شکل دادن سرامیکها(1)

مقدمه

روشهای معمول برای شکل­دهی پودرهای سرامیکی و تبدیل آنها به بدنه­های خام در این بخش توضیح داده شده است. جدول 7.1 خلاصه­ای از روشهای شکل­دهی معمول و رایج را ارائه می­کند.در هر بخش روش مشخص به کار رفته به شکل و اندازه­ی بدنه­ی خام و همچنین هزینه تولید بستگی دارد.

از آنجائی­که هدف مورد نظر در هر گام از شکل­دهی، تولید یک بدنه ­با تراکم ذره­ای همگن و دانیسته­ی تراکمی بالا می­باشدan important practical consideration is the extent to which the parameters of the forming method can be manipulated to achieve the desired goal(??)  . تکنیک­های کلوئیدی که در فصل 4 توضیح داده شده اند ، مزایای قابل توجهی برای کنترل همگنی تراکم بدنه­های خام ارائه می­کنند. تهیه بدنه­های خام دارای ریز ساختاری همگن از یک سوسپانسیون کلوئیدی کاملاً پایدار از ذرات ریز، کروی و monodisperse هنوز به کاربردهای صنعتی که در انها جرم محصول مطلوب بوده وهزینه تولید یک عامل کلیدی می باشد،تبدیل نشده اند(   has not been incorporated) . تکنیک­های کلوئیدی، نقش مهمی را در روشهای تولیدی کم هزینه­ی ریخته­گری دوغابی و ریخته­گری نواری و همچنین در روشهای کم کاربرد ریخته­گری ژله­ای gelcosting  و تجزیه الکتروفورتیک electrophoretic بازی می­کنند. تراکم مکانیکی پودرهای خشک یا نیمه خشک در قالب die یکی از عملیات شکل­دهی می باشد که به طور وسیع در صنعت سرامیک مورد استفاده قرار می­گیرد.

عموماً فشار اعمالی به علت اصطکاک بین ذرات و دیواره­ی قالب die و همچنین بین خود ذرات، به طور یکنواخت منتقل نمی­شود. در بدنه­ی خام تفاوت در تنش که منجر به تفاوت در دانیسته می­شود، یکنواختی تراکمی قابل دستیابی را محدود می­کند. علی­رغم اینکه تفاوت دانیسته را می­توان با پرس­ایزواستاتیک به طور مشخص کاهش داد، تراکم مکانیکی نسبت به روشهای ریخته­گری کنترل خیلی کمتری در دستکاری manipulationl ریز ساختار بدنه­ی خام به همراه دارد.

روشهای شکل­دهی پلاستیک، که در آنها مخلوطی از پودر سرامیکی و افزودنیها در طول یک نازل یا سوراخ (nozzle) یا در یک قالب die تغییر شکل پلاستیکی می­دهند،روش مناسبی برای تولیدجرمی از بدنه های خام سرامیکی تامین می کنند (   provide a convenient route for the mass production of ceramic green bodies) . اکستروژن در صنایع سرامیکهای سنتی به طور وسیع کاربرد دارد ولی کاربرد آن در بخش سرامیکهای پیشرفته وسعت کمتری دارد.ریخته گری تزریقی Injection molding 20 تا 30 سال قبل توجه زیادی را به خود جلب کرد ولی هنوز جایگاه ویژه­ای را در شکل­دهی سرامیکها برای کاربردهای صنعتی به خود اختصاص نداده است.

افزودنی­ها که عموماً به صورت آلی در طبیعت وجود دارند، نقش مهمی را در تولید بدنه­ی خام بازی می­کنند. آنها به عنوان کمک کننده(aids) در فرآیند شکل­دهی مورد استفاده قرار می­گیرند و نقش­های کلیدی در کنترل ویژگی­های مواد تغذیه کننده (feed material) برای دستیابی به شکل دلخواه و همچنین کنترل یکنواختی تراکم بدنه­ی خام بازی می­کنند. در روشهایی مانند ریخته­­گری نواری که غلظت قابل توجهی از افزودنی­ها را مورد استفاده قرار می­دهند، انتخاب مناسب افزودنی­ها عموماً در موفقیت نهایی فرآیند شکل­دهی بسیار مهم می باشد. قبل از سینترینگ، بدنه­های خام مرطوب باید خشک شده و تا جایی که ممکن است افزودنی­ها خارج شوند،بدون اینکه خلل قابل توجهی بر تراکم ذره­ای وارد آورند. میزان خروج کافی (efficient removal)افزودنیها باید هنگام انتخاب آنها تشخیص داده شود. خشک کردن جامدات گرانولی مرطوب و خروج افزودنیها از بدنه­ی خام در فصل 8 ارائه شده است. از سال 1980 توجه ویژه­ای به گروهی از روشهای شکل­دهی تحت عنوان(؟) solid freeform fabrication (SFF) یا تولید سریع نمونه اصلی rapid prototyping (RP) اختصاص یافته است که به اجسام با اشکال پیچیده اجازه می­دهد که به طور مستقیم توسط یک برنامه طراحی کامپیوتری (CAD) بدون استفاده از ابزارهای سنتی مانند قالبها یا dies or molds تولید شوند (4). بیشتر مشکلات تولید مربوط است به شکل­دهی به روشهای سنتی مانند ریخته­گری، اکستروژن و ریخته گری تزریقی injection madding  و همچنین SFF.

