مواد غیر فلزی
سرامیک‌ها
سرامیک‌ها موادی هستند که هر سه نوع پیوند کووالانسی، یونی و گاهی اوقات پیوندهای فلزی را دارند. این مواد ترکیبی از فلزات و غیرفلزات هستند که اغلب از اکسیدها، نیترات‌ها و کاربیدها تشکیل شده‌اند. از آن جمله می‌توان به گرانیت و الماس اشاره کرد، در کل می‌توان گفت سرامیک‌ها مواد جامد مصنوعی هستند که جزو فلزات و پلاستیکها نیستند. واژه سرامیک از یک واژه یونانی به مفهوم کوزه سفالی گرفته شده است. از این رو آشکار است که کاربرد سرامیک‌ها دارای قدمت طولانی است. امروزه طیف وسیعی از مواد را به این نام می‌شناسند که چندان به خاک رس پخته شده که آن را سفال می‌نامند ربطی ندارند. سرامیک‌ها موادی بسیار سخت و ترد هستند که از مواد معدنی تولید شده مقاومت به حرارت بسیار زیادی دارند. در یک تقسیم بندی کلی می‌توان سرامیک‌ها را به انواع زیر تقسیم بندی کرد.
- سرامیک‌ها با مصارف عمومی
- سرامیک های مهندسی
- شیشه‌ها
خواص سرامیک‌ها
- سرامیک‌ها در دماهای بالا مانند یک سیال روان می‌شوند. در این شرایط می‌توان آنها را به خوبی شکل داد و به شکل دلخواه در آورد.
- سرامیک‌ها در دمای بالا استحکام خود را حفظ کرده و به همین دلیل در صنعت کاربردهای زیادی را دارند.
- در مقابل سرامیک‌ها از استحکام کششی بسیار کمی برخور دارند ضمن آن که شکننده و به ضربه و ترک حساس هستند.
- سختی بالای این مواد باعث شده تا استفاده از سرامیک‌ها در تولید ابزارهای برش و مواد ساینده افزایش یابد.
- ابزارهای سرامیکی هم اکنون در صنعت به منظور برش فلزاتی که استحکام بالایی دارند کاربردهای وسیعی پیدا کرده و بسیار مورد توجه است.
- پایداری شیمیایی و حرارتی این مواد و مقاومت فشاری خوب آنها در دماهای زیاد، موجب شده تا از سرامیک‌ها در تولید پوشش‌های مقاوم به حرارت
نیز استفاده شود. - هم اکنون تولید سرامیک‌هایی با دمای سیلان ۳۹۰۰۰C که خواص مکانیکی خوبی از خود در دمای زیر نشان می‌دهند، به عنوان مواد نسوز در صنعت استفاده می‌شود.
سرامیک با مصارف عمومی
این گروه از سرامیک‌ها کاربرد زیادی در وسایل خانگی و ساختمان سازی دارند. کاشی‌ها، سرامیک‌های ساختمانی و حتی سنگ‌ها، که سرامیک‌های طبیعی هستند. برای تزئین و ساخت ساختما‌ن‌ها به کار می‌روند. این مواد به دلیل مقاومت به سایش، زیبایی و پایداری در شرایط محیطی بسیار مورد توجه هستند. سهولت در تولید این سرامیک‌ها به دلیل وجود خاک رس (که اساس یترین قسمت آ‌نهاست) تولید آنها را مقرون به صرفه کرده است. خاک رس به وفور در طبیعت یافت می‌شود نیاز به تخلیص هم نداشته و به راحتی قابل استخراج است.
سیمان‌ها جزء خانواده سرامیک‌ها هستند که از استحکام فشاری خوبی برخوردارند. ولی سایر خواص مکانیکی سیمان‌ها چندان مطلوب نیست. بالاخص در برابر خمش و کشش بسیار ضعیف بوده و چنا‌نچه ضربه به آنها وارد آید به آسانی می‌شکنند. لذا به منظور حل این مشکل در تولید بتن که ترکیبی خاص شامل سیمان است، آن را به اصطلاح مسلح می‌کنند یعنی به کمک میلگردهای فولادی آج دار که در میان لایه‌های بتن قرار می‌گیرد، استحکام کششی آن را افزایش می‌دهند.
در خانواده سیمان‌ها، سیمان پرتلند از اهمیت خاصی برخوردار است و در حجم وسیع تولید می‌شوند. برای تولید این سیمان آهک و خاک رسی خاصی را در آسیاب‌های بزرگ ریخته که علاوه بر خرد شدن مواد واکنش شیمیایی هم رخ می‌دهد با هم مخلوط کرده و آسیاب می‌کنند.
