วัสดุศาสตร์และวัสดุวิศวกรรม

ในปัจจุบันไม่ว่าวิศวกร นักวิทยาศาสตร์ หรือนักเทคโนโลยีล้วนต้องเกี่ยวข้องกับวัสดุ(materials) อยู่เสมอทั้งในเชิงของผู้ใช้วัสดุ ผู้ผลิตและผู้ควบคุมกระบวนการผลิต ตลอดจนผู้ออกแบบทั้งในรูปแบบ องค์ประกอบ และโครงสร้าง บุคคลเหล่านี้จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมถูกต้องจาก สมบัติของวัสดุเหล่านั้น นอกจากนี้ยังจะต้องสามารถวิเคราะห์ได้ว่า เมื่อมีความผิดปกติเกิดขึ้นมันเป็นเพราะเหตุใด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัจจุบันการค้นคว้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีได้มีความ ก้าวหน้าไปอย่างมาก วัสดุใหม่ๆถูกผลิตขึ้น คุณสมบัติพิเศษๆก็ถูกค้นคว้าขึ้นมากมาย กระบวนการผลิตก็สามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ราคาของวัสดุนั้นต่ำลง ความรู้เกี่ยวกับวัสดุ จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่ทุกคนควรจะได้รับรู้ไว้บ้าง

1.1 วัสดุและวิศวกรรม

วัสดุ คือ สสารที่ประกอบและทำขึ้นด้วยสารบางอย่างซึ่งเป็นสารเคมี ตั้งแต่อารยธรรมได้เริ่มขึ้น มนุษย์ได้รู้จักใช้วัสดุพร้อมกับพลังงานเพื่อช่วยทำให้มาตรฐานความเป็นอยู่ ของชีวิตดีขึ้นมาโดยตลอด จะเห็นได้ว่าวัสดุทั้งหลายที่อยู่รอบๆตัวเราล้วนเป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตขึ้นมา จากวัสดุทั้งสิ้น วัสดุที่เราพบเห็นอยู่ทั่วไป เช่น ไม้ คอนกรีต อิฐ เหล็กกล้า พลาสติก แก้ว ยาง อะลูมิเนียม ทองแดง และกระดาษ เป็นต้น ถ้าเราดูไปรอบตัวของเราจะเห็นวัสดุมีมากมายหลากหลายชนิด ทั้งนี้เพราะการวิจัยและพัฒนาได้ผลิตวัสดุใหม่ๆออกมาอย่างต่อเนื่อง ผลิตภัณฑ์และกระบวนการผลิตวัสดุให้ออกมาเป็นวัสดุสำเร็จรูป จัดว่าเป็นส่วนที่สำคัญในสภาวะเศรษฐกิจปัจจุบัน วิศวกรมีหน้าที่ออกแบบผลิตภัณฑ์และระบบของกระบวนการผลิตเป็นส่วนใหญ่ ทั้งนี้ผลิตภัณฑ์ที่จะต้องผลิตต้องรู้ว่าประกอบด้วยวัสดุต่างๆอะไรบ้าง วิศวกรต้องมีความรู้ทั้งในเรื่องของโครงสร้างภายในและสมบัติของวัสดุ เพื่อที่จะได้สามารถเลือกใช้วัสดุได้อย่างเหมาะสม และยังสามารถที่จะพัฒนากระบวนการผลิตหรือวิธีทำให้ดีที่สุดได้