7.2 افزودنیها در شکل­دهی سرامیک

افزودنیهای مورد استفاده در تولید سرامیک ،ترکیبات آلی یا غیر­آلی می­باشند. افزودنیهای آلی که می­­­توانند منشأ طبیعی و یا سنتزی داشته باشند، کاربرد بیشتری در شکل­دهی سرامیکهای پیشرفته یافته­اند زیرا قبل از مرحله­ی سینترینگ می­توانند عموماً توسط پیرولیز به طور تقریباً کامل خارج شوند. بنابراین حضور مواد پسماند که می­توانند ریز ساختار محصولات نهایی را مختل کنند به طور عمده حذف می­­شوند. افزودنی­های آلی همچنین می­توانند به منظور تامین دامنه­ی وسیعی از مواد شیمیایی مورد نیاز برای کاربردهای تخصصی،با ترکیبات متنوعی سنتز شوند.

افزودنیهای غیر آلی عموماً نمی­توانند پس از مرحله ی شکل دهی خارج شوند و در مواردی که لازمه ویژگیها property requirementsچندان مورد توجه نیست،به ویژه صنایع سرامیکهای سنتی، مورد استفاده قرار می­گیرند.

افزودنی­ها وظایف تخصصی متفاوتی ایفا می­کنند که می­توان آنها را به چهار گروه اصلی تقسیم­بندی کرد: 1)حلال ها 2) پراکنده سازها dispersants 3)چسب ها binders  4) پلاستی سایزرها

برخی از روشهای شکل­دهی ممکن است نیازمند افزودن سایر افزودنی­ها مانند روان­سازها و عوامل مرطوب کننده wetting agents باشند. اصول شیمیایی و قواعد کاربردی برای انتخاب افزودنی­ها می­توانند فرمول­بندی شوند. در هر حال، به علت وجود بازه­ی وسیعی از مواد شیمیایی مختلف و اطلاعات نا­کامل در مورد ساختار مواد شیمیایی و مکانیزم فرآیند، عموماً برای یک سیستم معین،روش ساده­ای برای انتخاب افزودنی­ها وجود ندارد. بسیاری از افزودنی­های موفقیت­آمیز توسط اقدامات صحیح و خطا یافت شده­اند. 

افزودنی­های آلی مورد استفاده در فرآیند سرامیکها موضوع کتاب {1} را تشکیل می­دهد که در آن کاربردها و اصول شیمیایی ذکر شده اند. Review articles بر روی بخش­های متفاوت موضوع ،اعم از استفاده از چسب های آلی در شکل­دهی سرامیک [2] و نقش افزودنی­ها در ریخته­گری نواری متمرکز شده است [3a,3b].

7.2.1) حلال­ها

مایعات را ممکن است به صورت ساده در دو گروه دسته­بندی کرد:

1)      محلول درآب(aqueous) 2) آلی

ولی طبقه­بندی رایج­تر براساس قطبیت مولکولها می­باشد:

1)      غیرقطبی   2) قطبی  3) پیوند هیدروژنی

نیروهای بین مولکولی (Inter molecular forces) در یک مایع غیر قطبی،جزیی می­باشند و همچنین جاذبه به یک سطح، جزیی و غیر معین (nonspecific) می­باشد بنابراین هیچ جهت­گیری ترجیحی مولکولی وجود ندارد.

مولکولهای قطبی میدان الکتریکی قوی تری دارند، بین هر پیوندی که مربوط به اتمهایی باشد که در جدول تناوبی فاصله زیادی با یکدیگر دارند. مولکولهای قطبی تمایل دارند به اینکه           (polar molecules tend to orient themselves with respect to eachother,forming association groups that are the lowest energy configurations consistent with their geometry and thermal motion). گروههای قطبی نسبت به گروههای غیر قطبی با سطوح قطبی اندرکنش شدیدتری دارند.

