پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری
ساعت ۸:۱٧ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٢/۱۱/٢۸   کلمات کلیدی:

پوشش ها به عنوان یکی از مهمترین بخش های مورد استفاده برای جلوگیری از سایش، خوردگی، اکسیداسیون و ایروژن تلقی می شوند. با استفاده از این بخش ها، عایق کاری( الکتریکی و گرمایی)، بیوسازگارپذیری( در مواد بیواکتیو و مواد بیولوژیک خنثی)، زیبایی سطحی ایجاد می شود( شکل 1). از این رو برای محافظت از مواد پایه از تماس مستقیم با محیط، بهترین جایگزین پوشش دهی یک ماده ی با ویژگی فوق العاده بر روی سطح زیرین است.

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

پوشش ها

از لحاظ تاریخی، تکنیک اسپری حرارتی اولین تکنیک تجاری برای اعمال پوشش های سطحی بوده است. این تکنیک از دهه ی 1900 به صورت عملی مورد استفاده قرار گرفته است. در این زمان شعله به عنوان منبع گرمایشی برای ذوب مواد مورد استفاده قرار گرفت. از زمانی که اولین بار در سال 1957، شرکت ترمال دینامیک، مشعل پلاسما اسپری را توسعه داد، روش پلاسما اسپری به منظور ایجاد پوشش های سرامیکی ضخیم( بالاتر از 50 میکرون) مورد استفاده قرار گرفت. روش های اسپری اکسی فیول با سرعت بالا( HVOF)، اسپری پلاسمایی تحت خلأ( VPS)، اسپری با تفنگ انفجاری( D-gun) و روش اسپری سرد سایر روش های طبقه بندی شده در خانواده ی اسپری حرارتی هستند. در روش HVOF از گاز حامل با سرعت بالا( 100 تا 120 متر بر ثانیه) استفاده می شود و از احتراق به عنوان منبع حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد. رسوب دهی پوشش در روش HVOF و تفنگ انفجاری از طریق تغییر شکل پلاستیک با کمک ثانویه ی انرژی حرارتی، انجام می شود. از این رو معمولا ریزساختار ایجاد شده دارای حداقل تخلخل می باشد و از این رو دانسیته ی به نسبت بالایی ایجاد می شود. در پلاسما اسپری از انرژی گرمایی به عنوان منبع اولیه ی ذوب پودر و ایجاد توده ی صلب پوشش استفاده می شود. اسپری حرارتی یک فرایند مؤثر برای سنتز پوشش های سرامیکی با ویژگی های بهبود یافته مانند تافنس شکست بالا، مقاومت در برابر رشد ترک، مقاومت در برابر پوسته ای شدن، استحکام چسبندگی مناسب، مقاومت به سایش و مقاومت در برابر سایش لغزشی، می باشد. جدول 1 لیستی از سرامیک های تولید شده با فرایند های اسپری حرارتی را نشان می دهد. فرایندهای اسپری حرارتی متداول مانند اسپری اکسی فیول شعله ای و اسپری با قوس سیمی در اینجا در نظر گرفته نمی شود اما این مثال های خاص به خواننده ایده ی استفاده از این نوع فرایندهای پوششی در صنعت و تحقیقات آکادمیک را می دهد.
پلاسما اسپری توسط برخی محققین برای سنتز پوشش های سرامیکی نانوکریستالی مورد استفاده قرار گرفت. در موادی که نیاز به تولید با دقت بالا وجود دارد، پوشش های نانوکامپوزیتی سرامیکی( مانند WC-Co، Mo-Si-B، هیدروکسی آپاتیت، FeAl، ) بوسیله ی فرایند پلاسما اسپری ایجاد می شود تا بوسیله ی آنها مقاومت در برابر سایش، اکسیداسیون و ویژگی های بیوزیست سازگار پذیری ایجاد گردد. پوشش های نانو ساختار همچنین یک راه حل مناسب برای بهبود تافنس شکست سرامیک هاست. ریز شدن اندازه ی دانه، استحکام مورد نیاز را ایجاد می کند و تافنس را بهبود می دهد( بر اساس قانون هال پچ).

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

پوشش های محافظ

کاربردهای بیولوژیک

بیومواد های مناسب آن دسته از بیوموادی هستند که با محیط بیولوژیک خود فصل مشترک ایجاد کنند و کمک کنند تا عملکرد بدن بهبود یابد. این بیومواد در استنت های مورد استفاده در دریچه های قلب، لنزهای چشمی، امپلنت های دندانی و استخوانی و چارچوب های ساختاری، مورد استفاده قرار می گیرند. امپلنت های استخوانی را در نظر بگیرید. این بخش اغلبا از یک سیمان استخوانی تشکیل شده است که بر روی سطح فلزی امپلنت اعمال می شود تا بدین صورت آن را به محیط اطراف خود اتصال دهد( شکل 2). اما این سیمان استخوانی در طی زمان تخریب می شود و موجب شل شدن امپلنت می شود. در نتیجه کل امپلنت شل شده و موجب می شود تا نیاز به عمل جراحی برای رفع این مشکل می باشد. علاوه براین عمر مفید امپلنت معمولا 10 تا 15 سال است بنابراین بیمارن نوجوان نیازمند هستند تا در طی عمرشان، دو یا سه بار تعویض امپلنت انجام دهند. از این رو تقاضای امروزی نیازمند مواد و پوشش های بهتری هستند که بتوانند عمر مفیدی در حدود 40 سال داشته باشند.

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

اولین استراتژی این است که امپلنت باید قادر باشد بارهای اعمال شده بر خود در طی روز را تحمل کند. فلزات و آلیاژها( مانند آلیاژ Ti-6Al-4V) به عنوان بهترین کاندیدا هستند. اما بیوسازگارپذیری ضعیف این مواد موجب تحریک بدن می شود. برخی اوقات، یون های فلزی از سطح فلز خارج می شوند که این یون ها ممکن است سمی باشند. همانطور که می دانیم، سیمان های استخوانی به تنهایی قادر به تحمل بار را ندارند از این رو پوشش های مناسبی از این جنس باید بر روی امپلنت فلزی ایجاد شود. پس ایده ایجاد یک پوشش زیست سازگارپذیر بر روی مواد امپلنتی است. سطح پوشش باید دارای ویژگی های زیر باشد:

1. مشابهت شیمیایی

به دلیل اینکه بدن سطح مواد خارجی را تمیز نمی دهد، از این رو یک پاسخ دفاعی در برابر آنها ایجاد می کند. تفاوت در طبیعت شیمیایی بدن و ماده ی امپلنت، باعث ایجاد پاسخ از طرف بدن می شود.

2. بیواکتیو:

برای اینکه اجازه داده شود بر روی سطح ماده ی امپلنتی، رشد ایجاد شود و سلول استخوانی بتواند بر روی امپلنت رشد کند، باید ماده ی مورد استفاده در امپلنت بیواکتیو باشد. این مسئله همچنین بر روی استحکام و یکپارچگی میان امپلنت و محیط اطراف آن، تأثیر دارد.

3. تخلخل:

وجود تخلخل باعث می شود تا اتصال میان امپلنت و سلول های استخوانی به طور مناسبی ایجاد شود و استخوان محکمی ایجاد شود. وجود تخلخل باعث می شود تا امپلنت به عنوان یک بخش داخلی استخوان جدید، قرار گیرد و با گذر زمان شل نشود.

4. نفوذپذیری

این ویژگی اجازه می دهد تا مواد مغذی به سلول های استخوانی جدید برسند و بنابراین اجازه می دهد تا فرایند رشد سلولی ادامه یابد.

5. خنثایی شیمیایی

خنثایی شیمیایی برای مقاومت در برابر محیط خورنده ی بدن، ضروری است. از این رو مواد مورد استفاده در امپلنت ها باید در محیط های مورد استفاده، تخریب نشوند.

6. مقاومت سایشی

این مقاومت برای افزایش عمر مفید امپلنت ضروری است. علاوه براین، این پوشش باید به طور مکانیکی تخریب نشود و نباید در طی حرکت خون بر روی آن، خرده های ذره ای از خود آزاد کند.
با توجه به مسائل بالا، هیدروکسی آپاتیت یک ماده ی ایده آل است که دارای ترکیب شیمیایی مشابه استخوان ها و دندان هاست. روش متداول در رسوب دهی هیدروکسی آپاتیت بر روی سطح امپلنت ها روش پلاسما اسپری است زیرا این فرایند دارای میزان تولید بالایی است و بوسیله ی آن می توان تخخل های ساختاری مورد نیاز در برخی کاربردها، را تولید کرد.

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

7. خروجی های نازل راکت

تقاضا سخت گیرانه ی کاربردهای فضایی، نیازمند مواد بهتر و با کیفیت بیشتر است تا بوسیله ی آنها مصرف سوخت بهینه گردد، حداکثر بار مفید حاصل گردد و همچنین بتوان فشارهای بالایی را در هواپیماها تحمل نمود. از این رو سوخت باید با بالاترین بازده بسوزد و همچنین سرعت سوختن نیز بالاترین مقدار باشد. نیروی محرکه ی در موتور راکت بوسیله ی این مکانیزم اکسیداسیون انجام می شود( شکل 3). به هر حال دماهای گاز خروجی در این وسایل از دمای ℃ 2000 تجاوز می کند و همچنین سرعت گازهای خروجی تا 100 تا 120 متر بر ثانیه می رسد. این گروه از مواد نیازمند مقاومت در برابر دماهایی است که از بیشتر است. این گروه را سرامیک های با تحمل دمایی بسیار بالا( UHTCs) نامیده می شوند. این مواد به عنوان محافظ برای مواد زیرلایه مورد استفاده قرار می گیرد و از آنها در برابر خوردگی، اکسیداسیون، سایش، ایروژن، و برخورد گازهای خورنده، محافظت می کنند. بنابراین نازل های خروجی نیاز دارند تا با استفاده از مخروط های نازل خروجی در برابر حرارت بالا و ایروژن دما بالا محافظت شوند. برخورد با دماهای بالا همچنین منجر به بروز برخی مشکلات جدی می شود:

1. اکسیداسیون راحت مواد تحت اتمسفر آزاد
2. خزش و کاهش استحکام مواد در دماهای بالا
3. استحاله های فازی بوجود آمده در مواد و گسستگی ساختاری
4. انبساط گرمایی و متلاشی شدن ماده
5. تخریب بواسطه ی گازهای با سرعت بالا
6. تخریب ماده ی زیرلایه به دلیل استفاده نکردن از عایق کاری گرمایی

از این رو انتخاب مواد برای این بخش ها باید با توجه به این نکته انجام شود که ماده ای برای این بخش ها مناسب است که:

1. بالاترین نقطه ی ذوب برای جلوگیری از خزش
2. بالاترین استحکام برای ایجاد پایداری
3. بالاترین سختی در دمای بالا برای ایجاد مقاومت در برابر سایش
4. جلوگیری از بروز استحاله های فازی برای جلوگیری از از هم گسیختگی ساختاری
5. حداقل عدم تطابق ضرایب انبساط حرارتی برای کاهش تنش های میان سطحی
6. رسانایی گرمایی کم برای ایجاد ویژگی عایق کاری سطح پایینی( زیرلایه)
7. مقاومت به اکسیداسیون
8. مقاومت در برابر شک حرارتی

یک ویژگی دیگر که باید این مواد دارای باشند، دانسیته ی پایین آنهاست. عموما مواد با دمای ذوب بالا دارای دانسیته ی بالایی هستند. به هر حال مزیت های کاربیدهای سرامیکی دانسیته ی به نسبت پایین آنها و دمای ذوب بالاتر آنها نسبت به مواد و اکسیدهای پایه ی مورد استفاده در کنار آنهاست. شماتیک مقایسه ای از دانسیته ها و نقاط ذوب سرامیک های با دمای بالا در شکل 4 آورده شده است.
یک گروه اندک از مواد مانند مواد مناسب برای این کاربردها هستند. مسئله ی اصلی در مورد عناصر، مقاومت به اکسیداسیون کم آنهاست. از این رو پایداری آنها یکی از مشکلاتی است که در هنگام استفاده از آنها در محیط های اکسیدی با آنها روبرو هستیم. اکسیدها ترد هستند و مقاومت به شک حرارتی پایینی دارند. برایدها نیز با مشکل اکسیداسیون و تبدیل شدن به مواجه هستند. در دمای ذوب می شود و در دمای تبخیر می شود. از این رو کاهش قابل سریعی در استحکام و پایداری ماده ایجاد می شود. نیتریدها نیز ترد هستند؛ بنابراین کاربیدها به عنوان مواد بالقوه ای در کاربردهای با دمای بسیار بالا( در خروجی نازل ها) مورد استفاده قرار می گیرند. این استفاده به خاطر دماهای ذوب بسیار بالا و دانسیته های بسیار پایین این مواد است.

