مقدمه
در این مقاله در مورد سفال گری صحبت می کنیم. بسیاری از تکنیک هایی که امروزه برای شکل دهی سرامیک های پیشرفته استفاده می شود. بوسیله ی سفال گران ابداع و استفاده می شده است. اما امروزه اینگونه فرآیندها اصلاح شده است و برای شکل دهی مواد درکاربردهای با فناوری بالا و سرامیک های جدید استفاده می شود.
ما تنها می توانیم پودر خشک را شکل دهی کرده وآن را زنیتر کنیم. اما این مسئله مرسوم است که مقداری مایع به پودر اضافه می شود. و سپس فرآیند شکل دهی و پخت اتفاق می افتد. (دقیقا همانند استفاده کردن از آب در سفال گری). تغییر فرم های اتفاق افتاده در فرآیندشکل دهی باعث می شود تا مخلوط با استحکام پایین چسبنده شود و به بدنه ای محکم ومنسجم تبدیل شود.این بدنه را می توان به هندسه ی دلخواه در آورد. انتخاب عملیات شکل دهی برای یک محصول خاص به ابعاد و ثبات ابعادی محصول، ویژگی های زیرساختاری ، میزان قابلیت تکثیر شدن نمونه بوسیله ی آن، مسائل اقتصادی و نوع شکل بستگی دارد.
لغات
در صنعت شکل دهی سرامیک ها لغات خاصی وجود دارد. زیرا این صنعت یک هنر قدیمی است. سابقاً پودرهای اصلی در خلوص و اندازه ی ذرات مناسب تهیه می شد و بوسیله ی آنها می شد اشکال مد نظر را تهیه کرد. بسیاری از روش های شکل دهی برای محصولات سرامیکی مناسب هستند. این روش ها را می توان به سه گروه عمده طبقه بندی کرد:
1) فشرده سازی پودر: پرس خشک، پرس گرم، پرس ایزواستاتیک سرد و...
2) ریخته گری : بوسیله ی قالب و دوغاب سرامیکی
3) شکل دهی پلاستیک: اکستروژن ، قالب گیری تزریقی و... در این فرآیند از فشار برای شکل دهی بدنه ی خام سرامیکی استفاده می شود.
فشرده سازی پودر:
در این روش با فشردن پودر ماده ی سرامیکی ، قطعه تشکیل می شود. پودر ممکن است بوسیله ی فرآیند فشرده سازی خشک (بدون افزودن بایندر) ویا بوسیله ی افزودن مقدار اندکی از یک بایندر به قطعه تبدیل شود. فشار اعمالی نیز می تواند غیر محوری یا ایزواستاتیک باشد.انتخاب روش فشرده سازی (پرس کردن ) به شکل محصول نهایی بستگی دارد. ما می توانیم اشکال ساده را بوسیله ی اعمال فشار غیر محوری و قعطات پیچیده را بوسیله ی اعمال فشار ایزواستاتیک تولید کنیم.
سرامیک های ریخته گری شده
این نوع از سرامیک ها معمولا در دمای اتاق و بوسیله ی تهیه ی یک دو غاب حاوی ذرات پودر تهیه می شوند. لازم به ذکر است که این فرآیند شباهتی به فرآیند ریخته گری فلزی ندارد. دو غاب تهیه شده به داخل قالب ریخته شده و مایع آن بوسیله ی جداره ی قالب (دیفوزیون از جداره) خارج می شود. خروج مایع از قالب سبب پدید آمدن جسمی با استحکام مناسب در داخل قالب می شود. به این روش ریخته گری روش ریخته گری لغزشی (Slip Casting) می گویند. از این روش برای شکل دهی بسیاری از محصولات سرامیکی سنتی (مانند ظروف تزئینی) استفاده می شود. در سال های اخیر از این روش برای شکل دهی محصولات سرامیکی پیشرفته (مانند پرده ها ی توربین و روتور توربین گازی) استفاده می شود. برای تولید فیلم های ضخیم و صفحات از روش ریخته گری نواری (tape Casting) استفاده می شود.
