ماذا تعرف عن إختراع الخزف؟

[Mary Naeem]

ماذا تعرف عن إختراع الخزف؟

تبدأ صباحك كل يوم مع إستخدام الخزف (السيراميك) وسيهيمن على يومك، فداخل المنزل من الطوب والإسمنت والزجاج استيقظت على ساعة الكوارتز، وأخذت شاور في الحمام المبلط، وتم تناول الشاي في أكواب فخارية وأوعية، وربما كنت تعمل طوال اليوم على جهاز كمبيوتر (مليء بمكونات إلكترونية تعتمد على الخزف مثل الرقائق الدقيقة، أو المكثفات، أو المقاومات)، وقبل أن تعود إلى المنزل تحصل على كوب من العصير، وتناول العشاء من أطباق الخزف نفسه، وتجلس أمام تلفزيون الكريستال السائل، وقبل التوجه للنوم تضبط ساعة الكوارتز لتكون جاهزة للتكرار مرة أخرى غدا، فإننا نعيش في عالم من الخزف يعيشه الناس منذ آلاف السنين، ولكن ما هي بالضبط الخزف أو السيراميك؟

ما هو الخزف ؟

الزجاج، والبلاط، والفخار، والبورسلين، والطوب، والأسمنت، والماس، والجرافيت ربما يمكنك أن ترى من هذه القائمة الصغيرة أن الخزف مصطلح واسع للغاية، وسوف نواجه صعوبة في تحديده، ولكن ما هو الشيء المشترك بين هذه المواد المختلفة للغاية؟ من وجهة نظر كيميائية ستجد معظم الكتب والقواميس العلمية التي تخبرك بأن الخزف مادة صلبة غير معدنية وغير عضوية (تلك التي ليست معدنية أو تعتمد على مركبات الكربون)، وبعبارة أخرى، الخزف هو ما تبقى لدينا عندما نزيل المعادن والمواد العضوية (بما في ذلك الخشب والبلاستيك والمطاط وأي شيء كان على قيد الحياة).

تحاول بعض الكتب أيضا تعريف الخزف على أنه مواد حرارية، وهو مصطلح تقني في علم المواد يعني أنه قادر على تحمل الصعوبات اليومية مثل درجات الحرارة الشديدة، وهجمات الأحماض والقلويات، والإحتكاك، وغالبا ما يبدو من الأسهل تحديد المواد من حيث خصائصها (كيف تتصرف عندما نقوم بتسخينه، أو تمرير الكهرباء من خلاله، أو نقعه في الماء على سبيل المثال)، ولكن بمجرد أن نبدأ في ذلك يمكن أن تصبح الأمور مربكة.

على سبيل المثال، يعتبر الجرافيت (شكل أو تآثر من الكربون) من الخزف لأنه غير معدني وغير عضوي ومع ذلك (على عكس معظم الخزف) فهو ناعم ويستخدم بسهولة، وهو موصل جيد للكهرباء، ولذلك إذا نظرت فقط إلى خصائص الجرافيت، فلن تعتبره خزفا على الإطلاق، والماس (شكل آخر من الكربون) هو أيضا يعتبر من الخزف لنفس السبب، ولا يمكن أن تكون خصائصه أكثر اختلافا عن خصائص الجرافيت، ولكنه يشبه خصائص الخزف الأخرى، (مثل السيراميك الحديث مثل كربيد التنجستن، وكان الماس يستخدم منذ فترة طويلة في أدوات القطع والحفر).

أنواع السيراميك

بدأ الناس في صنع الخزف لأول مرة منذ آلاف السنين (الفخار والزجاج والطوب من بين أقدم المواد التي اخترعها الإنسان)، وما زلنا نصمم مواد من الخزف جديدة اليوم، أشياء مثل المحولات الحفازة لسيارات اليوم والموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية لأجهزة كمبيوتر الغد، وهناك فرق كبير بين الخزف القديم للأغراض العامة مثل الطوب والزجاج، والخزف الحديث المصمم هندسيا والذي يتم تصميمه أحيانا لغرض واحد محدد مثل تصفية السخام من محرك الديزل المتسخ في الشاحنة أو صنع مثقاب يستمر خمس مرات فترة أطول، وهذا هو السبب جزئيا في رغبة علماء المواد في تقسيم الخزف إلى نوعين الخزف التقليدي والخزف المتطور (أو الهندسي).

