علمی (مهندسی مواد)

 

 

 

سیلیکون کارباید یکی از مهم­ترین سرامیک ­های غیراکسیدی است که کاربردهای صنعتی مختلفی دارد؛ که این موضوع به دلیل خواص منحصر به فرد آن مثل سختی و استحکام بالا، پایداری شیمیایی و حرارتی، نقطه ذوب بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون، مقاومت در برابر سایش و ... است. همه ­ی این ویژگی ­ها سبب شده است تا سیلیکون کارباید بهترین انتخاب در ابزارهای الکترونیکی با توان بالا و در دمای بالا و ابزارهای برش و سایش باشد. همچنین به عنوان ماده اولیه برای ساخت قطعات دیرگداز مثل آجرهای نسوز، برخی از کاشی ­ها و اجزای گرم کننده مثل المنت ­ها کاربرد دارد. همچنین از این ماده برای کربن زدایی و سیلسیسم زدایی آهن و فولاد استفاده می ­شود.

سیلیکون کارباید اولین بار توسط Acheson در سال 1892هنگامی که وی قصد سنتز الماس را داشت؛ به طور تصادفی کشف شد. وی فکر می­ کرد که این ماده­ ی جدید ترکیبی از کربن و آلومینا است و به همین دلیل آن را کربوراندوم نامید. این ماده به مقدار بسیار کم در برخی از شهاب سنگ­ ها وجود دارد. Acheson اولین بار با عبور یک جریان الکتریکی از میان مخلوط رس و کربن SiC را سنتز کرد. امروزه این ماده از طریق واکنش حالت جامد بین ماسه سنگ (دی­ اکسید سیلیکون) و کک نفتی (کربن) در دمای بسیار بالا در کوره قوس الکتریکی تولید و سنتز می­ شود.

در گذشته اغلب سرامیک ­هایی که در صنایع به کار گرفته می ­شود شامل آلومینا و دیگر اکسیدها بوده است. اما امروزه تقاضای زیادی برای استفاده از سرامیک ­ها به عنوان مواد ساختاری به جای فلزات و آلیاژها در محیط ­های خشن و سخت وجود دارد و همین موضوع باعث توجه گسترده به موادی مثل نیتریدها، کاربیدها و دیگر مواد با پیوند کووالانت به دلیل خواص منحصر به فرد شده است.

تشکیل SiC از طریق واکنش بین سیلیکون و کربن در دماهای زیر دمای ذوب سیلیکون انجام می­ شود. در شکل زیر دیاگرام فازی Si و C نشان داده شده است.

همان طور که مشاهده می­ شود، نقطه یوتکتیک بین SiC و Si در دمای 1402 درجه سانتیگراد با 75/0% اتمی کربن است. منحنی لیکویدوس بین SiC و Si نیز در دمای 2600 درجه سانتیگراد و 27% اتمی کربن است. همچنین نقطه­ ی پریتکتیک در دمای 2540 درجه سانتیگراد و 27% اتمی کربن در شرایط نرمال وجود دارد.

SiC نقطه ذوب متجانس ندارد و در فشار حدود 1 بار در دمای 2830 درجه سانتیگراد به گرافیت و مایع غنی از سیلیکون تجزیه می ­شود. این بالاترین دمایی است که سیلیکون کارباید در آن تشکیل می ­شود.

تا کنون حدود 200 نوع پلی ­مورف­ هایSiC شناخته شده است اما فقط تعداد اندکی از آن­ ها کاربرد دارد. همه ­ی این ساختارها از یک سلول واحد اصلی تشکیل شده ­اند. هر کدام از اتم­ های سیلیکون با چهار اتم کربن به صورت چهار وجهی به هم متصل ­اند و بر عکس. تفاوت ­های بین انواع پلی مورف ­های موجود از نحوه ­ی قرار گیری لایه­ های تتراهدرال ناشی می ­شود. معمولاً برای مشخص کردن و نام­گذاری انواع پلی مورف­ های SiC از پیشوندهای C (برای نشان دادن ساختار مکعبی)، R (برای نشان دادن ساختار رمبوهدرال)، H (برای نشان دادن ساختار هگزاگونال) استفاده می ­شود. اغلب پلی مورف­ های مورد استفاده SiC عبارت اند از: 3C، 4H، 6H، 15R و 9T

3C یا β-SiC ساختار بلند روی (شکل زیر) را دارد.

 

دیگر پلی مورف­ های SiC را به نام α-SiC مطرح است. اما اساساً α-SiC ساختار 6H را دارد. ساختار 6H نیز شبیه ساختار ورتزایت است (شکل زیر).

 

استحاله­ ی فازی β-SiC به α-SiC در دماهای بالا صورت می­ گیرد.

SiC اغلب به صورت پودری، فیبر، ویسکرز، پوشش­ و تک کریستال موجود است. روش­ های مختلف موجود برای تولید SiC بسته به نوع و کاربرد مورد انتظار از محصول متفاوت است. همچنین خلوص مورد نظر برای محصول نیز در انتخاب روش تولید موثر است.