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

پوشش های سد حرارتی

پوشش های سد حرارتی( TBCs) نیز همانگونه که از اسم آنها مشخص است، مواد را در برابر دماهای بالا محافظت می کنند. از آنجایی که عملیات های دما بالا، بازده تبدیل انرژی یک سیستم را افزایش می دهند، کاربردهای مهندسی ترجیح می دهند تا انرژی را تحت یک محیط با کارایی بیشتر تبدیل کنند. به هرحال همین طور که دمای عملیاتی افزایش می یابد، ویژگی های ماده افت کرده و کاهش در استحکام آن باعث می شود نتواند سیستم را برای یک مدت طولانی محافظت کند. بنابراین یک پوشش سد حرارتی در موادی استفاده می شود( مانند سوپرآلیاژهای مورد استفاده در پره های توربین) که بتواند میزان برخورد حرارت با زیرلایه را کاهش دهد. در این حالت فلز زیرلایه دمای پایین تری را تجربه می کند( تقریبا کمتر) و بنابراین استحکام آن حفظ می شود. علاوه براین، سوپرآلیاژ از جنبه های دیگر نیز محافظت می شوند مثلا در برابر اکسیداسیون، خوردگی و سایش.
پوشش های سد حرارتی اغلبا از جنس زیرکونیای پایدار شده با ایتریاست. این ماده بر روی سطح پوشش داده می شود و علت استفاده از آن به دلیل ویژگی های زیرکونیای پایدار شده با ایتریاست. این ویژگی ها در زیر آورده شده است:

1. نقطه ی ذوب بالا
2. دانسیته ی کم
3. ضریب رسانایی حرارتی پایین
4. ضریب انبساط حرارتی مشابه با زیرلایه
5. مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون خوب
6. مقاومت به سایش خوب

معمولا پوشش های سد حرارتی دارای 4 لایه هستند: 1) زیرلایه ی فلزی، 2) یک باند کوت، 3) یک اکسید رشد یافته به صورت گرمایی( TGO) و 4) پوشش سرامیکی بالایی که معمولا از جنس زیرکونیای پایدار شده با ایتریاست( شکل 5).

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

با استفاده از ذرات نانوسایز زیرکونیای پایدار شده با ایتریا، می توان اثر قابل توجهی بر روی تافنس شکست ایجاد کنیم( شکل 6). پوشش های زیرکونیای پایدار شده با ایتریا که به صورت نانوساختار ایجاد می شود، می تواند رشد ترک را محدود کند زیرا انرژی گسترش ترک می تواند در نواحی نانوخوشه ای زینتر شده در حالت جامد، آزاد سازی می شود.

مقاومت در برابر سایش

هر ساختار مکانیکی که در تماس با سطحی زبر باشد، تحت سایش قرار می گیرد. مواد سخت تر بر مواد نرم تر غلبه می کنند و منجر به ایجاد اتلاف حجمی در ماده ی نرم تر می شود و موجب می شود تا سطح ناپایدار شود. سرامیک ها اغلبا مواد بسیار سختی هستند و بنابراین این مواد تحت سایش قرار نمی گیرند. این مسئله یکی از مزیت های سرامیک هاست. پیچیدگی سایش مربوط به مسائل زیر است:

1. میانکنش میان سطوح زبر
2. زبری سطحی
3. نوع و طبیعت بارگذاری
4. روان کاری موجود
5. ویژگی های مواد و هندسه ی سطح

این نکته قابل ذکر است که مکانیزم های اتلاف ماده در مقیاس نانو و مقیاس میکرو اتفاق می افتد. با گسترش این اتلاف، سایش به صورت ماکروسکوپیک قابل مشاهده می شود. علاوه براین، مکانیزم های اتلاف معینی در مقیاس با برند کوچک با مکانیزم های تقابلی با برد بالا، ترکیب شده و موجب ایجاد تخریب های کلی در توده ی ماده می شود. به عبارت دیگر، مقیاس های با طول کوچک میانکنش هایی را از طریق تماس های منفرد یا با خشونت، ایجاد می کنند. در نتیجه این ضروری است که در زمان تخمین میزان سایش، مقیاس های بردی مخلتف را مد نظر قرار دهیم.

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

یک مدل سایشی چند مقیاسه ی مختصر بوسیله ی Balani و همکارانش توسعه یافته است. در این مدل ویژگی های بالک مانند سختی( H) و تافنس شکست می تواند با حجم سایش در مقیاس ماکرو مرتبط شود. سپس فشار بحرانی مورد نیاز برای شروع یک ترک در طی سایش می تواند تخمین زده شود. حجم سایش ماکرو( ) از سایشی ایجاد شده است که با اعمال فشار( P) ایجاد شده است و سختی مربوطه می تواند برای تعیین ثابت سایش(K) مورد استفاده قرار گیرد:

ثابت K را می توان با فیت کردن بار اعمال شده بوسیله ی یک پین سایشی بر روی اتلاف حجم سایشی حاصله، محاسبه کرد. مقدار K مربوطه بیان کننده ی وابستگی فشار اعمال شده در اتلاف سایشی است که بوسیله ی سختی ذاتی ماده ممانعت شده است. بسته به K و H در مقیاس ماکرو و ، می توان معادله ی اصلاح شده ای را تعریف کرد که در آن توان تافنس شکست( a) می تواند بوسیله ی معادله ی زیر محاسبه گردد:

که در اینجا b برای سرامیک ها تقریبا 1.5 است. درنتیجه توان تافنس شکستa که از اتلاف حجمی سایشی بدست می آید، می تواند به صورت پارامتری با وابستگی اشاره شده در فرمول قبل فیت شود. بعدا تافنس شکست می تواند با اصطکاکی ( f) که در زبری های محلی ایجاد می شود، مزدوج شود و فشار تماسی بحرانی( ) می تواند مقیاس گذاری شود. این فشار، ترک خوردن در پوشش را در طی سایش ماکرویی یا نانومقاسی شروع می کند. اصلاح فشار تماسی که از ویژگی های ماده مانند K و a حاصل شده اند، به صورت زیر بیان می شوند:

که در اینجا a0 به عنوان اندازه ی خرده های ریز سایش است. بسته به تافنس شکست( K)، سختی(H) که هر دو ویژگی ماکرو تلقی می گردند؛ ضریب اصطکاک( f)، و پارامترهای محاسبه شده ( K و a)، فشار بحرانی( ) که نشاندهنده ی شروع ترک خوردن است، می تواند محاسبه شود. درنتیجه یک قیاس مشابه می تواند برای روبروشدن با یک نقشه از مکانیزم های استحکام بخشی در سطح مقیاس های چندگانه محاسبه می شود.

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

محافظت از خوردگی با سرامیک ها

خوردگی یکی از متداول ترین راه هایی است که بوسیله ی آن فلزات و آلیاژها تخریب می شوند. اما مواد سرامیکی عناصر پایداری هستند و یک فاز پایدار دارای انرژی حداقل تولید می کنند( مانند اکسیدها، کاربیدها، نیتریدها و بوریدها). کاشی های سرامیکی اغلبا به عنوان سطوحی مورد استفاده قرار می گیرند که در برابر تخریب حاصله از عناصر شیمیایی بر روی سطوح، مقاومت می کنند. دما یک نقش کلیدی در کنترل سرعت های واکنش ایفا می کند و این مشاهده شده است که 10 درجه ی سانتیگراد افزایش دما باعث دو برابر شدن سرعت واکنش های شیمیایی کنترل شونده بوسیله ی نفوذ می شود. در نتیجه، حضور پارامترهای ثانویه( مانند رطوبت، محیط های دریایی، یا اتصالات گالوانیک) می تواند رفتار خوردگی ماده را تغییر دهد. به هر حال مقاومت مواد سرامیکی از طبیعت نارسانایی الکتریکی آنها سرچشمه گرفته است. این طبیعت موجب می شود تا سلول های گالوانیک کامل تشکیل نشود.
در مقالات داده های زیادی وجود دارد که می گویند سرامیک ها دارای مقاومت اسیدی هستند در حالی که مقاومت سرامیک ها در برابر محیط های قلیایی ضعیف است. اتلاف وزن آلومینا و SiC در محیط های اسیدی و قلیایی در جدول 2 آورده شده است.
اغلب اندازه گیری های انجام شده در زمینه ی اتلاف های وزنی که بوسیله ی محققین مختلف انجام شده است، بر اساس مواد شیمیایی خاصی انجام شده است که دارای خلوص و غلظت های متفاوت بودند. در اصل روش های اندازه گیری مختلف و تفاوت در محیط های مختلف به پیچیدگی اندازه گیری اتلاف وزنی، می افزاید. علاوه براین، ناخالصی های موجود در سرامیک پایه می تواند موجب بروز عدم تطابق در مقاومت به خوردگی سرامیک های مختلف شود. در جدول 3 مقاومت شیمیایی انواع دیگری از سرامیک ها ارائه شده است.
به طور ایده آل باید گفت که دماهای ذوب بالاتر در سرامیک ها موجب می شود تا نفوذ یونی کمتری در آنها بوجود آید. ترکیب شیمیایی سرامیک ها بسیار پایدار است و از این رو این مواد می توانند مقاومت خوبی را در محیط های خوردگی ایجاد کنند. مقاومت شیمیایی سرامیک ها اجازه می دهد از آنها در بخش های کف، چاقوهای برنده ی شیمیایی، امپلنت های بدن و پوشش های سد حرارتی استفاده کرد. این ممکن است که یک ماده ی سرامیکی در تماس مستقیم با محیط خورنده باشد اما مشکلی برای آن ایجاد نشود.

پوشش کاری و ایجاد محافظت با استفاده از سرامیک های ساختاری

سرامیک های شفاف

سرامیک های شفاف در زیر گروه کاربردهای پیشرفته ی هستند. این سرامیک ها برای ایجاد صفحات ضد سایش و لنزهای تلسکوپ مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد همچنین در زره ها و سایر مواد مقاوم در برابر ضربه، وسایل نوری مقاوم در برابر سایش، پنجره های با تحمل حرارتی بالا در کوره ها و غیره کاربرد دارند. مدول الاستیک بالا، استحکام و مقاومت به سایش بالای این مواد می تواند باعث گردد تا این مواد بتوانند در برابر ضربه و آسیب در امان باشند. عبوردهی این مواد می تواند باعث شود تا از این مواد در توسعه ی لیزر، جرقه زن ها، شیشه های مربوط به دریچه های نشانه روی، عایق ها و تصویربرداری پزشکی، استفاده کرد. تفرق نور با ویژگی های ساختاری ( مانند تخلخل و مرزدانه ها) باعث می شود تا از عبور نور از داخل این مواد جلوگیری شود. نور وقتی متفرق می شود که به یک مانع با اندازه ی مشابه با طول موج نور برخورد کند. برای نور مرئی( طول موج های بین 400-700 nm)، موانع با اندازه ی زیر میکرون که از محل تخلخل ها و مرزدانه ها نشئت می گیرند، به طور غیر هم سیما نور را متفرق می کنند. این تفرق یا در سطوح و یا در سطوح باز تخلخل ها انجام می شود. به هرحال وقتی این موانع به اندازه های زیر 100 نانو برسند، تفرق نور اتفاق نمی افتد زیرا نور توانایی برخورد با این موانع را از دست می دهد و در نتیجه ماده شفاف می شود.

