعمدة طويلة، أو أنابيب، وذلك بإدخال عجينة السيراميك داخل قالب تشكيل يُسمى الأسطمبة. أما في طريقة الكبس، فيتم كبس مسحوق السيراميك في أسطمبة من الفولاذ، أو في قالب من المطاط.

وبعد أن يجف المنتج، فإنه يُقوَّى بالحريق وهي عملية تتم داخل أفران خاصة تُسمى القمائن. ويُحرق السيراميك عند درجة تتراوح بين 650 و 1650°. ويُسبب الحريق تصليدًا دائمًا للمُنتج ويعطيه قوة تحمل ومتانة وخصائص مرغوبة أخرى.

ويُغطي الصانعون العديد من منتجات السيراميك بطبقة لامعة في عملية تعرف بالتزجيج تمنعها من امتصاص السوائل، وتجعلها ملساء، وسهلة التنظيف. كما تستخدم هذه المادة أيضًا في أغراض تزيين المنازل والمحال.

نبذة تاريخية. يعود تاريخ أواني الخزف ـ أقدم أنواع منتجات السيراميك ـ إلى ما قبل التاريخ. فقد وجدت نماذج من أوان خزفية يبلغ عمرها حوالي 13,000 عام في أجزاء عديدة من العالم. وقد بدأ استخدام السيراميك في الصناعة عام 1900م. كما دعت المتطلبات الحربية في الحرب العالمية الثانية (1939 - 1945م) إلى الحاجة إلى خامات ذات قدرات هائلة، والإسراع في تطوير علوم، وهندسة السيراميك. وخلال الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين أدى التقدم في الطاقة الذرية والإلكترونيات والاتصالات وارتياد الفضاء إلى الحاجة إلى أنواع جديدة من السيراميك. وتحتاج مركبات الفضاء عند سرعات عالية إلى أغلفة من السيراميك تُقاوم الحرارة العالية، وكذلك تستخدم طبقات السيراميك بطانة لأجسام المحركات. وقد قام الباحثون منذ أوائل الثمانينيات من القرن العشرين بتطوير محركات مصنوعة من السيراميك للسيارات، والجرارات، والمضخات، والمولدات الكهربائية. كما أدى اكتشاف الموصلات الفائقة المصنوعة من السيراميك في عام 1986م إلى ضرورة عمل أبحاث لابتكار أجزاء سيراميكية فائقة التوصيل لاستخدامها في المعدات الإلكترونية، والمحركات الكهربائية ووسائل النقل.

المصدر: مهندس نت