 

روش تولید SiC

پودر SiC غالباً از طریق روش سنتی و قدیمی Acheson تولید می­ شود. این روش مبتنی بر واکنش مخلوطی از کک خام نفتی و ماسه سنگ است که در کوره­ های قوس الکتریکی در دمای 2500 درجه سانتیگراد و با استفاده از دو الکترود گرافیتی انجام می ­شود. به دلیل دمای بسیار بالای مورد نیاز در این روش، محصول فرآیند Acheson نوع SiC-α است که ساختار هگزاگونال یا رومبوهدرال را دارد. معمولاً SiC به صورت یک قطعه­ ی بزرگ تشکیل می­ شود که در مراحل بعدی با استفاده از سنگ شکن شکسته، خرد و آسیاب می­ شود و در اندازه ­ها و گریدهای تجاری مختلف تقسیم­ بندی می­ شود. برای تولید SiC ریزتر، ریزترین گریدی که از فرآیند Acheson بدست می­ آید را تا چند روز آسیاب می­ کنند و سپس تحت فرآیند اسیدشویی ناخالصی­ های فلزی آن را خارج می­ کنند. همچنین گریدهای ریزتر SiC را می­ توان با استفاده از واکنش یک مخلوط پودر ریز سیلیکا و کربن در دماهای پایین­ تر و برای دوره ­های زمانی کم ­تر بدست آورد و سپس به منظور جلوگیری از رشد دانه ­ها، کوئنچ نمود. با این حال این محصول آگلومره است و نیاز به آسیاب مجدد برای شکسته شدن آگلومره ­ها (توده ­ها) و کاهش اندازه ذرات دارد.

معمولاً برای کاربردهای ساینده و دیرگداز SiC را از این روش بدست می­ آورند. نکته­ ی قابل توجه در این روش این است که اندازه ­ی ذرات مواد اولیه باید حداکثر 10 میلی متر باشد.  علاوه بر این مواد اولیه در این روش، خاک اره و برخی از نمک ­های معمولی نیز به منظور افزایش تخلخل در مخلوط و همچنین خروج راحت ­تر مونواکسید کربن اضافه می ­شود.  در این روش، فرآیند شدیداً گرماگیر است و به ازای تشکیل هر یک کیلوگرم SiC، 618 کیلوژول بر مول گرما که معادل 28/4 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی مصرف می­ شود. کوره­ های مناسب برای این فرآیند 25 متر طول، 4 متر عرض و 4 متر ارتفاع دارند و برای 130 ساعت در حدود 5000 تا 25000کیلو ولت آمپر (بسته به اندازه کوره) انرژی مصرف می­ کنند.

همچنین به جای پودر SiO₂ می­توان  از پودر SiO (مونوکسید سیلیکون) استفاده کرد و با مخلوط کردن آن با کربن نانو و حرارت دادن آن در دماهای متوسط، پودر نانوکریستال SiC با اندازه ذرات 20 تا 100 نانومتر بدست آورد. مشخصات و خصوصیات پودر SiC مثل اندازه، شکل، شیمی سطح تاثیرات عمیقی در فرآیندهای بعدی متراکم کردن پودر SiC می­ گذارد. به همین منظور ممکن است فرآیندهای اضافه­ ای (مثل؛ اضافه کردن کمک ذوب­ ها برای دستیابی به بالاترین دانسیته در زینترینگ بدون فشار) برای فرآوری این پودر احتیاج باشد.

نام تجاری کاربید سیلیسیم، کربوراندم می ­باشد. کاربید سیلیسیم بر حسب رنگ دانه به دو گروه تقسیم می­شود:

کاربید سیلیسیم سیاه: این ساینده سیاه رنگ بوده و لبه­ های برنده­ای دارد. برای سایش چدن از آن استفاده می­ شود. به دلیل بالا بودن میزان ناخالصی از آن برای ساخت قطعات ساینده با باند رزینی استفاده می­ شود.

کاربید سیلیسیم سبز: این نوع خلوص بالایی دارد و برای ساخت ساینده­ های اتصالی با باند شیشه ­ای از آن استفاده می­شود.

 

ساخت محصولات SiC

همانند تکنیک­ های متالورژی پودر، پودر SiC را با استفاده از روش ­های پرس گرم، پرس گرم ایزواستاتیک، زینترینگ بدون پرس و یا حتی ریخته­ گری دوغابی می ­توان شکل ­دهی کرد. زینترینگ پودر SiC نیازمند کمک زینترها (مثل بور و کربن) و گرمایش در دماهای بسیار بالاست.  کربن به منظور خارج کردن اکسیژن موجود در روی سطح که به صورت یک فیلم SiO₂ بر روی ذرات SiC قرار دارد؛ افزوده می ­شود. از طرف دیگر بور، به منظور جلوگیری از رشد دانه ­ها در دماهای پایین قبل از رسیدن به نقطه ­ی زینترینگ اضافه می ­شود. بسته به دمای زینترینگ و مشخصات پودر SiC می ­توان به دانسیته ­ی تئوری 97% دست یافت. از دیگر کمک زینترها می­ توان به اکسیدهایی مثل آلومینا، زیرکونیا و ایتریا اشاره کرد. با استفاده از این کمک ذوب ­ها، فازهای اکسیدی در دماهای نسبتاً پایین­ تری ذوب می ­شوند و جریان یابی ذرات SiC را افزایش می ­دهند؛ در نتیجه انقباض و متراکم شدن را بهبود می­ بخشند. با این حال به دلیل حضور فاز مایع، این روش برای کاربردهای دما بالا محدودیت ­هایی دارد.

فیبرهای SiC را می­ توان از طریق پیرولیز (تجزیه­ ی حرارتی) پلیمرهای اورگانوسیلیکون مثل پلیکربوسیلان که به صورت تجاری در دسترس است؛ تولید کرد. به طور مختصر فرآیند شکل ­دهی فیبرهای SiC شامل ذوب چرخشی پلی کربوسیلان ­ها در دمای تقریباً 300 درجه سانتی گراد است.

