निसर्गात आढळणाऱ्या मातकट व अतिसूक्ष्मकणी द्रव्यांना सिरॅमिक म्हणजे मृत्तिका म्हणतात. मर्यादित प्रमाणात पाणी मिसळल्यास सिरॅमिक आकार्य (Plastic) होते म्हणजे त्याला हवा तो आकार देता येतो. त्याचे पुष्कळ गुणधर्म त्यांच्यातील कणांच्या सूक्ष्म आकारमानामुळे आलेले असतात.आकार्यता, बल, आकुंचन, गलनीयता, काचीकरण, तापमानाचा पल्ला व रंग हे सिरॅमिकचे काही विशिष्ट गुणधर्म आहेत.मृद-खनिजांनुसार सिरॅमिकचे प्रकार पडतात.
इंग्रजी भाषेतील ‘सिरॅमिक्स’ ह्या शब्दाचा अर्थ भाजलेली वस्तू असा आहे. हा शब्द या अर्थाच्या KERAMOS या ग्रीक शब्दावरून आलेला आहे. प्राचीन काळी सिरॅमिकांचा वापर मातीच्या भांड्यांपुरताच मर्यादित होता; परंतु १८८२ मध्ये सिलिकॉन डाय – ऑक्साइडपासून उत्तापसह सामग्रीची निर्मिती झाल्यानंतरच खऱ्या अर्थाने सिरॅमिक्सविषयीच्या विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाच्या विकासाला सुरुवात झाली. सिरॅमिक्स हे धातू, अधातू किंवा धातुसदृश पदार्थांपासून बनविलेल्या अकार्बनी घन वस्तू असतात आणि त्यांमध्ये आयनी किंवा सहसंयुजा बंध असतात.
कुंभारकामामध्ये मातीची भांडी बनविण्यासाठी ज्या विविध पद्धती उपयोजिल्या जातात त्याच पद्धती सर्वसाधारणपणे आधुनिक सिरॅमिक्स निर्मितीत काही बदल करून वापरल्या जातात. ज्याप्रमाणे कुंभार मातीमध्ये विविध घटक मिसळून लागणारा कच्चा माल तयार करतो, त्यामध्ये पाणी मिसळून मातीला आकार देतो आणि शेवटी आकार दिलेले भांडे भाजून त्याची मजबुती वाढवितो, त्याच रीतीने आधुनिक सिरॅमिक वस्तू बनविल्या जातात, परंतु असे करताना काही जादा पायऱ्यांचा अवलंब केला जातो. कुंभारकामासाठी लागणारी माती ही निसर्गात मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असते; परंतु प्रत्येक सिरॅमिकची वस्तू बनविताना तीच चूर्ण स्वरूपात नैसर्गिक रीत्या उपलब्ध असेलच असे नाही. उदाहरणार्थ, बेरियम टिटॅनेट हे दाबविद्युत सिरॅमिक विविध विद्युत उपकरणांमध्ये वापरले जाते; परंतु नैसर्गिक रीत्या उपलब्ध असलेल्या बेरियम टिटॅनेटची मात्रा अत्यल्प असल्याने प्रथम बेरियम टिटॅनेट चूर्णाची निर्मिती करणे आवश्यक असते. अशा चूर्णाची निर्मिती विविध मार्गांनी करणे शक्य असते.
बेरियम टिटॅनेट चूर्ण तयार करण्यासाठी सर्वसाधारणपणे बेरियम कार्बोनेट (BaCO3) आणि टिटॅनियम डाय – ऑक्साइड (TiO2) ही संयुगे वापरली जातात. त्यांचे योग्य प्रमाणात मिश्रण केल्यानंतर त्यामध्ये एथेनॉल किंवा तत्सम विद्रावक घातला जातो आणि हे मिश्रण गोलक गिरणीत फिरविले जाते, जेणेकरून तयार झालेले मिश्रण एकजिनसी असेल. त्यानंतर हे मिश्रण गरम करून त्यातील एथेनॉलचे बाष्पीभवन केले जाते. मिळालेल्या मिश्रणाची साधारणपणे १०००० – १२००० से. तापमानाला अभिक्रिया करून बेरियम टिटॅनेट चूर्ण तयार केले जाते. अशा पद्धतीने चूर्ण तयार केल्यानंतर त्यामध्ये पॉलिव्हिनिल अल्कोहोलसारखे बंधक मिसळून चूर्णाला आवश्यक आकार दिला जातो. या अवस्थेतील सिरॅमिकला हरित सिरॅमिक असे म्हणतात. हरित अवस्थेमध्ये त्याचे सामर्थ्य अत्यल्प असते. सामर्थ्य वाढविण्यासाठी हरित सिरॅमिकाचे ताप – संसंजन केले जाते जेणेकरून त्याची सच्छिद्रता जवळपास नष्ट होते आणि घन सिरॅमिक वस्तूची निर्मिती होते. सिरॅमिकांना आकार देण्याचे आणि त्यांचे ताप – संसंजन करण्याचे विविध पर्याय उपलब्ध आहेत. सिरॅमिक पदार्थ निर्मिती प्रक्रियेचा विचार केल्यास त्यांमध्ये आवश्यक सिरॅमिक वस्तूच्या चूर्णाची निर्मिती करणे, त्यास आवश्यक तो आकार देणे आणि ताप – संसंजनाने त्याचे सामर्थ्य वाढविणे अशा तीन पायऱ्यांचा समावेश होतो.
