पदार्थ, विज्ञान और तकनीक
प्रकार्यात्मक सेरामिक वह सेरामिक है जिसे उसके काम (function) के लिए चुना जाता है, सिर्फ़ दिखावट के लिए नहीं। काम पाने के लिए चार चीज़ें नियंत्रित करते हैं: रासायनिक नुस्खा, चूर्ण की शुद्धता, कणों का आकार और पकाना। इनमें से एक बदलो तो गुण बदल जाता है।
आम फाइन सेरामिक: एल्युमिना (एल्युमिनियम ऑक्साइड), ज़िरकोनिया, सिलिकॉन कार्बाइड, सिलिकॉन नाइट्राइड, बेरियम टाइटेनेट और लेड ज़िरकोनेट टाइटेनेट (PZT)।
यांत्रिक कार्य
इन सेरामिक के परमाणु बहुत मज़बूत बंधों से जुड़े होते हैं। इसलिए ये बहुत सख़्त होते हैं, घिसते नहीं, जंग नहीं खाते और ऊँची गर्मी में भी मज़बूत रहते हैं।
- एल्युमिना और ज़िरकोनिया: चाकू की धार, पंप के पुर्ज़े, कूल्हे के जोड़, दाँत के क्राउन।
- सिलिकॉन कार्बाइड और सिलिकॉन नाइट्राइड: बेयरिंग, इंजन के पुर्ज़े, कटिंग टूल की नोक।
कमज़ोरी यह है कि ये भंगुर होते हैं। इसलिए बहुत छोटे कण और ज़िरकोनिया से दरार का बढ़ना रोकते हैं।
विद्युत कार्य
- रोधी (इन्सुलेटर): धारा नहीं बहने देते। स्पार्क प्लग में एल्युमिना, बिजली के खंभों पर चीनी मिट्टी।
- परावैद्युत (डाइइलेक्ट्रिक): आवेश जमा करते हैं। फ़ोन के छोटे संधारित्र में बेरियम टाइटेनेट।
- पीज़ोइलेक्ट्रिक सेरामिक (PZT): दबाओ तो वोल्टेज बनता है; वोल्टेज दो तो आकार बदलता है। लाइटर, सेंसर, बज़र और अल्ट्रासाउंड में।
- अन्य: थर्मिस्टर (गर्मी से प्रतिरोध बदलता है), गाड़ियों में ज़िरकोनिया ऑक्सीजन सेंसर, फेराइट चुंबक और कुछ अतिचालक।
प्रकाशीय कार्य
प्रकाश तभी आर-पार जाता है जब उसे बिखेरने वाला कुछ न हो। छोटे छेद (रंध्र) और कणों के किनारे प्रकाश बिखेरते हैं, इसलिए साधारण सेरामिक सफ़ेद और धुँधला दिखता है। चूर्ण को बहुत सावधानी से पकाकर लगभग सारे छेद मिटा दें तो सेरामिक पारभासी या साफ़ हो जाता है।
- साफ़ एल्युमिना नली: सड़क की बत्तियों के अंदर।
- YAG जैसे लेज़र क्रिस्टल: तेज़ पतली किरण बनाते हैं।
- काँच-सेरामिक: चूल्हे की ऊपरी सतह जो गर्मी में चटकती नहीं।
- फॉस्फर सेरामिक: प्रकाश पड़ने पर चमकते हैं (सफ़ेद LED)।
करके देखो
घर पर करके देखो। क्लिक वाला गैस लाइटर लो (चक्के वाला नहीं)। क्लिक एक छोटे सेरामिक क्रिस्टल को दबाता है और चिंगारी बनती है। 3D में विद्युत चुनो और स्लाइडर खींचकर बल के साथ वोल्ट बढ़ते देखो। फिर प्रकाशीय चुनो और छेद शून्य तक घटाओ।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- मुख्य शब्द: प्रकार्यात्मक सेरामिक, रोधी, परावैद्युत, पीज़ोइलेक्ट्रिक, पारभासी, रंध्र
- पीज़ो निर्गम (सरल मॉडल): V = k x F, यानी बल दुगुना तो वोल्टेज दुगुना
- n परतों के बाद प्रकाश: I = I0 x T^n (T = एक परत से निकला अंश)
- कम छेद -> ज़्यादा प्रकाश आर-पार; ज़्यादा छेद -> ज़्यादा बिखराव
हल किए गए उदाहरण
1. एक पीज़ो सेंसर हर 1 kN बल पर 2 V देता है। 3.5 kN पर कितना वोल्टेज देगा?
V = k x F = 2 x 3.5 = 7 V।
2. सेरामिक की एक पतली परत 80% प्रकाश निकलने देती है। ऐसी तीन परतों से कितना निकलेगा?
हर परत प्रकाश को 0.8 से गुणा करती है। 0.8 x 0.8 x 0.8 = 0.512, यानी 51.2%।
3. सेरामिक चाकू बिना धार लगाए इस्पात के चाकू से ज़्यादा चलता है, पर गिरने पर बुरा क्यों है?
सेरामिक बहुत सख़्त है, इसलिए उसकी धार धीरे घिसती है। पर वह भंगुर है, इसलिए कठोर फर्श पर गिरने से चटक या टूट सकता है। इस्पात नरम पर दृढ़ है, इसलिए टूटने की जगह मुड़ता है।
आम गलतियाँ
- सब सेरामिक को रोधी मानना। कुछ अर्धचालक, आयनिक चालक या अतिचालक भी होते हैं।
- यह कहना कि पीज़ो प्रभाव के लिए बैटरी चाहिए। सिर्फ़ दबाने से वोल्टेज बनता है।
- यह मानना कि सेरामिक पारदर्शी नहीं हो सकता। लगभग छेद-रहित हो तो हो सकता है।
- सख़्त और दृढ़ को एक समझना। सेरामिक सख़्त हैं पर भंगुर।