روش دیگری که برای تولید فیبرهای SiC وجود دارد استفاده از روش CVD است. در این روش SiC از طریق فاز گازی بر روی یک زیرلایه از جنس تنگستن رسوب داده می ­شود. این فیبرها به دلیل خلوص و استوکیومتری بالاتر، قوی ­تر هستند و پایداری حرارتی بالاتری دارند.

ویسکرزهای SiC که تقریباً تک کریستال هستند، از روش­ های مختلفی تولید می­ شوند مثل گرمایش سبوس برنج، واکنش سیلان­ ها، واکنش سیلیکا و کربن  و تصعید پودر SiC. در برخی از روش ­ها از یک جزء سوم مثل آهن به عنوان کاتالیزور استفاده می­ کنند. این مواد علاوه به منظور رسوب دهی راحت­ تر کریستال­ های SiC در فرآیند اضافه می­ شوند. قطر ویسکرزهای تشکیل شده در حدود چند میکرون و ارتفاع آن­ها در حدود چند صد میکرون است. به دلیل خواص خوب مکانیکی از ویسکرزها برای تقویت کامپوزیت­ های زمینه ­ی فلزی و سرامیکی در کاربردهایی که استحکام و چقرمگی شکست اهمیت دارد، استفاده می­ کنند.

روش­ های تولید محصولات دیرگداز از جنس SiC همانند روش ­های متداول تولید سرامیک­ها می­ باشد. در هنگام شکل دادن، مواد SiC سایش شدیدی در قالب­ های پرس ایجاد می­ کند. به علت عدم قابلیت زینترینگ دانه­ های درشت کاربید سیلیسیم بایستی از چسب­هایی غیر از جنس SiC استفاده نمود تا بتوان قطعات SiC را زینتر کرد. در این ارتباط انواع چسب­ها به شرح ذیل به کار برده می ­شود:

اتصال اکسیدی یا سیلیکاتی:

مخلوطی از SiC و رس، Al₂O₃ یا SiO₂ در دمای 1400 تا 1500 درجه سانتی گراد در یک اتمسفر اکسیدی پخته می­ شوند. خواص مکانیکی چنین موادی در دماهای بالا مثل مقاومت به خوردگی، به وسیله فاز شیشه­ های سیلیکاتی بین دانه ­های SiC محدود می ­شود.

اتصال نیتروژنی:

Si₂ON₂ (اکسی نیترید سیلیسیم)، Si₃N₄ (نیترید سیلیسیم) یا SiAlON (اکسی نیترید سیلیسیم آلومینیوم) فازهای پیوندی هستند. دانه­ های پرس شده از جنس SiC، پودر فلز سیلیسیم و احتمالاً Al₂O₃ عمدتاً در اتمسفر بدون اکسیژن در دمای تقریبی 1450 درجه سانتی گراد پخته می­شوند. فاز نیتریدی حاصله در هنگام زینترینگ هم استحکام زیاد در دمای بالا و هم مقاومت خوب در برابر خوردگی را ایجاد می­ کند.

اتصال کاربید سیلیسیمی:

هر دو فاز (α,β) SiC به عنوان اتصال مطرح می ­شوند. نوع دمای پایین (β-SiC) در دماهای پخت زیر 1400 درجه سانتی گراد در اتمسفر بدون اکسیژن در بدنه خام SiC، پودر Si و کربن تشکیل می­ گردد. این محصولات استحکام نسبتاً بالایی و مقاومت در برابر خوردگی بالایی دارند.

مخلوط دانه­ های درشت α-SiC و پودر بسیار ریز و فعال α-SiC در دمای حدود  2400 درجه سانتی گراد در خلاء یا گاز خنثی از طریق کریستالیزاسیون مجدد SiC می ­توانند پیوند برقرار کنند. خواص این محصولات شامل استحکام بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی خوب می ­باشند.

انواع ویژه

دو نوع دیگر علیرغم اینکه جزء آجرهای دیرگداز نیستند؛ می­ توانند به عنوان مواد سازه­ ای که در معرض تنش­ های بسیار زیاد قرار گیرند، استفاده شوند.

برای کاربید سیلیسیم ­های سیلیسیم­ دار، بدنه­ های شکل ­گرفته از مخلوط SiC و کربن، از روش­های ریخته ­گری دوغابی، پرس اکستروژن یا پرس ایزواستاتیک ساخته می­ شود و آن­ ها را در سیلیسیم مذاب در دمای 1400 تا 1950 درجه سانتی گرادغوطه ­ور می­ کنند. این مواد هیچ گونه حفره ­ای ندارند و دارای پایداری در برابر اکسیداسیون و استحکام بالا تا دمای ذوب سیلیسیم  1410 درجه سانتی گراد می ­باشند.با استفاده از دانه­ های ریز SiC واکنشی (حدود 0 تا 10میکرون) ساخت موادی بدون تخلخل از SiC خالص به وسیله ­ی عمل پرس گرم یا زینترینگ بدون فشار در دمای   2000 درجه سانتی گراد امکان ­پذیر می­ گردد. انقباض زیاد در طول زینترینگ، ساخت قطعات بزرگ ­تر را مشکل می­ کند. در انتها معمولاً پرداخت با الماس مورد نیاز است. همانند دیگر انواع دیرگدازها، انواع گوناگونی برای جرم­ های کوبیدنی،­جرم­ های پاشیدنی، جرم­ های ریختنی و ملات ­ها بر پایه SiC وجود دارد.

در این دیرگدازهای بی­ شکل سیستم ­های اتصالی شناخته شده­ ای وجود دارد. بسته به میزان SiC در مخلوط، نوع اتصال و روش نصب می­ توان خواص مطلوب SiC را در مواد بی­شکل (مونولیتیک) مورد استفاده قرار داد.

