آنالیز حرارتی و مهندسی مواد

علمی

سنتز نیترید آلومینیوم خلوص بالا به روش نیتروژن دهی مستقیم پودر آلومینیوم
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۱٢:٥٠ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٦/٩/٩
 

مقدمه

نیترید آلومینیوم بخاطر ویژگی­های بسیار مهم آنبه عنوان یک ماده پرکاربرد در زمینه­های الکترونیکی، موتورهای حرارتی و کاربردهای شیمیایی مورد استفاده قرار می­گیرد. نیترید آلومینیوم نسبت به آلومینیوم هدایت حرارتی بالاتر، انبساط حرارتی پایین­تر دارد.دارای ثابت دی الکتریک مناسب، دانسیته کم و قدرت دی الکتریک بالا است.این ویژگی­ها باعث می­شود که در کاربردهای الکتریکی جایگزین مناسبی برای آلومینا باشد. هدایت حرارتی بالای آن باعث شده به عنوان کنترل کننده­ دما در کاربردهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. زیرا با افزایش چگالی، انرژی گرمایی زیادی را که باید از ماده خارج شود، به خود جذب می­کند. انبساط حرارتی پایین آن نیز باعث می­شود که ترکیبات جدید، بدون اتلاف درطی عملیات حرارتی در سطح ماده تشکیل شوند.این ماده نسبت به سایر فلزات مذاب از قبیل: آلومینیوم،مس،لیتیوم،اورانیوم، آلیاژهای آهن دارای مقاومت  بالاتری در برابر خوردگی می­باشدو به عنوان پوشش در برابر خوردگی مواد مورد استفاده قرار می­گیرد.افزودن نیترید آلومینیوم به شیشه و پلیمر باعث بهبود خواص حرارتی آنها می­شود.

نیترید آلومینیوم خواص الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی خوبی را برای استفاده در زمینه الکترونیک و کاربردهای سازه ای دارد، اما این پدیده بطور طبیعی رخ نمی­دهد و پودر باید به صورت شیمیایی سنتز شود. بنابراین پس از بررسی خواص مختلف به بیان روش­های مختلف سنتز نیترید آلومینیوم خواهیم پرداخت. تولید تجاری پودر نیترید آلومینیوم به کمک فرایندهایی مانند احیای کربوترمال آلومیناو نیتروژن­دهی مستقیم آلومینیوم، صورت می­گیرد در حالی که در مقیاس آزمایشگاهی روش­های دیگری مانند رسوب بخار شیمیایی، قوس پلاسمایی، سل ژل و... نیز مطرح می­شود.

نیترید آلومینیوم ماده­ای با پیوند کووالانسی و قدرت نفوذپذیری کم است و برای زینترینگ نیاز به دماهای بالا دارد. به دلیل حضور یک لایه محافظت کننده اکسید بر سطح پودر و علاوه بر آن حضور اکسیژن در شبکه کریستالی، نمی­توان به ضریب هدایت حرارتی بالا بدون اضافه کردن کمک زینترها دست پیدا کرد. بنابراین نقش کمک زینترها که ایجاد فاز مایع و واکنش با سطح اکسید متراکم آلومینا و عمل به عنوان گاززدا، برای جدا کردن اکسیژن از شبکه نیز باید بررسی شود[1].

1 -خواص

1-1- ساختار کریستالی

نیترید آلومینیوم خالص یک ماده عایق است. تحت ساختار هگزاگونال کریستالیزه می­شود و پارامترهای سلول واحد آن به قرار زیر است:a=0.311nm و c=0.498nm.می­توان آنرا توسط ساختار هگزاگونال متراکم (HCP) نمایش داد[2و3]. 

1-2- خواص فیزیکی

همانطور که در جدول 2 می­بینید دانسیته تئوری نیترید آلومینیومg/cm326/3 می­باشد. دمای ذوب یا نقطه­ی تجزیه آن C°2900، تحت 100 اتمسفر فشار نیتروژن گزارش شده است .نیترید آلومینیوم درC°2450 به آلومینا و نیتروژن تجزیه می­شود.

جدول 2. برخی خواص فیزیکی پلی کریستال نیترید آلومینیوم و آلومینا واکسید برلیم[4و5]

 

AlN

BeO

Al2O3

درصد تخلخل

5/99˃

5/99

99˃

چگالی (kg/m3)

3250

2900

3890

سختی ویکرز (GPa)

12

12

27-23

 

 

1-3- خواص حرارتی

جدول 3 مقایسه بین نیترید آلومینیوم و موادی که اخیرا در صنعت الکتریک استفاده شده­اند را، از نظر خواص حرارتی نشان می­دهد.. هدایت حرارتی تک کریستال نیترید آلومینیوم در حدود W.m-1.K-1 320تخمین زده شده است. امااین مقدار برای  پلی کریستال نیترید آلومینیوم سنتز شده، در حدود W.m-1.K-1 200-80است. ضریب انبساط حرارتی آن C°4.4×10-6/ است، که این مقدار خیلی به ضریب هدایت حرارتی سیلیکون (3.2×10-6/°C) نزدیک است. این دو خاصیت باعث شده است که نیترید آلومینیوم بهترین ماده برای تولید مدارهایی با انرژی و توان بالا باشد[1].