سرامیک‌های مهندسی
مواد نسوز از جنس سرامیک اغلب به صورت بلوک یا همان آجر نسوز در صنعت ساختمان سازی استفاده می‌شود. از کاربردهای این گونه نسوزها می‌توان به عایق کاری دیواره کوره‌های پخت آجر، کوره تولید فلزات و تولید شیشه‌ها و کوره‌های عملیات حرارتی اشاره کرد.
ترکیب شیمیایی نسوزها، تعیین کننده میزان حرارتی است که توسط این مواد تحمل می‌شود. اندازه دانه به کارگرفته شده هم حایز اهمیت است زیرا اندازه تخلخل‌ها را در آجر تولیدی مشخص می‌کند. از سرامیک‌ها برای برش، سنگ زنی و پرداخت مواد نرم‌تر استفاده می‌شود، بنابراین اولین
خاصیتی که از این مواد در براده برداری از قطعات انتظار داریم مقاومت به سایش است. البته از سوی دیگر لازم است، از سختی کافی برخوردار باشند تا بتوانند در ماده در حال برش نفوذ کنند. حرارت بسیار زیاد تولید شده حین فرایند برش توسط ابزار برش نیز باید را تحمل شود و ابزار مذکور مقاومت به حرارت مناسبی هم داشته باشند که تمامی این خواص در سرامیک‌ها موجود است.
الماس چه به صورت طبیعی و یا مصنوعی، به عنوان ماد‌ه‌ای ساینده جزء خانواده سرامیک‌ها شناخته می‌شود. با این وجود الما‌س‌ها بسیار گران قیمت بوده و کاربردهای خاصی دارند. از جمله دیگر سرامیک‌ها که در صنعت به عنوان مواد ساینده و ابزارهای برشی مطرح است اکسید آلومینیم است. در صنعت از مواد ساینده در اشکال مختلف استفاده می‌شود که می‌توان به صورت چسبیده به یکدیگر، یا حالت پوشش تنها باشد. در حالت اول مانند سن‌گهای سنگ‌زنی بلورهای سرامیک به کمک چسب‌ها و رزین‌های خاص به یکدیگر چسبانیده می‌شوند تا یک دیسک یا همان سنگ، سنگ زنی را تشکیل دهند. فضای تو خالی ایجاد شده میان ذرات باعث می‌شود تا سنگ به راحتی توسط هوا و مایع خنک کننده، خنک شده و عملیات براد‌ه‌برداری به سهولت رخ دهد.
در حالت دوم مواد به صورت پوشش بر روی ورق‌های ضخیم به عنوان کاغذ سنباده مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای کاربردهای سبک مثل براده برداری از روی چوب، پلاستیک و پرداخت فلزات استفاده می‌شوند.
از کاربردهای دیگر مهندسی سرامیک‌ها می‌توان به نیمه هادی‌ها اشاره کرد.
نیمه هادی
این مواد در صنعت الکترونیک کاربردهای فراوانی دارند. در فلزات الکترون‌ها به صورتی به اتم‌ها متصل‌اند که به راحتی قادر هستند میان اتم‌ها حرکت کرده و جریان الکتریکی را از خود عبور دهند این خاصیت همان رسانش است. ولی مواد نارسانا به شدت الکترون‌های خود را مقید می‌سازند و اجازه رد و بدل شدن آنها را میان اتم‌ها نمی‌دهند. به همین دلیل هیچ گونه جریانی میان این مواد وجود ندارد. در حالی که نیمه رساناها خواص میان این دو گروه از مواد را دارند. این عناصر در دمای صفر مطلق خواص نارسانایی داشته ولی چنان چه دما بالا رود و به اتم‌ها انرژی کافی برسد، رسانش در آنها رخ خواهد داد. این دما اغلب در دمای محیط است و این مواد در این دما رسانا هستند.
در میان ابزارهای برش، الماس از بیشترین سختی برخوردار است. دلیل این استحکام وجود پیوندهای کووالانسی قوی میان اتم‌های این ماده است، در حقیقت الماس ساختاری کاملاً متشکل از اتم‌های کربن دارد.
شیشه‌ها
قدمت شیشه به حدود ۷۰۰۰ سال پیش باز می‌گردد، در آن دوران شیشه را از ذوب کردن سنگ سودا و شن ساحل می‌ساختند. در حدود ۳۰۰ سال پیش از میلاد اولین پنجره شیشه‌ای با ریختن مذاب شیشه بر روی یک تخته سنگ تولید شده است.