سفالینه و پیکره های سرامیکی

سرامیک ها در گذشته به منظور ساخت سفالینه ها مورد استفاده قرار می گرفتند. طبیعت شیمیایی خنثای این مواد و نگهداری ساده موجب شد تا مردم از ظروف، کاشی ها، اشکال و پیکره های سرامیکی استفاده کنند. داده ها در زمینه ی منشأ استفاده از این مواد به 30000 سال پیش از میلاد بر می گردد.
سفالینه های چینی از 400 سال بعد از میلاد، اهمیت ویژه ای پیدا کردند و پیکره های سرامیکی زیبایی نیز از 1700 سال بعد از میلاد، در اروپا باقی مانده است. این سفالینه ها دارای رنگ های زیبایی در سطح هستند که این رنگ های زیبا با استفاده از ایجاد یک لایه ی رنگی بر روی سطح این وسایل سرامیکی، بوجود می آیند. بنابراین این سطوح می توانند برای هزاران سال بدون ایجاد اکسید در سطح آنها و حفظ زیبایی، سالم بمانند.
به طور خلاصه باید گفت که پوشش های سرامیکی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. با ایجاد این لایه ها مقاومت در برابر اکسیداسیون، خوردگی و سایش ایجاد می شود. علاوه براین، پوشش های سرامیکی نیز برای بالا بردن عمر مفید قطعات مورد استفاده قرار می گیرد. پوشش های بیولوژیک نیز کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند. همچنین این مواد کاربردهایی در مواد نوری، دی الکتریک ها، مواد ظریف و عایق پیدا کرده اند. نکته ی کلیدی در استفاده از پوشش های سرامیکی، ایجاد سطوحی است که بتواند در برابر شرایط نامناسب، مقاومت کند؛ این در حالی است که ساختار زیرلایه در این مواد با دماها و شرایط مناسب تری روبرو می شود. بنابراین پوشش های سرامیکی عمر مفید اجزای ساختاری را بالا می برد و این در حالی است که عملکرد کل سیستم حفظ می شود

منبع راسخون


تاریخچه ی کانی شناسی
ساعت ۸:۱٠ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٢/۱۱/٢۸   کلمات کلیدی:

تاریخچه ی کانی شناسی

اگر چه پیگیری سیستماتیک پیشرفتهای کانی شناسی در چند پاراگراف غیر ممکن است اما می توان به بعضی نقاط برجسته آن اشاره کرد.پیدایش کانی شناسی به عنوان یک عمل به نسبت جدید است اما کاربرد هنرهای کانی شناختی پیشینه ای به قدمت تمدن بشر دارد .بشر اولیه رنگدانهای طبیعی ساخته شده از هماتیت سرخ و اکسید منگنز سیاه را در نقاشی دیوار غارها به کار می برد. ابزارهای ساخته شده از سنگ چخماق در عصر حجر دارایی گرانبهایی بوده است.
نقاشی مقبره ها در دره رود نیل مربوط به حدود 5000 سال پیش هنرمندان ماهری را نشان می دهند که مالاکیت و فلزهای گران بها را وزن و کانسنگهای معدنی را ذوب می کرده و گوهرهای زیبایی از لاجورد و زمرد می ساخته اند با نزدیک شدن عصر حجر به عصر برنز بشر به جستجوی کانیهایی پرداخت که می توانست از آنها فلزهایی را استخراج کند . اولین نوشته در مورد کانیها از تئوفراستوس ( 372تا287 ق. م ) فیلسوف یونانی است , چهارصد سال پس از وی نیز پلینی , تفکر کانی شناختی زمان را ثبت کرد. در 1300 سالی که به دنبال آمد , اندک کتابهایی که در زمینه کانیها منتشر شده , بیشتر جنبه افسانه داشته و کمتر حاوی اطلاعات واقعی بود . اگر بخوهیم یک روی داد را به عنوان نشانه ظهور کانی شناسی به صورت یک دانش برشمریم این رویداد به طور قطع انتشار کتاب دُر متالیکا توسط پزشک آلمانی جرجیوس اگریکولا در سال 1556 خواهد بود این کتاب گزارش مفسلی از فعالیت های معدن کاری آ ن زمان ارائه می دهد و در بردارنده اولین توصیف واقعی کانیهاست . این کتاب در سال 1912 توسط هربرت هوور ریس جمهور پیشین آمریکا و همشرس لو هنری هوور از لاتین به انگلیسی برگردانده شده است .
در سال 1669 نیکلاس استنو با مطالعه بر روی بلورهای کوارتز کار مهمی در زمینه بلور شناسی انجام داده . استنو به این نکته توجه کرده که به رقم تفاوت منشاء اندازه یا ظاهر زاویه میان وجوح متناظر نمودهای مختلف یک بلور ثابت است

Nicolas Steno

پیش از اینکه کار مهم دیگر در زمینه بلور شناسی انجام شود یکسده سپری شده در سال 1780 کارانژو ابزاری ( زاویه سنج تماسی ) برای اندازه گیره زاویه بین وجوه بلوری اختراع کرد . در سال 1783 رومه دولیسل , اندازه گیریهایی بر روی زاویه های بلوری انجام داده و با تایید کار استنو , قانون ثابت بودن زاویه های بین وجهی را ارائه کرد . یک سال بعد در سال 1784 , رنه جی هائویی نشان داد که بلورها از روی هم چیده شدن قطعات ساختمانی ریز و یکسانی که وی آنها را مولکوهای تشکیل دهنده نامید , ساخته می شوند . امروزه مفهوم مولکولهای تکشیل دهنده تقریبا با همان مفهوم اولیه , در بلور شناسی به صورت سلولهای واحد ( یکا یاخته ها ) باقیمانده است . بعدها ( در سال 1801 ) هائویی با مطالعه صدها بلور نگره اندیسهای گویا را در مورد وجوح بلوری ارائه داد . در اوایل قرن نوزدهم پیشرفتهای سریعی در زمینه کانی شناسی صورت گرفت . در سال 1809 ولاستون , زاویه سنج باز تابشی را که با موقعیت وجوح بلوری که با دقت و صحت بالا اندازه گیری می شود , اختراع کرد . در حالی که زاویه سنج تماسی داده های مورد نیاز برای مطالعه تقارن بلوری فراهم می کرد , زاویه سنج باز تابشی , اندزه گیریهای وسیع و بسیار دقیق را بر روی بلورهای طبیعی و مصنوعی ممکن ساخت . این دادهها بلور شناسی را به یک دانش دقیق تبدیل کرد برزلیوس شیمیدان سوئدی و شاگردان وی در فاصله سالهای 1779و 1848 , شیمی کانیها را مطالعه کرده و اصول رده بندی شیمیایی فعلی کانیها را ارائه کردند . کردیه طبیعی دان فرانسوی که کانی کردیریت به افتخار کارهای وی در کانی شناسی نامگذاری شده است در سال 1815 با میکروسکوپ به مطالعه قطعات خرد شده کانیها در آب پرداخت و به این ترتیب روش قوطه وری را ابداع کرد که پس از وی در همان قرن دیگران آن را به صورت روشی مهم برای مطالعه خواص نوری قطعات نوری کانیها توسعه داند . مفید بودن میکروسکوپ در مطالعه کانیها با اختراع یک ابزار قطبنده توسط ویلیام نیکول اسکاتلندی درسال 1828 تا حدود زیادی افزایش یافت . با کمک این ابزار می توان به طور سیستماتیک به مطالعه رفتار نور در مواد بلورین پرداخت از این هنگام تاکنون میکروسکپ پلاریزان به یک وسیله تشخیصی قوی در مطالعات کانی شناسی تبدیل شده است . در اواخر قرن نوزدهم فدروف , شونفلیز و بارلو جدا از هم و تقریبا همزمان نظریه هایی درباره تقارن و نظم درونی بلورها ارائه کردند که زیر بنایی برای کارهای بعدی در زمینه بلور شناسی پرتو x شد .
موثرترین کشف قرن بیستم را باید به ماکس فون لا از دانشگاه مونیخ نسبت داد . درسال 1912 در آزمایشی که فردریش و نیپینگ به پیش نهاد فون لائه انجام دادند نشان داده شده که بلورها می توانند پرتو x را پراشیده کنند . به این ترتیب برای اولین بار آرایش منظم و مرتب اتمها در ماده بلورین ثابت شده . تقریبا بلا فاصله بعد از آن پراش پرتو x به روشی قدرتمند در مطالعه کانیها و تمام مواد بلورین دیگر تبدیل شده و در سال 1914 اولین ساختارهای بلوری تعیین شده توسط دبلیو اچ براگ و دبلیو ال براگ , در انگلستان منتشر شده .
دستگاه پراش پرتو x جدید با کامپیوتر های اختصاصی متصل به آن تعیین نسبتا سریع ساختارهای بسیار پیچیده بلوری را ممکن ساخته است .
اختراع میکروسکوپ الکترونی در اوایل ده 1960 برای مطالعه شیمی کانیها در مقیاس میکروسکوپی دستگاه قدرتمند دیگری بود که امروزه به طور عادی برای مطالعه شیمی کانیها , ترکیبات ساختگی و شیشه ها مورد استفاده قرار می گیرد . میکروسکوپ الکترونی می تواند تجزیه های چند عنصری دقیقی از مواد جامد در دانه ای به کوچکی یک میکرون ( یک هزارم میلیمتر ) انجام دهد .
امروه بیشتر تجزیه کانیها با میکروسکوپ الکترونی انجام می شود نه تنها به این دلیل که این دستگاه می تواند باریکه الکترونی را به دقت متمرکز کند بلکه به این خاطر که تجزیه ها را می توان درجا بر روی دانه های کانیهای خاص در مقاطع سیقلی و نازک و سیقلی سنگها انجام داد . این مطلب نیز نیاز به فرایند پرکار و پر زحمت جداسازی و تغلیظ کانیها را که در بسیاری روشهای دیگر تجزیه کانیها ضروری است غیر ضروی می کند .
از اوایل دهه 1970 , دستگاه باریکه الکترونی دیگری که می تواند ساختار درونی کانیها را تا چندین میلیون برابر بزرگ کند , تصاویر دقیق و واضحی از ساختارهای اتمی تهیه کرده است . بیشترین کاربرد این روش تحت عنوان بررسی میکروسکوپ الکترونی گسیلی با تفکییک بالا ( Hrtem ) شناخته می شود که با آن می توان با درجه تفکیکی در حد فاصل اتمها , به مطالعه مواد بلورین پرداخت ( باستک 1983 ) .
با این روش می توان ساختارهای بلورین سه بعدی را به صورت عکسهای دو بعدی تصویر کرد . این تصاویر نشان می دهند که بسیاری از کانیها دارای آرایش ساختاری درونی نامتناهی و تناوبی ( یعنی تکراری ) هستند. تصاویر Hrtem همچنین نشان می دهند که کانیها ممکن است دارای کاستیهایی بوده و با ساختار ایده آل (کامل ) تفاوتهایی داشته باشند .
اکنون حوزه کانی شناسی , محدوده بسیار وسیعی از مطالعات را در بر می گیرد که شامل پراش پرتو ایکس , الکترون و نوترون توسط کانیها , سنتز کانیها , فیزیک بلور , برآورد پایداری تومودینامیکی کانیها , سنگ نگاری ( مطالعه سنگها و کانیها در مقاطع نازک ) , سنگ شناسی ( مطالعه سنگها ) , سنگشناسی تجربی و برخی جنبه های فلزگری و سرامیک می شود . از آنجا که پیش بینی این مطلب دشوار است که کدام یک از پژوهشهای انجام شده در سالهای اخیر , درآینده بیشترین و مهمترین اثر را بر دانش کانی شناسی خواهد گذاشت . فهرستی از این پژوهشها و پژوهشگران آنها که موفق به دریافت مدال روبلینگ شده اند و همچنی مراسم اعطا و متن سخنرانی پژوهشگران دریافت کننده هر جایزه روبلینگ در شمارههای مختلف مجله آمریکن مینرالوژیست موجود است .
این فهرست , گوناگونی مشارکتهای حرفه ای شناخته شده در سطح کانی شناسانی را شامل می شود که مورخان آینده از آنها به عنوان بزرگان کانی شناسی زمان ما یاد خواهند کرد .
مدال روبلینگ در سال 1937 توسط انجمن کانی شناسی آمریکا به یادمان کلنل واشینگتن آ.روبلینگ ( 1926-1837 ) بنیان گذاشته شد . وی در سال 1926 کمک مالی سخاوتمندانه ای را در اختیار این انجمن قرار داد . کلنل روبلینگ طرح پلهای معلق مشهوری از جمله پل رودخانه نیاگارا , را در محل آبشار نیاگارا , پل رودخانه آلگنی در پیتسبورگ , پل رودخانه اوهایو در سینسیناتی و پل رودخانه بروکلین بر روی ایست ریور در شهر نیویورک است و در طول عمر خود علاقه ای شدید به مطالعه کانیها داشت . اعطای مدال روبلینگ نشاندهنده بالاترین دستاورد پزوهشی توسط محققان برجسته آمریکایی یا خارجی , به تشخیص مجله آمریکن مینرالوژیست است . در سال 1927 جان , پسر روبلینگ , مجموعه پدر خود را که در حدود 16000 نمونه بود , به موزه ملی تاریخ طبیعی موسسه اسمینسونین در واشینگتن دی . سی. هدیه کرد . این مجموعه که به نام مجموعه کانیهای واشینگتن روبلینگ معروف است , بدون شک یکی از بزرگترین و زیباترین گردآوریهای شخصی زمان خود بود . اهدای این مجموعه و مجموعه دیگری با حدود 9100 نمونه ( مجموعه کانفیلد ) کلکسیون کانیها اسمیتسونین را به یکی از بهترین مجموعه های جهان تبدیل کرد )رو ,( 1990

