ترمز سرامیکی

ترمز سرامیکی

تاریخچه


ترمز سرامیکی(به انگلیسیCeramic Brake) برای اولین بار در اوایل ۱۹۹۰ ظهور پیدا کرد . بعضی از تولید کنندگانِ وسایل نقلیه شروع به استفاده از لنت هایِ سرامیک به جای لنت های مرسومِ نیمه فلزی کردند تا پاسخگویِ شکایاتِ مشتریان خود درباره سرو صدایِ ترمز ، گرد وخاک و فرسودگی باشند. بسیاری از این لنت های سرامیکی به وسیله Akebono تولید می شدند. تولید کنندگان با دنبال کردنِ شیوه OED ، ترمزهایِ Raybestos و دیگرترمزهای موجود دربازار مواد سرامیک بنیادی خود را معرفی کردند . لنت های سرامیکیِ موجود دربازار طراحی شده اند تا جایگزینِ لنت ترمزهایِ سرامیکیِ OEDشده و عملکردِ ترمز را روی وسایلی که از آغاز به لنت های سرامیک بنیادی تجهیز شده بودند را بهبود بخشد.

ساختار

صفحات دیسک سرامیکی قادر به انجام کار و وظایف خود تا دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد براحتی هستند واین به لطف پروسه عمل آوری الیاف کربن است که قبلاً در اتومبیل های فرمول یک با موفقیت انجام شده و حال وارد دنیای خودروهای غیرمسابقه ای شده است و بدلیل پایین بودن وزن مخصوص مواد بکار رفته میزان حرارتی که ایجاد می شود کمتر است . صفحات دیسک سرامیکی تشکیل شده از الیاف کربن و چند نوع رزین هستند که در سازه آن ها از مجاری مارپیچی برای خنک کردن استفاده شده است. بعد از فشرده شدن و مورد استفاده قرار گرفتن در دمای خیلی بالا ، صفحات دیسک در شرایط اتمسفر ووجود ازت در آن و قرار گرفتن در دمای نزدیک ۱۰۰ درجه سانتیگراد کربنیزه شده و تمام اجزاء غیرکربن موجود در دیسک تبدیل به کربن می شود. پروسه مختصری که ذکر شد مربوط به سیستم ترمز اتومبیل های فورمولا است و با تبدیل شدن اجزاء غیرکربنی به کربن خاتمه پیدا می کند اما در خصوص سیستم ترمزهای سرامیکی خودروهای اسپرت خیابانی یک مرحله بیشتر انجام می شود. صفحات دیسک به صورت مورب سوراخکاری می شوند که عمل خنک شدن بهتر انجام گیرد که این عمل به دیسک ساخته شده از کربن این امکان را می دهد که در دمای ۱۴۲۰ درجه سانتیگراد سیلیکون مایع را جذب کند. با خنک شدن آن ، لایه ای از silicon carbide برروی صفحه دیسک بوجود می آید که از نظر سختی با الماس برابری می کند. ساختمان کربنی که در زیر این لایه سیلیکونی قرار گرفته باعث سختی و استحکام صفحه دیسک شده و آن را در مقابل ضربات مقاوم می نماید و از آنجایی که چنین سازه ای در مقابل زنگ زدگی وفرسایش مقاوم بوده ، لذا میزان عمل آن حداقل ۳۰۰ هزار کیلومتر است . برروی دیسک های ترمز پورشه توربو شش پیستون قرار گرفته که در حدفاصل بین آن ها و لنت های ترمز یک سری عایق سرامیکی جاسازی شده است تا مانع از انتقال حرارت بسیار بالای ایجاد شده از دیسک ها به قطعات هیدرولیکی و روغن ترمز شود. توده هایِ گردان(rotors)سرامیکی بدون فنر در چرخ در مقایسه با دیسکهایِ ترمزِ متداول در حدود ۲۰ کیلوگرم یا ۵۰ درصد کاهش وزن می یابند که نتیجه این امر افزایش چشمگیرِ قابلیتِ کنترل ماشین می باشد. دیسکهای ترمز سرامیکی Audi از سرامیک با جنس «فیبرِ تقویت شده کربن» ساخته شده اند . مواد اولیه بکار رفته در ساخت این ترکیب که به عنوان سرامیک کامپوزیت شناخته می شود. کربوسیلیکونِ بسیار سخت و مقاوم در برابر ساییدگی می باشد. فیبرهای کربن با دوام بالا داخل آن گنجانده شده اند که این کار به نحو کارآمدی تنشهای بوجود آمده در مواد را جذب می کند . در مقایسه با صفحه ترمز مشابه از جنس استیل دوام این ماده از لحاظ زمانی چهار برابر می باشد: مقاومت بالایِ دیسکهایِ سرامیکی در برابر سایش به این معناست که این دیسکها تا ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر باقی خواهند ماند. نهایت سختیِ سطحِ این سرامیک کامپوزیت نیز بدین معناست که دیسکهای ترمز نسبت به نمکهایِ جاده‌های آبی و خاکی و نیز زنگ زدگی و پوسیدگی آسیب پذیر نمی باشند. لنت ترمزهای سرامیکی به جایِ فیبرهایِ استیلِ نیمه فلزی از ترکیب های سرامیکی و فیبرهای مسی استفاده می کند . این امر به لنت های سرامیکی اجازه می دهد تا در دماهای بالای ترمزگیری اتلافِ گرمایی کمتری داشته باشد و نیز بعد از ایستادن سریعتر به حالت اول خود باز گردند و نیز گرد وخاکِ کمتری رویِ لنت ها و گردنده (rotors) ایجاد کند. به علاوه ترکیب هایِ سرامیکی در لنت ترمزهای سرامیکی سرو صدای کمتری را در ترمزگیری بدنبال دارند. علت آنست که ترکیب های سرامیکی صدایی را با فرکانسِ خارج از گستره شنوایی انسان تولید می کند. این لنت ها رفتار حرارتیِ خیلی بهتری از بیشترِ موادِ ارگانیکِ غیرآزبست (NAO) دارند. برای داشتن این سازگاری در طی چندین سال مواد ضدِ اصطکاک برای ترمز به تدریج شکل گرفته اند ، آنها از آزبستها به فرمولهای ارگانیک و نیمه فلزی پیشرفت کردند. ویژگی دیگری که مواد سرامیکیِ را جذاب می سازند این است که از گرد و خاک خبری نیست . تمام لنت ها هنگام ترمز، گردوخاک تولید می کنند. محتویاتِ داخلِ ترکیب های سرامیکی گردِ رنگی کمی ایجاد می کنند که احتمال چسبیدنش به تایر بسیار کم است در نتیجه چرخها و تایرها ظاهر تمیزی را برای مدّت طولانی تری خواهند داشت.