सिरॅमिक पदार्थांचे सर्वसाधारणपणे वर्गीकरण ऑक्साइड सिरॅमिक आणि नॉन – ऑक्साइड सिरॅमिक असे केले जाते. ऑक्साइड सिरॅमिकांमध्ये ॲल्युमिना, सिलिका, झिरकोनिया अशा एक किंवा अधिक धातूंच्या ऑक्साइड पदार्थांचा समावेश होतो. तर नॉन – ऑक्साइड सिरॅमिकांमध्ये विविध प्रकारची बोराइडडे उदाहरणार्थ,टिटॅनियम बोराइड, सिलिकॉन बोराइड, बोरॉन कार्बाइड, टिटॅनियम कार्बाइड, टंगस्टन कार्बाइड, ॲल्युमिनियम नायट्राइड, बोरॉन नायट्राइड आणि सिलिकॉन नायट्राइड यांचा समावेश होतो.
सर्वसाधारणपणे सिरॅमिके कठीण आणि ठिसूळ असतात. त्यांचे दाब सामर्थ्य उत्कृष्ट असते, परंतु तन्यता सामर्थ्य अतिशय कमी असते आणि त्यामुळेच जटिल आकारांच्या सिरॅमिक वस्तूंची निर्मिती करणे अवघड असते. त्यांच्या विशिष्ट बंध रचनेमुळे सिरॅमिक पदार्थ १०००0 – १५००0 से. इतक्या उच्च तापमानाला वापरता येतात. सामान्यतः इतक्या उच्च तापमानाला इतर कुठल्याही पदार्थांचा (धातू, धातु -सामिश्रे, बहुवारिके इ.) टिकाव लागत नाही. त्यामुळे उच्च तापमान असणाऱ्या उपकरणांमध्ये सिरॅमिकांचा वापर केला जातो. सिरॅमिकांचा रासायनिक प्रतिरोधही उत्तम असल्याने ते विविध प्रकारच्या वातावरणात वापरता येतात. तसेच बहुतांश सिरॅमिकांची विद्युत आणि औष्णिक संवाहकता अतिशय कमी असल्याने हे पदार्थ विद्युत आणि औष्णिक निरोधनासाठी वापरले जातात. अर्थात काही सिरॅमिके या गुणधर्माला अपवाद ठरतात. विविध सिरॅमिकांच्या विशिष्ट गुणधर्मांमुळे त्यांचा वापर अनेकविध साधनांमध्ये केला जातो.
सिरॅमिकांचे दाब सामर्थ्य उत्तम असते आणि त्यामुळे त्यांचा वापर विविध प्रकारच्या विटा, फरश्या तयार करण्यासाठी केला जातो. बांधकामासाठी वापरल्या जाणाऱ्या विटांमध्ये सिलिका, ॲल्युमिना, कॅल्शियम ऑक्साइड, मॅग्नेशिया आणि फेरिक ऑक्साइड हे प्रमुख घटक असतात. विविध प्रकारच्या फरश्या तयार करतानाही सर्वसाधारणपणे हेच घटक वापरले जातात; परंतु नंतर फरश्या बनविण्याच्या पद्धतीमध्ये काचाभ (vitreous) फरश्या तयार करण्याची पद्धत रूढ झाली आहे. त्या आकर्षक असतात आणि त्यांचा रासायनिक प्रतिरोधही अधिक असतो. सिरॅमिकांच्या उच्च तापमान सहन करण्याच्या क्षमतेमुळे आणि औष्णिक निरोधनामुळे त्यांचा चिनी मातीच्या भांड्यांसाठीचा वापर तर सर्वश्रुत आहेच. ॲल्युमिना, सिलिका, मॅग्नेशिया यांसारखी सिरॅमिके त्यांच्या उत्कृष्ट औष्णिक निरोधन, रासायनिक प्रतिरोध, झीज प्रतिरोध आणि उच्च द्रवणांकामुळे झोतभट्टीसारख्या विविध भट्ट्यांमध्ये उत्तापसही सामग्री म्हणून वापरतात.