خواص ویژه در مورد مواد SiC شایسته ذکر است: هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت در برابر سایش و خوردگی در برابر گازهای مختلف، اسیدها، سرباره­ ها و مذاب­ های فلزی، استحکام بالا در دماهای بالا، محصولات SiC بسته به نوع اتصال موجود می ­توانند عایق یا هادی جریان برق باشند. یک عیب این گونه مواد تاثیر پذیری در مقابل اکسیژن و بخار آب به خصوص در دماهای بین 1000 و 1200 درجه سانتی گراد می ­باشد. در دماهای بالاتر ابتدا SiO₂ حاصله از اکسیداسیون به صورت یک لعاب بر روی دانه ­های SiC تشکیل می­ گردد که از پیشرفت اکسیداسیون جلوگیری می­ نماید. تخریب SiC به وسیله اکسیداسیون با یک افزایش حجم همراه می ­باشد. نتیجتاً آجرهای SiC می­توانند 1 تا 5% افزایش حجم داشته باشند. این عمل با یک کاهش استحکام، مقاومت در برابر شوک حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی (تغییر ساختار مینرالی) ادامه پیدا می­ کند.

محصولات کاربید سیلیسیم در کوره­ ها و دستگاه­ های متالورژی آهنی و غیرآهنی دارای کاربردهای فراوانی می ­باشند. از آن جمله: کوره بلند ذوب آهن، دستگاه­ های اسیدشویی، کوره قائم مس کاتدی، ذوب، روی، کادمیم و سرب، سلول­ های الکترولیز آلومینیوم، نازل ­های مشعل، لوله ­های ریخته ­گری با فشار کم، لوله ­های محافظ ترموکوپل، پوشش­ های مجزا، دستگاه­ های زباله سوز، ساگارهای صنعت سرامیک (چینی مظروف و بهداشتی، الکتروپرسلان و سرامیک­ های صنعتی)، پوشش ­های دستگاه­ های با جریان مواد ساینده (صنعت فرآوری و انتقال مواد).

استفاده از آجرهای عایق نسوز  در گریدهای 26 و 28 در لایه اول کوره های واحد الفین با TC , CCS بسیار مناسب

امروزه در کشورهای پیشرفته رشته مهندسی مواد ,یکی از مهترین و پر کاربردترین رشته ها محسوب می شود. رشته مهندسی مواد بسیار متنوع و درعین حال به درستی لقب مادر رشته ها را به خود اختصاص داده است. رشته نیست که وابستگی خود را به این شاخه از علم مهندسی انکار کند. در قسمت زیر ابتدا با گرایش های مهندسی مواد در مقطع کارشناسی و  کارشناسی ارشد اشنا می شویم و برای هر یک مثالی از کاربردی بودن ان در رشته های دیگر خواهیم زد:

مقاطع کارشناسی:

1- متالورژِی صنعتی 

یکی از اصلی ترین وظایف مهندسین این رشته تولید الیاژ های کاربردی در صنایع مختلف میباشد مانند تولید فولاد برای مهندسین عمران - تولید سیم ها و کابل های مسی و الومینیومی برای مهندسین برق تولید قطعات مهم خودرو , کشتی , قطار , هواپیما و دیگر وسایل نقلیه برای مهندسین مکانیک و طراح تولید ابزار مناسب جراحی و البته مواد بیو زیستی جهت استفاده پزشکان و ....

2- متالورژِی استخراجی 

همانطور که می دانید برای تولید هر کالایی نیاز به مواد اولیه میباشد .رشته متالورژِی صنعتی که شباهتی هم به مهندسی معدن دارد و جز رشته های تحت پوشش نظام مهندسی معدن هم قرار دارد . یکی از مهمترین وظایف مهندسین در این رشته انتخاب و شناسی و از همه مهمتر استخراج فلزات از معادن و سپس تبدیل ان به فراورده های قابل استفاده در صنایع مختلف می باشد.

3- سرامیک

امروزه پیشرفت های زیادی در علم سرامیک رخ داده است و چشم انداز روشنی در پیش دارد سرامیک به دلیل نسوزندگی و یا دیر گدازی بالا  و واکش کم و کنترل شده در این دما با مواد در حال تماس با خود, کاربرد فراوانی در کورههای صنایع مادر داردو همچنین به دلیل سازگاری بهتر نسبت به فلز برای کاربرد بیو موادی در بدن انسان , یکی از کاربردی ترین بیو مواد ها در رشته پزشکی محسوب می شود. موادی از جمله کاشی , سیمان , گچ , شیششه و نسوز ها و ... جزئی از سرامیک نامیده می شوند که البته امروزه با پیشرفت تکنولوژی سرامیک های پیشرفته تری بوجود امدند که در صنایع هوا فضا , نفت و پتروشیمی , فولاد , سیمان , نیروگاه و ... مورد استفاده قرار می گیرند.

سرامیک های پیشرفته : al2o3 ,sic , cmc , sio2 , ....

 در مقطع کارشناسی ارشد

شناسایی و انتخاب مواد

خوردگی

جوشکاری

ریختگری

سرامیک

بیو مواد , بیو متریال

پلیمر

نانو مواد

شایان ذکر است با توجه به ضعف عیانی که ما در این رشته بصورت کاملا محسوس در صنایع مختلف احساس میکنیم و به دلیل اینکه مهندسین این رشته تاثیر مستقیمی در شکوفایی صنعت , کاهش هزینه ها و البته جلوگیری از خروج ارز را دارند. اگر دانشجویان همراه با گرفتن مدرک علم کافی ویا بار علمی کافی در این رشته را دارا باشند به جرات می توان گفت هیچ فارغ التحصیلی در این رشته بیکار نخواهد ماند.