جدول 3- خواص حرارتی نیترید آلومینیوم در مقایسه با دیگر مواد[1]

 

نیترید آلومینیم

آلومینا

اکسید برلیم

سیلسیم

هدایت حرارتی در دمای اتاق

(W.m-1.K-1)

160(320*)

20

260(370*)

120

ضریب انبساط حرارتی در دمای اتاق تا C°400 (×10-6/°C)

4/4

2/7

8

2/3

*مقدار تئوری

 

هدایت حرارتی

همان طور که قبلا اشاره شد، هدایت حرارتی نیترید آلومینیوم به صورت تئوری 320W.m-1.K-1 است[7]، اما بالاترین مقدار تجربی به دست آمده 270W.m-1.K-1است[8]. برای اینکه هدایت حرارتی به دست آمده نزدیک به هدایت حرارتی تک کریستال و یا مقادیر تئوری باشد، باید ماده تک فاز و خالص باشد و تخلخل کمی داشته باشد[9]. وجود اکسیژن در شبکه و بر روی سطح پودر باعث کاهش اساسی هدایت حرارتی می شود. بدین ترتیب که وقتی اکسیژن جایگزین نیتروژن می­شود بخاطر اختلاف حجم بین اکسیژن و نیتروژن باعث بوجود آمدن جای خالی، در نتیجه پخش شدن فونون می­شود که نقش بسزایی را در هدایت حرارتی برای عایق­های الکتریکی سرامیکی مانند نیترید آلومینیوم ایفا می­کنند.

1-4- خواص شیمیایی

هیدرولیز و اکسیداسیون

اگر پودر نیترید آلومینیوم با هوای مرطوب واکنش دهد، زیان­بار است. این واکنش توسط چند مکانیزم زیر صورت می­گیرد[12]:

الف ) هیدرولیز در دمای پایین (C°100>) :                                    

AlN + 2H2O (g) = AlO.OH + NH3

ب ) هیدرولیز در دمای بالا (°C 300-100):

2AlN + 3H2O = Al2O3 + 2NH3

ج ) اکسیداسیون در دمای بالا (°C700-300):

4AlN + 3O2 = 2Al2O3 + 2N2

این واکنش ها، هنگام کلسینه شدن در هوا، هنگام فراوری نیترید آلومینیوم، یا انبار کردن پودر در هوای مرطوب رخ می دهد. از طرف دیگر با توجه به تحقیقات انجام شده[13]، وقتی نیترید آلومینیوم در آب جوش  C° 100وارد می­شود،  γ.AlO.OHتشکیل می­شود. اما این واکنش­ها در هوای مرطوب و دمای اتاق به سرعت رخ نمی­دهد. پودر نیترید آلومینیوم مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون در هوا، از دمای اتاق تا C°1000 دارد.

سرعت اکسیداسیون یک سطح مشخص از نیترید آلومینیوم توسط اسلک گزارش شده است. در حدود         A°100-50 اکسید در روز در دمای اتاق تشکیل می­شود[7].

  

شکل 2- رفتار اکسیداسیون AlNدر دماهای متفاوت

 

1-5- خواص اپتیکی

مقاومت در برابر خوردگی

مقاومت در برابر خوردگی نیترید آلومینیوم نیز مطالعه شده است­، به این ترتیب که کریستال­های نیترید آلومینیوم را در دمای اتاق در آب فرو می­برند، برای چندین ماه هیج تغییر قابل رویتی مشاهده نمی­شود اما هنگام جوشیدن مخلوطی شامل هیدروکلریک  و آب، انحلال کمی مشاهدهمی­شود[1].

رنگ

رنگ کریستال­های نیترید آلومینیوم از سفید تا آبی تیره متفاوت است. ریگزارش داد که نیترید آلومینیوم خالص از کریستال­های هگزاگونالی آبی تشکیل می­شود. در حال که لانگ ادعا کرد که نیترید آلومینیوم خالص سفید رنگ است و رنگ آبی آن نتیجه حضور 7 درصد آلومینیوم اکسی کرباید (Al2OC) است. Al2OCنتیجه واکنش بین کربن منواکسید حاصل از واکنش گرافیت موجود در کوره با اکسیژن ته نشین شده و آلومینیوم رسوب داده شده در نمونه به وجود می­آید[1].

 

1-6- خواص مکانیکی

استحکام شکست نیترید آلومینیوم در دمای اتاق MPa50-35بسیار بالاتر از MPa 32-31برای آلومینا و 25MPa برای اکسید برلیم است.از طرف دیگر سختی ویکرز آن 1200MPa نصف MPa2700-2300برای آلومینا است. یعنی نیترید آلومینیوم پر استحکام­تر از آلومینا و اکسید برلیم است و راحت­تر ماشین­کاری می­شود.

جدول 4 -  برخی خواص فیزیکی پلی کریستال نیترید آلومینیم و آلومینا و اکسید برلیم[4و5]

آلومینا

اکسید برلیم

نیترید آلومینیم

 

99˂

5/99

>5/99

%تخلخل

3890

2900

3250

چگالی (kg/m3)

27-23

12

12

سختی ویکرز (GPa)

314-304

245

490-340

استحکام خمشی(MPa)

مات

مات

48

%عبور نور

=6μmλ و t=0.5mm

 ادامه دارد....