الخزف التقليدي

يعد الطوب والفخار والزجاج والبورسلين والبلاط والأسمنت والخرسانة خزفا كلاسيكيا تم اختباره عبر الزمن، وعلى الرغم من أن جميعها لها استخدامات مختلفة، فلا يزال بإمكاننا التفكير فيها كمواد للأغراض العامة، والبلاط على سبيل المثال، يمكننا وضعه داخل منازلنا أو خارجها على الجدران أو الأرضيات أو السقف، ويمكننا أن نضع الزجاج في نوافذنا أو على شاشات الهواتف الذكية ويمكننا حتى شرب الشاي منه، والخزف هذا هو مواد قديمة تلك التي يعرفها أسلافنا والتي وجد لها تدريجيا المزيد من الإستخدامات على مر القرون.

الخزف الهندسي المتطور

على النقيض من ذلك، فإن الخزف المتطور هو الذي تم تصميمه (غالبا منذ أوائل القرن العشرين) لتطبيقات محددة للغاية، على سبيل المثال، صمم نتريد السليكون وكربيد التنجستن لصنع أدوات قطع عالية الأداء على الرغم من أن لها إستخدامات أخرى أيضا، ومعظم الخزف الهندسي الحديث هو أكاسيد معدنية، وكربيدات، ونتريد مما يعني أنها مركبات مصنوعة من خلال الجمع بين ذرات المعدن مع ذرات الأكسجين أو الكربون أو النيتروجين.

ولذا، على سبيل المثال، لدينا كربيد التنجستن، وكربيد السيليكون، ونتريد البورون، وهي عبارة عن خزف صلب وأداة حادة، ويستخدم أكسيد الألومنيوم (الألومينا) وثاني أكسيد السيليكون في صنع دوائر متكاملة (الرقائق الدقيقة)، ويستخدم أكسيد الليثيوم والسيليكون لصنع خطم مخروطي واقي من الحرارة على الصواريخ الفضائية، وتصنع الموصلات الفائقة عالية الحرارة من بلورات الإيتريوم والباريوم والنحاس والأكسجين.

ليست كل مواد الخزف عالية التقنية مركبات بسيطة، فبعضها عبارة عن مواد مركبة حيث يشكل الخزف نوعا من مواد الخلفية تسمى القالب، والتي يتم تعزيزها بألياف من مادة أخرى (غالبا ألياف كربونية أو أحيانا ألياف من خزف مختلف تماما)، وتعرف مادة كهذه بمركب قالب الخزف، وتشمل الأمثلة ألياف كربيد السيليكون في قالب كربيد السيليكون مع نيتريد البورون في الواجهة بينهما، وهي مادة تستخدم في المحركات النفاثة لتوربينات الغاز المتطورة.

ما هي خصائص الخزف ؟

كما رأينا بالفعل، فإن أهم خاصية الخزف العامة هي أنه مقاوم للحرارة، والخزف مواد قاسية ستتحمل كميات لا بأس بها من صعوبات الإستخدام في أكثر المواقف العادية والإستثنائية، وضع في اعتبارك أن معظمنا يبلط مطابخنا وحماماتنا لأن بلاط الخزف صلب، ومقاوم للماء، ومقاوم للخدوش إلى حد كبير، ويستمر في الظهور بشكل جيد سنة بعد أخرى لكن المهندسين يضعون أيضا بلاط الخزف على صواريخ الفضاء لحمايتهم من الحرارة عندما يعودون إلى الأرض.

إذا قمنا بتلخيص خصائص الخزف، فيمكننا القول أن الخزف لديه :

* نقطة إنصهار عالية (لذا فهو مقاوم للحرارة).
* صلابة وقوة كبيرة.
* متانة كبيرة (فهو طويل الأمد وشديدة التحمل).
* التوصيل الكهربائي والحراري منخفض (هو عازل جيد).
* سكون كيميائي (لا يتفاعل مع المواد الكيميائية الأخرى).
* معظم الخزف أيضا مواد غير مغناطيسية على الرغم من أن الفريت (الخزف القائم على الحديد) يصنع مغناطيسا رائعا (بسبب محتواه من الحديد).
هذه هي النقاط المفيدة، ولكن، بالتفكير في الخزف التقليدي مثل الزجاج أو البورسلين، ستلاحظ أيضا عيبا رئيسيا واحدا، يمكن أن يكون هشا وضعيفا، وسوف يتحطم أو يتكسر إذا أسقطته أو تغير درجة حرارته فجأة.

