مواد خام مورد استفاده در صنعت سرامیک (1)

در این مقاله برخی از مواد اولیه ی مهم مورد استفاده در صنعت سرامیک را معرفی می کنیم. بدست آوردن مواد اولیه ی مناسب، اولین مرحله از تولید اجزای سرامیکی است. دو منبع عمده برای مواد خام وجود دارد. این دو منبع عبارتند از :
کانی های طبیعی (Naturally occurring Minerals)
کانی های مصنوعی (Synthetic Minerals)
در مورد مینرال های طبیعی ما توضیحاتی درمورد منشع، محل تمرکز منابع و مکان هایی که احتمال وجود آنها هست را توضیح می دهیم. همچنین فراوانی نسبی آنها را نیز بیان می کنیم. برای آنکه بتوان از منیرال های طبیعی استفاده کرد باید آنها را تغلیظ کرد. در اغلب موارد صنایع تغلیظ کننده در کنار منابع این مینرال ها پدید می آیند.
بیشتر این مینرال ها پیش از استفاده شدن باید تغییر حالت فیزیکی – شیمیایی دهند تا برای استفاده شدن مناسب شوند. به مجموعه ی این فرآیندها فرآوری می گویند . افراد شاغل در زمینه ی فرآوری با مطالعه ی مستمر می دانند که یک اکسید چگونه تشکیل گشته و چه ناخالصی هایی به همراه آن وجود دارد. البته آگاهی دقیق از ترکیب شیمیایی یک مینرال طبیعی بوسیله ی آزمایشات آنالیز انجام می شود. موادی که در طبیعت بوجود نمی آیند یا در طبیعت به میزان بسیار کمی وجود دارند را باید به صورت مصنوعی تهیه کرد. (ازاین رو اتلاق واژه ی مینرال به آنها صحیح نمی باشد). در ادامه ما به بیان فرآیندهای سنتز این مواد می پردازیم. کاربیدها، نیتریدها و بریدها مواد مصنوعی متداول مورد استفاده در صنعت سرامیک هستند. البته برخلاف متدوال بودن آنها، این مواد، موادی گران بها هستند و تولید شان بوسیله ی فرآیندهای خاص انجام می شود. برای اکثر مواد غیر اکسیدی، ناخالصی عمده ی مواد اولیه در تولید آنها هستند که به طور کامل واکنش نداده اند مانند آلومینیوم در نیترید آلومینیوم (AIN) یا سیلیسیم در نیترید سیلیسیم   در صنعت ساخت سرامیک های ویژه ، مواد خام مختلفی استفاده می شوند که اگر بخواهیم به آنها بپردازیم ، هر کدام یک مقاله را به خود اختصاص می دهند. در این مقاله ما سعی می کنیم گروه های اصلی مواد خام طبیعی و مصنوعی را معرف کنیم.

سنگ معدن ، مکافی و زمین شناسی
 

شکل 1 یک برش عرضی است که زمین را به صورت شماتیک نشان می دهد. زمین دارای شعاع متوسط 6370 کیلومتر است که این شعاع از سه لایه ی مجزا تشکیل شده است. لایه ی بیرونی زمین پوسته نامیده می شود.این لایه نسبت به دو لایه ی دیگر نازک تر است. صخامت آن از 20-60 کیلومتر متغیر است.

(به طور متوسط پوسته 30 کیلومتر صخامت دارد.) این پوسته ی زمین است که کانی های مفید برای بشر را در خود جای داده است.
پوسته ی قاره ای اصولا از سیلیکات های منیزیم ، آهن، آلومینیوم و کلسیم تشکیل شده است که به همراه این مواد، فلزات قلیایی، آلومینیوم وسیلیس آزاد وجود دارد. جدول 1 فراوانی عناصر عمده ی پوسته ی قاره ای را نشان می دهد. اگر به جدول توجه کنید متوجه می شوید که اکسیژن ، سیلیسیم و آلومینیوم با هم تقریبا %90 وزنی عناصر پوسته را تشکیل می دهند.

لایه ی زیر پوسته جبه نامیده می شود. این تصور وجود دارد که لایه ی ضخیم جبه از سیلیکات های منیزیم، سیلیکات آهن، آهن آزاد و سولفیدهای آهن تشکیل شده است. مینرال های موجود در جبه و هسته هم اکنون قابل دسترسی نیستند برای همین در مورد آنها بیشتر توضیح نمی دهیم. به هر حال زمین شناسان می توانند به توصیف سنگهایی بپردازند که از جبه و به صورت فرآیندهای طبیعی به سطح آمده اند. معدن منبعی از یک ماده ی معدنی است که ارزش استخراج داشته باشد. مثال هایی از معدن ها عبارتند از: هماتیت (سنگ معدن اصلی آهن)، ایلمنیت (سنگ معدن اصلی تیتانیم .البته علاوه بر تیتانیم این ماده آهن نیز دارد.) ، پیروفانیت نیز یکی از مواد معدنی تیتانیم دار است اما این ماده ی معدنی ماده ای بسیار کمیاب است.
تشکیل کانی ها
کانی ها جزء اصلی سنگ ها هستند که از بخش جامد و غیر آلی زمین بدست آمده اند. سنگ ها معمولا از یک کانی تشکیل نشده اند. در واقع آنها از تجمع دو یا چند کانی تشکیل شده اند. عموما زمین شناسان سنگ ها را به سه نوع تقسیم می کنند . که این سه نوع عبارتند از :
1)سنگ های آذرین (igneous)
2)سنگ های دگرگون (metamorphic)
3)سنگ های رسوبی (Sedimentry)