تحقیقات و آزمایشات

دیسک های ترمز سرامیکی برای اطلمینان از استحکام و پایداری تحت سخت ترین و دقیق ترین آزمایشات قرار گرفته اند، در یکی از این آزمایشات متخصصین کارخانه پورشه مجموعاً ۲۵ بار سرعت پورشه ۹۱۱ توربو را از ۲۷۵ کیلومتر بر ساعت به ۱۰۰ کیلومتر در ساعت رساندند . در مرتبه یازدهم از میزان اصطکاکی که اندازه گیری شد، مشخص شد که تا ۹۰ درصد اصطکاک اولیه است که باید گفت چنین رویدادی درحد معجزه در دنیای ترمز بوده چرا که در دیسک های ترمز معمولی در چنین شرایطی کارایی آن ها حداقل تا بیش از ۵۰ درصد از بین می رود. همچنین میزان متراژ مورد نیاز برای توقف در مرتبه یازدهم از سرعت ۹۶ کیلومتر تا توقف کامل با دیسک های فلزی ۵۷ است درحالی که این مسافت با دیسک های سرامیکی تنها ۴۰متر است . البته لازم به ذکر است که این متراژ ترمز بدون استفاده از هیچگونه سیستم کمکی ترمز همچون A.B.S انجام شده است که این یکی از سنت های رایج را در کارخانه پورشه است . شرکت Surface Transforms )ST)، چند سال اخیر فعالیت خود را در تولید مواد درجه یک سرامیک با فیبر کربن و تولید نسل جدید دیسک های ترمز با عملکرد بالا ، سپری کرده است .ST به منظور تولید صادقانه روی آزمایش ماشینها هم در جاده و هم در مسیرهای سخت ، سرمایه گذاری کرده است . تست دینامومتر برای بررسی خصوصیات دیسک و نیز استفاده در اتومبیل در مسابقات سخت، بکار می رود. این امر با نقشه برداری از شتاب ها و شتاب های منفی از حرکت های واقعی، حاصل شده است . ST همچنین آزمایشاتی در Brake testing International انجام داد که شرکت آزمایش گیری مستقلی است که نتایج عادلانه آزمایش را فراهم می کند. آنها در BTI آزمایش های پاشیدن نمک و یخ زدگی را انجام دادیم در جایی که قبل از آزمایش به دیسک آب نمک پاشده می شد و قبل از انجام آزمایش دیسکها تا منفی ۲۰ درجه سانتیگراد سرد شده آزمایش پاشیدن نمک در دماهای متفاوت و سرعتهای مختلف انجام شد . سپس همان دیسک در معرض آزمایش نابودی قرار می گیرد که در آن ۴۰ ترمز پشت سرهم گرفته شود. این دیسک کاملاً بدون عیب حتی بعد از شوکهای سنگین در دمای ۱۰۰۰درجه سانتیگراد باقی ماند. دیسک های استیل در این آزمایش دوبار شکسته شدند. ماده بکار رفته در این آزمایش، لنت هایی از جنس سرامیک غنی شده با فیبر کربن(CFRC) است که توسط پروسه‌های انحصاری ST تولید می شود. در این پروسه‌ها پیوند کربن - کربن تبدیل به پیوند کربن - سیلیکون کربید (C Si C) می شود از موفقیت های این شرکت می توان به تولید مرغوبترین فیبرهای غنی سازی شده به منظور تولید دیسک های یکپارچه تا نمونه‌های سرامیکی تکه تکه را نام برد

