بعض السيراميك المثير للاهتمام لتطبيقات درجات الحرارة العالية

لقد استُكشفت ودُرست السيراميكات التقنية لتطبيقاتها في درجات الحرارة العالية لسنوات عديدة. ومع تطور التكنولوجيا، قطعت هذه المادة وخصائصها المميزة شوطًا طويلًا لتقديم فوائد فائقة. ومن المثير للاهتمام أن المقالة التالية تتناول هذه الخاصية. كربيد السيليكون (Sic) وأكسيد الألومنيوم (Al2O3).

الخصائص الحرارية للسيراميك

سيراميك عالي الحرارة يتفوق أداء السيراميك التقني دائمًا على أداء المعادن والسبائك. مقاومته الحرارية، ونطاقه الواسع لدرجات حرارة التشغيل، وموصليته الحرارية العالية تجعله الخيار الأمثل في تطبيقات محددة. يُصمم السيراميك التقني بشكل أساسي بالتحكم في بنيته أو تركيباته للحصول على الخواص المطلوبة.

مقاومة الصدمات الحرارية 

تعني مقاومة الصدمات قدرة المواد على تحمل التغيرات المفاجئة أو الحادة في درجات الحرارة العالية. درجة انصهار السيراميك لها علاقة بهذه الخاصية بالذات. وبالتالي، فإن تقييم نقطة انصهار السيراميك أمر بالغ الأهمية في تصميم الأنظمة. نقطة انصهار السيراميك الشائعة يُعتد عادةً بـ ٢٠٠٠ درجة مئوية. ومع ذلك، بما أن السيراميك مادة هشة، فإن أي تقلب مفاجئ في درجة الحرارة يُسبب تحطّم المادة عند صدمة حرارية غير مرغوب فيها.

الموصلية الحرارية 

تخبرنا الموصلية الحرارية بسلوك درجة الحرارة من خلال جسم مادي. على سبيل المثال، تشتهر مقلاة الطهي بتوزيع الحرارة بشكل موحد في جميع أنحائها.

أيُّ معدنٍ لديه موصلية حرارية أعلى؟ ماذا عن السيراميك التقني؟ 

تُحدد الموصلية الحرارية العالية بقيمة 400 واط/مك أو أكثر، وهي للفضة. في السيراميك التقني كربيد السيليكون يتصدر دائمًا المخطط، وهو معروف بمتانته وقوته. الموصلية الحرارية لـ كربيد السيليكون أكبر من 200 واط/مك

معامل التمدد الحراري 

حركة الذرات عبر المادة تجعلها تنتفخ بسرعة عند درجة الحرارة المطبقة. معامل التمدد الحراري المنخفض للسيراميك يجعلها مثالية للاستخدام في تطبيقات متعددة. وتميل إلى البقاء مستقرة في درجات حرارة تشغيل متنوعة.

تطبيقات درجة الحرارة البارزة للسيراميك التقني

السيراميك عالي الحرارة مقابل السيراميك عالي الحرارة للغاية 

سيراميك عالي الحرارة يعمل في نطاق حوالي 650 درجة مئوية وما فوق. سيراميك عالي الحرارة للغاية تعمل عند درجة حرارة أعلى. يتراوح نطاق درجة انصهارها بين 1500 درجة مئوية أو أقل. ولذلك، تُستخدم غالبًا في تطبيقات مثل أجهزة أشباه الموصلات ومكونات الطائرات.

الشعبية سيراميك عالي الحرارة تُعتبر هذه المواد، خاصةً مواد المجموعة الرابعة، مثل التيتانيوم والزركونيوم والهافنيوم. تتميز هذه المواد بدرجة انصهار قصوى تتجاوز 4000 درجة مئوية. وتتجاوز قيمة التوصيل الحراري لها عادةً 140 كيلوواط/كيلومتر.

الطلاءات الخزفية عالية الحرارة: تكنولوجيا العصر الجديد 

الطلاءات الخزفية عالية الحرارة ضمان الحماية ومقاومة للتآكل والصدأ. الطلاءات الخزفية عالية الحرارة يُعيق انتقال الطاقة عبر المادة، ويُحفظ الأجزاء الأقرب من التلف الحراري. كما يُضفي الطلاء مظهرًا لامعًا، ويُساعد على إضفاء مظهر جمالي لامع وجذاب على الأسطح المُطبقة عليها.

كربيد السيليكون مقابل أكسيد الألومنيوم

أكسيد الألومنيوم و كربيد السيليكون لقد تم سماع أسماء كثيرة في مجال السيراميك بسبب خصائصه الاستثنائية. أكسيد الألومنيوم تتميز بخصائص مادية أفضل، فهي توفر قوة عالية، ومقاومة للتمزق، ومستقرة كيميائيًا. كربيد السيليكون من ناحية أخرى، يُعرف بموصليته الكهربائية والحرارية العالية ومقاومته الجيدة للحرارة. بعض الاختلافات الرئيسية والمعلومات التفصيلية كربيد السيليكون و أكسيد الألومنيوم كما هو موضح أدناه.