کانی چیست؟

قرنها پیش از دستیابی انسان به فلزات و علم استخراج و مصرف آنها، برخی از سنگها و کانیها مهمترین ابزار دفاعی، زراعی و شکار بشر محسوب می‌شده‌اند.بشر اولیه جهت تهیه ابزار سنگی از مولد دارای سختی زیاد همچون سنگ چمخاق، کوارتزیت،ابسیدین، کوارتز و ..... که در محیط زندگی‌اش فراوان بوده استفاده کرده است.
نحوه استفاده و بکارگیری این مولد آنچنان در زندگی و پیشرفت انسان مؤثر بوده است که بر این اساس زمان زندگی انسان اولیه را به سه دوره دیرسنگی، میانسنگی ونوسنگی تقسیم شده‌اند. همزمان با شناخت فلزات و استخراج آنها عصر فلزات آغاز گردید. احتمالاً اولین فلز استخراج شده در حدود ۴۵۰۰ سال ق.م، مس بوده است.
حدود ۲۷۰۰ سال قبل عصر مفرغ آغاز شد که در این عصر انسان ابزار خود را از این آلیاژ تهیه می‌نموده است.
حدود ۳۰۰۰ سال ق.م مصریها از ذوب سیلیس شیشه تهیه نمودند و قرنها پیش از میلاد مسیح چینها در فسیلها از کائولن ابزار چینی می‌ساخته‌اند. در طئل تاریخ اطلاعات بسیاری در رابطه با چگونگی شکل گیری، جنس، ساختمان و سایر خصوصیات کانیها بدست آمده است.

حال این سؤال مطرح می‌شود که کانی چیست؟

کانی عبارت است از عناصر یا ترکیبات شیمیایی طبیعی جامد، همگن، متبلور و ایزوتوپ با ترکیبات شیمیایی نسبتاً معین که در زمین یافت می‌‌شود. خواص فیزیکی کانیها در حدود مشخص ممکن است تغییر نمایند.
کانیها به صورت اجسام هندسی با ساختمان اتمی منظم متبلور می‌گردند که به آن بلور می‌گویند. اگر بلور یک کانی را به قطعات کوچک و کوچکتر تقسیم نماییم سرانجام به کوچکترین جزء دارای شکل هندسی منظم خواهیم رسید که آن را واحد تبلور، سلول اولیه و یا سلول واحد می‌نامند. از کنار هم قراردادن واحدهای تبلور شبکه بلور که سازنده اجسام متبلور است ایجاد می‌گردد.
علاوه بر کانیهای متبلور با دسته‌ای از ترکیبات دارای تمامی خواص کانی بجز سیستم تبلور می‌باشند که این دسته را شبه‌کانی می‌نامندو شرایط تشکیل کانیها بسیار متفاوت است، برخی مانند پیریت ممکن است در شرایط بسیار متنوعی ایجاد ‌گردند در حالیکه برخی دیگر به عنوان کانی شاخص، فشار، دما وجود عناصر رادیواکتیو و ......... مورد استفاده قرار می‌گیرند.
همه کانیها به استثناء شبه‌کانی‌ها در یکی از ۷ سیستم تبلور شناخته شده متبلور می‌گردند.
برخی از کانیها در شرایط مشابه در کنار هم تشکیل می‌گردند که به آنها پاراژنز با کانی‌های همراه گفته می‌شود.
کانیها در طبیعت در اندازه‌‌های بسیار متفاوتی یافت می‌شوند که بر این اساس آنها را به درشت بلور، متوسط بلور، ریزبلور و مخفی بلور تقسیم می‌نمایند. برخی از انواع درشت بلور و متوسط بلور در نمونه‌های دستی قایل تشخیص بوده، انواع ریز بلور توسط میکروسکوپهای قوی و کانیهای مخفی بلور را به کمک اشعه X و میکروسکوپهای الکترونی می‌توان شناسایی نمود.
سنکا Seneca(۴ق.م‌ـ۶۵م) برای نخستین بار نشان داد که سنگهای پر بها درمیان شنهای رودخانه یافت می‌شوند.
ابوریحان بیرونی (۳۶۲ـ۴۴۰) چگالسنج (پکینومتر) را جهت تعییین چگالی کانیها اختراع غدد و زکریا‌ابن‌محمدبن‌محمودقوینی (۶۰۰‌ هـ ۶۸۲) کشف کرد که یاقوت سرخ و یاقوت کبود هر دو یک کانی هستند که به دو رنگ مختلف دیده می‌شوند. زیرا این کانی‌ها از لحاظ شکل تبلور یک متر. این نخستین باری بود که شکل بلورین کانی مورد توجه قرار گرفته است.
نیکولا استنون (۱۶۳۸-۱۶۸۶)در رابطه با کوارتز اظهار داشت که زاویه بین رویه‌های این کانی همواره ثابت است.حتی اگر طول رویه‌های آن تغییر نماید.
گئوگورگ بوئر (۱۴۹۴ـ۱۵۵۵)در کتابی سختی شکستگی، رنگ و سایه خواص کانیها را مورد بررسی قرار داد. وی معتقد بود رگه‌های کانی در شکافهایی که در اثر حرکت زمین تشکیل شده است از مواد محلول موجود در آبهای فرورونده یا آبهایی که از اعماق زمین بالا می آیند تشکیل شده‌اند.
سیستم تبلور کانیها را رندژوست‌‌‌‌‌هائوی (۱۷۴۳ـ۱۸۲۲) به هفت دستگاه اصلی تقسیم نمود. که امروزه نیز مورد قبول است.
کانیها دارای ارزش اقتصادی بسیار زیادی می‌باشند، بطوریکه اقتصاد بسیاری از کشورهای جهان نظیر سیگی، گپنه ....... بر اساس مواد معدنی پایه‌ریزی شده است.
اگر چه بسیاری از کانی ها دارای ارزش درمانی ویژه خود هستند و حتی تعدادی به عنوان مواد سمی و مهلک مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولی افرادی نیز وجود دارند که همراه داشتن کانیهای معین را در درمان برخی از بیماریهای موثر می‌دانند. در سراسر جهان عده زیادی علاقمند به جمع‌آوری مجموعه‌های کانی هستند، در یک پیک نیک‌ خانوادگی می توان نمونه‌هایی از این خلقت زیبای خداوند جمع‌آوری نمود. با توجه به اینکه در کشور ما کانیهای متنوعی وجود دارند و بسیاری از آنها قابل دسترس می‌باشند می توان حتی به عنوان سرگرمی می توان از آن استفاده کرد.

کانی

کانی عنصر یا ترکیبات شیمیایی، طبیعی، جامد، همگن، متبلور با ترکیبات شیمیایی نسبتاً معین است که سازنده اصلی سنگهای پوسته جامد زمین می‌باشد.این مواد که بر اساس قوانین خاصی متبلور می‌گردند بر اساس خواص فیزیکی، سیستم‌تبلور، ماکل یا دوقلویی و خواص شیمیایی خود قابل شناسایی و تشخیص هستند.این مواد علاوه بر زیبایی ظاهری خود به دلیل دارا بودن ارزش اقتصادی و علمی از دیرباز مورد توجه خاص انسان بوده‌اند. چرا که بسیاری از جواهرات، سنگهای معدنی و ......... در واقع کانی هستند.

شبه کانی

اصطلاح شبه‌کانی جهت معرفی آن دسته از مواد طبیعی که تمامی خواص کانی بجز سیستم تبلور را دارا هستند بکار می‌رود.
مانند :
▪ اوپال Opal
▪ لیمونیت
▪ ابسیدین
▪ کهربا Amber