ادامه

مقایسه ترمز سرامیکی و فلزی

یکی ازتفاوتهای اصلی بینِ موادِ سرامیکی و ترمز نیمه فلزی این است که لنت های سرامیکی الیافِ استیل ندارند . استیل ایجاد مقاومت کرده و گرما را از گردنده(rotors) منتقل می کند ولی این لنت در عین حال سروصدا ایجاد می کند . همچنین استیل مانند سمباده عمل کرده و باعث خوردگی گردنده می شود. جایگزینی موادِ سرامیکی و فیبرهای مسی به جای استیل اجازه می دهدکه لنت های سرامیکی، دماهای بالایی را با اتلافِ حرارتیِ کمتر را تحمّل کنند، سریعتر به حالت اول خود باز گردند، خردگیِ کمتری ایجاد کنند و سر وصدای کمتری ایجاد کنند. لنت ترمزها دیگر قیژقیژ نمی کنند زیرا ترکیب سرامیکی صدایی را که خارج از گستره شنوایی انسان است ، ایجاد می کند . خصوصیاتِ دیگری که کمک می کند لنت های سرامیکی کاملاً بی سرو صدا باشد وجودِ چَمفِرها ، روزنه‌ها و لایی هایِ عایق است. لایه‌های عایق قشر نمناکی ایجاد می کنند تا لرزشها را قبل از اینکه ایجادِ سروصدا کنند. جذب یا محو گردانندچمفرها لبه‌های زاویه داری هستند که روی انتهاهای ِ اصلی قرار دارند و هنگام استفاده از ترمز صدای اولیه را کاهش می دهد . چمفرها سطحِ ترمز را تا حدّی کاهش داده که این امر باعث افزایش نیرویِ فشار بکار رفته در لنت ها می گردد. این امر به کاهش صدای لرزشها نیز کمک می کنداسلاتها(slots)، شیارهایی هستند که به صورت عمودی، قطری یا افقی در لنت ها برش داده شده اند تا با تغییر فرکانسِ لرزش از سطح قابل شنیدن به سطح بالاتری که خارج از گستره شنوایی انسان است ، سرو صدا را کاهش دهند.همچنین این اسلاتها با ایجاد مسیری برای خروج گازها و گرد و خاک در دماهای بالای ترمزگیری به کاهشِ خردگیِ ترمز کمک می کنند.