 

 

 

 


 
 
تاریخچه ی کانی شناسی
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۸:۱٠ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٢/۱۱/٢۸
 

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
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۳:٠۱ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/۱۱/٢٦
 

 

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
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۱:٤٩ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/۱٠/۱٤
 

لینک دانلود:

10.pdf


 
 
دانلود کتاب مواد سرامیکی ceramic materals.pdf
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۳:٢٠ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/٩/۱٩
 

لینک دانلود:

materals_ceramic.pdf

 


 
 
دانلود جزوه سرامیکهای ساختمانی
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۱:٢٥ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/٩/۱۳
 

سرامیکهای ساختمانی

لینک دانلود:

 

tile.pdf


 
 
رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۸:۳٧ ‎ق.ظ روز ۱۳٩٢/٩/۳
 

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)
 

روش رسوب دهی از فاز بخار( CVD) فرایندی است که بوسیله ی آن یک ماده ی جامد از واکنش شیمیایی در فاز بخار بوجود می آید( این واکنش بر روی یک سطح زیرلایه ی گرم شده یا سرد انجام می شود( جدول 1)). ماده ی جامد حاصله می تواند یک پوشش، یک پودر و یا یک ماده ی تک کریستال باشد. با تغییر شرایط تجربی، ماده ی زیرلایه، دمای زیرلایه، ترکیب شیمیایی مخلوط گازهای واکنش دهنده، فشار کل جریان های گازی و غیره می تواند مواد با خواص مختلف ایجاد نمود.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

شیمی واکنش

شرط لازم برای سنتز به روش CVD وجود ترکیبات فرار است که شامل ترکیبات مورد نیاز برای مواد پوشش باشد. از پیش ماده های گازی می توان به صورت مستقیم استفاده کرد، اما پیش ماده های مایع و جامد باید پیش از وارد شدن به محفظه ی رآکتور تبخیر شوند( مایعات در یک سیلندر، و جامدات در یک تبخیر کننده ی تیوبی گرما داده می شوند)، اتمیزه شوند یا به حالت ایروسل درآیند. هالوژن هایی( فلئوریدها، کلریدها و برومیدهایی) وجود دارند که در آنها فلزات گوناگونی در حالت مایع یا گاز وجود دارد؛ این مواد فرار هستند و گزینه های مناسبی برای ما محسوب می شوند.
بیشتر فرایند های کلاسیک بر اساس قانون سنتز شیمیایی( chemosynthesis) است( بسته به اینکه کدام ترکیب هالوژن دار به فرم گاز کاهنده یا اکسید کننده به سمت زیرلایه حرکت کند). به هر حال در بالای دمای 700 درجه ی سانتیگراد بیشتر ترکیبات هالوژن دار واکنش پذیر هستند و این مسئله باید در کارخانه های تولید مواد به روش CVD مد نظر قرار گیرد. سنتز شیمیایی شامل واکنش هایی شیمیایی مانند کاهش هیدروژنی، واکنش های کاهشی جانبی،‌کاهش فلز، اکسایش و هیدورلیز و کاربیدی شدن ( carbidization) و نیتروژن دهی( nitrogenization) است.

کاهش هیدورژنی:

واکنش هیدورژنی، به دلیل دمای واکنش پایین خود دارای مزیت بزرگی نسبت به واکنش های تعادلی تخریبی است. این روش اساسا برای رسوب دهی ترکیبات هالوژن دار فلزات انتقالی( مخصوصا گروه 5 اصلی ( وانادیوم، نیوبیوم و تانتالیوم) و گروه 6 اصلی ( کروم، مولیبدن و تنگستن) مورد استفاده قرار می گیرد. کاهش هالوژن های گروه 4 اصلی مشکل تر است زیرا این ترکیبات پایدار ترند. کاهش هیدروژنی ترکیبات هالوژدار غیر فلزی ها مانند آنهایی که دارای سیلیسیم و بور هستند، مهمترین فرایند تولید برای نیمه رساناها و الیاف با استحکام بالا محسوب می شود. نمونه ای از این واکنش ها عبارتند از:
WF6(g) + 3H2(g) → W(s) + 6HF(g)
SiCl4(g) + 3H2(g) → Si(s) + 4HCl(g)

واکنش های فرعی:

رسوب دهی CVD ترکیبات شیمیایی دوتایی می تواند بوسیله ی واکنش های فرعی تحقق یابد. در این زمینه، مواد سرامیکی مانند اکسیدها، کاربیدها، نیتریدها، بریدها و سیلیسیدها( مانند تیتانیم براید) را می توان به صورت زیر تولید کرد:
TiCl4(g) + 2BCl3(g) + 5H2(g) → TiB2(s) + 10HCl(g)

کاهش فلزی:

اگرچه هیدروژن عموما به عنوان عامل کاهنده مورد استفاده قرار می گیرد، عناصری مانند روی، کادمیم، منگنز، سدیم، و پتاسیم میا ترکیبی بیشتری برای ترکیبات کلردار دارند. آنتالپی آزاد واکنش برای این عناصر، در جدول 2 به طور خلاصه آورده شده است. آنتالپی آزاد واکنش(HreacΔ) برای کلرید این فلزات منفی تر از هیدروژن کلرید در این دماست؛ از این رو این فلزات را می توان برای کاهش مواد هالوژن دار حاوی تیتانیوم، زیرکونیوم و هافنیوم( در زمانی که نمی توان از هیدروژن به عنوان کاهنده استفاده کرد) استفاده کرد. برای اینکه این فلزات مورد استفاده قرار گیرند، این مهم است که محصول فرعی کلریدی در دمای واکنش فرار باشد. به همین دلیل،‌استفاده از سدیم یا پتاسیم می تواند مانع این امر شود زیرا دمای جوش کلرید این فلزات بالاست( بالاتراز 1400 درجه ی سانتیگراد).
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