آشنایی با رشته مهندسی پزشکی در گرایش بیو متریال
رشته‌ی بیومتریال که یکی از گرایش‌های زیر مجموعه‌ی مهندسی پزشکی است از حدود 50 سال پیش به عنوان یک زمینه‌ی‌ علمی مطرح شد و همانند دیگر گرایش‌های مهندسی پزشکی برپایه‌ی ترکیب چند رشته بنا شد.
در این رشته‌ بطور معمول برروی تهیه‌ی مواد گوناگون مصنوعی و طبیعی، طراحی روش‌های ساخت و قالب‌گیری نهایی ماده و در نهایت اصلاح مواد برای کاربرد اختصاصی در پزشکی تحقیق صورت می‌گیرد. توسعه‌ی انواع مدل‌های وسایل پزشکی نیازمند انتخاب، ساخت و آزمایش مواد است که لازمه‌ی آن درک و فهم درست از شیمی و فیزیک مواد و شناخت محیط بیولوژیک بدن است. به عبارت دیگر باید توجه داشت که آینده‌ی علم بیومتریال در گرو توانائی ما در فهم کشفیات جدید در شیمی، فیزیک، بیولوژی و پزشکی است.
بطور کلی موارد استفاده‌ی بیومتریال‌ها در جایگزینی و تعویض اعضاء و اندام‌هایی از بدن است که بر اثر بیماری یا آسیب، کاربری خود را از دست داده‌اند تا از این طریق جراحت یا بیماری اعضاء مذکور التیام پذیرد، کاربری و عمل آنها اصلاح شود و ناهنجاری یا وضعیت غیر طبیعی آنها تصحیح گردد.

همچنانکه اشاره شد نقش رشته‌ی بیومتریال به طور قابل توجهی تحت تأثیر پیشرفت‌های بدست آمده در بسیاری از زمینه‌های پزشکی و مهندسی بوده است. در واقع وظیفه‌ی اصلی یک مهندس بیومتریال بدست آوردن اطلاعات لازم برای حل مسائل عملی و متداول در زمینه‌ی مواد مرتبط با بدن انسان است.

بطور مثال از آنجاکه بسیاری از اعضاء و بافت‌های جایگزین شونده، آسیب دیده و یا بیمار هستند، لذا یک محقق باید تغییرات سلولی را بشناسد که منجر به نارسایی عملکرد سلول و رفتار غیر معمول آن می‌گردد.

در خیلی از موارد اثر بیومتریال و یا وسیله‌ی پزشکی روی بافت، تنها بعد از در تماس قرار دادن ماده و سلول مشخص می‌شود و لذا محققان بیومتریال باید قادر باشند اثرات بیومتریال را روی سلول، بافت و اعضاء ارزیابی کنند. انجام بررسی‌های ایمنی، نیازمند درک چگونگی واکنش سلول و بافت با ماده کاشتنی است.
رشته‌ی بیومتریال با توجه به سابقه‌ی طولانی مدت در جایگزینی بافت‌ها توسط مواد طبیعی و یا مواد ساخته‌ی دست بشر بطور چشمگیری در قرن بیستم پیشرفت کرده است. بطورکلی مواد مورد استفاده در بدن را به چهار گروه عمده دسته‌بندی می‌کنند که عبارتند از فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها.
در بیومتریال زمینه‌های مختلف و رو به رشدی وجود دارد که از آن جمله می‌توان به مهندسی بافت، سیستم‌های رهایش کنترل شده دارو، اصلاح سطوح مواد، نانوتکنولوژی، بیوسنسورها و . . . اشاره کرد که هر یک در جایگاه خود خدمات منحصر بفردی در جهت بهبود زندگی انسان ارائه می‌دهند. لازم به ذکر است که مهندسی بافت، سیستم‌های انتقال دارو و بیوسنسورها از جمله مواردی هستند که منحصر به رشته‌ی بیومتریال هستند. به عنوان مثال در زمینه‌ی رهایش کنترل شده‌ی دارو امیدهای زیادی برای درمان یا تسکین بیماری‌های خطرناک و صعب العلاجی مانند سرطان، فشار خون و دیابت فراهم گردیده است، یا در زمینه مهندسی بافت ترمیم اعصاب قطع شده و جایگزینی غضروف از جمله موارد مورد تحقیق است.
با توجه به مطالب آموزش داده شده در طول دوران تحصیل دانشگاهی، بطور خلاصه توانایی‌های یک مهندس بیومتریال را می‌توان بدین صورت برشمرد:
1. آشنایی کامل با علم تولید و کاربرد مواد شامل پلیمرها، فلزات، سرامیک‌ها و کامپوزیت‌ها
2. شناخت کافی در زمینه‌ی برقراری ارتباط مواد با محیط بیولوژیک بدن نظیر آناتومی و فیزیولوژی بافت‌های مختلف بدن
3. روش‌های اصلاح سطح، پوشش‌دهی مواد و بهینه نمودن خصوصیات سطحی
4. آشنایی کامل با مبحث مهندسی بافت که یکی از جدیدترین دستاوردهای بشر برای دستیابی به جایگزین‌های مصنوعی است. عمر این رشته‌ی مهندسی در دنیا کمتر از 20 سال است که خوشبختانه در ایران نیز تحقیقات گسترده و دامنه‌داری در مورد آن انجام شده است. از آن‌جمله می‌توان به ساخت داربست‌های مهندسی بافت استخوان، غضروف، پوست و . . . توسط دانشجویان دانشگاه صنعتی امیرکبیر اشاره نمود.
5. آشنایی با روش‌های نوین دارو رسانی و انتقال کنترل شده داروها به بدن. به عنوان مثال نحوه‌ی انتقال طولانی مدت داروهای ضد بارداری (نورپلنت)
6. شناخت روش‌های تخریب پلیمرها، خوردگی فلزات و اضمحلال سرامیک‌ها
7. آشنایی با مبحث بیوسنسورها
8. آشنایی مقدماتی با اصول و عملکرد تجهیزات پزشکی و سیستم‌های آن