งานของวิศวกรทางด้านการวิจัยและพัฒนาจะช่วยสร้างวัสดุใหม่ๆขึ้นมา หรือปรับปรุงสมบัติของวัสดุเดิมให้ดียิ่งขึ้น วิศวกรผู้ออกแบบจะเลือกใช้วัสดุที่มีอยู่ปรับปรุงให้ดีขึ้น หรือใช้วัสดุชนิดใหม่ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ชนิดใหม่และสร้างระบบใหม่ บางครั้งในทางตรงกันข้าม วิศวกรผู้ออกแบบเกิดปัญหาในการออกแบบที่จำเป็นต้องใช้วัสดุชนิดใหม่ที่คิด ค้นจากนักวิจัยและวิศวกร ตัวอย่างเช่น การออกแบบเครื่องบินขนส่งที่มีความเร็วสูงกว่ากว่าเสียง คือ X-30 วิศวกรผู้ออกแบบจะต้องพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ให้สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 1800C(3250F) ได้โดยที่ขณะบินด้วยความเร็วสูง 12 ถึง 15 เท่าของความเร็วเสียง(12-25Mach) วัสดุที่ได้มีการศึกษาเพื่อใช้กับ X-30 ชนิดหลังสุด(1993)มีหลายชนิด เช่น เส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์เสริมแรงเข้ากับโลหะผสมของไทเทเนียม ชื่อ Timetal 215 เพื่อใช้ทำโครงสร้างที่สามารถรับน้ำหนักและหล่อลื่น วัสดุผสมของคาร์บอน-คาร์บอนใช้ทำอุปกรณ์ของระบบป้องกันความร้อน วัสดุผสมของเส้นใยคาร์บอนกับอีพอกซีใช้ทำถังใส่เชื้อเพลิง

งานที่ท้าทายวิศวกรอีกประเภทหนึ่งคือ การสร้างสถานีอวกาศถาวร เพื่อให้มนุษย์ขึ้นไปอยู่ปฏิบัติงานในอวกาศได้ มีโครงการอันหนึ่งที่เสนอการประกอบโครงสร้างหลักของสถานีอวกาศ โดยทำเป็นคานรูปตัวไอ(I) ที่ขณะโคจรอยู่รอบโลก และเครื่องรับส่งสัญญาณทำด้วยวัสดุผสมพวกพอลิอีเทอร์อิไมด์ และพอลิอีเทอร์อีเทอร์คีโทน
การค้นคว้าหาวัสดุชนิดใหม่ๆยังคงดำเนินต่อไป เช่น วิศวกรเครื่องกลพยายามค้นหาวัสดุที่ทนอุณหภูมิสูงมากขึ้นเพื่อนำไปสร้าง เครื่องยนต์ไอพ่นที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่งขึ้น วิศวกรไฟฟ้าก็ค้นหาวัสดุชนิดใหม่ๆเพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถ ทำงานได้รวดเร็วยิ่งขึ้น และใช้ที่อุณหภูมิสูงได้ วิศวกรการบินก็ค้นหาวัสดุที่มีความแข็งแรงมากขึ้นแต่น้ำหนักเบา เพื่อใช้สร้างเครื่องบินและยานอวกาศ วิศวกรเคมีต้องการวัสดุที่ทนทานต่อการผุกร่อนได้ดี จากตัวอย่างที่ยกมาให้ดู 2-3 ตัวอย่างว่าวิศวกรสาขาต่างๆ ล้วนต้องการค้นหาวัสดุใหม่ที่มีคุณภาพมากขึ้น เพื่อการประยุกต์ต่อไป มีหลายกรณีที่ในอดีตทำไม่ได้ แต่ในปัจจุบันสามารถทำได้แล้ว

1.2 วัสดุศาสตร์และวัสดุวิศวกรรม

วัสดุศาสตร์(Materials Science) เป็นศาสตร์ที่เกี่ยวกับการค้นคว้าหาความรู้ขั้นพื้นฐาน(basic knowledge) เกี่ยวกับลักษณะของโครงสร้างภายใน สมบัติต่างๆ และกระบวนการผลิตวัสดุเหล่านั้น

วัสดุวิศวกรรม(Materials Engineering) เป็นศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอย่างเป็นด้านหลักของการใช้หลักการพื้นฐานและการ ประยุกต์ความรู้ของวัสดุ เพื่อปรับปรุงสมบัติแล้วนำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ หรือให้เป็นไปตามความต้องการของสังคม

ดังนั้นชื่อของวิชา materials science and engineering นี้จึงได้มาจากการรวมกันของทั้ง materials science และ materials engineering วัสดุศาสตร์เป็นความรู้พื้นฐานทั้งหมดของวัสดุ และวัสดุวิศวกรรมเป็นการประยุกต์ความรู้ทั้งหมดให้เป็นประโยชน์ดั้งนั้นวิชา ทั้งสองนี้จึงไม่มีเส้นแบ่งขอบเขตอย่างชัดเจน