نقش ترمزهای سرامیکی

لنت های سرامیکی را می توان روی هر وسیله نقلیه که از ابتدا با لنت های سرامیکی OEM تجهیز شده اند یا وسایلی که با NAO بهره شده اند، نصب شوند لنت های سرامیکی برای جایگزینی با لنت های نیمه فلزیِ وسایل نقلیه سنگین پیشنهاد نمی گردند . در وانت ها و SUV های بزرگ برای بارگذاری بالا و دماهای ترمز گیری بالا نوعاً لنت هایِ نیمه فلزی لازم است. دیسک ترمز سرامیکی در پوشه توربو علیرغم آنکه قطر آن ها افزایش پیدا کرده و از mm330 به mm350 رسیده است ، منتهی وزن آن ، به نصف کاهش پیدا کرده است و این موضوع نظر مهندسین و متخصصان را بسیار جلب کرده است چون مجموعاً باعث کاهش وزن معادل ۱۶٫۵ کیلوگرم درخودرو شده و این درحالی است که سازندگان و طراحان همواره در تلاش هستند تا از هر قسمتی از خودرو حتّی چنانچه امکان داشته باشد چندگرم از وزن آن بکاهند. یکی از خصوصیات و ویژگی های منحصر به فرد دیسک های سرامیکی نوع ساختار سطح آن است که میزان اصطکاک آن ۲۵ درصد بیش از میزان اصطکاک برروی صفحات دیسک فولادی رایج است که این موضوع در لحظات آغازین ترمزگیری از اهمیت زیادی برخوردار است ، بنابراین در شرایط توقف گیری های اضطراری حداکثر توان ترمز در همان لحظات اولیه در دسترس راننده قرار دارد و دیگر نیازی به استفاده از تکنولوژی های کمکی ترمز همچون E.B.C و E.S.P نیست.

منابع

·         http://www.audi.co.uk/audi/uk/en2/tools/glossary/safety/ceramic_brake.html

·         http://www.systemst.com/products/research-development-testing

·         http://www.systemst.com/products/product-overview

·         http://www.car-stuff.com/brakes.htm

·         http://www.brakeworld.com/ceramic-brake-pads.as

 

ربرد سرامیک در علم پزشکی

ارایه کننده: سحر میرشاهی 

یکی از کاربردهای مواد سرامیکی که در ارتباط نزدیک با زندگی بشر است، شامل بکارگیری قطعات سرامیکی در بدن انسان می‌باشد. به این دسته از سرامیک­ها "بیوسرامیک (Bio-ceramic)" گویند. این دسته از سرامیک­ها اهمیت فراوانی در زندگی روزمره یافته­اند. البته استفاده از مواد مختلف بعنوان "ایمپلانت (implant)" به دورة قبل از میلاد مسیح بر می­گردد. اما از اواخر قرن نوزدهم، در اثر پیشرفت و افزایش اطلاعات پزشکی در این مورد کوشش­های جدی انجام گرفت.

اولین مواد مصرفی بعنوان ایمپلانت، ترکیبی از برنج و مس بود که بدلیل خوردگی شدید این مواد در بدن، استفاده آنها با شکست مواجه شده است. از آنجایی که در پزشکی مدرن ضرورت استفاده از مواد مختلف به منظور ترمیم عیوب بدن انسان احساس می‌شد، پلیمریست­ها گسترة وسیعی از این مواد را برای استفاده به جامعه پزشکی معرفی کردند و متالورژها نیز با استفاده از آلیاژهای جدید و متفاوت، قطعات ارتوپدیک بسیاری برای بدن ساختند. اما حتی این مواد نیز بعلت خوردگی شیمیایی در بدن ایجاد عارضه می­کرد؛ حال آنکه بسیاری از ایمپلانت­ها، مانند اتصال مصنوعی در مفاصل ران، بایستی برای همیشه در بدن انسان باقی می‌ماند. از این رو، پژوهشگران برای دستیابی به موادی با مشخصات بهتر به دنیای سرامیک راه پیدا کردند.

هیچ ماده‌ای که در بدن انسان جایگذاری شود کاملاً خنثی نیست. با این وجود، خوردگی سرامیک­ها بدلیل ماهیت ذاتیشان خیلی کمتر از فلزات است. پیشرفت­های وسیع در علم سرامیک منجر به دستیابی به موادی با خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی متفاوت و متنوع شد که می‌توانند خواص خود را برای مدت زمان طولانی در بدن موجود زنده حفظ کنند. بعضی از این مواد عبارتند از: آلومینا، کربن پیرولیتیک و زجاجی، فسفات­های کلسیم و سدیم و غیره.

خصوصیاتی که یک ایمپلانت دایمی سرامیکی باید داشته باشد بطور خلاصه در زیر آمده است:

1- سازگاری بیولوژیکی: عموماً مواد ایمپلانت باید با بافت­های بدن سازگاری داشته باشند و ایجاد حساسیت و مسمومیت نکنند.

2-عدم خوردگی: در بدن موجود زنده خوردگی بیولوژیکی روی ندهد.