جذب شدن (adsorption) گروههای قطبی به سطح ذره باعث ایجاد یک پوشش با سطح خارجی غیر قطبی می شود،که می­تواند یک لایه دیگر ،با گروههای غیر قطبی جذب شده و قسمتهای قطبی روی سطح خارجی ،را نیز جذب کند(adsorption of the polar groups on to the particle surface  leads to a coated surface üith a non polar exteriorçühich may then adsorb another layerçüith the nonpolar groups adsorbed and the polar parts on the exterior surface). این فرآیند منظم سازی به سمت خارج ادامه می­یابد تا جایی که حرکت گرمایی بر نیروهای جهت یابی (  orientation forces)که رفته رفته تأثیر آن کاهش می­یابد، غالب ­شود. پیوند هیدروژنی، که معروف به رخ دادن در آب می باشد، زمانی رخ می­دهد که یک اتم هیدروژن در یک پیوند قطبی به یک اتم با یک جفت الکترون غیر اشتراکی نزدیک می­شود. مایعات دو وظیفه­ی عمده بر عهده دارند: 1)طی مخلوط شدن و شکل­گیری ،سیالیت مورد­نیاز را برای پودر تأمین می­کنند و 2) به عنوان حلال برای حل کردن افزودنی­ها به منظور ترکیب شدن و یکنواخت شدن با پودر استفاده می شوند که به عنوان وسیله ای برای پراکنده شدن همگن افزودنی­ها در داخل پودر عمل می­کنند. انتخاب یک حلال اساساًانتخابی بین آب و یک مایع آلی می­باشد. حلال­های آلی عموماً دارای فشار بخار بالاتر، گرمای نهان تبخیر پایین­تر ، نقطه ذوب پایین­تر و کششی سطحی پایین­تری نسبت به آب می­باشند که به صورت عمده به پیوند هیدروژنی قوی مولکولهای آب مربوط می­شود(جدول 7.2).

انتخاب واقعی یک حلال برای کاربردی مشخص معمولاً با در نظر گرفتن ترکیبی از ویژگی­های متفاوت حاصل می شود،مانند:

1)توانایی حل کردن افزودنی­های دیگر

2)سرعت تبخیر 

3)توانایی تر­کردن پودر 4)ویسکوزیته(گرانروی)

5) واکنش متقابل با پودر

 6)امنیت

 7)قیمت.

عموماًاگر عناصر شیمیایی functional groups مشابهی داشته باشند مانند پلی(وینیل الکل) و آب، یا قطبیت مولکولی مشابه داشته باشند مانند پلی(وینیل بوتیرال) و اتانول،حلالیت جامد در مایع بیشتر می­شود. سرعت تبخیر در ریخته­گری نواری صنعتی عامل مهمی می باشد،یعنی جایی که نوار معمولاً ریخته­گری شده، خشک شده و از فیلم حامل جدا شده و تحت یک عمل پیوسته برای ذخیره کردن قرار می گیرد (rolled up). حلال­های سریع– خشک شونده مانند تولوئن و 2-بوتانون(متیل اتیل کتون، یا MEK) به صورت رایج در ریخته­گری نواری به خصوص برای نوارهای ضخیم مورد استفاده قرار می­گیرند. سرعت تبخیر یک مایع توسط گرمای نهان تبخیرش مشخص می­شود اما گاهی نقطه­ی جوش نیز به عنوان یک راهنمای تقریبی مورد استفاده قرار می­گیرد. گاهی اوقات در ریخته­گری نواری برای کنترل حلالیت و سرعت تبخیر مخلوطی از حلال­ها (مانندتری کلرواتیلن و اتانول) مورد استفاده قرار می­گیرد.  

ترشوندگی یک جامد توسط یک مایع بر حسب زاویه­ی تماس  (شکل 5.19 را ببینید) مشخص می­شود که توسط رابطه­ی زیر ارائه میگردد:

(7.1)       = cos

که  ،  ،  به ترتیب کشش­های سطحی موجود بین فصل مشترکهای جامد- بخار،جامد- مایع و مایع- بخار می­باشند. در عمل تر­شوندگی خوب(θ1) مطلوب می باشد و طبق معادله­ی (7.1) توسط  کم حاصل می­شود(به شرطی که  به طور محسوسی تغییر نکند). این موضوع معمولاً با استفاده از یک حلال آلی ( کم) یا با افزودن یک کمک ترکننده به آب برای کاهش کشش سطحی آن حاصل می­شود.

ادامه دارد.....................

فیروز رضائی ; ۱۱:٠٠ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٠/۱٢/۸