ما هي استخدامات الخزف ؟

من الزجاج والطوب إلى البورسلين والأسمنت، رأينا بالفعل أن هناك أشياء مختلفة لا حصر لها يمكن وصفها بالخزف، وليس من المستغرب إذن، هناك حرفيا المئات من التطبيقات المختلفة لمواد الخزف في كل شيء من الفضاء إلى صيانة حديقة الحيوان.

محركات الطائرات النفاثة على سبيل المثال هي أمثلة على آلات تسمى التوربينات الغازية، والتي تعمل عن طريق حرق مخاليط الوقود في درجات حرارة عالية لصنع عادم ناري الذي يشغل طائرة عبر الهواء، وتفسر الحاجة إلى التعامل مع درجات الحرارة المذهلة لماذا غالبا ما تصنع مكونات المحرك من الخزف، ولنفس السبب بالضبط تم إستخدام 31000 بلاط من الخزف في مكوك الفضاء لحمايته من الاحتراق في طريق عودته إلى الأرض من الفضاء، وبشكل مأساوي، كان فشل بلاط الخزف هو الذي أدى إلى زوال مكوك الفضاء كولومبيا حيث كان يكافح للعودة إلى الأرض في فبراير 2003.

إذا كان الفضاء الجوي هو إستخدام غير عادي للخزف الإستثنائي، فإن البناء هو أحد أفضل الإستخدامات المعروفة للخزف العادي اليومي، وحتى في عصرنا الحديث من المواد البلاستيكية الوفيرة والطوب والزجاج والأسمنت والخرسانة والبورسلين والبلاط من جميع الأنواع لا تزال المواد الخام التي تصنع منها معظم المباني، والأدوات المستخدمة في مواقع البناء غالبا ما تكون مصنوعة من الخزف أيضا، وسواء كنت تقوم بقطع الزجاج أو حفر ثقوب في البلاط أو طحن الخرسانة أو النشر عبر الطوب فإن الخزف الهندسي مثل التنجستن أو كربيد السيليكون سيساعدك على إدخال المزيد من الخزف التقليدي في الشكل والعمل بشكل أفضل لفترة أطول من الأدوات التقليدية المصنوعة من الفولاذ.

الخزف ليس دائما مرئي، في كثير من الأحيان لا نلاحظه على الإطلاق خاصة عندما يختبئ داخل المعدات الكهربائية والإلكترونية، ويحتوي أي شيء يحتوي على محرك كهربائي (كل آلة تعمل في المنزل تعمل بالطاقة الكهربائية) على مغناطيس وغالبا ما يتم تصنيعها من الخزف الفريت، (ستجد أيضا مغناطيسات من الفريت، أو أنواع أخرى من محولات الخزف، وفي مكبرات الصوت وسماعات الرأس) بينما نستخدم المعادن الموصلة مثل النحاس لنقل الكهرباء من مكان إلى آخر، علينا إستخدام الخزف لعزل الكهرباء ذات الجهد العالي في الأماكن مثل مولدات ومحولات توليد الطاقة، وفي بعض الأحيان يعزلنا الخزف عن الكهرباء والحرارة في نفس الوقت.

وغالبا ما يتم بناء عناصر التسخين في حاملات خزفية، وأواني الطهي الكهربائية مصنوعة من زجاج خزفي عالي الأداء، والمصابيح المتوهجة تحتوي على لمبات زجاجية تحمينا من الحرارة والكهرباء مع حماية خيوط من الجو، وربما يكون الاستخدام الكهربائي الأكثر تقدما للخزف في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (المواد التي لا تحتوي تقريبا على مقاومة كهربائية)، في حين أنه يجب تبريد الموصلات الفائقة التقليدية إلى ما يقرب من الصفر المطلق (−459.67 درجة فهرنهايت أو −273.15 درجة مئوية)، وإن هذا الخزف الجديد يصبح فائق التوصيل في ظروف دافئة نسبيا (لا تزال باردة −292 درجة فهرنهايت أو −180 درجة مئوية)، والتي يجعله أكثر عملية للإستخدام في أشياء مثل قطارات ماجليف العائمة وأجهزة الكمبيوتر المتطورة.