واکنش های اکسیداسیون و هیدورلیز

مهمترین واکنش های CVD،‌ واکنش های اکسیداسیون و هیدورلیز هستند. مثال هایی از این نوع واکنش های عبارت اند از واکنش تولید اکسیدها که در اینجا O2 و CO2 عناصر واکنشی هستند. اخیرا اوزن( که یک عامل اکسید کننده ی قوی است) برای رسوب دهی SiO2 در فرایند CVD مورد استفاده قرار گرفته است. نمونه هایی از واکنش های اکسیداسیون و هیدورلیز عبارتند از:
SiH4(g) + O2(g) → SiO2 + 2H2(g)
SiCl4(g) + 2CO2(g) + 2H2(g) → SiO2(s) + 4HCl(g) + 2CO2(g)
2AlCl3(g) + 3H2O(g) → Al2O3(s) + 6HCl(g)
کربوریزاسیون و نیتریداسیون:
رسوب دهی کاربیدها با روش CVD بوسیله ی واکنش کربوهیدراتهای گازی ( مانند متان) با ترکیبات هالوژن دار، انجام می شود:
TiCl4(g) + CH4(g) → TiC(s) + 4HCl(g)
آمونیاک گاز اصلی فرایند رسوب دهی نیترادها با استفاده از CVD است. آمونیاک (NH3) دارای انرژی آزاد تشکیل مثبت است که این مسئله یک مسئله ی غیر معمول است. بمحض تجزیه شدن، محصولات آن برای واکنش های CVD بوجود می آیند. یک مثال از استفاده ی آمونیاک در رسوب دهی سیلیسیم نیترید عبارت است از:
3SiCl3(g) + 4NH3(g) → Si3N4(s) + 12HCl(g)
یک دیگر از احتمال های موجود واکنش تخریب گرمایی ( پیرولیز) گازهای پیش واکنش است. در اینجا، یک ملوکول بر روی سطح داغ زیرلایه، به عناصر و یا مولکول های سازنده ی خود تجزیه می شود. نمونه هایی از این واکنش ها عبارت اند از:
• تخریب کربوهیدراتها: → C(s) + 2H2(g) CH4(g)
• تخریب مواد هالوژن دار: WF6(g) → W(s) + 3F2(g)
• تخریب گروه کربونیل: Ni(CO)4(g) → Ni(s) + 4CO(g)
• تخریب مواد هیدریدی: SiH4(g) → Si(s) + 2H2(g)
به طور متناوب، با مواجه شدن یک ماده ی گازی با افت دما، ماده ی گازی به جامد تبدیل می شود( سنتز پودر). مواد قلیایی ( ترکیبات CH)، ترکیبات استونیتریل( ترکیبات CN ) ترکیبات الکل دار، یا ترکیبات سیکلو پنتا دینیل ها همچنین کاربردهایی به عنوان ترکیبات ارگانومتالیک( MO) پیدا کرده اند. اگر چه استفاده از ترکیبات MO باعث می شود تا بتوانیم دما را به طور قابل توجهی کاهش دهیم( به حدود 300 تا 800 درجه ی سانتیگراد)، ترکیبات و تکنولوژی های ساختاری مورد نیاز برای این موادبسیار گران هستند. در نتیجه MOCVD تنها در زمانی استفاده می شود که کیفیت و خلوص پوشش در درجه ی اول اهمیت قرار داشته باشد مانند سنتز GaN برای استفاده در دیودهای انتشار نور( LEDs).
6.2.3.3. کینتیک رسوب دهی پوشش
در مقابل ملاحظات ترمودینامیکی، کینتیک در مورد تبدیل شیمیایی بر واحد زمان واکنش شیمیایی صحبت می کند. واکنش کلی به چند زیر واکنش تبدیل می شود، که آهسته ترین واکنش سرعت واکنش کل فرایند CVD را تعیین می کند و بنابراین بر روی نرخ رسوب دهی بدست آمده نیز مؤثر است( شکل 1).
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

وقتی سرعت رسوب دهی را به صورت تجربی تعیین می کنیم، یک نمودار شاخص ایده آل از فرایند CVD گرمایی به دست می آید( شکل 2) که دارای سه ناحیه ی شاخص است. در دماهای پایین، فرایند رسوب دهی بوسیله ی واکنش انجام شده در سطح تعیین می شود و از معادله ی آرنیوس پیروی می کند. این ناحیه ی واکنشی کنترل شده( ناحیه ی 1) برای ایجاد پوشش های یکنواخت بر روی هندسه های پیچیده مناسب است. در دماهای بالاتر، سرعت واکنش به حدی زیاد می شود که فرایند رسوب دهی بوسیله ی انتقال نمونه ها انجام می شود( ناحیه ی 2). در دماهای بالاتر، تشکیل پودر رخ می دهد( ناحیه ی 3). به دلایل اقتصادی، بیشتر رآکتورهای CVD مورد استفاده در ناحیه ی 2 محدود می شوند.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

انتقال جرم گازها به سطح زیرلایه سرعت پوشش دهی را در ناحیه ی 2 تعیین می کند. یک فرایند CVD بوسیله ی یک الگوی جریانی دینامیکی و پیچیده از مایع، انجام می شود. به طور نمونه، مخلوط گازها از طریق لوله ها، شیرها و محفظه ها جریان می یابند در حالی که در زمان یکسان در معرض دمایی بالا قرار داده می شوند، که با دمای پیش با اختلاتشان فرق دارد و سپس با زیرلایه واکنش می دهند. به دلیل استحاله ی فازی( از حالت گاز به جامد)، این واکنش یک واکنش غیر هموژن است. مراحل اتفاق افتاده در حین CVD در شکل 3 آورده شده است و می توان آنها را به صورت زیر خلاصه کرد:
• انتقال همرفت مواد واکنش دهنده به سطح لایه بوسیله ی جریان نفوذی( مرحله ی 1).
• انتقال نفوذی پیش ماده و نمونه های گازی از طریق لایه ی مرزی به سطح زیرلایه( مرحله ی 2).
• جذب واکنش دهنده ها نمونه های گازیبر روی سطح زیرلایه( مرحله ی 3)
• واکنش های هموژن و تعادلی پایین به بالا در فاز گازی با نمونه های فاز گازی( مرحله ی 4)
• نفوذ سطحی و واکنش های سطحی( مرحله ی 4)
• جدا شدن محصولات فرعی گازی از سطح( مرحله ی 5)
• انتقال نفوذی محصولات گازی جدا شده از سطح از طریق لایه ی مرزی( مرحله ی 6)
• انتقال همرفت محصولات فرعی از لایه ی مرزی بوسیله ی نیروی جریان نفوذی( مرحله ی 7)
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