شیشه‌ها را می‌توان به راحتی بازیافت کرد. مواد خام تا دمای زیادی گرم شده سپس از میان غلتک عبور داده می‌شود تا تختا‌ل‌های شیشه‌ای تولید شوند. برای تولید بطر‌ی‌های شیشه‌ای از روش دمش استفاده می‌شود. فشار هوا شیشه را آن قدر منبسط می کند تا با فشرده شدن آن به بدنه داخلی قالب شکل داخل قالب را به خود بگیرد بطری شیشه‌ای تولید می‌شود. ضریب انبساط حرارتی شیشه بسیار بالاست و این در حالی است که ضریب انتقال حرارت آن پایین است. لذا از آن می‌توان به خوبی در کاربردهای خانگی استفاده کرد. یکی از انواع شیشه، پیرکس است در این نوع خاص از شیشه با اضافه شدن اکسیدبور به شیشه معمولی انبساط حرارتی آن پایین آمده و مقاوم به شکست در اثر شوک حرارتی می‌شود. از همین روست که این نوع از شیشه کاربردهای وسیعی در وسایل آشپزخانه و لابراتوارها دارد و مقاومت زیادی به خوردگی و مواد شیمیایی از خود نشان می‌دهد.
پلاستیکها
پلاستیکها مواد مصنوعی جدیدی هستند که به دلیل خواصی مانند سبکی، عایق حرارت و جریان الکتر یکی در صنعت، کاربردهای فراوانی دارند. نایلون که از مهمترین الیاف ساخته دست بشر است، بعد از جنگ جهانی اول ساخته شد ولی تا اوایل ۱۹۴۰ که در جوراب به کار گرفته شد، کاربرد عمومی نداشت. پلی اتیلن نیز به عنوان یکی از مواد پلاستیکی مهم در چند دهه اخیر ساخته شده و برای تولید انواع پاکت‌های پلاستیکی در صنعت بسته بندی استفاده شده است. به طور مثال به مواد به کار رفته در ساخت قطعات خودرویی که در آن سوار می‌شوید از پلاستیک تولید شده است.
پلاستیکها به سه دسته تقسیم می‌شوند.
- ترموپلاست‌ها
- ترموست‌ها
- الاستومرها
پلاستیکها از منابعی مانند گیاهان، نفت خام و ضایعات حیوانی استحصال می‌شوند. پلاستیکها از نقطه نظر ساختاری از دسته پلیمرها هستند. پلیمرها مولکولهای بزرگی از مواد آلی هستند که پایه کربنی داشته و از اتصال مولکولهای کوچک (مونومر) به یکدیگر ایجاد می‌شوند. اصطلاح ماده آلی همان گونه که از نام آن بر می‌آید، بدان مفهوم است که ماده از موجودی زنده یا موجوداتی که زمانی زنده بوده‌اند، تولید می‌شوند. این ماده آلی می‌تواند از اجزای یک گیاه و یا نفت که خود منشأ جانوری دارد، باشد. در مجموع عنصر کربن در تمامی مواد آلی وجود داشته و در ترکیب با عناصری همچون هیدروژن، نیتروژن و کلر و فلوئور مواد آلی تولید می‌شود.
خواص پلاستیکها
با نگاهی کوتاه به اطراف خود، به مناظر طبیعی شهرها، روستاها، حاشیه جاد‌ه‌ها و رودخانه‌ها در خواهید یافت که زباله‌های پلاستیکی که نشانه بی‌توجهی ما در حفظ محیط زیست اطرافمان است، چه مناظر نامطبوعی ایجاد کرده‌اند. خوب است بدانید زمان لازم برای تجزیه طبیعی این مواد بسیار طولانی‌تر از مواد فلزی است و پایداری آنها در محیط بسیار زیاد است.
با وجود این مضرات، خواص ویژه‌ای از پلاستیکها وجود دارد، که مصرف آنها را بسیار مورد توجه قرار داده است و این خواص شامل موارد زیر است.
- این مواد مقاومت زیادی نسبت به خوردگی در محیط و یا محی طهای خورنده دارند.
- این مواد دارای چگالی کمتر از آب هستند و اغلب بر روی آب شناورند.
- این مواد هر چند تغییر شکل‌های زیادی را تحمل می‌کنند ولی استحکام کمتر از فلزات دارند اما به خاطر وزن کمی که دارند نسبت استحکام به وزن آنها قابل توجه است.