شکل دهی پلاستیک
این روش بدین صورت است که به پودر سرامیکی به میزان مشخصی آب اضافه می شود . تا پودر خاصیت پلاستیک پیدا کند و بتوان آن را تحت فشار شکل دهی کرد. این روش ابتدائاً برای شکل دهی خاک رس استفاده می شده است که پس از آن با انجام اعمال اصلاحی بر روی آن برای شکل دهی مواد پلیمری نیز استفاده می شود. مایع مورد استفاده در سرامیک های سنتی بر پایه ی رس، آب است. برای سیستم های سرامیکی که بر پایه ی رس نیستند. مواد آلی نیز ممکن است به جای آب استفاده شوند. بایندرهای آلی معمولا از ترکیبات چند گانه ساخته شده اند تا بتوانند وسکوزیته ی مناسب را به سیستم سرامیکی بدهند و همچنین خصوصیات بعد از پخت خوبی داشته باشند.
جدول 1 روشهای اصلی موجود در سه گروه شکل دهی را نشان می دهد. که در هر مورد اشکالی را که می توانیم با این روش ها تولید کنیم نیز آورده شده است.
در ادامه برخی از واژه های مربوط به صنعت شکل دهی را بیان می کنیم.
بایندر (binder)
بایندر ترکیبی است که استفاده می شود تا پودر در کنار هم نگه داشته شود و بتوان پودر را شکل دهی کرد.
دوغاب (Slurry)
دوغاب سوسپانسیونی از ذرات سرامیکی دریک مایع است.
نرم کننده (plasticizer)
نوعی بایندر است که باعث می شود دوغاب نرم یا انعطاف پذیر شود. این افزودنی خواص رئولوژیکی دوغاب را بهبود می دهد.
نمونه ی خام (green)
قطعه ای سرامیکی است که هنوز پخت نشده است.
دوغاب لعاب (Slip)
مخلوطی سوسپانسیونی است که به صورت پوشش بر روی بدنه ی خام قرار می گیرد و پس از پخت بر روی بدنه تشکیل لعاب را می دهد.
برخی از روش های شکل دهی که در این مقاله به آنها می پردازیم، بدنه هایی سرامیکی تولید می کنند که فشردگی آنها تنها برای فرآیند ماشین کاری مناسب است (میزان استحکام آنها به حدی است که تنها بتوان آنها را ماشین کاری کرد.) به هر حال این بدنه ها کاملا متراکم نیستند و پیوند بین دانه ها در آنها ضعیف است.این حالت را خام بودن (green) می گویند.در واقع در این حالت، حالتی میان بدنه ی زنیتر شده ی با دانسیته ی بالا و پودر نرم است. روش های دیگری در شکل دهی سرامیک ها وجود دارد که در آنها با اعمال دمای بالا در حین شکل دهی بدنه های زنیتر شده با دانستیه ی بالا تولید می شود.
بایندر و نرم کننده ها
در اغلب موارد نیاز است تا به پودر سرامیکی مقداری بایندر اضافه کنیم. بایندر دو وظیفه دارد. در برخی روش های شکل دهی مانند اکستروژن، بایندر پلاستیسیته ی مورد نیاز برای شکل دهی را فراهم می کند. بایندر همچنین باعث می شد تا قطعه ی خام تولیدی پس از خشک شدن استحکام کافی را داشته باشد و در طی فرآیند ساخت و پخت دفورمه نشود. یکی از ویژگی های مهمی که بایندرها باید داشته باشند این است که بتوان بایندر را در طی فرایند پخت از بین برد و آن را از میان بدنه ی متراکم خارج کنیم، بدون آنکه بدنه معیوب شود. در اغلب موارد مواد پلیمری بایندرهای ایده آلی هستند.