با رسوب دهی محدود شده به انتقال( ناحیه ی 2 در شکل 2)، اثرات کاهشی باید در طول جهت جریان بر روی سطح جزء،‌ مورد انتظار است. عموما جریان آرام بر روی زیرلایه مطلوب است اگرچه فشارهای بالاتر، حجم های محفظه یا توزیع غیر هموژن دما، همرفت طبیعی می تواند باعث آشفته شدن این وضعیت شود. این پدیده ها می تواند با طراحی مناسب محفظه، ساختار گاز تغذیه شده به ساختار و نحوه ی شارژ شدن، تقلیل یابد.
وقتی یک لایه ی پوششی یکنواخت بر روی یک سطح با هندسه ی پیچیده، اولین مورد مهم مورد توجه ما باشد، فرایندهای CVD صنعتی، اکثرا در ناحیه ی عملیاتی 1 کار می کنند( شکل 2). شکل 4 نشاندهنده ی رآکتور CVD و نحوه ی پر و خالی شدن آن است برای ایجاد یک پوشش سه بعدی است. در یک چنین رآکتوری امکان تولید پوشش بر روی قطعات با هندسه ی پیچیده یا پوشش دهی برای بچ های بزرگ از قطعات تکراری، وجود دارد( تنها با کمی دقت و مهارت و صرف هزینه ی مناسب برای هر قطعه). با این فرایند، شارژهای بزرگ در طی چند مرحله از رآکتور با دیواره ی گرم، پوشش دهی می شوند. تعداد این قعات گاها به چند هزارتا هم می رسد.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

فرایند CVD

طبقه بندی فرایند های CVD بر اساس نوع انرژی اکتیواسیونی که باید برای انجام واکنش اعمال شود، انجام می شود( جدول 3). بنابراین این ممکن است که میان CVD فعال شده بوسیله ی گرما( CVD دمایی یا HT-CVD) و CVD فعال شده با پلاسما( PA-CVD یا PE-CVD) و پلاسمای فعال شده با فوتون ( CVD فوتونی یاLI-CVD ) تفاوت قائل شویم. از نقطه نظر فنی، اکتیواسیون گرمایی ساده تر است و از آن به طور نمونه برای پوشش دهی یکنواخت بچ های بزرگ با استفاده از رآکتور با دیواره ی داغ استفاده می شود. برای پوشش دهی مواد حساس به دما، روش های پلاسمایی به عنوان یک اصل استفاده می شود زیرا دمای مورد نیاز برای این نوع از CVD پایین است. فرایند CVD با کمک پلاسما قادر به پوشش دادن گستره ی وسیعی از مواد است. با استفاده از لیزر می توان واکنش های مورد نظر را بر روی سطح ماده به راه بیندازیم. بوسیله ی لیزر می توانیم ساختارهای 2 بعدی و 3 بعدی بسازیم.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

علاوه براین فشار عملیاتی مختلف منجر به تقسیم بندی فرایند CVD به نوع فشار نرمال( CVD با فشار اتمسفر، AP-CVD)،‌ CVD با فشار کم( LP- CVD) و CVD تحت خلا بسیار بالا( UHV- CVD،‌فشار کمتر از 10 به توان منفی 5)( شکل 5) می شود. بر اساس نوع فعال سازی، این فرایندها را می توان دوباره و با توجه به دمای عملیاتی به صورت زیر طبقه بندی کنیم: HT- CVD برای رسوب دهی در دماهای بالاتر از 900 درجه ی سانتیگراد، MT- CVD برای دماهای بین 600 تا 900 درجه ی سانتیگراد و LT-CVD برای دماهای زیر 600 درجه ی سانتیگراد.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

برای پوشش دهی ابراز با مواد سخت، و به طور خاص برای پوشش دهی ابزارهای برشی کاربید سمنته شده، فرایند CVD فعال شده با گرما در بازار غالب است. برای زیرلایه های حساس به حرارت، برای مثال برای اجزای ماشین معمولا از فرایندهای فعال سازی پلاسما استفاده می شود. با یک نگاه کلی به بازار پوشش دهی با CVD، فرایندهای پلاسما در بیش از 50 % موارد دیده می شود( شکل6).
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

CVD دما بالا( high-tempreture CVD):

با استفاده از فرایندهای CVD فعال شده با حرارت، واکنش های شیمیایی با اعمال انرژی فعال سازی حرارت به پیش ماده ی غیر آلی در یک رآکتور با دیواره ی سرد یا گرم، شروع می شود. انرژی گرمایی می تواند بوسیله ی منابع مختلفی( مانند حرارت دهی RF، تابش فروسرخ، یا حرارت دهی مقاومتی) تولید شود. برای پوشش دهی سه بعدی برای ابزارآلات و اجزا، رآکتورهای با دیواره ی گرم( که به طور عمودی قرار دارند) به طور مکرر مورد استفاده قرار می گیرد( شکل7)؛ در این نوع پوشش دهی از سیلندر برای متراکم کردن مواد اولیه ی مایع، استفاده می شود. در این مورد، مخلوط گازی از بالا، به داخل رآکتور جریان می یابد؛ درحالی که گازهای باقی مانده از پایین به خارج پمپ می شوند. این نوع از رآکتور برای دماهای میان 700 تا 1000 درجه ی سانتیگراد مناسب است و برای رسوب دهی TiN،‌ TiC، TiCN و Al2O3 مورد استفاده قرار می گیرد.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