سنگ های آذرین
 

این مواد وقتی تشکیل می شوند که ماگما در نزدیکی پوسته و یا در خارج از پوسته و در سطح زمین سرد و جامد می شود. واژه ی آذرین (igneous) از واژه ی ignis که یک واژه ی لاتین است ، گرفته شده است. ignis به معنای آتش است. وسنگ های آذرین به معنای سنگ های بوجود آمده از آتش است. ماگما از عناصری چون سیلیس، آلومینیوم، اکسیژن، سدیم ، پتاسیم، کلسیم ، آهن و منیزیم غنی است. جدول 2 گستره ی ترکیب عناصر عمده ی موجود در سنگ های آذرین را نشان می دهد.

اینها عناصری هستند که وقتی با سیلیس ترکیب شوند، تشکیل سیلیکات می دهند. سیلیکات ها به تنهایی 90 درصد از سنگ های آذرین را تشکیل می دهند. تمام کانی های سیلیکاتی از گروه های سیلیکات تشکیل شده اند.طبقه بندی کانی های سیلیکاتی بر اساس نحوه ی ترکیب این گروه ها انجام می شود. ویژگی مینرال های بوجود آمده ازماگما به ترکیب شیمیایی و دمای ماگما بستگی دارد. نحوه ی کرستالیزاسیون کانی های سیلیکاتی اصلی بوسیله ی واکنش های زنجیره ای Bowen توصیف می گردد که در شکل 2 این واکنش ها را می ببیند. اولوین (Olivine) و فلوسپار کلسیم دار در دمای بالا تشکیل می شوند. و این امکان وجود دارد که در همان ابتدای تشکیل از مذاب جدا شوند. همین طور که دما کاهش می یابد، سایر کانی ها نیز از مذاب به جامد تبدیل می شوند. آخرین کانی هایی که کریستالین می شوند عبارتند از : فلدسپار پتاسیک، میکای موسکویتی (mic muscovite) و کوارتز. این مواد جزء اصلی گرانیت (granite) را تشکیل می دهند.

در پایان آب موجود در ماگما فلزات و گوگرد موجود در ماگما را در خود حل کرده و با نفوذش در ترک ها سبب تشکیل رگه هایی از سولفید در سنگ ها می شود.

سنگ های دگرگون
 

سنگ های دگرگون دارای ساختار دگرگون هستند که در آنها استحاله های شیمیایی رخ داده است. این تغییر دگردیسی یا دگرگونی نامیده می شود (metamorphism or metamorphosis) استحاله ی رخ داده در این سنگ ها به دلیل اعمال دما و فشار بالا بر سنگ بستر اولیه است. این فشار و دمای بالا در اعماق لایه های زمین پدید آمده است. این دگرگونی در حالت جامد رخ می دهد بدون آنکه ماده ی اولیه ذوب شود و نتیجه آن تشکیل کانی های جدید مانند کیانیت (kyanite)، استارولیت (Staurolite) ، سیلیمانیت (Sillimanite)، آندالوزیت (andalusite)، و گارنت (garnets) می شود . سایر کانی ها مانند درصد ناچیزی از سنگ های آذرین ممکن است در سنگ های دگرگون وجود داشته باشند. البته این نوع کانی ها لزوما به خاطر فشار و دمای بالای صفحات تشکیل نشده اند. و در نمونه ی سنگ اولیه وجود داشته اند. واژه ی دگرگون (metamorphic) واژه ای است که در اصل یونانی است و از دو واژه ی متا (mata) به معنای تغییر و مورفی (morphe) به معنای شکل تشکیل شده است.