عناصر

به غیر از گازهای اتمسفر تنها ۲۰ عنصر به صورت آزاد و طبیعی یافت می‌شوند.
▪ این عناصر در سه گروه زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
۱- فلزات
طلا، نقره، پلاتین، مس، سرب
۲- شبه فلزات
ارسنیک و ...
۳-غیرفلزات
گوگرد، کربن
کانی های بوکسیت
کانی های حاوی آلومینیوم در طبیعت زیاد بوده و عبارتند از:
•بوهمیت BOEHMITE
بوهمیت با فرمول ALOOH و با وزن مخصوص 06/3 – 01/3 دارای 7/84 درصد اکسید آلومینیوم می باشد. رنگ آن سفید متمایل به زرد و سختی آن 5/3 است. بوهمیت هم در متن متبلور سنگ بوکسیت و هم در پیزولیت ها و ائولیت ها وجود دارد.
•دیاسپور DIASPORE :
دیاسپور با فرمول H2O و Al2O3 و با وزن مخصوص 4/3، دارای 85% اکسید آلومینیوم می باشد. رنگ آن خاکستری متمایل به زرد، آبی، سفید و یا کمی بنفش و سختی آن 7-5/6 است. دیاسپور از سنگهای آذرین و رسوبات رسی در اثر هوازدگی سیلیکات های آلومینیوم دار به وجود آمده و گاهی همراه با کرندوم در سنگهای آهکی متامورفیکی دیده می شود.
این دو از نظر فرمول و سیستم تبلور (هر دو ارتورومبیک) تشابه دارند ولیکن از نظر پایداری حرارتی با هم متفاوتند و دیاسپور پایداری حرارتی بالایی دارد.
•گیسبیت Gibbsite :
گیبسیت با فرمول 3H2O. AP2O3 و با وزن مخصوص 43/2 دارای 4/65% اکسید آلومینیوم می باشد. سختی آن 5/3 – 5/2 با رنگ سفید تا خاکستری روشن و در بعضی موارد کمی مایل به قرمز و با جلای شیشه ای است. از مشخصات ویژه گیبسیت کلیواژ خوب، جلای شیشه ای و وزن مخصوص کم آن است و از نظر درجه سختی از دیاسپور و از نظر وزن مخصوص از میکا قابل تشخیص است.
گیبسیت با از دست دادن آب در درجه حرارت 220 – 196 درجه سانتی گراد به بوهمیت تبدیل می گردد. گیسبیت بیشتر از تجزیه و هیدرولیز سیلیکاتهای آلومینیوم دار، در اثر تجزیه سطحی و تحت شرایط آب و هوای حاره ای به وجود می آید.
•کائولینیت Kaolinit :
کائولن با فرمول(OH)8 (Si4O10) Al4 در سیستم منوکلینیک متبلور شده و با سختی حدود 1، وزن مخصوص در 1/2، دارای 5/39 درصد Al2O3 می باشد. رنگ آن سفید مایل به زرد و گاهی هم کمی سبز یا آبی رنگ است. اغلب دارای پلاستیسیته بوده و در اسید کلریدریک و اسید سولفوریک گرم و غلیظ حل می شود.
اغلب ذخایر کائولینی در اثر هوازدگی و تجزیه سنگهای ولکانیکی حاوی سیلکات آلومینیوم بوجود می آیند. سنگهای گرانیتی، گنایس ها، کوارتزپورفیری ها و همچنین رسوبات حاوی فلدسپاتها، میکا و زئولیت جهت ایجاد کائولینیت مناسب می باشند که در اثر هوازدگی و تجزیه شیمیائی مواد قلیائی و مقداری از SO2 خارج شده و کوارتز و سایر کانی های همراه بصورت ترکیب باقی می مانند. کائولن ممکن است نتیجه آلتراسیون هیدروترمال باشد. در این صورت، محلول هیدروترمال سردتر از 300 درجه سانتی گراد در داخل سنگهای با فلدسپات بالا، سبب شستن یونهای Ca++,K+, Na+ و سایر کاتیون ها و رسوب آنها با H+ بیشتر می شود.
اغلب این گونه ذخایر در ارتباط با سیستم متائوریکی هیدروترمالی که حرارت آن ها از سنگهای ولکانیکی مشتق می شود، می باشند.
ذخایر بزرگی از کائولینیت در منطقه CORNWALL انگلستان در خارجی ترین قسمتهای سیستم هیدروترمالی، مرتبط با باتولیت های گرانیتی وجود دارند که به عمق چندین کیلومتری تشکیل شده اند.
•کرندوم CORUNDUM :
کرندوم با فرمول Al2O3 در سیستم رمبوئدریک متبلور شده و وزن مخصوص آن 95/3 تا 1/4، دارای سختی 9 و جلای شیشه ای می باشد.این کانی در فارسی به یاکند و در عربی به یاقوت معروف است.
در ترکیب شیمیایی این کانی آلومینیوم 2/53 % به همراه ناخالصی هایی مانندTi , Cr ,… دیده می شود. کرندوم بی رنگ و کاملاً شفاف بوده که غالباً به رنگهای مختلف قرمز – خاکستری – بنفش – سبز – آبی – قهوه ای و زرد دیده می شود. انواع رنگی و شفاف آن جزء جواهرات قیمتی محسوب می شوند. مطابق رنگشان به نامهای مختلف نامیده می شوند:
مانند Ruby (یاقوت) به رنگ قرمز، SAPPHIRE به رنگ آبی، توپاز شرقی به رنگ زرد، یاقوت کبود، یاقوت سفیدوش، آمیتیست شرقی به رنگ بنفش،زمرد شرقی به رنگ سبز، کروندوم ستاره ای شکل که شفاف است،امری(EMERIE) یک نوع کرندوم از مخلوطی با دانه های ریز مگنتیت( MAGNETITE) Fe3O4، هماتیت (Oligiste) Fe2O3وکوارتز می باشد.این کانی غالباً به حالت خودشکل بوده و بیشتر اوقات دانه ای شکل و یا کاملاً کمپاکت است و برای سائیدن مورد استفاده قرار می گیرد ولیکن گاهی صفحه ای و یا منشوری با مقاطع شش ضلعی می باشد.
اغلب اوقات کرندوم به ویژه سافیر دارای ذرات خارجی است که با نظم معینی درداخل آن قرار می گیرند به طوری که روی یک تیغه شش گوش آن،این مواد به شکل ستاره های 6 گوش دیده می شوند.
درجه ذوب کرندوم خالص حدود 2050 درجه است. اسیدها روی آن اثری ندارند ولی پس از ذوب قلیائی بوسیله بی سولفات پتاس در اسیدها حل می شود. در پرل بوراکس به سختی ولی کاملا ًحل خواهد شد.
کرندوم درحضورSiO2 در پوسته زمین پایدارنیست، زیرا تبدیل به مینرالهای کیانیت،سیلیمانیت واندالوزیت که همگی دارای یک فرمول Al2SiO5 هستند، می گردد.
کرندوم و کوارتز در حضور آب، واکنش شیمیایی داده و تولید کائولینیت خواهند نمود. از آنجائی که کوارتز در اغلب سنگهای پوسته زمین وجود دارد، این واکنش محیط های رسوبی زمین شناسی را بطوری محدود کرده که فقط کرندوم در سنگهای ویژه ای که عاری از سیلیس و به وفور دارای آلومینیوم هستند، ظاهر می شود. معمولی ترین این سنگها بوکسیت است. تحت شرایط درجه حرارت زمین و فشاری که سنگ بوکسیت در آن تشکیل می شود، کانی آلومینیوم تشکیل کرندوم نخواهد داد. کرندوم وقتی تشکیل می شود که بوکسیت متامورف گردد و این عمل به ندرت انجام می شود.
معمولا ً کرندوم در سنگهای مافیک با مقدار آلومین بالا و سیلیس کم مانند پریدوتیت (Peridotite)همراه با کلریت، انستانیت(Enstatite)، اسپینل(Spinelle)، سینیت(Syenite)، آنورتوزیت، پگماتیتهای سینیتی، نفلین(Nephelin) ومنیتیت (Magnetite) دیده می شود.
در سنگهای آهکی که در اثر محلول هیدروترمال در مجاورت توده های آذرین نفوذی با سیلیس کم مانندسینیت تجزیه می شوند کرندوم تشکیل می شود.
کروندوم در شیست های کروندوم دار مناطق آرژیلی و به صورت فرعی در سنگ های آذرین غنی از آهن و منیزیم یافت می شود. انواع سنگ های قیمتی کروندوم مانند یاقوت و سافیر در سنگ های مذاب اسیدی مانند گرانیت یا گرانولیت وجود دارند و بیشتر اوقات سنگ های قیمتی کروندوم دررسوبات رودخانه ای همراه با طلا و زیرکن استخراج می شوند.کروندوم به علت سختی بالا در ساینده ها و انواع سنگ سمباده استفاده می شود.
•کریولیت CRYOLITE :
کریولیت یکی از مواد مهم درارتباط با متالورژی آلومینیوم بوده که معادن آن بسیار کم می باشد و اغلب بطور مصنوعی تهیه می شود. کریولیت با فرمول Na3AlF6 دارای سیستم مونوکلینیک و سختی حدود 5/2 و وزن مخصوص 3، دارای 8/12 درصد Al2O3 می باشد. رنگ آن غالباً سفید، گاهی به رنگ های قرمز، قهوه ای و حتی سیاه می باشد. جلای آن شیشه ای کمی چرب و دارای قابلیت ذوب خیلی زیاد است. ذخایر کریولیت مربوط به سنگهای خیلی اسید و عمیق است و اغلب رگه های آن در نزدیکی معادن قلع دیده می شود.
•آلونیت Allunite :
آلونیت با فرمول شیمیایی KAl3(SO4)2(OH)6 به عنوان سولفات پتاسیم و آلومینیوم آب دار است. آلونیت به صورت رگه ای و به حالت جانشینی در سنگهای آذرین اسیدی به ویژه در توفهای اسیدی یافت می شود. هرگاه سنگهای غنی از آلومینیوم، تحت تأثیر محلولهای غنی از سولفات آلتره شوند، آلونیت به وجود خواهد آمد.
در کانسارهای گرمابی که آلتراسیون آلونیت تشکیل گردیده، زون بندی منظمی مشاهده می شود؛ به طوری که زون سیلیسی در بالای زون آلونیت و در زیر آن، زونهای آرژیلیک و سرسیتیک قرار می گیرند. ترکیب شیمیایی آلونیت خالص و کانسنگ آلونیت در جدول 3 گزارش گردیده است.
جدول1- ترکیب شیمیایی آلونیت خالص و کانسنگ آلونیت

•نفلین NaAlSiO4 که در تهیه آلومینیوم بکار می رود، در کشورهای روسیه و آمریکا متداول می باشد.
•سایر کانیهای مهم آلومینیوم عبارتند از: آندالوزیت، سیلیمانیت و کیانیت با فرمول Al2SiO5، لوسیت KAl Si2O6، مونت موریونیت Al2Si4O10 H2O (OH)2 و کرندوم می باشند.
در ایران AL بیشتر به صورت آلونیت با عیار 20 تا 30% می باشد.
آلونیت از آلتراسیون گرمایی سنگ های آتش فشانی اسیدی (توف، گدازه، سنگ آذر آواری اسیدی تا حدواسط) و در شرایط اکسیدان توسط محلولهای گرمابی غنی از سولفات SO42- و حامل کاتیون های Si , Mg , Na, Ca تشکیل می شوند.
در گذشته آلونیت برای تهیه سولفات آلومین و سولفات پتاسیم استفاده می شده است ولیکن امروزه از آلونیت در تهیه آلومینیوم و نیز سولفات پتاسیم و اسید سولفوریک استفاده می شود.
• لاتریت های نیکل دار :
میزان متوسط نیکل پوسته زمین، حدود 70 گرم در تن است. شعاع و بار یونی نیکل مشابه منیزیم است، بدین سبب، نیکل در سنگهای اولترامافیکی مانند پریدوتیت ها و سرپانتیت ها متمرکز می شود. سنگهای اولترامافیکی در شرایط آب و هوای گرم و مرطوب هوازده شده، کاتیون های Si , Ca , Mg آنها شسته می شود و Al , Fe Ni آنها برجای می ماند. اکسیدهای SiO2 و MgO از سطح تا عمق 7 متری شسته می شود در صورتی که اکسید Fe2O3 در اَََین زون برجای می ماند.نیکل به مقدار جزئی از این زون حمل و در عمق 7 تا 13 متری متمرکز می گردد. بیشتر میزان Ni در سنگ های رسوبی در شیل ها وجود دارد.
در شکل 1 نیمرخ عمودی از یک لاتریت نیکل دار ترسیم گردیده است. در این جا به طور کلی سه بخش مهم یافت می شود:
الف – زون لاتریت، ب- زون سپیولیت، ج- زون پریدوتیت تازه (اولیه).


شکل 1- نمایش نیمرخ لاتریت نیکل دار واقع در کالدونیای جدید

الف- زون لاتریت خود به اجزایی چند تقسیم می شود. این زون به طور عمده از گوتیت، هماتیت و ماگهمیت تشکیل گردیده است. نیکل در این زون عمدتاً با گوتیت یافت می شود. بخشی از نیکل در این زون با کبالت و منگنز تشکیل کانی آسبولیت را داده است.
ب- زون سپیولیت حاوی تالک، کالسدوئن، اوپال، سرپانتین و اکسید آهن است. عیار نیکل این زون بیشتر از زون لاتریت فوقانی است. نیکل در این زون همراه تالک، اکسید آهن و به صورت کانی گارنیریت یافت می شود.
اکسیدهای SiO2، FeO، MgO، CaO در زون لاتریت و سپیولیت کاهش زیادی را نشان می دهند. در صورتی که میزان فراوانی MnO, Cr2O3, Al2O3 , Fe2O3, NiO افزایش یافته است.
عیار نیکل در زون لاتریت 5/0 تا 2% و در زون سپیولیت 2 تا 4% است. عیار کانسارهای لاتریت نیکل دار 1 تا 2% و میزان ذخیره 7 تا 250 میلیون تن است.
•لاتریت آهنی:
لاتریت های آهنی عبارتند از لاتریت هایی که از سنگ های بازیک و اولترا بازیک حاصل شده و غنی از آهن می باشند. برخی از این لاتریتها، از نیکل و کبالت غنی شده اند و حاوی هماتیت – گوتیت و 12% آلومینا می باشند. مانند کانسار کناکری گینه.
•بوکسیت Bauxite:
بوکسیت Bauxite سنگ معدنی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از اکسیدها یا هیدروکسیدهای آلومینیوم به ویژه از 3 کانی بوهمیت، دیاسپور و گیبسیت می باشد. غالباً با ناخالصی هایی نظیر اکسیدهای آهن، کانی های رسی ( کائولن، ایلیت و کلریت )، اکسید تیتان، کوارتز و آناتاز همراه است.
حالت ظاهری بوکسیت به شکل کمپاکت (متراکم) بوده و گاهی نیز به صورت دانه های گرد شبیه دانه های نخود دیده می شود.

رنگ بوکسیت معمولا ًسفید تا خاکستری زرد و گاهی هم کمی قهوه ای متمایل به قرمز است. سختی آن متغیر بوده و بطور متوسط در حدود 2 می باشد. وزن مخصوص کانی بوکسیت نیز در حدود 5/2 – 4/2 است.
کانسارهای بوکسیتی دارای نهشته های بزرگی هستند که به صورت روباز استخراج می شوند و ارزش اقتصادی زیادی دارند. ترکیب کانی شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادر اولیه آن است. بافت ذخایر بوکسیتی از نوع پیزولیتی، نودولی و توده ای است.
کانیهای مهم بوکسیت به ترکیب شیمیایی و کانی شناسی سنگ اولیه بستگی دارد و در طول زمان دستخوش تغییراتی می شود. بوکسیت های جوان غنی از گیبسیت هستند، در صورتی فراوانی کانیهای بوکسیت از راست به چپ با گذشت زمان کاهش می یابد.