بدین ترتیب، با توجه به منابع بسیار فراوان مواد اولیه فلزی، سرامیکی و پلیمری در کشور و توانمندی مهندسان ایرانی، شرایط مناسبی برای رسیدن به خودکفایی و یا محدود کردن واردات بسیاری از تجهیزات پزشکی مورد نیاز کشور فراهم شده‌ است. لذا باید گفت که توجه بیشتر به این رشته می‌تواند سبب تقویت زمینه‌های ارتباطی پزشکان و مهندسان در جهت رفع مشکلات پزشکی در قالب همکاریهای مشترک گردد.
از آنجاکه رشته‌ی بیومتریال یک رشته‌ی تازه تأسیس در بسیاری از دانشگاه‌های جهان است، بنابراین با توجه ویژه به آن می‌توان حداقل در این رشته فاصله علمی کشور را با دیگر کشورهای پیشرو تا حدود زیادی کاهش داد، بویژه در زمینه‌ی نانوتکنولوژی که از الویت‌های مهم بسیاری از کشورها و از جمله کشور عزیزمان است. تربیت نیروهای متخصص متناسب با نیاز کشور و طبیعت چند جانبه‌ی این علم باعث می‌شود تا متخصصان بیومتریال با جمع کردن جنبه‌های مختلف علوم، بهترین راه حل‌های عملی را برای مشکلات پزشکی پیدا کنند.

_{^{منیزیا یا اکسید منیزیم}}

^{سرامیک‌های اکسیدی} 

_{^{برخی از پرکاربردترین این نوع سرامیک‌ها عبارت‌اند از  :}}

• ^{تیتانیا   (TiO  2  )}
• ^{آلومینا   (Al  2O  3  )}
• ^{برلیا   (BeO)}
• ^{زیرکونیا   (ZrO 2)}
• ^{منیزیا (MgO)}

 

 

^{اکسید منیزیم(Mgo، منیزیا) به صورت طبیعی و در حالت کانی پیریکلاس (periclase) تشکیل می شود. این کانی یک کانی دگرگون است که از تخریب دولومیت و دیگر کانی های منیزیادار تشکیل می شود. منابع پریکاز کمیاب است و ارزش اقتصادی ندارد. منابع اصلی منیزیا ، منیزیت وهیدرو کسید منیزیم است.
ذخایر بزرگ منیزیت در بسیاری از کشورها مانند چین و ترکیه و روسیه وجود دارد. منیزیت دارای ناخالصی های مختلفی مانند سیلیس، آهن، آلومینیوم ، منگنز، و کلسیم است که این ناخالصی ها معمولا ً به شکل کانی های متنوعی وجود دارند. مثلا برخی از این کانی ها عبارتند از: کوارتز، تالک، میکا مگنتایت (Magnetite). پس از استخراج سنگ معدن، باید عملیات فرآوری انجام شود. روش های فرآوری متنوع هستند مثلا خردایش ، دانه بندی، شستشو، جداسازی بوسیله ی آهنربا و ملوتاسیون برخی از این روش ها ست . پس از خالص سازی کربنات منیزیم ، این ماده کلسیناسیون می شود. دمای کلسینا سیون بین است. فرآیند کلسیناسیون موجب تولید دانه های بسیار ریز Mgo با خواص واکنشی بالا می شود. این محصول منیزیای سوز آور(caustic magnesia) نامیده می شود. نوع زینته شده یا پخته شده (dead- burned) منیزیا بوسیله ی کلسیناسیون منیزیم کربنات در دمای بالاتر از تولید می شود. در طی این فرآیند کریستال های واکنش پذیر رشد کرده و از این رو میزان واکنش پذیری آنها کاسته می شود.
منیزیا را همچنین می توان از آب دریا یا آب های شور با درصد پایین منیزیم تولید کرد. تقریبا 60% تولید ترکیبات منیزیمی در آمریکا از این منابع تامین می شود. آب دریا دارای در کیلوگرم است.
مهمترین فرآیند تولید Mgo از آب دریا بدین صورت است که هیدروکسید منیزیم از محلول نمک های مینزیم و بوسیله ی یک عامل بازی قوی رسوب می کند.(طبق واکنش زیر)}

 

^{رسوبات شسته شده ، فیلتراسیون می شود و بوسیله ی فرآیند کلسیناسیون آب گیری می شود. روش دیگر تولید منیزیا بدست آوردن منیزیا از آب شور است. این فرآیند بر پایه ی تجزیه یرسوبات در دمایرسوبات اتفاق می افتد. (طبق واکنش زیر )}

 

<sup>ظرفیت تولید سالانه ی منیزیا تقریبا 10 مگاتن در سال است. تقریبا 9 مگاتن از منیزیا از منابع طبیعی و تقریباً 1.5 مگاتن آن از آب دریاها و آب های شور بدست می آید. قیمت منیزیا در گسترده ی 150- 1200 دلار بر تن است. که این قیمت گذاری بر اساس خلوص آن انجام می شود.
کاربرد عمده ی منیزیا به عنوان دیرگدازهای مورد استفاده در آسترکاری کوره هاست. مقادیر بسیار کمی از منیزیا در تولید محلول خوراکی شیری رنگ (مخصوص درد معده) استفاده می شود. همچنین از منیزیا در ساخت سایر سرامیک ها مانند مواد اسپنیلی بدون کروم استفاده می شود. اسپینل بدون کروم در طبیعت در مقادیر قابل استفاده در صنعت وجود ندارد. اسپنیل را می توان بوسیله ی ذوب الکتریکی آلومینا و مینزیا تولید کرد.
* زیرکونیا