CVD به کمک پلاسما( Plasma-activated CVD):

با استفاده از فرایندهای CVD به کمک پلاسما، انرژی الکترون از یک تخلیه ی درخشان برای فعال کردن پیش ماده های شیمیایی استفاده می شود. با این روش، این ممکن است که در دماهای پایین تر از دمایی که در روش فعال سازی گرمایی نیاز است، کار کنیم( شکل 8) به نحوی که گرمایی اعمال شده به موادی که در حال پوشش داده شدن هستند، به گستره ی 100 تا 620 درجه ی سانتیگراد کاهش می یابد. هنگامی که یک گاز تحت فشار پایین ، در یک میدان الکتریکی قرار گیرد، تجزیه می شود و از خود نور متصاعد می کند. همچنین الکترونها، یون ها و گونه های تهیج یافته در این حالت حضور دارند( شکل 9). واکنش دهنده های گازی یونیزه شده و واپاشی به عنوان نتیجه ای از ترکیب با الکترونها پدید می آید. در نتیجه یون ها و رادیکال های فعال شده ی از لحاظ شیمیایی، به عنوان یک لایه ی CVD بر روی زیرلایه رسوب می کند.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

یک مزیت که در فرایندهای حاصله از تکنولوژی CVD قابل مقایسه است، فشار عملیاتی نسبتا بالای آن( 2 تا 20 Pa)‌است، که مارا قادر می سازد، پوشش دهی هموژنی داشته باشیم. یکی از بدی هایی که باید در اینجا بدان توجه کرد، این است که در لبه ها و در داخل سوراخ های زیرلایه ی دارای اشکال پیچیده، توزیع غیر یکنواختی از ضخامت پدید می آید که علت آن دانسیته ی جریان غیر یکنواخت است. با این وجود، اثر پلاسما بر روی زیرلایه باعث می گردد تا پیوند مناسبی بین زیرلایه و پوشش پدید آید( حتی با این که دما پایین است). پلاسما را می توان به راه های مختلفی تولید کرد:
• تخلیه ی درخشان DC ( تخلیه ی DC)
• تخلیه ی درخشان پالسی با فرکانس متوسط( تخلیه ی MF)
• تخلیه ی درخشان فرکانس رادیویی ( تخلیه ی RF)
• تخلیه ی میکرو ویو( تخلیه ی ‌MW (
تخلیه ی درخشان DC ( تخلیه ی DC) متداول ترین روش تولید پلاسما در فرایند CVD است. و این روش همچنین از لحاظ تکنولوژیک نیز بسیار ساده می باشد. تخلیه ی درخشان پالسی با فرکانس متوسط( تخلیه ی MF) به طور نمونه برای پوشش دهی اجزا و مواد حساس به دما مناسب می باشد. تخلیه های FR وقتی مورد استفاده قرار می گیرد که انرژی های یونی بالاتر برای فرایندهای پوشش دهی نیاز است. در اینجا به دلیل سرعت های مختلف الکترون ها و یونها، سطوح غیر رسانا بار منفی پیدا می کنند؛ که این مسئله باعث پدید آمدن یک جریان یونی در سطح می شود؛ فرکانس نمونه وار برای ژنراتورهای مورد استفاده در این روش برابرMHz 13.56 است. پلاسماهای میکروویو یک نوع خاص از تخلیه ی RFهستند؛ این نوع از تهیج به طور فزاینده ای در حال گسترش در صنعت است زیرا با افزایش فرکانس، دانسیته ی پلاسما و بنابراین دانسیته ی رادیکال های آزاد افزایش می یابد. فرکانس های میکرو ویو نمونه وار برای پلاسمای CVD برابر GHz2.45 است.
فرایندهای CVD با فیلامنت گرم:
فرایندهای CVD با فیلامنت گرم برای رسوب دهی لایه های الماس مناسب است. در هنگام سنتز الماس ، هیدروژن و گازهای حامل هیدروکربن( مانند متان، اتین) به عنوان گاز فرایند انتخاب شوند، درحالی که فعال سازی واکنش ها،‌ با استفاده از حرارت دهی فیلامنت تنگستنی، تانتالیومی، یا رئونیومی، پایدار در دمای بالاو به صورت الکتریکی انجام می شود. در محفظه ی خلا، در فشار Pa1000 تا 10000، هیدروژن اتمی مورد نیاز با فیلمان با دمای بیش از 2000 درجه ی سانتیگرادی تولید می شود( شکل10). فیلمان ها در کل محفظه و در کنار زیرلایه، توزیع شده اند تا توزیع یکنواخت گونه های مورد نیاز برای سنتز پدید آید.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