کارایی در عملکرد: باید بتواند به نحو مطلوب وظیفه‌ای را که در هر نقطه از بدن بر عهده آن قرار می­دهند بخوبی انجام دهد.

4- قابلیت استریلیزه شدن: قابلیت استریل و ضدعفونی شدن را داشته باشد، بدون اینکه تغییری در ترکیب آن ایجاد کند. یا باعث تغییر خواص فیزیکی و شیمیایی شود.

5-قابلیت دسترسی: قابل دسترس بوده و براحتی تولید شود.

امتیاز سرامیک­ها بعنوان مواد زیستی بدلیل سازگاری آنها با محیط فیزیولوژیکی است و این سازگاری بدلیل وجود یونهایی مشابه با یونهای موجود در آن محیط، مثل کلسیم، پتاسیم، منیزیم و سدیم است.

تحقیقات انجام شده در آزمایشگاه و روی بدن موجود زنده روی مواد زیر متمرکز شده است: کربن، اکسیدآلومینیم، هیدروکسید آپاتیت، فسفات تری­کلسیم، ترکیبات شیشه‌ای و غیره که جالب‌ توجه‌ترین این مواد عبارتنداز: دریچه‌های قلبی مصنوعی، زانوی ارتوپدیک (استخوان و مفاصل)، موادی که برای ترمیم و بازسازی جای دندان در فک بکار می­روند، موادی که به­وسیله آنها از راه پوست می‌توان با داخل بدن ارتباط پیدا کرد، مفصل ران پروستتیک، پیهای مصنوعی و غیره.

این مواد با توجه به نوع فعالیتشان در محیط به 3 دسته تقسیم می‌شوند:

1- مواد سرامیکی خنثی: مانند آلومینا و کربن

2- مواد سرامیکی با سطح فعال: مانند هیدروکسید آپاتیت و بیوگلاس­ها

3- مواد سرامیکی قابل جذب: مانند فسفات کلسیم.

تحلیل مرتبط

بیوسرامیک به سلامتی بشر مربوط است و به­هیچ وجه نباید فراموش شود 

به نقل از http://www.itan.ir/NANO/displaypage.php?id=3698

 

 مقاله شماره 26: کاربرد بیو متریال سرامیکی در مهندسی پزشکی

کاربرد بیو متریال سرامیکی در مهندسی پزشکی‌


در طی چند دهه اخیر، بیوسرامیک‌ها با داشتن ویژگی‌هایی چون زیست‌سازگاری، غیرسمی بودن و پایداری در محیط فیزیولوژیک بدن، تحول چشمگیری در دنیای پزشکی به وجود آورده‌اند. استفاده از این مواد به منظور ترمیم و یا جایگزین بافت‌های آسیب‌دیده نظیر مفصل ، ران، زانو، کتف و دیگر کاربردهای ارتوپدی و نیز در جایگزینی دریچه‌‌های معیوب قلب و یا ایمپلنت‌های دندانی موجب شده است تا بیوسرامیک‌ها طیف گسترده‌ای از متریال مورد استفاده در پزشکی را در بر گیرند.

بیوسرامیک‌ها به واسطه ویژگی های خاص مکانیکی و فیزیکی در کاربردهایی چون ایمپلنت‌های بافت سخت، بر پلیمرها و فلزات برتری دارند. به عنوان مثال در دندانپزشکی نوعی از سرامیک‌‌ها با ترکیب فلوروآپاتیت و ذرات ریز شیشه زیستی به عنوان ماده جایگزین دندان کاربرد دارند و ویژگی‌های نوری و مکانیکی این مواد باعث می‌شود تا علاوه بر اینکه زیبایی و شفافیت دندان طبیعی به نظر برسد، نسبت به سایر مواد، مقاومت به سایش بیشتری در برابر تنش‌های ناشی از سایر دندان‌ها نشان دهد.

از دیگر محاسن این مواد آن است که هنگامی که در بدن فرد به عنوان ایمپلنت و یا حتی پوشش سطحی یک ایمپلنت فلزی به کار می‌روند، می‌توانند رشد استخوان‌ها را شبیه‌سازی کنند، ساختمان بافت را ارتقاء دهند ونیز از سیستم ایمنی بدن دفاع نمایند.