در سفال گری اغلباً از آب به عنوان بایندر استفاده می شود. در این صنعت آب به میزان کافی به خاک افزوده می شود. تا گل حاصله پلاستیسیته ی مورد نیاز برای شکل دهی را بدست آورد. در واقع میزان آب در حدی است که نمونه در طی پخت ثبات خود را حفظ کند. برای بهبود خواص رئولوژیکی در اغلب موارد از نرم کننده استفاده می شود. در اصل افزودن نرم کننده به سوسپانسیون ها به صنعت سرامیک منحصر نیست و از آن در بسیاری از فرآیندهای پودری استفاده می شود. برخی اوقاف تفاوت میان نرم کننده و بایندر زیاد واضح نیست. بایندرها همچنین در فرآیندهای شکل دهی فلزات بوسیله ی پودر فلز نیز کاربرد دارند.
دوغاب
واژه ی دوغاب لعاب ( Slip) از لغتی انگلیسی آمده است که به معنای کرم (cream) است کرم سوسپانسیونی از ذرات شیر داخل مایع (آب) است که در فرآیند تولید پنیر بوجود می آید.
عموماً دوغاب لعاب شامل ذرات سرامیکی کوچک (زیر 10 میکرون ) است که در داخل یک محیط مایع معلق هستند. در سفال گری این مایع معمولا آب است. سوسپانسیون بوجود آمده می تواند حتی بیش از 60% حجمی ماده ی خشک داشته باشد. دی فلوکولانت ها (deflocculents) به دو غاب لعاب اضافه می شود تا محیط الکترویکی هر ذره را بهبود دهد. این مسئله موجب می شود ذرات همدیگر را دفع کنند.
دی فلوکولانت
دی فلوکولاسیون فرآیندی است که بوسیله ی آن توده های به هم چسبیده ی ذرات سرامیکی موجود در مایع متلاشی شده و به ذرات تبدیل می شوند. از این رو در فلوکولانت یک افزودنی است که این فرآیند را انجام می دهد. به عبارت دیگر دی فلوکولاسیون مخالف دلمه شدن (coagulation) است.
کلوئید
کلوئید عموما به عنوان هر ماده ای تعریف می شود که دارای ذرات مادی است که از محلول های معمولی بزرگ تر اما بسیار ریزتر از آن هستند که بدون بزرگنمایی نوری قابل دیدن باشند.
(تقریبا 10-1nm میکرون) . کلوئیدها می توانند به روش های مختلف به یکدیگر پیوند دهند . سیستم های کلوئیدی می توانند چندین شکل داشته باشند. فرضی که ما با آن روبرو هستیم بدین صورت است که یک ماده در دیگری پراکنده شده است. حرکت براوونی یکی از پدیده هایی است که در این مخلوط ها بوجود می آید. دوغاب یک کلوئید است. ما می توانیم خواص دوغاب را بوسیله ی افزودن فلوکولانت و یا دی فلوکولانت تغییر دهیم.
دوغاب
ذرات رس در مایع به صورت سوسپانسیون در می آیند.( این مایع در مورد سفال ، آب است) . همین طور که مقدار آب دوغاب کاهش می یابد، میزان صلبیت آن افزایش می یابد. لعاب های مورد استفاده در سفال گری دارای عملکردی شبیه به رس در مایع هستند (البته میزان آب لعاب بیشتر است). گل کوزه گری از یک دوغاب اولیه تولید می شود. این دوغاب از رس های طبیعی تولید شده است. دوغاب به طور مکرر فیلتر می شود تا ماده ای هموژن و با قابلیت ثبات بالا پدید آید. سپس قطعاتی از گل بوسیله ی تبخیر رطوبت از کلوئید بوجود می آید. محصول پایانی به مرحله ی اکستروژن می رود و سپس در بسته بندی های خاص قرار می گیرد تا رطوبت باقی مانده در آن از بین نرود.
منبع انگلیسی مقاله : Caramic Materials/C.Barry Carter.M.GrantNorton
ادامه دارد...