اکسید زیرکونیوم ، زیرکونیا) به طور عمده از زیرکن ) بدست می آید. زیرکن مینرالی است که در سنگ های آذرین مانند گرانیت ها و پگماتیت ها تشکیل می شود.
در برزیل و ماداگاسکار برای تولید زیرکن ، سنگ های آدرین پگماتیتی (pegmatates) را تجریه می کنند. همچنین زیرکن می تواند به عنوان جزئی از سنگ های دگرگون تشکیل شده باشد. در سواحل استرالیا، برزیل، هند و فلوریدا از زیرکن به صورت ذخایر موجود در ماسه های ساحلی وجود دارد که این ذخایر از نوع ذخایر ثانویه هستند. در این نوع از ذخایر که به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرد، زیرکن به همراه مینرال های دیگر مانند المنتایت (ilmentite) ، روتایل (rutile) و مونازیت (monazite) تشکیل شده است.
برای تولید زیرکونیای خالص از زیرکن چندین روش تجاری وجود دارد. زیرکن در دمای بالاتر از به زیرکونیا و سیلیس تجزیه می شود. تزریق ماسه های زیرکنی به یک محیط پلاسما (در دمای بالاتر از 6000c° ) باعث تجزیه شدن زیرکن و ذوب شدن آن می شود. در هنگام انجماد مذاب پلاسمایی ، زیرکونیا به صورت ساختار دندریتی انجماد پیدا می کند. وبه صورت پوششی شیشه ای بر روی زیرکونیا تشکیل می شود. سیلیس موجود در این ساختار می تواند بوسیله ی شستشو با محلول سدیم هیدروکسید جوشان از بین برود. در این فرآیند مواد زائد شسته می شود و زیرکونیا بوسیله ی سانتریفیوژ جدا سازی می شود.
روش اصلی در تولید اکسید زیرکونیوم ذوب زیرکن در کوره ی قوس الکتریکی است. دمای این ذوب بین 2100c°- 2300 است با آنکه دمای این واکنش نسبت به پلاسما پایین تر است اما فرآیند تجزیه ی زیرکن اتفاق می افتد. اما در این حالت زیرکونیای جامد در سیلیس مذاب تولید می شود. خلوص تولیدی در این روش تقریبا 99% است.
یکی دیگر از منابع تأمین کننده ی زیرکونیا ، بادولیت (baddeleyite: مونوکلینک و ناخالص) است. البته این کانی از لحاظ تجاری اهمیت کمتری نسبت به زیرکن دارد . ذخایر بادولیت کم می باشد. همچنین این ذخایر به همراه آلودگی هایی مانند سیلیس ، اکسید آهن و تیتانیا وجود دارد. ذخایر با دولیت به صورت تجاری در برزیل و آفریقای جنوبی استخراج می شوند. همه ی منابع سنگ معدن زیرکونیوم دارای مقادیر متنوعی از هافینوم ( به طور نمونه وار 3 – 1.5%) هستند . به دلیل شبیه بودن ویژگی های شیمیایی این دو ماده ، فرآیند جداسازی آنها گران قیمت است. به همین دلیل اکثر گریدهای زیرکونیا بیش از %3wt هافینوم دارند.
* زینسیت


اکسید روی (ZnO) به صورت طبیعی در مینرال زینسیت Zincite))وجود دارد. اکسید روی خالص سفید رنگ است. کانی زینسیت به دلیل وجود منگنز( بیش از 10%) و مقادیر ناچیزFeo قرمز رنگ است. منابع طبیعی زینسیت از لحاظ تجاری اهمیت ندارند. دو روش برای تولید اکسید روی وجود دارد:
1)اکسیداسیون فلز روی (در حالت بخار) با هوا
2)کاهش اسفا لاریت ( Sphalerite:zns) با کربن و CO اسفالاریت یکی از کانی های طبیعی و بسیار مهم از روی است. منابع عظیمی از این کانی در سنگ های آهکی دره ی میسی سی پی ، حوالی جوپلین (Joplin) وجود دارد .همچنین منابع عظیمی از این کانی در فرانسه ، مکزیک، اسپانیا ، سوئد و انگلستان وجود دارد.
مقادیر زیادی از اکسید روی تولید شده در صنعت تولید چسب و رابر استفاده می شود. از این اکسید همچنین در رنگ های لاتکس ، کاشی ها ، لعاب ها و صنعت پرسلان استفاده می شود.
این ماده همچنین یکی از مواد پر کاربرد در ساخت وریستور (Varistors) است.
* روتایل و آناتار


روتایل ، تیتانیا) یکی از اجزای تشکیل دهنده ی سنگ های آذرین مانند گرانیت و همچنین به عنوان یکی از مشتقات سنگ های دگرگون مانند گنیس (geneiss) است. این کانی به صورت سوزن های ریزی در نمک ها، میکای بیوتایتی (biotitemica) ، کوارتز و فلدسپار یافت می شود. از لحاظ اقتصادی ذخایر مهم این ماده در سنگ های آذرین ویرجینیا (Virginia) ،کانادا (Canada) و نوروی (Norway) یافت می شود. روتایل (rutile) همچنین یکی از اجزای مهم سنگ های ساحلی است که از فرسایش سنگ های دارای روتایل بوجود آمده اند. این سنگ های ساحلی در استرالیا، فلوریدا و هند وجود دارند.
تیتانیا همچنین از واکنش المنیت با اسید سولفوریک در دمای نیز تولید می شود. این واکنش به صورت زیر انجام می شود و تشکیل تیتانیل سولفات (Sulfate titanyl) می دهد:</sup>