بیوسرامیک‌ها در جراحی‌ها به عنوان پوشش ایمپلنت‌های گوناگون کاربرد دارند، زیرا پوشش سرامیکی، سطحی سخت‌تر از فولاد ضد زنگ به وجود می‌آورد و با بالا بردن امکان لغزش، موجب کاهش سایش ایمپلنت می‌شود. از مهمترین گونه‌های این مواد می‌توان به بیوسرامیک های کلسیم فسفاتی(‌ (‌CaPاشاره کرد که در شکل‌های مختلف (قطعه، دانه، سیمان، اجزای کامپوزیت‌و ...) با منشأ متفاوت (طبیعی، بیولوژیکی و سنتتیک) و ترکیبات گوناگون به صورت تجاری و برای کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی در دسترس قرار دارند.ترکیبات کلسیم فسفات در طبیعت و سیستم‌های زیستی (ماهی‌ها، مرجان ها، استخوان گاو و ...) به فراوانی یافت می‌شوند و در سیستم‌های بیولوژیک نقش برجسته‌ای ایفا می‌کنند. به عنوان مثال کربنات هیدروکسی آپاتیت(‌(‌CHA با ساختارهای کریستالی و غلظتهای متفاوت،‌فازهای معدنی دندان (مینا، عاج، سمنتوم و ...) و استخوان‌‌ها را تشکیل می‌دهد. همچنین انواع ترکیبات کلسیم فسفاتی در هنگام کلسیم‌دار شدن‌های غیر طبیعی و پاتولوژیک در فرد ظاهر می‌شوند که سنگهای کلیه، آهکی شدن و رسوب کلسیم در بافت‌های نرم (قلب، رگ، ریه، و سنگ دندان از این نمونه‌اند. بنابراین نگاه به بیوسرامیک‌های کلسیم فسفاتی به عنوان یک متریال بالقوه در کاربردهای گوناگون ضروری است.‌

با توجه به آماری که در هشتمین نشست بین‌المللی سرامیک‌ها در پزشکی اعلام شد مقالات مرتبط با حوزه کلسیم فسفات و خصوصا، هیدروکسی آپاتیت 40 تا 70 درصد کل مقالات را شامل می‌شود که روز به روز در حال گسترش است. اکنون مختصری به چگونگی کاربرد بیوسرامیک‌های کلسیم فسفاتی می‌پردازیم.

موفقیت‌های کلینیکی زمانی حاصل می‌شوند که به طور همزمان به دو فاکتور پایداری فصل مشترک بافت و ایمپلنت، و تطابق رفتار مکانیکی ایمپلنت با بافت جایگزین شده دست یابیم. کلسیم فسفات‌هایی که منافذ ریز دارند، برای پوشش ایمپلنت‌های فلزی استفاده می‌شود و نیز به عنوان متریال پر کننده در فضایی که تحت بار نیست، قرار می‌گیرد تا رشد استخوان از درون آنها صورت گیرد. رویش درونی بافت از میان منافذ، توسعه‌ِی ناحیه‌ی بین بافت و ایمپلنت و در نتیجه افزایش مقاومت در برابر حرکات ایمپلنت‌ در بافت را به دنبال دارد.در استخوان طبیعی، پروتئین‌ها جذب طبقه کلسیم فسفاتی می‌شوند، به همین ترتیب بیومتریال کاشته شده نیز با سلول‌های استخوانی فعل و انفعالا‌تی خواهد داشت. همچنین بیومتریالهایی با قابلیت جذب مجدد(‌(‌Resorbable طراحی می‌شوند تا با گذشت زمان رفته رفته تنزل یافته و با بافت میزان جایگزین شوند، کلسیم فسفات‌های متخلخل مانند‌تری کلسیم فسفات به عنوان مواد قابل جذب در مواردی که به استحکام مکانیکی بالا نیاز نیست. مانند ترمیم استخوان فک و سر استفاده می‌شوند.در سطح ایمپلنت، مواد بیواکتیو یک لایه‌ی فعال بیولوژیکی تشکیل می‌دهند که در نتیجه در شکل پیوند بین بافت‌های طبیعی و بیو مواد تاثیر می‌گذارد، مواد بیواکتیو شامل شیشه یا شیشه -- سرامیک‌ها که منشأ اکسید سیلیسیم آپاتیتی دارند و یا به عنوان مثال هیدروکسی آپاتیت سنتتیک متراکم و کامپوزیت‌های پلی اتیلن -- هیدروکسی آپاتیتی در کاربردهای ارتوپدی (پیوند استخوان، پروتزها، فضاسازی بین مهره و ...) استفاده می‌شوند. حال به بررسی فاکتورهای طراحی و ساخت یک نمونه (به عنوان مثال استخوان مصنوعی) می‌پردازیم.‌انتخاب دقیق و مناسب متریال مورد استفاده به عنوان مهمترین بخش طراحی حائز اهمیت است. همچنین برای طراحی، می‌توان از نرم‌افزارهای خاصی بهره برد. این نرم‌افزارها برای طراحی بهینه شکل ایمپلنت و نیز برای شبیه‌سازی رفتار مکانیکی ایمپلنت با بافت الگو به کار می‌روند. یک تکنیک ریاضی هم به نام آنالیز المان محدود برای تعیین توزیع فشار روی ایمپلنت و ساختار بیولوژیکی به کار می‌رود.

