تتميز الخزفيات المتقدمة بخصائص عديدة، فهي تتمتع بخصائص ميكانيكية وصوتية وبصرية وحرارية وكهربائية وبيولوجية ممتازة. وتُستخدم في مجالات التكنولوجيا المتقدمة مثل الطيران والفضاء والإلكترونيات والطب الحيوي، بالإضافة إلى استخدامها في التصنيع المتقدم. وتتنوع أنواع الخزفيات المتقدمة، ولكل نوع منها خصائصه المميزة. فعلى سبيل المثال، تقاوم خزفيات الألومينا الأكسدة، بينما تتميز خزفيات نتريد السيليكون بقوتها ومقاومتها للتآكل الكهربائي، أما خزفيات أكسيد الزركونيوم فهي متينة ومتوافقة حيوياً.
ألومينا عالية النقاء
تتميز الألومينا عالية النقاء (4N وما فوق) بالعديد من المزايا، فهي نقية للغاية، وصلبة، وقوية. كما أنها تقاوم درجات الحرارة العالية والتآكل، وتتمتع بعزل حراري جيد وخصائص كيميائية مستقرة. انكماشها عند درجات الحرارة العالية معتدل، وتتميز بأداء تلبيد ممتاز. خصائصها أفضل من خصائص مسحوق الألومينا العادي، سواءً من الناحية البصرية أو الكهربائية أو المغناطيسية أو الحرارية أو الميكانيكية. تُعد الألومينا عالية النقاء مادةً فائقة الجودة وذات قيمة عالية، ولها استخدامات واسعة في الصناعات الكيميائية الحديثة. وتُعتبر الألومينا عالية النقاء من أفضل منتجات الألومينا عالية الأداء، وتُستخدم على نطاق واسع في الصناعات التقنية المتقدمة، بما في ذلك المواد الفلورية، والسيراميك الشفاف، والأجهزة الإلكترونية، والطاقة المتجددة، والمواد الحفزية، وصناعة الطيران والفضاء.
تتميز سيراميكات الألومينا الشفافة عالية النقاء بنفاذية ضوئية جيدة، كما أنها تتفوق على السيراميكات المعتمة في الخصائص الميكانيكية والبصرية والحرارية والكهربائية. تُعد ركائز سيراميك الألومينا الأكثر استخدامًا في الإلكترونيات الحديثة، فهي المواد الأساسية لرقائق الدوائر المتكاملة. يُستخدم الألومينا عالي النقاء في ركائز السيراميك في تطبيقات متطورة، تشمل مكونات دقيقة لمعدات أشباه الموصلات. وتخضع هذه السيراميكات لمتطلبات أداء أكثر صرامة من السيراميكات الدقيقة العامة.
يُعدّ الجزء الكاشط من سائل التلميع بالغ الأهمية، ويُعتبر الألومينا عالي النقاء مثاليًا لهذا الغرض. ومع ازدهار صناعة أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون، بات من الضروري استخدام الألومينا فائق النعومة وعالي النقاء في تلميع أشباه الموصلات.
حجر بومو
يحتوي البوهيميت على ماء بلوري واحد. صيغته الكيميائية هي γ-Al2O3·H2O أو γ-AlOOH. وهو نوع من أنواع هيدرات الألومينا.
بفضل مساحة سطحه الكبيرة ومساميته العالية، يُعدّ هذا المركب مادة خام أساسية لإنتاج مواد ماصة سريعة وفعّالة وقابلة لإعادة الاستخدام. كما أنه يحافظ على شكله بعد تغير الطور. وتجعله توافقيته الحيوية مفيدًا في جراحة العظام وطب الأسنان، ويتألق في مجال الطب الحيوي. أما مقاومته الفريدة للاشتعال، وقدرته الجيدة على التعبئة، ومقاومته للتسرب، فتجعله واسع الاستخدام في الصفائح النحاسية الرقيقة جدًا عالية الأداء. ويسمح تركيبه المعيني المستقر وكثافة مجموعات الهيدروكسيل العالية على سطحه بتعديله بواسطة مجموعات وظيفية متنوعة. وهو مادة خام لصنع المحفزات والكواشف المدعومة باهظة الثمن.