 

_{^{تیتانیل سولفات در آب قابلیت حل شوندگی داشته و می توان بدین وسیله از ناخالصی های نامحلول در آب جداسازی شود. (این کار بوسیله ی فیلتراسیون انجام می شود.) هیدرولیز در دمای باعث تشکیل رسوبات هیدروکسیدطبق واکنش زیر می شود.:}}

 

<sup>هیدروکسید تیتانیل بوسیله ی کلسیناسیون در دمای 1000c° به تیتانیا تبدیل می شود.
* غیر اکسیدی ها


اکثر سرامیک های غیر اکسیدی مهم در طبیعت وجود ندارند و بنابراین باید آنها را سنتز کرد. روش سنتز این مواد معمولا یکی از روش های زیر است:
1)ترکیب مستقیم فلز و نافلز در دمای بالا
2)کاهش اکسید با کربن در دمای بالا (کاهش کربوترمال) و واکنش متعاقب با نافلز در این بخش از مقاله نگاه مختصری به سرامیک های غیر اکسیدی مهم داریم. برای نشان دادن تنوع سرامیک های غیر اکسیدی ما مثال هایی از کاربیدها ، نیتریدها و بوریدها را آورده ایم. البته سرامیک های غیر اکسیدی دیگری نیز وجود دارند که آنها نیز مورد توجه هستند.
SiC: ساینده ، بخش های الکترونیکی با شرایط دشوار
TiC: یا تاقان ، ابزارهای برش،
AIN:قطعات الکترونیکی، بوته ذوب فلز
: توربین های گازی آینده و اجزای موتورهای دیزل
Zr B_2: بوته ی ذوب فلز و تیوپ های ترموول (tubes Thermowell)
WC: ساینده، ابزارهای برش
C (گرافیت): روانساز جامد
C(الماس) : ساینده
* سیلیسیم کاربید


سیلیسیم کاربید(SiC) بیشترین مصرف را در بین مواد سرامیکی غیر اکسیدی دارد. کاربرد عمده ی این ماده در صنعت ساینده است. علت استفاده از آن در صنعت ساینده سختی بالا (تنها الماس، نیترید بورکیوبیک و کاربیدبور سختی بالاتری از سیلیسیم کاربید دارند.) سیلیسیم کاربید در طبیعت تشکیل نمی شود و بنابراین باید آن را به صورت مصنوعی ساخت. این ماده به دو شکل کریستالی وجود دارد. فرم کیوبیک که به آن فاز B می گویند (B-SiC) و فرم هگزا گونال که به آن فاز می گویند.(-SiC). فرم در دمای بالاتر از تشکیل می شود و فرم B در گستره ی دمایی تشکیل می شود.
سیلیسیم کاربید به صورت تجاری بوسیله ی فرآیند آچسون (Acheson Process) تولید می شود. در این فرآیند مخلوطی از ماسه ی سیلیسی (99.5%.)، کک (carbon) تهیه شده و در طول بزرگی دپو می شود. سپس الکترودهای کربنی در داخل توده جا سازی می گردد. هر توده معمولا از 3000 تن ماده تشکیل شده است. گرم کردن کک باعث آزاد شدن انرژی کک می شود. که معمولا در دما در بخش هایی از توده به نیز می رسد. انرژی الکتریکی کل که در طی راه اندازی استاندارد یک توده (کوره) مصرف می شود حدود 2 میلیون کیلو وات ساعت (kwh) است که این میزان تقریبا برابر است با 7 تراژول (7TJ). میانگین توان ورودی به کوره در طی راه اندازی کوره حدود 9000-10000KW است. در دمای بالا کک با واکنش می دهد و Sic و CO(مونواکسید کربن ) تولید می کند:

عملیات حرارت دهی کوره ادامه می یابد تا واکنش به طور کامل انجام شود. زمان حرارت دهی از2- 20 روز طول می کشد .(بسته به بزرگی کوره و ترانسفورماتور). پس از سرد شدن کوره، توده شکسته می شود و پس از خردایش دانه بندی می شود. مرکز توده دارای کریستال های SiC هگزاگونال با خلوص بالاست که رنگ آنها سبز است. این کریستال ها برای کاربردهای الکتریکی مناسبند. خلوص SiC براساس رنگ کریستال ها قابل تشخیص است:
خلوص % 9908 : سبز کم رنگ
خلوص % 99: سبز پررنگ
خلوص % 98.5 : سیاه رنگ</sup>

 

^{گرداگرد مرکز توده یک بخش با خلوص پایین (بیش تر از %97.5) وجود دارد که برای کاربردهای ساینده مناسب است. لایه ی بیرونی دارای مخلوطی از SiC و واکنش نداده و کربن است که این لایه در فرآیند پخت بعدی استفاده می شود. شکل 1 مثال هایی از کریستال های SiC تولید بوسیله ی فرآیند آچسون است.}

 

^{بزرگترین تولید کننده ی SiC جهان چین است .این کشور سالانه 450000 تن SiC تولید می کند. شکل 2 یک کارخانه ی تولید SiC را نشان می دهد. قیمت SiC تولیدی به روش آچسون بین 10- 40 دلار بر کیلوگرم است.}