عیار Al2O3 از 35 تا 55 درصد و میزان ذخیره 1 تا 700 میلیون تن است. حدود 80 درصد گالیم دنیا از کانسارهای بوکسیت به دست می آید زیرا Ga3+ در Al3+ به صورت استتار شده است.
عناصری که به عنوان محصول جانبی در بوکسیت های غنی از آلومینیوم قابل توجه هستند، عبارتند از: Be , Ti , Ca. در بوکسیت های غنی از آهن عناصر جانبی عبارتند از: Cu , Co , Cr , Ni.
بوکسیت های تشکیل شده در سنگ کربناته غنی از Ca و در سنگ بازالت غنی از Fe می باشد.
در سنگ بوکسیت، کانیهای گروه کائولینیت در متن دیاسپور وجود داشته و گاهی آزادانه در حفره ها متبلور شده اند. تعیین و تشخیص گروه بوسیله تجزیه حرارتی X- Ray انجام می پذیرد. در سنگ بوکسیت کانی های دیگر مانند اکسیدها و هیدرواکسیدهای آهن (گوتیت، هماتیت، لیمونیت) نیز وجود دارند گاهی آهن سه ظرفیتی در شبکه سیلیکاتی شاموزیت و یا تورنژیت (Thuringite) وجود دارد. کانی های فریک در ائولیت ها، پیزولیت ها، متن و یا در شکاف های سنگ بوکسیت وجود دارند. کانی آلونیت جزء ناخالصی های بعضی از سنگ های بوکسیتی نیز دیده شده است.
اغلب بوکسیتها دارای بافت ائولیتی و پیزولیتی و توده ای بوده و بعضی از آنها دارای بافت شبه برشی و تخریبی می باشند در بعضی از سنگهای بوکسیتی متن سنگ از خیلی دانه ریز تا میکروسکپی متغیر است و به رنگ های مختلف دیده می شود. گذار از بافت ائولیتی به متن دانه ریز معمولاً تدریجی است و دانه های ائولیتی با یک غشاء نازک از متن جدا می شوند. پیزولیت ها معمولاً دارای شکل کروی تا بیضوی بوده و رنگ آنها شبیه متن و یا تیره تر از آن است. بافت درونی آنها از دوایر متحدالمرکز تشکیل شده که در بعضی موارد رنگ این دوایر نیز با یکدیگر فرق می کند. پیزولیت های بزرگتر دارای درزهای شعاعی یا هم مرکز هستند که معمولاً توسط کائولینیت پر شده اند.
در جدول ذیل آنالیز شیمیایی معادن بوکسیت شرکت ارائه می گردد:

Adhesiveness 

 LOI

 SiO2

 CaO+MgO

 TiO2

 Al2O3

 Fe2O3

Code

 1750

 14

 6-9

 max

 3.5-4

64-72 

 2-2.5

 BV

 1750

 13

10-14 

 max

 3.3-4

 61-67

 2-2.5

 B1

طبقه بندی بوکسیت ها از لحاظ محیط تشکیل:

1- بوکسیت های سطح تراز بالا یا بوکسیتهای مناطق مرتفع (High level or upland bauxites ):

•این بوکسیت ها معمولا ً بر روی سنگ منشأ آتشفشانی و یا آذرین تشکیل می شوند.
•پوشش مسطحی به ضخامت حداکثر 30 متر دارند.
•در مناطق حاره ای و نیمه حاره ای وجود دارند.
•این نوع بوکسیت متخلخل وسست است.
•بافت سنگ مادر حفظ شده است.
•ترکیب آنها عمدتاً گیبسیتی است.
•مستقیماً بر روی سنگ مادر قرار دارند و عمدتاً از الگوی درزه ای (Joint pattern) سنگ مادر پیروی می کنند.
•به علت بالا بودن سطح ایستایی، فاقد هر گونه لایه رس بین بوکسیت و سنگ مادر می باشند.
•مانند فلات دکن در هند، کوئیزلید جنوبی، غنا و گینه.

2-بوکسیت های جلگه ای (Peneplain bauxites) یا مناطق کم ارتفاع:

•این بوکسیت در سطح تراز پائین خطوط ساحلی قرار دارند.
•ضخامت آنها کمتر از 9 متر است.
•بیشتر در مناطق حاره ای می باشند.
•بافت پیزولیتی دارند.
•ترکیب آنها عمدتاً بوهمیتی است.
•به واسطه سطح ایستایی پائین، یک لایه رسی قاعده ای کائولینیتی، بوکسیت را از سنگ منشأ جدا می کند.
•این بوکسیت ها با افق های آواری ناشی از فعالیت های رود خانه ای یا دریایی همراه می باشند.
•مانند سواحل آمریکای جنوبی – استرالیا و مالزی.

3-بوکسیت های کارستی:

•از قدیمی ترین بوکسیت ها می باشند.
•سطوح نامنظم سنگ های آهکی و یا دولومیتی را می پوشانند.
•بافت کنکرسیونی، پیزولیتی، اوولیتی و لایه ای دارد.
•ترکیب بوهمیتی دارد.

4-بوکسیت های انتقال یافته یا رسوبی

( Transported or Sedimentary Bauxites):
•از نوع بوکسیت های غیر بازماندی هستند.
•بر اثر فرسایش و رسوبگذاری مجدد مواد بوکسیتی تشکیل می شوند.

5-لاتریت غنی از آهن

6-بوکسیت ها و لاتریت های طلادار (Residual deposits of Nickel)

آلمینیوم را از چه سنگی تهیه می کنند؟

کانسارهای آلومینیوم دار، جزء کانسارهای بر جای هوازده یا باقیمانده Residual می باشند. حدود 96 درصد آلومینیوم دنیا از بوکسیت و 4 درصد از آلونیت و نفلین سیانیت به دست می آید. در جدول زیر درصد Al2O3 موجود در سنگها و اب های طبیعی گزارش شده است.
نفلین سیانیت و شیل ها بیشترین مقدار Al2O3 را دارند و حد آستانه اقتصادی Al2O3 سنگ معدنی، 30 درصد است. سنگهایی که مقدار Al2O3 و نسبت Al2O3 / Fe2O3 آنها بالا و درصد کوارتز آنها پایین باشد، مناسبترین سنگ آلومینیوم دار محسوب می شوند. از سنگهای آذرین، نفلین سیانیت و بازالت و از سنگهای رسوبی شیل و آهکهای رسی بسیار مناسب هستند.
سنگ آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2O3 و سنگ های شیلی با 14/7% Al2O3 بالاترین مقدار آلومینیوم سنگ های پوسته را شامل می شوند که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل بهره برداری آلومینیوم می باشند. میزان Al2O3 بازالت و گرانیت یکسان است.
نسبت Al2O3 / Fe2O3 گرانیت بیشتر از بازالت و بازالت فاقد کوارتز است. بازالت به دلیل عدم وجود کوارتز آسان تر تبدیل به بوکسیت و لاتریت می شود. سنگها برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب و هوای گرم و مرطوب، میزان بارش سالانه 1200 تا 1400 میلی متر و دمای متوسط 26 درجه سانتی گراد قرار گیرند. وجود مورفولوژی ملایم و کم شیب که موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی شود ، الزامی است.
سنگهای غنی از آلومینیوم که میزان سیلیس آزاد آنها حداقل است در صورتی که در آب و هوای مرطوب قرار گیرند، سیلیکات آنها هیدرولیز می شود و در نتیجه برخی از عناصر Si , Ca , Mg , Na , K سنگهای با مقاومت کم شسته می شود و Al به صورت اکسید و هیدروکسید باقی خواهند ماند. برخلاف اورانیوم و مس، آلومینیوم عنصری سه ظرفیتی است. آهن و منگنز دارای ظرفیتهای مختلف هستند و تغییرات Eh محیط موجب جابجایی آنها می گردد. آلومینیوم تحت تأثیر تغییرات Eh واقع نمی شود و در شرایط PH آبهای سطحی ( 8-7 = PH) میزان حلالیت آن حداقل است.
در تصویر 2 محدوده پایداری کانی گیبسیت ترسیم شده است. در شرایط PH میان 7 تا 8 که محدوده آبهای سطحی است، کانی گیبسیت بیشترین پایداری را خواهد داشت و بدین علت، ضمن آن که سیلیکات ها تجزیه می شوند، عناصر دیگر شسته شده و آلومینیوم به صورت گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور بر جای خواهد ماند.


شکل2- نمودار محدوده پایداری کانی گیبسیت

شرایط تشکیل بوهمیت و دیاسپور:

هرگاه انرژی آزاد کانی های بوهمیت و دیاسپور را مقایسه کنیم، می توان به این نتیجه دست یافت که این دو کانی در شرایط تقریباً یکسانی تشکیل شده اند. چوکروف CUCHROV (1967) معتقد است که بوهمیت از مواد مختلف غنی از آلومینیوم در 200 درجه سانتی گراد تشکیل می شود.
دمای لازم برای تشکیل دیاسپور 315 درجه سانتی گراد است زیرا این کانی در دمای کمتر از 275 درجه سانتی گراد ناپایدار است.
طبق بررسی های والتن (1972) تشکیل دیاسپور در فشار و دمای بالا امکان پذیر نیست. رحیم نیا (1968) تبدیل بوهمیت به دیاسپور را در بوکسیت های یونانی ناشی از اختلاف در پتانسیل های اکسیداسیون می داند. عامل مهم دیگر تأثیر محلول های مهاجر به شمار می رود
کانسارهای بوکسیت در تمام ادوار زمین شناسی ( از پرکامبرین تا عهد حاضر) شناخته شده اند. در اوایل کرتاسه تا پلیوسن و میوسن تا عهد حاضر دیده می شوند. بوکسیت های پروتروزوئیک تا کامبرین و اردویسین تا اواخر کربونیفر از اهمیت کمتری برخوردارند.
قدیمی ترین آنها متعلق به دونین است که در اورال در روی آهکهای سیلورین قرار گرفته است. بوکسیت های ایران در پرمین، پرموتریاس، تریاس، ژوراسیک، کرتاسه است. توده های بوکسیت اروپا اکثراً متعلق به مزوزوئیک و بوکسیت های لاتریتی دوران سوم و جدیدتر در امریکای جنوبی، آفریقا، استرالیا و... وجود دارند.
نحوه تشکیل کانی ها بوکسیت به دو دسته لاتریتی و کارستی KARSTED تقسیم بندی شده است:

•کانسارهای بوکسیت لاتریتی:

در شرایط حاره ای، سنگی که دارای سیلیکات آلومینیوم بوده دگرسان شده و مخلوطی از هیدراتهای آلومینیوم، آهن، سیلیس و مقداری ناخالصی های دیگر بوجود می آید که آن را لاتریت نام گذاری نموده اند. در نتیجه این دگرسانی، سیلیکات تجزیه شده، سیلیس و آهن آن جدا گردیده و فلزات قلیائی نیز بصورت محلول از بین می روند و در نتیجه عیار آلومینیوم بالا رفته و بوکسیت بوجود می آید. جهت تشکیل بوکسیت می بایست شرایط ذیل مهیا باشد.
الف – آب و هوای حاره ای TROPIC (رطوبت مناسب و درجه حرارت 18 تا 24 درجه سانتی گراد)
ب- سنگ سیلیکات آلومینیوم مناسب تجزیه در شرایط تروپیک مانند سینیت، بازالت، رس ها، شیست های رسی.
ج- عوامل شیمیائی و بیوشیمیائی.
د- وجود توپوگرافی مناسب، بطوری که اجسام حل شده بتوانند یا در زمین نفوذ کرده یا جاری شوند.
ه- شدت جریان نفوذ یا جاری شدن نبایستی بحدی باشد که اجسام تمرکز یافته را با خود حمل نماید. معمولاً در نواحی تروپیک، فصل به تناوب خشک و مرطوب می شود و در موقع مرطوبی اکسیدهای آلومینیوم و آهن تشکیل شده و در مواقع خشک که هوا گرمتر می شود سیلیس در آب حل شده و از بین می رود.
بوکسیت در واقع یک نوع لاتریت ویژه با آلومینیوم بالا است که در اثر هوازدگی اغلب ناخالصی های آن حل و از محیط خارج شده و محصول باقیمانده با آلومینیوم زیاد می باشد.
برای تشکیل شدن لاتریت و بوکسیت نیاز به بارندگی فراوان (که مواد ناخواسته در آنها را حل نماید)، درجه حرارت زیاد (که سرعت حل ناخالصی ها را زیادتر نماید)، سطح توپوگرافی مناسب و زه کشی خوب برای خارج کردن محلولها از محیط سنگهای لاتریتی و بوکسیتی می باشد.
عمل هوازدگی بسیارکند پیش می رود. بنابراین برای تشکیل ذخایر بزرگ بوکسیت نیاز به دوره طولانی زمین شناسی بوده تا با فرصت کافی عمل هوازدگی در روی سنگها اثر نماید. بدیهی است که شرایط فوق مختص مناطق حاره می باشد. تنها کانی های آلومینیوم در لاتریت تجمع نمی یابند. بلکه کانی های نیکل – کبالت – آهن نیز در لاتریت تجمع می یابند که میزان آنها بستگی به سنگهای زیرین لاتریت دارد.
بوکسیت های بدون آهن نادر بوده زیرا کانی آهن در اغلب سنگهایی که در مناطق حاره ای در معرض هوازدگی قرار می گیرند وجود داشته که در نتیجه تولید لاتریت و بوکسیت با آهن زیاد می نمایند.
در شرایط ویژه ای که آهن داخل بوکسیت حل شده و خارج شود، بوکسیت بدون آهن و یا با آهن کم تولید می شود. این شرایط در جاهایی که پوسیدگی حجم زیادی از رستنی ها (درختان و انواع گیاهان) سبب مصرف اکسیژن آبهای زیرزمینی شده اتفاق می افتد زیرا در این صورت آهن حل شده و خارج می گردد. و در جاهایی که رستنی ها وجود ندارند اکسید آهن در داخل لاتریت و بوکسیت رسوب می نمایند.
عناصر گوناگون دیگری نیز در لاتریت وجود دارند. مانند گالیوم که در ذخایر بوکسیتی استرالیا بعنوان بای پروداکتby product استحصال می شود. همچنین مقدار زیادی طلا در لاتریت کشور استرالیا که حاصل لاتریتی شدن طبقات گرانیتی زیرین است تجمع یافته که استخراج می گردد.
در لاتریت ها مقدار زیادی تیتانیوم وجود دارد که تاکنون روشی برای استحصال آن بدست نیامده است. ذخایر زیادی در استرالیا، گویانا و سورینام، روی رسوباتی که حاوی مقدار زیادی کائولن و مواد رسی هستند تشکیل شده اند و همچنین ذخایر زیادی از بوکسیت در استرالیا و گویانا روی توده های گرانیتی که حاوی کانی های فلدسپاتی هستند دیده می شوند.

•کانسارهای بوکسیت کارستی:

از تخریب شیمیائی و یا تجزیه سیلکاتهای آلومین دار و موارد رسی که در سنگهای آهکی وجود داشته اند بوجود آمده و در فرورفتگی های( KARSTED) بوجود آمده در آهک تجمع پیدا می نمایند.
اغلب کارستهای موجود در آهکها در اثر خارج شدن لایه های آهکی از آب و هوازدگی و فرسایش قسمت های مختلف آن بر حسب جنس و نوع مواد تشکیل دهنده لایه های آهکی بوجود می آید. هم اکنون در جنوب چین پهنه وسیعی از کارستها ایجاد شده بر روی آهکها دیده می شوند. ژنز بوکسیت دنیا دارای نظم بخصوصی نمی باشد، جالب اینکه، کمربند بوکسیتی که بوکسیت جامائیکا را نیز شامل می شود، بر روی دولومیت ها و آهک هایی تشکیل شده که دارای آلومینیوم نیستند و احتمالاً ذخایر تیپ جامائیکا، حاصل لاتریتی شدن رسها و توفهای بالای آهک ها هستند که در کارستهای آهکی تجمع یافته اند. ذخایر مشابه ولی کوچکتر در مجارستان و قزاقستان نیز وجود دارند. ذخایر بوکسیت نواحی البرز و یزد ایران از لاتریتی شدن نهشته های رسی و توفی زیرین سنگ بوکسیت تشکیل شده اند.

سایر انواع کانسارهای بوکسیت :

ذخایر متعدد بوکسیتی وجود دارند که در اثر فرسایش خراب و از هم پاشیده شده و در روی رسوبات قدیمی تر باقی مانده اند. از این تیپ ذخایر در روسیه و قزاقستان و جنوب اروپا دیده می شوند. در بعضی از مناطق ذخایر بوکسیتی فرسایش یافته، پس از حمل در نقطه دیگر مانند داخل رسوبات رودخانه ای و دلتای ساحلی و غیره، تجمع پیدا نموده و تشکیل ذخایر بزرگی را داده اند.
ذخایر بوکسیتی در نواحی غیر حاره ای که دارای آب و هوای سرد و همچنین در نواحی که یخبندان دوران پلئیستوسن باعث حذف لایه های رویی نواحی شده، کمیاب بوده و یا اصولا ًوجود ندارند.
کشورهای زیادی در این گونه نواحی قرار دارند مانند آمریکا و روسیه که این دو کشور از نفلین و آلونیت فلز آلومینیوم استحصال می نمایند.
فاکتورهای مهمی که در تشکیل و حفظ بوکسیت ها نقش اساسی دارند عبارتند از:

1-وضعیت آب و هوایی:

درجه حرارت بالا (C 260)، آب و هوای گرم و مرطوب استوایی، بارش زیاد (mm 1400 – 1200)، هوازدگی شیمیایی بسیار شدید تبدیل سنگ ها به بوکسیت بسیار مؤثر می باشد.

2-پوشش گیاهی:

فراوانی پوشش گیاهی در تشکیل بوکسیت ها مؤثر است زیرا:
الف – تخریب مکانیکی سنگ بستر توسط ریشه ها.
ب – ترشح ترکیبات آلی که سرعت تخریب شیمیایی را در سنگ افزایش می دهد.
ج – کاهش تبخیر آب توسط پوشش گیاهی.
د – جلوگیری از فرسایش بوکسیت تولید شده.

3-ترکیب و بافت سنگ بستر:

ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ و نفوذ پذیری بالا دارای اهمیت است.سنگ های تحت اشباع و آهکی رس دار برای تشکیل کانسارهای بوکسیت مناسب هستند. بافت سنگ بستر بر روی تخلخل و نفوذ پذیری آن و در نتیجه سرعت انحلال کانیها مؤثر است.

4-آبهای زیرزمینی:

آبهای زیرزمینی و سطحی متحرک برای انتقال مواد محلول از محیط بسیار اهمیت دارند.

5-ثبات تکتونیکی:

فقدان حرکات تکتونیکی باعث می شود که هوازدگی شیمیایی با سرعتی بیش از سرعت فرسایش انجام گیرد و در نتیجه کانسار محفوظ باقی بماند.

6-توپوگرافی:

توپوگرافی پست تا متوسط ـ توپوگرافی مسطح، از انتقال بوکسیت پس از تشکیل جلوگیری می نماید. توپوگرافی مناسب و زه کشی بالا بسیار حائز اهمیت می باشد.

7-پوشیده شدن کانسار:

پوشیده شدن کانسار به محض تشکیل، از فرسایش آن جلوگیری می کند.
ماینارد (1983) بوکسیت را بر اساس Al2O3، SiO2 و Fe2O3 به بوکسیت، بوکسیت آهن دار، لاتریت، لایه های سخت سیلیسی آهن دار و سیلکریت تقسیم می نماید ( تصویر 3 ).


شکل3- نمایش نمودار رده بندی بوکسیت ها و لاتریت ها

شکل4 ترتیب زون بندی در یک بوکسیت غنی از آهن نشان می دهد که از سطح به طرف عمق عبارت است از: لایه نازک غنی از آهن و سیلیس، لایه لاتریتی، بخش بوکسیتی و بالاخره زون کائولینیتی.


شکل 4- نمایش نیمرخ زون های رس قرمز، لاتریت، بوکسیت و کائولینیت در بالای زون بازالت

کانی های منیزیم

اگر چه منیزیم در 60 کانی یافت می شود اما این عنصر در ذخایر بزرگ منیزیت، دولومیت، بروسیت، کارنالیت، الیوین و سیلیکات های منیزیم پتانسیل اقتصادی دارند، یافت می شود.

•کربنات منیزیم یا منیزیت Magnesite :

مهمترین کانی منیزیم دار با فرمول شیمیایی (MgCO3 ) که ارزش اقتصادی دارد، منیزیت است که در صورت خلوص حاوی 8/47% = MgO و 2/52% = CaO می باشد. این کانی به صورت رمبوئدریک متبلور می شود، وزن مخصوص آن 2/3-3 گرم بر سانتی متر مکعب و سختی آن 5- 5/3 است. منیزیت معمولاً به رنگ های سفید، خاکستری، زرد و قهوه ای با جلای شیشه ای در طبیعت یافت می شود.
منیزیت به صورت کریپتو کریستالین و کریستالین یافت می شود و بیشتر در کمربند‌های افیولیتی یافت می‌شود. نوع کریستالی آن خیلی محدود و به صورت رگه ای می باشد. منیزیت خالص درC ◦1450 به پریکلاز تبدیل می شود:

منیزیت معمولاً به صورت رگه ای و توده ای نامنظم حاصل دگرسانی سنگ های آذرین و دگرگونی غنی از منیزیم مانند سنگ های اولترامافیک، مافیک و سنگ های دولومیتی منابع خوبی برای تشکیل منیزیت می باشند. به طور معمول منیزیت به صورت نهان بلور در رگه ها یافت می شود و یکی از مشخصه های این کانی حالت گل کلمی آن می باشد.
منیزیت عمدتاً به 2 شکل یافت می شود:
•منیزیت نوع درشت بلور :
این نوع منیزیت دارای منشأ جانشینی و یا منشأ رسوبی است که در سنگهای کربناته پلاتفرمی یافت می شود.
•منیزیت نوع دانه ریز :
این نوع منیزیت دارای ظاهری استخوانی بوده و بسیار دانه ریز است و به صورت توده های عدسی شکل، رگه و داربست در سنگ های سرپانتینیتی یافت می شود. کانسارهای مربوط به این گروه از کانسارهای مربوط به نوع رسوبی کوچکتر است.

•هیدروکسید منیزیم یا بروسیت Brucite :

بروسیت کانی منیزیم دار با فرمول شیمیایی Mg(OH)2 می باشد. این کانی به صورت رمبوئدریک متبلور می شود، وزن مخصوص آن 39/2 گرم بر سانتی متر مکعب و سختی آن 5/2 است. بروسیت معمولاً به رنگ های سفید، خاکستری، سبز روشن با جلای صدفی و شیشه ای در طبیعت یافت می شود. این کانی در اثر حرارت به پریکلاز تبدیل می شود.
بروسیت کانی هایی مانند سرپانتین، دولومیت، منیزیت و کرومیت را همراهی می کند و به صورت محصول دگرسانی پریکلاز و سیلیکات منیزیم یافت می شود.
•پریکلاز :Periclase
پریکلاز کانی منیزیم دار با فرمول شیمیایی MgO می باشد. این کانی به صورت کوبیک متبلور می شود، وزن مخصوص آن 56/3 گرم بر سانتی متر مکعب و سختی آن 5/5 است.
•اپسومیت :
اپسومیت با فرمول MgSO4, 7H2O نشان داده می شود که به معنی نمک تلخ بیشتر در دریاچه هایی وجود دارد که مقدار گوگرد و منیزیم آنها زیاد است و در اثر تبخیر تشکیل می شود. این کانی در دیواره غار ها به صورت بلورهای سوزنی شکل اورتورومبیک بی رنگ تا سفید، بدون بو و توده ای دیده می شود. وزن مخصوص اپسومیت 7/1، سختی آن 2 تا 5/2 و طعم آن تلخ و شور می باشد و در هوای گرم و خشک مقداری از آب خود را از دست می دهد.
•کربنات مضاعف منیزیم و کلسیم (دولومیت CaMg(Co3)2 )
•سیلیکات های منیزیم دار

منابع:

1-http://www.ngdir.ir
2-http://www.feldsparco


کانی ها
ساعت ۳:٠۱ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/۱۱/٢٦   کلمات کلیدی:

 

ریشۀ لغوی مینرال ( کانی ) که از قرون وسطی مورد استعمال قرار گرفته از لغت یونانی Mna (متشابه لاتینی آن Mina است) به معنی "کانی" یا "گردال" (از نظر معدن شناسی) مشتق شده است ، لذا نام فارسی آن یعنی "کانی" معروف موادی است که ازکانسارها بدست می‌آورند.