سنگ های رسوبی
 

این نوع از سنگ ها هنگامی تشکیل می شوند که ذرات کوچک و یا کریستال های با خاصیت ته نشین شوندگی به همدیگر بچسبند . سنگ های رسوبی به سنگ های شیمایی(chemical) یا کلاسیک (clasic : جدا شونده) طبقه بندی شوند. سنگ های رسوبی کلاسیک هنگامی تشکیل می شوند که ذرات سنگ ریزه ی تولید شده بوسیله ی هوازدگی شیمیایی و فیزیکی بوسیله ی آب، یخ و باد به مکان های جدید منتقل شوند و به همدیگر بچسبند.
سنگ های رسوبی شیمیایی هنگامی تشکیل می شوند که یون هایی با قابلیت حل شوندگی بالا مانند یون های سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم، کلر، سولفات، کربنات و فسفات از سنگ های اولیه در آب حل شوند و رسوب دهی ثانویه در آنها اتفاق افتد. این مواد تشکیل لایه هایی در کف اقیانوس ها و دریاچه ها می دهند و در همان مکان به همدیگر می چسبند. ترکیب سنگ های رسوبی به موارد زیر بستگی دارد:
1)ترکیب شیمیایی منبع سنگ اولیه
2) مقاومت شیمیایی و مکانیکی هر جزء کانی
3)مسافت پیموده شده بوسیله ی مواد تشکیل دهنده سنگ رسوبی
کانی های پایدار مانند کوارتز معمولا جزء اصلی سنگ های رسوبی هستند و همچنین کانی های کمیاب (مانند گارنت، روتایل (rutile) و زیرکن) نیز در این سنگ ها دیده می شود.
اگر چه فلدسپار کانی با مقاومت پایین است اما این ماده به عنوان یکی از اجزای اصلی سنگ های رسوبی است. کانی های رسوبی شامل کربنات (مانند کلسیت ( Calcite) و دولومیت (Dolomite)، سولفات ها (مانند گیبسیت (gypsum) و آنهیدرایت (anhydrite) )، کلریدها، سیلیس کلسدونیک (Silica chalcedonic) هستند.

سه نوع سنگ توضیح داده شده در بالا در شکل 3 نشان داده شده اند. این شکل نشان دهنده چرخه ی سنگ هاست.

فرآوری
 

فرآوری فرآیندی است که اکثر مینرال ها پیش از استفاده شدن در تولید سرامیک ها از آن عبور می کنند. فرآوری فیزیکی شامل خردایش و آسیاب سنگ های درشت می شود. اندازه ی ذره ی ماده ی خام ممکن است بر روی مراحل بعد فرآیند تولید تاثیر بگذارد. یکی از مثال ها در این زمینه فرآوری آلومینا از بوکسیت است. این فرآیند شامل مراحل مختلف و فرآیند های شیمیایی است.
فرآوری شیمیایی شامل فرآیندهایی است که در آنها کانی های با ارزش از مواد باطله جدا می شوند. برای مثال در این فرآیندها بواسطه ی انحلال مواد در محلول های خاص و فیلتراسیون عمل فرآوری انجام می شود. فرآیند بایر که بوسیله ی آن آلومینا فرآوری می شود مثالی خوب از فرآوری شیمیایی است . در این فرآیند بوکسیت که شامل مواد ناخالصی فراوانی است تغلیظ و فرآوری می شود.
میزان خلوص مواد خام بر روی ترکیب محصول پایانی اثر می گذارد. برای بسیاری از بدنه های سرامیکی کنترل دقیق میزان ناخالصی ها ضروری می باشد . در این کاربردها مواد اولیه به صورت مصنوعی تهیه می شوند. علاوه بر این برخی از مواد سرامیکی به صورت طبیعی وجود ندارند و از این رو باید آنها را با روشهای شیمیایی بسازیم. سنتز مصنوعی پودر سرامیک ها نه تنها دارای مزیت خالص بودن است بلکه اجازه می دهد تا پودر های بسیار ریز با مرفولوژی بسیار خوب تولید شود.

وزن و مقیاس
 

درسیستم جهانی SI جرم دارای واحد کیلوگرم است. این واحد به خاطر برخی مسائل مورد توجه است. واحد کیلوگرم از پیشوند کیلو بعلاوه گرم پدید آمده است. کیلوگرم بوسیله ی وزن مرجع یک استوانه ی پلاتین – ایریدیم تعریف می شود. این رفرنس در مرکزی در فرانسه نگهداری می شود. برای بیان جرم موادی که در فرآیندهای تغلیظ و معدن کاری با آنها روبرو هستیم معمولا از واحد تن (metricton) استفاده می شود. هر تن هزار کیلوگرم یا یک مگاگرم است . مسئله گیج کننده در زمینه واحد تن وجود واحدهای خاص آمریکایی و انگلیسی برای تن است. که امروزه هنوز در این کشورها در حال استفاده شدن هستند. یک تن برابر o.984 تن انگلیسی است. همچنین یک تن برابر 1.103 تن آمریکایی است.
مسأله ی گیج کننده ی دیگری که وجود دارد این است که در انگلستان واحد آمریکایی تن در معادن سنگ های فلز دار (فلزی) استفاده می شود و این در حالی است که واحد انگلیسی تن در معادن ذغال سنگ استفاده می شود. ما از واحد معمولی تن (metric ton) استفاده می کنیم. البته این مسأله باید مورد توجه قرار گیرد که این واحدها در کارهای تقریبی زیاد متفاوت نیستند و به هم نزدیک اند. محاسبه ی میزان تمام کانی های تجاری دنیا آسان است. سازمان نظارت کننده ایالات متحده ی آمریکا (VSMS) در زمینه ی مواد معدنی هر ساله اطلاعات خود در زمینه ی مواد معدنی انتشار می دهد. این اطلاعات به صورت کتاب سال منتشر می شود. این سازمان تغییرات حاصل در زمینه ی تولید، ذخایر و... را در هر سال گزارش می دهد.
منبع:منبع انگلیسی مقاله : Grant Norton.Ceramic Material/C.Barry Carter .M.
ادامه دارد...