सिरॅमिकांच्या वरील पारंपरिक उपयोगांशिवाय विविध अत्याधुनिक प्रणालींमध्येही वापर केला जातो. सिलिकॉन कार्बाइड आणि टिटॅनियम कार्बाइड यांसारख्या सिरॅमिकांचा वापर त्यांच्या उत्कृष्ट औष्णिक निरोधन आणि झीज प्रतिरोधामुळे विविध क्षेपणास्त्रे, अवकाशयाने यांमध्ये केला जातो. ॲल्युमिना निसर्गतः मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असल्याने आणि त्याचे दाब सामर्थ्य उत्तम असल्याने त्याचा वापर सैनिकांना देण्यात येणाऱ्या चिलखतांमध्ये केला जातो. जेणेकरून शत्रूपक्षाने केलेल्या हल्ल्यात सैनिक जखमी होणार नाहीत. अर्थात अशी चिलखते वजनाने जड असून त्यांचे वजन कमी करण्याविषयक संशोधन जगभर जोमाने चालू आहे. बेरियम टिटॅनेट आणि इतर दाबविद्युत सिरॅमिके त्यांच्या उच्च पारगम्यता, विद्युत निरोधन आणि दाबविद्युत स्थिरांक यांमुळे संवेदक साधने, सोनार (Sound Navigation and Ranging) साधने, धारित्र ( Capacitor ) यांमध्ये वापरली जातात. सर्वसाधारणपणे असे मानले जाते की, सिरॅमिके उच्च औष्णिक निरोधक असतात; परंतु ॲल्युमिनियम नायट्राइड, बोरॉन नायट्राइड आणि सिलिकॉन नायट्राइड मात्र त्यास अपवाद ठरतात. ही सिरॅमिके औष्णिक सुवाहक व विद्युत दुर्वाहक असतात आणि त्यामुळेच त्यांचा वापर अवकाशयानांतील विशिष्ट प्रणालींमध्ये केला जातो. सर्वसाधारणपणे सिरॅमिक विजेचे दुर्वाहक असले, तरी काही सिरॅमिके अर्धसंवाहकता (Semiconducting) तर काही अतिसंवाहकता (Superconducting) दर्शवितात. झिंक ऑक्साइड, इंडियम टिन ऑक्साइड यांसारखी सिरॅमिके अर्धसंवाहकता दर्शवितात; तसेच विविध प्रक्रियांद्वारा त्यांचे पट्टीअंतर (Band gap) कमी-जास्त करता येत असल्याने त्यांच्या विद्युत संवाहकतेमध्येही बदल घडवून आणता येतो आणि त्यामुळेच त्यांचा वापर विविध अर्धसंवाहक उपकरणे,एलईडी दिवे यांमध्ये केला जातो.
इट्रीयम बेरियम कॉपर ऑक्साइड, मर्क्युरी बेरियम कॅल्शियम कॉपर ऑक्साइड ही अतिसंवाहक सिरॅमिकांची उदाहरणे होत. या सिरॅमिकांचे क्यूरी तापमान बऱ्याचशा धातवीय अतिसंवाहकांपेक्षा जास्त असते आणि त्यामुळे अशा नेहमीच्या अतिसंवाहकांपेक्षा ही सिरॅमिक अतिसंवाहके जास्त तापमानाला वापरता येतात. अर्थात असे असले तरीही त्यांचे क्यूरी तापमान 00 से.पेक्षा कमी असल्याने अजूनही त्यांचा वापर मुबलक प्रमाणात होऊ शकलेला नाही आणि त्यामुळेच अशा प्रकारच्या सिरॅमिकांचे क्यूरी तापमान 00 से.पर्यंत वाढविण्याविषयीचे संशोधन आवश्यक ठरते.
सिरॅमिकांचा ठिसूळपणा हा मुख्य दोष असून तो विविध पद्धतींनी कमी करणे आणि त्यांचे तन्यतासामर्थ्य वाढवून त्यांचा वापर विविध साधनांमध्ये करणे हेही आज होत असलेल्या सिरॅमिक शास्त्रातील संशोधनात प्रमुख आव्हान ठरते.
संदर्भ :
- Barsoum, M.W. Fundamentals of Ceramics, Bristol, 2003.
- Carter, B.C.; Norton, G.M. Ceramic Materials Science and Engineering, New York, 2007.
- Kingery, W.D.; Bowen, H.K.; Ulhmann D.R. Introduction to Ceramics, New York, 1976.
समीक्षक – बाळ फोंडके