نمونه‌های اولیه قبل از ساخت نهایی تحت آزمایشات گوناگون نظیر تستهای کلینیکی قرار می‌گیرد. بخش اعظمی از مواد خام اولیه را پودرهای سرامیکی با ترکیب ویژه و خلوص بالا تشکیل می‌دهند. افزودنی‌هایی نظیر چسب، روانساز و سایر مواد شیمیایی برای کمک به پروسه‌ی شکل دهی، به مواد خام اضافه می‌شوند. پودر اولیه همچنین ممکن است به کمک زینتر احتیاج داشته باشد. کمک زینتر به مواد سرامیکی کمک می‌کند تا در طول زینتروینگ و در بعضی مواقع در دماهای پایین‌تر از آن، به درستی متراکم شوند. پس از تشخیص نوع بیومتریال مورد استفاده ماده مورد نظر وارد پروسه‌ی ساخت می‌شود.‌استخوان مصنوعی را می‌توان با استفاده از دو روش ساخت: مرحله آماده‌سازی سنتی سرامیک و روش شیمیایی سل ژل، در روش سل ژل می‌توان از سوسپانسیون با ذرات بسیار ریز و یا محلولی با پرگرسرهای شیمیایی استفاده کرد. از آنجا که روش سنتی آماده‌سازی متداول‌تر است، به بررسی جزئیات آن می‌پردازیم.

مرحله اول، آماده سازی ماده خام است. این ماده به طور مستقیم قابل استفاده نیست و باید پودر سرامیک سنتتیک تهیه شود. معمولا با طی مراحل سنگ شکنی و آسیاب به سایز دلخواه پودر نمی‌رسیم و می‌توان از روش‌های مکانیکی و یا شیمیایی خاصی استفاده کرد. در روش مکانیکی، پودر سرامیکی و افزودنی‌ها به دقت وزن می‌شوند و سپس در انواع ماشین‌های مخلوط کن توسط رول‌های دورانی مخلوط می‌شوند. به عنوان مثال ماشین بال میل از یک استوانه‌ی چرخشی پر از مخلوط و یک واسط کروی برای پراکندن مواد و کاهش سایز ذرات استفاده می‌کند. یک سابنده نیز شامل مهره‌های ریز و یک همزن چرخشی برای به انجام رساندن این پروسه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بعد از مرحله اختلاط و رسیدن به سایز مناسب پودر، مواد سرامیکی با استحکام پلاستیکی آماده شکل‌دهی می‌باشند. روش‌های گوناگونی می‌تواند برای این منطور استفاده شود؛ از جمله قالب‌گیری تزریقی، گرم یا سرد کردن و یا پرس کردن در قالب‌گیری تزریقی مخلوط در سیلندر گرمایی بارگذاری می‌شود. در این هنگام از سختی آن کاسته شده و مخلوط نرم می‌شود. یک پیستون فولادین به مخلوط گرم نیرو وارد کرده و آن را به فرم قالب فلزی سرد شده، تبدیل می‌کند. گرم و سرد کردن‌ها موجب تجمع مواد در یک سیلندر با فشار بالا شده و سپس مواد با شکلی خاص به بیرون فرستاده می‌شود. پرس کردن نیز با فشردن در قالب فولادین صورت می‌گیرد و یا مواد در یک قالب لاستیکی، تحت فشار بالا و یکنواخت گاز یا آب قرار می‌گیرند.