شکل 11 یک توصیف جزء به جزء از فرایندهای اتفاق افتاده در حین رسوب دهی CVD الماس با استفاده از فیلامنت داغ آورده شده است. منابع تهیج ملکول های هیدروژن را از هم جدا می کند و نتیجه ی این عمل پدید آمدن هیدروژن اتمی بسیار واکنش پذیر است که از منبع به فضای پوشش دهی نفوذ می کند. رادیکال متیل با توجه به ایده ی کلی، تنها نمونه های رشد را در الماس نشان می دهد؛‌ این نمونه می تواند از واکنش با ملکول کربوهیدرات تولید شود. به دلیل آنکه طول عمر رادیکال متیل بسیار کوچک است، تنها آن رادیکال هایی که به سرعت تشکیل شوند، در واکنش شرکت می کنند. فاصله ی میان سیم و سطح زیرلایه باید در حدود 0.5 تا 1 سانتیمتر باشد. پارامترهای فرایندی باید به نحوی انتخاب شوند که از تشکیل گرافیت جلوگیری شود و یا گرافیت با اچ کردن بوسیله ی هیدروژن زدوده شود. هیدورژن اتمی همچنین باعث تشکیل وضعیت های رشد آزاد در جبهه ی رشد می شود و از بازگشت کربن های الماسی به اتمسفر جلوگیری می کند. تنها در این راه، این امکان دارد که از تشکیل گرافیت پایدارتر تحت شرایط داده شده( به صورت ترمودینامیکی و نرمال) جلوگیری شود. برای اطمینان حاصل کردن از اینکه قابلیت حرکت مناسب برای جذب نمونه ها برروی زیر لایه اطمینان حاصل شود، یک دمای حداقلی 650 درجه ی سانتیگرادی لازم است.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

در بالای یک دمای 1000 درجه ی سانتیگرادی، جذب نمونه های تشکیل دهنده ی لایه بسیار آهسته است. به عبارت دیگر برای تشکیل مقادیر کافی از هیدروژن اتمی،‌دما باید حداقل 2000 درجه ی سانتیگراد باشد. بنابراین فرایند پوشش دهی الماس نمی تواند به صورت ایزوترمال انجام شود. دراصل، این فرایند فرایند کنترل از راه دور نامیده می شود به نحوی که در آن ترکیبات مورد نیاز برای واکنش های CVD خوشان باید اول تولید شوند و سپس به سطح زیر لایه انتقال می یابند. توالی صحیح از تولید گرفته تا انتقال، جذب و در نهایت واکنش سطحی مورد نیاز، باید به دقت با همدیگر مچ باشند و در مقایسه با سایر انواع فرایندهای CVD، سرعت رسوب دهی این روش پایین است و در حدود 0.5 میکرون در ساعت است.
رشد لایه های الماس بر روی سطح زیرلایه در شروع فرایند بوسیله ی کریستالیزاسیون هسته های کوچک، اتفاق می افتد. در اصل در این حالت جزیره های کوچک تشکیل می شوند و در طی مرحله ی بعد این فرایند، ماده ی رشد کرده رسوب می کند و لایه ی یکنواختی از الماس پدید می آید. برای انتخاب مناسب پارامترهای فرایندی، ساختار لایه های بوجود آمده می تواند در در یک گستره تغییر کند و با نیازمندی های مختلف سازگار گردد. بنابراین برای مثال علاوه بر ساختار میکروکریستالی استاندارد، می توان پوشش های دیگر مانند پوشش های صاف و نانوکریستالی هم بوجود آورد(شکل 12).
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

پوشش دهی ابزار با CVD

برای فرایندهای پوشش دهی ابزار با CVD، فرایندهای HT- CVD و MT- CVD به طور نمونه وار در فرایند پوشش کاری شرکت می کنند. فرایندهای CVD دارای تفاوت های معینی است که آنها را برای کاربرهای صنعتی ایده آل می کند. برای مثال این امکان پذیر است که پوشش هایی رارسوب داد که هم سرعت رشد بالایی دارند و هم دارای یکنواختی خوبی هستند. مهمترین ویژگی در اینجا چسبندگی بالای پوشش ها است که نتیجه ای از نفوذ داخلی زیرلایه و پوشش در همدیگر است؛ قابلیت پوشش دهی خوب و سهولت مناسب برای پوشش دادن بچ های بزرگ با مهارت فنی پایین و قیمت مناسب است. به هر حال یک بدی متمایز فرایندهای CVD این است که این فرایندها منحصر به سیستم های پایدار ترمودینامیکی مانند TiN،TiCN و Al2O3 هستند که این مسئله به طور زیادی انتخاب ماده ی پوشش دهی را محدود می کند. یک بدی دیگر این روش ها، محدودیت در انتخاب زیرلایه است زیرا دماهای مورد نیاز برای فرایندهای HT- CVD بسیار بالاتر و خارج از محدوده ی تحمل فولادهاست. اگرچه پوشش های به نسبت ضخیم، باعث گرد شدن لبه های ابزارآلات می شود، به همین دلیل حجم سایش این نوع پوشش ها بیشتر است. برخلاف روش های PVD، برای پوشش های CVD تنش های کششی به خودی خود در پوشش ها وجود دارند. اگرچه در حال حاضر، یک بخش بزرگ از ابزارآلات کاربید سمانته با روش CVD تولید شده اند، رشد بازار برای فرایندهای PVD کم پیش بینی می گردد( شکل 13).
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

در طول بیست و پنج سال گذشته، مطالعات توسعه ای وسیعی در زمینه ی فرایندهای CVD انجام شده است. این زمینه بیشتر از هر زمینه ای دیگر در لایه نازک ها مورد توجه قرار گرفته است و حقیقتا این مطالعات هم اکنون نیز در حال انجام است. بنابراین ویژگی های مناسب پوشش های TiC و TiN در پوشش های چندلایه یا کریستال های مخلوط، ترکیب شده اند و پوشش های TiCN را بوجود آورده است. سایر بهسازی ها به پایداری در برابر اکسیداسیون و سختی بالا در دماهای بالا است که با استفاده از رسوبدهی CVD آلومینا و همچنین چندلایه ها، حاصل می شود( شکل 14 و 15). پوشش های الماس و DLC نه تنها درجه ی سختی بالایی دارند بلکه دارای رفتار سایشی خوبی هستند.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