نتريد الألومنيوم
مع ازدياد سرعة وتصغير رقائق الإلكترونيات، ارتفعت حرارتها بشكل كبير. لذا، يُعدّ التغليف المناسب وتبديد الحرارة بكفاءة من أهمّ التحديات التي تواجه تطوير أجهزة الطاقة. تتميّز المواد الخزفية بموصلية حرارية عالية ومقاومة للحرارة، فضلاً عن متانتها وعزلها الحراريّين. تتوافق هذه المواد مع الخصائص الحرارية لمواد الرقائق، مما يجعلها مثالية لتغليف أجهزة الطاقة.
من بينها، يُعدّ نتريد الألومنيوم المادة الخزفية ذات الموصلية الحرارية الأفضل. تصل موصليته الحرارية النظرية إلى 320 واط/(متر·كلفن). أما المنتجات التجارية، فتتراوح موصليتها الحرارية بين 180 و260 واط/(متر·كلفن). وهذا ما يجعله مناسبًا لركائز تغليف الرقائق الإلكترونية عالية الطاقة وذات عدد كبير من الأطراف وكبيرة الحجم. إضافةً إلى موصليته الحرارية العالية، تشمل خصائصه الممتازة الأخرى ما يلي:
(1) معامل التمدد الحراري (4.3 × 10-6 / درجة مئوية) يتطابق مع معامل التمدد الحراري لمواد السيليكون شبه الموصلة ((3.5 ~ 4.0) × 10-6 / درجة مئوية)؛;
(2) خصائص ميكانيكية جيدة، أعلى من سيراميك BeO وقريبة من الألومينا؛;
(3) خصائص كهربائية ممتازة، مع مقاومة عزل عالية للغاية وفقدان عازل منخفض؛;
(4) يمكن إجراء التوصيل متعدد الطبقات لتحقيق كثافة عالية وتصغير حجم التغليف؛;
(5) غير سام وصديق للبيئة.
نتريد السيليكون
يُستخدم نتريد السيليكون حاليًا بشكل أساسي كمادة خزفية. وتُعدّ خزفيات نتريد السيليكون ذات أهمية بالغة في الصناعة، لا سيما في المجالات التقنية المتقدمة. على سبيل المثال:
تُعدّ كرات المحامل من أكثر منتجات السيراميك المصنوعة من نيتريد السيليكون استخدامًا، حيث يبلغ إنتاجها السنوي 301 تريليون طن من منتجات نيتريد السيليكون عالية الأداء في العالم. تتميز كرات محامل نيتريد السيليكون السيراميكية بتفوقها على الكرات الفولاذية، فهي أخف وزنًا، وتتحمل درجات حرارة عالية، وتتمتع بخاصية التشحيم الذاتي، ومقاومة للتآكل. كما أن نمط فشلها الناتج عن الإجهاد مماثل لنمط فشل الكرات الفولاذية. ولذلك، تُستخدم كرات محامل نيتريد السيليكون السيراميكية في العديد من التطبيقات، منها المحامل الدقيقة لآلات التشغيل والسيارات وتوربينات الرياح، بالإضافة إلى المحامل المقاومة للتآكل في الصناعات البتروكيماوية التي تتحمل درجات الحرارة العالية.
الألومينا الكروية
من بين العديد من المساحيق الموصلة للحرارة، يُعدّ الألومينا الكروي الأكثر شيوعًا في التطبيقات المتطورة. فموصليته الحرارية العالية، ومعامل التعبئة العالي، وانسيابيته الجيدة، وتكلفته المنخفضة تجعله مثاليًا. كما أنه يتمتع بعملية إنتاج متطورة ومواصفات عديدة.