نگاه اجمالی قرنها پیش از دستیابی انسان به فلزات و علم استخراج و مصرف آنها ، برخی از سنگها کانی ها مهمترین ابزار دفاعی ، زراعی و شکار بشر محسوب می‌شده‌اند. بشر اولیهجهت تهیه ابزار سنگی از مولد دارای سختی زیاد همچون سنگ چخماق ، کوارتزیت ،ابسیدین ،کوارتز و ... که در محیط زندگی‌اش فراوان بوده استفاده کرده است. نحوه استفادهو بکارگیری این مولد آنچنان در زندگی و پیشرفت انسان مؤثر بوده است که بر این اساسزمان زندگی انسان اولیه را به سه دوره دیرسنگی ، میانسنگی) و نوسنگی تقسیم شده‌اند.

همزمان با شناخت فلزات و استخراج آنها عصر فلزات آغاز گردید. احتمالاً اولین فلز استخراج شده در حدود 450 سال ق.م ، مس بوده است.

کانیها از نظر فیزیکی و شیمیایی اجسام طبیعی و همگن هستند که تقریبا منحصرا بصورت بلورو یا لااقل توده بلورین حاوی ذرات ظریف و ریز تا درشت تشکیل می‌گردند. فقط معدودیاز کانیهایی که آنها را بصورت جامد می‌شناسیم، به حالت بی شکل و یا ژلهای وجود دارند. با توجه به همگن بودن شیمیایی کانیها ، ترکیب آنها را می‌توان بوسیله فرمول نشان داد. مع ذلک این فرمول در بسیاری از حالات ، منظور عادی شمی را مجسم نمی‌کند ، به این جهت درنگارش آن مفاهیم کریستالو شیمی به مقیاس وسیعی باید منظور گردد.

 برای معرفی کانیها علاوه بر فرمول آنها ، تمام خواص فیزیکی مانند خواص نورانی ، الکتریکی ، مقاومت ،سختی و بالاخره خاصیت بلورشناسی نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد.

اساس مطالعه این خواص موضوع کانی شناسی عمومی را تشکیل می‌دهد .

مصریان قدیم شش هزار سال قبل از میلاد در صحرای سینا فیروزه را به خاطر رنگ زیبایشاستخراج می‌کردند. انسانهای عهد حجر ، سنگ آتشزنه را که دارای سطح شکست تیز است،به عنوان چاقو وسرنیزه ، جهت تراشیدن چوب و تهیه نوک تیز کمان به کار می‌برند. علاوهبرتفریتکه دارای سطح شکست منحنی شکل است برای تهیه تبر و از سنگ آتشزنه و پیریت جهت تهیه آتش استفاده می‌کردند. عهد حجرزمانی خاتمه یافت که انسان توانست در نتیجهتجارب گوناگون ازمسو قلعآلیاژی به نام مفرغ یا برنز تهیه کند. در طی عهد برنز بشر قرنها تجربه اندوخت تا سرانجام حدود 1000 سال قبل از میلاد مسیح به کشف و تهیه آهن توفیق یافت.

به روایت دیگر حدود 2700 سال قبل عصر مفرغ آغاز شد که در این عصر انسان ابزار خود را از این آلیاژ تهیه می‌نموده است. حدود 3000 سال ق.م مصریها از ذوب سیلیس، شیشه تهیه نمودند و قرنها پیش از میلاد مسیح چین‌ها در فسیلها از کاؤلن ابزار چینی می‌ساخته‌اند. در طول تاریخ اطلاعات بسیاری در رابطه با چگونگی شکل گیری ،جنس، ساختمان و سایر خصوصیات کانیها بدست آمده است.اصولا یونانیها نخستین ملتی بودند که جنبه علمی کانیها را بررسی کردند مثل تالس ملطی که 485 سال قبل از میلاد بهخاصیت کهربایی کانیها اشاره کرده و تمیش تکلس (527-549 ق.م) که دست به استخراج معادن زد. یک کتاب سنگ شناسی (الاحجار) که به ارسطو (322-384 ق.م) نسبت می‌دادند بعدها معلوم شد که در سده هشتم نوشته شده ، ولی کتابی ازشاگردش یتوفر است.

(288-372 ق.م) بجا مانده بنام "راجع به سنگها" که شاید بتوان گفت اولین کتاب علمی کانی شناسی است. کتاب با ارزش دیگری که بعدها نوشته شد بوسیله پزشک رومی جالینوس (201-113م) بود. اثر دانشمند عالیقدر ایرانی ابن سینا ، (1037-970) تحت عنوان "درباره کانیها" را شاید بتوان گفت اولین کتابی است که کانیها را بطور سیستماتیک به چهاردسته تقسیم کرده است. از اروپاییان از کانی شناس آلمانی آلبرت فون بول (280-119 م(یاد می‌کنیم این شخص که به ماگنوس معروف است داراری پنج جلد کتاب از زمینه کانی شناسی است. از دو شخصیت دیگر آلمانی به نامهای باسیلوس والنتین و آگریکولا (1623-1555) یاد می‌کنیم که شخص اخیر بعدها به پدر کانی شناسی معروف گشت.

آخرین شخصی که کانیها را از نظر ظاهری مورد مطالعه قرار داد، کانی شناس روسی لموسوف (1711-1765) بود. در سال 1669 یک دانشمند دانمارکی به نام نیلس استنسن قانون ثابت بودن زوایا را کشف کرد. در همین سال شخص دیگری به نام اراسموس بارتولینوس موفق به کشف شده است مضاعف کلیست ایسلندی گردید. قانون پارامتر وایس آلمانی در دهه دوم قرن بیستم وضع کرد. در سال 1830هسل 32 کلاسه را ثابت کرد، پس از آن با استفاده از محاسبات ریاضی فدروف روسی و شنفلیس آلمانی 230 شبکه فضایی را ثابت کردند. با کشف اشعه ایکس بوسیله رنتگن ، تحول عظیمی در کانی شناسی بوجود آمد

بدینوسیله برای اولین مرتبه ماکس فون لاوه موفق به مطالعه ساختمان داخلی کریستالگردید.

 

بعد از اینکه استفاده از اشعه ایکس در کانی شناسی نشان داده شد، براگ در سال 1913 اولین ساختمان یعنی شبکۀ نمک طعام را معرفی نمود.

کانی چیست ؟

کانی عبارت است از عناصر یا ترکیبات شیمیایی طبیعی جامد ، همگن ، متبلور و ایزوتروپ با ترکیبات شیمیایی نسبتاً معین که در زمینیافت می‌‌شود. خواص فیزیکی کانی ها در حدود مشخص ممکن است تغییر نمایند. کانیها به صورت اجسام هندسی با ساختمان اتمی منظم متبلور می‌گردند که به آن بلورمی‌گویند. اگر بلور یک کانی را به قطعات کوچک و کوچکتر تقسیم نماییم سرانجام به کوچکترین جزء دارای شکل هندسی منظم خواهیم رسید که آن را واحد تبلور ، سلول اولیه و یا سلول واحد بلور می‌نامند.

از کنار هم قراردادن واحدهای تبلورشبکۀ بلورکه سازنده اجسام متبلور است ایجاد می‌گردد.

علاوه بر کانیهای متبلور با دسته‌ای از ترکیبات دارای تمامی خواص کانیبجز سیستم تبلور می‌باشند که این دسته را شبکۀ کانی می‌نامند و شرایط تشکیل کانیها بسیار متفاوت است ،برخی مانند پیریت ممکن است در شرایط بسیار متنوعی ایجاد ‌گردند در حالیکه برخی دیگربه عنوان شاخص کانی ،فشار ، دما وجود عناصر رادیو اکتیوو ... مورد استفاده قرار می‌گیرند. همه کانیها به استثنا شبه ‌کانی‌ها در یکی از 7 سیستم تبلور شناخته شده متبلور می‌گردند. برخی از کانیها در شرایط مشابه در کنار هم تشکیل می‌گردند که به آنها پاراژنز با کانی‌های همراه گفته می‌شود. کانیها در طبیعت در اندازه‌‌های بسیار متفاوتی یافت می‌شوند که بر این اساس آنها را به درشت بلور ، متوسط بلور ، ریز بلور و مخفی بلور تقسیم می‌نمایند.

برخی از انواع درشت بلور و متوسط بلور در نمونه‌های دستی قابل تشخیص بوده ، انواع ریز بلور توسط میکروسکوپهای قوی و کانیهای مخفی بلور را به کمک اشعه ایکس و میکروسکوپهای الکترونی می‌توان شناسایی نمود.

اهمیت اقتصادی کانیها

کانیها دارای ارزش اقتصادی بسیار زیادی می‌باشند، بطوری که اقتصاد بسیاری ازکشورهای جهان نظیر شیلی ، گینه ... بر اساس مواد معدنی پایه‌ریزی شده است.

اگر چه بسیاری ازکانیها دارای ارزش درمانی ویژه خود هستند و حتی تعدادی به عنوان مواد سمی و مهلک مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولی افرادی نیز وجود دارند که همراه داشتن کانیهای معین را در درمان برخی ازبیماریهای موثر می‌دانند. در سراسر جهان عده زیادی علاقمند به جمع‌آوری مجموعه‌های کانی هستند، دریک پیک نیک خانوادگی می‌توان نمونه‌هایی از این خلقت زیبای خداوند جمع‌آوری نمود. با توجه به اینکه در کشور ما کانیهای متنوعی وجود دارند و بسیاری از آنها قابل دسترس می‌باشند.

کانیها از دوران پیش از تاریخ ، نقشی اصلی در نحوه زندگی بشر و استاندارد زندگی وی داشته‌اند. با گذشت هر قرن ، اهمیت اقتصادی کانیها به گونه‌ای فزاینده بیشتر شده و امروزه به اشکال بیشماری ، ازاحداث آسمانخراشها گرفته تا ساخت کامپیوتربه آنها وابسته‌ایم. تمدن جدید ، به طور شگفت آوری به کانیها وابسته است و کاربرد وسیع آنها را الزامی کرده است.

 

تعداد کمی از کانیها مانند آزیست، گوگرد و... به همان شکل استخراج شده ، معروف می‌شوند. اما بسیاری از آنها را برای به دست آوردن یک ماده مفید ، باید در آغاز فرآوری کرد. برخی از محصولات آشناتر عبارتند از : آجر ، شیشه ، سیمان ، گچ وچیزی در حدود بیست فلز از آهن گرفته تا طلا . کانسنگهای فلزی و کانیهای صنعتی در همه قاره‌ها و درهر جا که کانیهای خاص به اندازه کافی تمرکز یافته و استخراج آنها اقتصادی باشد، استخراج می‌شوند.


دانلود کتاب ceramic processing and sintering
ساعت ۱:٤٩ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/۱٠/۱٤   کلمات کلیدی:

لینک دانلود:

10.pdf


دانلود کتاب مواد سرامیکی ceramic materals.pdf
ساعت ۳:٢٠ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/٩/۱٩   کلمات کلیدی:

لینک دانلود:

materals_ceramic.pdf

 


PMN-PT بررسی ویژگی های اپتیکی نانو پودر سرامیک
ساعت ۱:٢٩ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/٩/۱۳   کلمات کلیدی: نانو پودر اپتیکی

PMN-PT بررسی ویژگی های اپتیکی نانو پودر سرامیک

لینک دانلود:

1010101.pdf


دانلود جزوه سرامیکهای ساختمانی
ساعت ۱:٢٥ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/٩/۱۳   کلمات کلیدی:

سرامیکهای ساختمانی

لینک دانلود:

 

tile.pdf


Si3N4
ساعت ۱:٢۱ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/٩/۱۳   کلمات کلیدی: si3n4

مقاله در مورد Si3N4

لینک دانلود

6133-58716160-C2F.pdf


← صفحه بعد