پوشش دهی اجزا با CVD

اولین باز ، پوشش دهی اجزا و ماشین ها با استفاده از فرایندهای CVD پلاسمایی در همان زمانی انجام شد که پوشش دهی اجزا با PVD انجام می شد( اواسط دهه ی 1990). با استفاده از فرایندهای CVD پلاسمایی، به هر حال پوشش های کربوهیدراتی آمورف(‌DLC) از سیستم C-H تولید می شود. از لحاظ خواص، پوشش های کربنی می توانند در گستره ی وسیعی تولید شوند( از پوشش های بسیار سخت با پیوندهای SP3 گرفته تا پوشش های خیلی نرم ( پوشش های شبه پلیمری). سیستم های با پیوند SP2 به عنوان جامدهای روان کار عمل می کنند. پوشش های کربنی عمدتا ضریب اصطکاک راکاهش می دهند و بنابراین اغلبا از آنها در بهبود خواص اصطکاکی استفاده می شود و درنتیجه برای کاهش میزان CO2 در صنعت خودرو از آن استفاده میشود. از آنجایی که پوشش های خالص C-H به دلیل تنش های داخلی، دارای استحکام پایینی هستند، پوشش های با پیوند فلزی با این نوع پوشش ها مورد استفاده قرار می گیرد. لایه های فلزی معمولا با فرایند CVD تولید می شوند( معمولا MSIP). یک مزیتی که در اینجا وجود دارد این است که این پوشش ها را می توان در کارخانه با استفاده از فرایندهای PE- CVD و MSIP تولید کرد؛‌ به نحوی که انتقال از زیرلایه به پوشش پیوندی و سپس به لایه ی خارجی تولید شده از C-H انجام می شود.
امروزه فرایندهای CVD پلاسمایی به طور خاص برای ساخت اهرم های خودکار برای حرکت سوپاپ، یاتاقان ها، شیرهای ورودی، تایپت ها، گژن پین ها برای ساخت موتورها، مورد استفاده قرار می گیرد. پوشش های DLC همچنین کاربردهایی در چرخ های دنده و میل سوپاپ ( شکل 16) پیدا کرده است. علاوه بر صنعت خودروسازی، پوشش های کربنی در سیستم های تریبولوژی به عنوان عامل روان سازی مورد استفاده قرار می گیرد.
  رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار( CVD)

 
 
ساخت روکش های دندانی از نوع پرسلان متصل به فلز (PFM) با خاصیت آنتی باکتریال رضای
نویسنده : فیروز رضائی - ساعت ۱:٥٦ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٢/۸/٢۸
 

ساخت روکش های دندانی از نوع پرسلان متصل به فلز (PFM) با خاصیت آنتی باکتریال

رضایی، فیروز دلجوان، سویل ؛ صدیق اعتقاد، سعید؛  الماسی، علی ؛ ؛ زرودی، جواد

 

چکیده:

استفاده از روکش های دندان یکی از روش های ترمیمی رایج دندان های آسیب دیده است. روکش های دندانی انواع مختلفی دارند که از این میان نوع پرسلانی متصل به فلز(PFM) به دلیل مزایای بسیار اهمیت زیادی دارد.پرسلان روکش های دندانی از لایه های مختلفی تشکیل شده است که بر زیر لایه فلزی اعمال شده اند. یکی از مشکلات استفاده از این روش، نفوذ باکتری های پاتوژن و محبوس شدن آن در فضای بین روکش و دندان آسیب دیده و به تبع آن تخریب مضاعف پایه دندانی است. در تحقیق پیش رو 3 ترکیب مختلف شامل یک ترکیب رایج تجاری و دو ترکیب جدید با 1% ، 3% و 5% از پودر حامل نانو ذرات نقره بر روی آلیاژ های فلزی تجاری رایج از نوع  T3 با دو نوع رژیم حرارتی مختلف شامل پخت در اتمسفر خلا و فاقد مرحله پخت در اتمسفر خلا برای دندان مولار اول که عمدتا بیشترین آسیب را می بیند، تهیه شده و استحکام پیوند لایه پرسلان با لایه فلز در ترکیب های مختلف با هر دو نوع رژیم پخت مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت تست آنتی باکتریال برای پاتوژن های ناحیه دهانی با غلظت 5/0 مکفارلند به صورت in vitro و به روش Disk diffusion برای تمامی نمونه ها انجام شده و ترکیب بهینه معرفی شده است. نتایج این تحقیق نشان می دهد که پودر حامل نانو ذرات نقره در صورت مخلوط سازی مکانیکی با پودر های رایج آستری روکش های دندانی استحکام پیوند مناسبی از خود نشان نمی دهند و لازم است تا ترکیب جدیدی معرفی شود تا  پودر حاوی نانو ذرات نقره مصرفی به عنوان اپک کننده با آن مخلوط گردد. از طرفی نتایج این تحقیق حاکی از لزوم  اعمال رژیم حرارتی شامل مرحله خلاء برای دستیابی به استحکام پیوند مطلوب نمونه است. در نهایت نتایج نشان می دهد نمونه شامل کمتر از 3% از پودر حاوی نانوذرات نقره ، خاصیت انتی باکتریال از خود نشان نمی دهد و با افزایش این مقدار به بیش از 5% استحکام پیوند نمونه ها دچار افت می گردد.

کلمات کلیدی: روکش های دندانی، استحکام پیوند ، اتمسفر پخت، نانو ذرات نقره، خاصیت آنتی باکتریال


 
 
← صفحه بعد