كما أن المساحيق الكروية تُحسّن المنتجات بشكل كبير، إذ يُعدّ شكلها المنتظم وكثافتها العالية وانسيابيتها الجيدة من أهمّ مميزاتها. تتميّز مساحيق أكسيد الألومنيوم الكروية بموصلية حرارية عالية، وتُستخدم أيضاً في صناعة السيراميك وحوامل المحفزات، وهي موضوع دراسات واسعة النطاق في هذه المجالات.
تيتانات الباريوم
تيتانات الباريوم (BaTiO3) عبارة عن بنية بيروفسكايت من نوع ABO3. منذ القرن العشرين، تتميز سيراميك تيتانات الباريوم بخصائص عازلة ممتازة، لذا فهي تُستخدم كمادة عازلة للمكثفات. كما أنها مسحوق سيراميك إلكتروني شائع الاستخدام، وتُستخدم أيضًا كمادة أساسية في صناعة المكونات الإلكترونية، ولذلك تُعتبر "ركيزة صناعة السيراميك الإلكتروني".“
أكسيد الزركونيوم النانوي المركب
الزركونيا النانوية المركبة نوع من أنواع الزركونيا. يمكن للمثبتات أن تحافظ على طورها الرباعي أو المكعب عند درجة حرارة الغرفة. تتكون هذه المثبتات بشكل أساسي من أكاسيد العناصر الأرضية النادرة وأكاسيد المعادن القلوية الترابية. تشمل أكاسيد العناصر الأرضية النادرة Y₂O₃ و CeO₂، بينما تشمل أكاسيد المعادن القلوية الترابية CaO و MgO.
مع تقدم العلوم والتكنولوجيا، تظهر أجهزة ومعدات جديدة ذات استخدامات خاصة، تتطلب معايير عالية للمواد ووظائف المكونات. ويتزايد الطلب بشكل سريع على مواد الزركونيا النانوية المركبة، التي تتميز منتجاتها بالمتانة، ومقاومة الحرارة، ومقاومة التآكل، ومقاومة الصدأ، فضلاً عن خصائصها البصرية المميزة. وتُعد الزركونيا المُثبتة بالإيتريا أكثر أنواع الزركونيا النانوية المركبة استخدامًا وشهرةً.
يتميز هذا المنتج بموصلية عالية لأيونات الأكسجين وخصائص ميكانيكية جيدة، كما أنه مقاوم للأكسدة والتآكل. يتميز بمعامل تمدد حراري عالٍ وموصلية حرارية منخفضة، وهو مستقر ومقاوم للأكسدة.
يُستخدم على نطاق واسع في المواد الهيكلية والوظيفية، ومنها: أجهزة استشعار الأكسجين، والمضخات، وخلايا الوقود الصلبة، والسيراميك الكهروإجهادي، وطلاءات محركات الطائرات.
كربيد السيليكون عالي النقاء
تنقسم مواد كربيد السيليكون إلى فئتين: السيراميك والبلورات الأحادية. وباعتبارها مادة سيراميكية، فإن نقاوتها ليست ذات أهمية كبيرة في التطبيقات العامة، ولكنها ضرورية في حالات خاصة. على سبيل المثال، تُستخدم كمكون دقيق في معدات أشباه الموصلات، مثل آلات الطباعة الحجرية، وذلك لتجنب التأثير على نقاء رقائق السيليكون.
مع ذلك، فإن خصائص كربيد السيليكون (SiC) تجعل من الصعب إنتاج بلورات أحادية. ويعود ذلك أساسًا إلى عدم وجود طور سائل بنسبة سيليكون إلى كربون 1:1 عند الضغط الجوي العادي. وبالتالي، لا تستطيع الطرق التقليدية المتبعة في صناعة أشباه الموصلات إنتاج هذه البلورات، ومنها طريقة السحب المباشر وطريقة البوتقة الساقطة. ولحل هذه المشكلة، بذل العلماء جهودًا حثيثة لإيجاد طرق لإنتاج بلورات SiC عالية الجودة وكبيرة الحجم ومنخفضة التكلفة. ومن أكثر الطرق شيوعًا: الترسيب الفيزيائي للبخار (PVT)، وطريقة الطور السائل، والترسيب الكيميائي للبخار عند درجات حرارة عالية.