الخصائص الفيزيائية لأكسيد الألومنيوم وكربيد السيليكون

الخصائص الفيزيائية للمادة أساسية لفهمها واختيارها للتطبيقات المطلوبة. وتشمل البيانات الأساسية للمادة وقيمتها المورفولوجية وسلوكها مع درجة الحرارة والكهرباء والحرارة.

بعض الخصائص الفيزيائية البارزة لـ أكسيد الألومنيوم كما هو موضح أدناه:

بعض الخصائص الفيزيائية البارزة لـ كربيد السيليكون كما هو موضح أدناه:

كربيد السيليكون ومقاومته للحرارة

الموصلية الحرارية لـ SiC تتراوح قدرته بين ١٣٠ و٢٦٠ واط/كلم. يُعرف أيضًا باسم الكربوراندوم. تمدده الحراري حوالي ٤ × ١٠-٦ درجة مئوية. وتُعتبر قيم التمدد الحراري أقل عمومًا من تلك الموجودة في أشباه الموصلات الشائعة.

بنية بلورة كربيد السيليكون كربيد السيليكون رباعي السطوح بطبيعته. طبيعة بلوراته تجعله أكثر صلابةً وكثافةً منخفضة. الموصلية الحرارية العالية، إلى جانب التمدد الحراري المنخفض، تجعلانه فعالاً تحت الضغوط الحرارية المستحثة. مقاومته العالية للصدمات الحرارية تجعله مادةً شائعةً في صناعة فوهات الصواريخ، ومكونات الصمامات، والمبادلات الحرارية، وغيرها.

كربيد السيليكون وتطبيقاته الحرارية

كربيد السيليكون يميل كربيد السيليكون (SiC) إلى الحفاظ على مرونته حتى في درجات الحرارة المرتفعة، مثلاً ١٦٠٠ درجة مئوية أو أكثر. وهذا عامل رئيسي يُسهم في طبيعته الحرارية المرتفعة. تختلف مقاومة كربيد السيليكون للصدمات مقارنةً بالنيتريد والزركونيا، فهي أعلى من الزركونيا. وبالتالي، كربيد السيليكون يُفضل استخدامه في التطبيقات ذات درجات الحرارة العادية.

كربيد السيليكون تتمتع بإمكانيات هائلة في صناعة الإلكترونيات القوية بسبب موصليتها الحرارية العالية وفجوة النطاق العالية. سيراميك كربيد السيليكون قادر على تحمل تقلبات الجهد العالي. كما تعمل أجهزة Sic بشكل جيد مع خسائر حرارية أقل.

الألومينا ومقاومتها للحرارة

الألومينا وتعود خصائصها الاستثنائية إلى الروابط الأيونية القوية بين الذرات. أكسيد الألومنيوم، الألومينا تمتلك العديد من الأشكال البنيوية مثل ألفا أكسيد الألومنيوم مستقر بشكل أساسي عند درجة حرارة أعلى للتطبيق. طور ألفا أكسيد الألومنيوم قوية ومعروفة بقوتها العازلة.

أكسيد الألومنيوم تُستخدم المعادن عالية النقاء بشكل رئيسي في البيئات المؤكسدة والمختزلة حتى 1920 درجة مئوية. أكسيد الألومنيوم يقاوم معظم المذيبات. لا يتضرر أبدًا بالأحماض مثل حمض الهيدروفلوريك. يتراوح فقدان وزن الألومينا بين 10-6 و-7 في الفراغ عند تعرضها لدرجة حرارة 1700 درجة مئوية أو أكثر.

أكسيد الألومنيوم وتطبيقاته الحرارية

كونها مادة مقاومة للحرارة بدرجة عالية أكسيد الألومنيوم تُستخدم أساسًا كبطانة مقاومة للحرارة. كما تُستخدم للعزل الحراري داخل الأفران. الألومينا، أكسيد الألومنيوم كما أنه يُعَدّ محفزًا أفضل في الصناعات البتروكيماوية نظرًا لقدرته على العمل في درجات حرارة أعلى. كما أنه خامل، ولا يتفاعل مع المواد المتفاعلة في العملية.

خصائص العزل الكهربائي للألومينا تجعلها مثالية لصناعات أشباه الموصلات وتطبيقات العوازل. فهي تضمن قيم عزل جيدة عند تحويل التيار المستمر إلى ترددات. كما أن نقاء الألومينا يتراوح بين 99.8% و99.8% الأكثر استخدامًا. الألومينا يتم نشرها بشكل رئيسي في التطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة.

خلاصة القول

نبذة مختصرة عن الاختلافات الرئيسية بين أكسيد الألومنيوم و كربيد السيليكون مكتوبة من أجل الفهم. أكسيد الألومنيوم معروف بصلابته ومزاياه المادية الأخرى. فهو مقاوم للتآكل ويتمتع بقوة عالية. أما بالنسبة للخصائص الحرارية، كربيد السيليكون تتميز بمقاومة ممتازة للحرارة واستقرار حراري.