- اغلب مواد ترموپلاست مقاومت کمی نسبت به دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد دارند و در دماهایی نه چندان زیاد سیالیت خوبی از خود نشان می‌دهند. استحکام آنها با افزایش دما کاهش می‌یابد.
- پلاستیکها بسیار شفاف هستند و امکان تولید در رنگ‌های مختلف را دارند. تعدادی از آنها را می‌توان آب کاری کرد.
ترموپلاست‌ها
این گروه از پلاستیکها در اثر اعمال حرارت تغییر شکل می‌دهند، با اعمال نیرو تغییر شکل مورد نظر را می‌گیرند و با سرد شدن شکل جدید خود را حفظ می‌کنند. ۹۰ % پلاستیکها در حال حاضر از این گروه مواد هستند. این گروه از پلاستیکها به راحتی قابلیت بازیافت دارند و استفاده مجدد از آنها بدون آ‌نکه خواص آنها تغییر کند، امکان پذیر است. از مهمترین پلاستیک‌های این گروه می‌توان به پلی اتیلن (PE) اشاره کرد.
پلی پر‌وپیلن PP که شباهت زیادی به پلی اتیلن دارد، دارای وزن مخصوص کم است و مقاومت به خوردگی زیادی از خود نشان می‌دهد. این پلیمر نسبت
به محیط های اکسنده و نور ماوراء بنفش بسیار حساس بوده و تجزیه می‌شود ولی در برابر اسیدها و بازها مقاومت زیادی دارد. رنگ این ماده، سفید شیری و رنگ خود را به خوبی حفظ می‌کند. برای تولید لوازم و تجهیزات مواد شیمیایی و آزمایشگاهی اغلب از این ماده استفاده می‌کنند.
پلی ونیل کلراید PVC نیز با کاربردهای وسیع در صنعت از همین خانواده است. از این ماده برای تولید لوله، دستکش و پنجر‌ه‌ها استفاده می‌شود. این ماده مقاومت زیادی به آب و مواد شیمیایی دارد ولی مقاومت چندانی به حرارت ندارد. از خاصیت‌های مهم این ماده امکان تولید آن به روش‌های گوناگون است. آکریلیک که برای تولید شیشه‌های پلاستیکی استفاده می‌شود، از گروه ترموپلاست‌هاست. این ماده در ابتدا برای تولید شیشه‌های هواپیما استفاده شد. شفافیت بسیار خوب و مقاومت به حرارت و ضربه عالی از ویژگی‌های آن است.
ترموست‌ها
در حین فرایند قالب‌گیری ترموپلاست‌ها، مواد تشکیل دهنده دچار واکنش شیمیایی شده و نیروهای قوی بین مولکول مواد آن تشکیل می‌شود. این نیروها که از جنس نیروهای پیوندی کووالانسی است، از نیروهای واندروالس در مولکول های ترموپلاستیک‌ها بسیار قوی‌تر است. این پیوند باعث می‌شود جسم تشکیل شده از این مواد دارای یک ساختار جامد بسیار قوی شود و بسیار پایدار باشد. از مهمترین ترموست‌ها می‌توان فنل فرمالدئید که با نام تجاری باکالایت شناخته می‌شود، نام برد. این پلیمر بسیار سخت و شکننده ولی مقاوم به حرارت و جریان الکتریکی است و در صنایع برق و الکترونیک کاربرد وسیعی دارد. این ماده در ساخت و تولید کلیدها و پریزهای برق مصرف زیاد دارد.
الاستومرها
لاستیک طبیعی دارای ساختار زنجیره‌ای بسیار بلند و پیچیده است ولی لاستیک‌های مصنوعی دارای ساختارهای بسیار کوتاه هستند. از همین رو این ماده می‌تواند تا چند برابر طول خود کش بیاید و نیروهای بسیار زیادی را هم تحمل کند و با برداشتن نیروی اولیه از روی این مواد، شکل اولیه خودرا حفظ کند.
کاربردهای مهم الاستومرها در صنعت برای ساخت دو نوع لاستیک طبیعیNR و NBR است. لاستیک NR در کاربردهای صنعتی، مثل تولید لاستیک خودرو، ضربه گیرها و قطعات ارتعاش گیر استفاده می‌شود. ولی لاستیک NBR به دلیل مقاومت بسیار خوب نسبت به روغن در دماهای بالا، از آن برای تولید قطعات آب بندی استفاده می‌شود، مثل کاسه نمدها و ارینگ‌ها.
منبع : omransoft.ir