روش دیگر پرس،که پرس گرم نامیده می‌شود شامل فرم دهی و گرمایش با استفاده از قالب گرمایی است. پس از شکل‌دهی، استخوان سرامیکی وارد مرحله خشک کردن می‌شود و باید تحت چندین عملیات حرارتی قرار گیرد. ابتدا خشک کردن مواد برای از بین رفتن رطوبت، با استفاده از کوره یا محفظه‌ی خشک کن انجام می‌گیرد و سپس یک کوره برای حرارت دادن مواد در دماهای بالا جهت حذف مواد آلی و متراکم کردن ماده به کار می‌رود. چرخه‌ی گرمایش به وضعیت ماده وابسته است و باید سرعت گرم کردن به طور مناسب طراحی شود تا مانع شکست نمونه گردد.‌بعد از این مرحله، ممکن است به یک یا دو مرحله پایانی نیاز باشد که با توجه به کاربرد نمونه مشخص می‌شوند. برای رسیدن به ابعاد و ظاهر دلخواه از سنباده و پولیش نیز استفاده می‌شود. سنباده یا پولیش کردن مواد سخت‌تر معمولاً نیاز به ابزار الماس دارد. مته‌کاری نیز در کاربردهایی که نیاز به شکل‌دهی خاص منافذ باشد، لازم است. اگر اتصال به دو یا چند جزء دیگر نیاز باشد، از روش لحیم‌کاری و یا چسب زدن نیز بسته به جنس نمونه استفاده می‌شود. در تمام پروسه ساخت، کنترل کیفیت هر مرحله برای افزایش کارایی محصول مهم است. در صورتی که تمامی مراحل طراحی و ساخت با موفقیت گذرانده شود، ایمپلنت سرامیکی آماده است تا در بدن بیمار کاشته شود. بدین ترتیب بیومتریال سرامیکی جایگزین بافت‌های آسیب‌دیده فرد می‌شود.‌

نیلوفر بهرامیان

دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی دانشگاه علوم و تحقیقات تهران‌

منبع:http://www.ettelaat.com

 

 

Principles of Electronic Ceramics 
Hench, Larry L | West, J K
Electronic ceramics is one of the most rapidly developing fields of science and technology. Principles of Electronic Ceramics#1 describes many important technical topics in this field. The authors derive most equations from first principles, and thus, develop a structural knowledge base that enhances technical comprehension. This book fills the gap between a theoretical solid-state physics text and a microstructure-property-laden materials science text. Yet, the book is not overbearing--it is written as a text for a college senior or firs year graduate student in science or engineering. Principlesof Electronic Ceramics#1 consists of twelve chapters. The first three chapters provide the reader with a background in crystal structure, quantum mechanics, and semiconductor physics. The chapters address ionic conductors, defect chemistry, dielectric properties, ferroelectric materials, and magnetic ceramics. Four chapters are devoted to optoelectronic phenomena. First, the authors present the fundamentals of optics, then analyze optical waveguides, PLZT light shutters, light-emitting diodes, and lasers. A brief review of the principles of superconductivity is followed by a discussion of the structure and defect chemistry of high-temperature superconductors in the final chapter. The approach Hench and West use in presenting the field of electronic ceramics in this text is superb. First, the physics that controls technologically important properties is derived, properties of technologically important electronic ceramics are then analyzed with regard to derived fundamentals. As would be expected from the technical background of the authors, the use of glass for electronic ceramic applications is more than adequately covered. More importantly, the book offers a judicious blend of fundamental physics and material properties. Electronic ceramics is growing rapidly, and it is difficult to adequately discuss all the worthy technical subjects in this field. Nonetheless, several topical omissions must be mentioned. Piezoelectrics, varistors, and thermistors receive little attention, yet, according to the authors, these entities comprise 20% of the sales of all electronic ceramics in the world. Discussions of the structure-property relationships of these materials would have been a welcome addition to the chapters on nonlinear dielectrics and defect chemistry. Further, there is no mention of two of the most important future electronic ceramic technologies--ferroelectric thin films and multilayer ceramic packaging. Ferroelectric thin films may well revolutionize nonvolatile semiconductor memories, optical computers, nonvolatile optical disk storage devices, and pyroelectric detectors. Multilayer ceramics include multilayer capacitors; cofired multilayer packages; and novel, monolithic, multidevice structures. Although multilayer ceramic issues may be difficult to introduce into the framework of the text, multilayer ceramics comprises 50% of electronic ceramic sales today, and some discussion of this topic is appropriate. Overall, the book gives a concise review of the fundamentals of solid-state physics necessary to understand the properties of electronic ceramics. In addition, readers will find the fairly extensive tabulations of properties of electronic ceramics quite valuable. Another one of the book's positive aspects is that many references are current.
 

 

فیروز رضائی ; ۸:۳٥ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٠/٢/۱٩