1.3 ประเภทของวัสดุ

เพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาและสะดวกขึ้น วัสดุวิศวกรรมส่วนมากจะแบ่งออกเป็น 3 ประเภทใหญ่ๆด้วยกัน คือ ประเภทโลหะ พอลิเมอร์(พลาสติก) และเซรามิก ในบทนี้จะได้กล่าวถึงความแตกต่างของวัสดุทั้งสามตามสมบัติที่สำคัญ ของมันคือ สมบัติเชิงกล สมบัติทางไฟฟ้า และสมบัติทางกายภาพ และต่อไปจะได้กล่าวถึงความแตกต่างของโครงสร้างภายในของวัสดุประเภทต่างๆ เหล่านี้ และอาจจะเพิ่มเติมอีก 2 ประเภทคือ วัสดุผสม และวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ อีกด้วย เพราะเป็นวัสดุที่มีความสำคัญมากทางวิศวกรรม

1.4 การแข่งขันกันระหว่างวัสดุประเภทต่างๆ

การแข่งขันกันของวัสดุประเภทต่างๆ เพื่อให้ความต้องการใช้ยังคงอยู่ และเพื่อเปิดตลาดใหม่ขึ้นนั้น ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีแนวโน้มสูงมาก มีปัจจัยหลายๆอย่างเกิดขึ้น เพื่อจะนำวัสดุอย่างหนึ่งไปใช้แทนวัสดุเดิมให้เป็นไปตามลักษณะของงานอันแท้ จริง ปัจจัยแรกที่สำคัญคือค่าใช้จ่าย ถ้ามีการค้นพบกระบวนการผลิตวัสดุอย่างหนึ่งได้ในราคาที่ถูกลง ผลที่ตามมาก็คือวัสดุชนิดนี้อาจนำไปใช้แทนวัสดุเดิมในบางกรณีได้ อีกปัจจัยหนึ่งที่ต้องเปลี่ยนไปใช้วัสดุอื่นแทนก็คือ มีการพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ขึ้นซึ่งมีสมบัติพิเศษเหมาะที่จะนำไปใช้งานบางอย่าง ได้ดีกว่า จากเหตุผลดังกล่าวนี้ทำให้การใช้วัสดุมีการเปลี่ยนแปลงตลอดช่วงเวลาที่ผ่าน มา

1.5 สมบัติและการเลือกใช้วัสดุ

การเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับงานนั้นจำเป็นจะต้องศึกษา หรือพิจารณาจากสมบัติของวัสดุนั้นให้มันตรงกับงานที่ออกแบบ หรือที่ต้องการทำจากวัสดุต่างๆซึ่งมีอยู่มากมาย และวิศกรสามารถส่งตัวอย่างไปวิเคราะห์สมบัติองค์ประกอบได้จากศูนย์เครื่อง มือหรือศูนย์ทดสอบ ซึ่งมีอยู่หลายแห่งด้วยกัน เพื่อประหยัดเวลาและการลงทุน

1.6 แนวโน้มการใช้วัสดุในอนาคต

1.วัสดุประเภทโลหะ การผลิตโลหะที่เป็นพื้นฐานที่สำคัญในสหรัฐอเมริกา ได้แก่ เหล็กกล้า อะลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี และแมกนีเซียม ได้รับการคาดหมายว่าจะต้องเป็นไปตามสภาวะเศรษฐกิจค่อนข้างมาก แม้ว่าโลหะที่ผลิตอยู่ในปัจจุบันจะได้รับการพัฒนาให้ดียิ่งขึ้นในเชิงของทาง เคมี การควบคุมองค์ประกอบและเทคนิดของกระบวนการผลิตก็ตามโลหะผสมที่ได้รับการ พัฒนาขึ้นใหม่เพื่อใช้ในโครงการอวกาศ เช่น โลหะผสมนิกเกิลที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูงกำลังได้รับการค้นคว้าวิจัยอย่างต่อ เนื่อง เพื่อเพิ่มความแข็งแรงเมื่อใช้อุณหภูมิสูงและทนทานต่อการกัดกร่อนยิ่งขึ้น โลหะผสมเหล่านี้ได้นำไปใช้สร้างเครื่องยนต์ไอพ่นที่มีประสิทธิภภาพสูงขึ้น และสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก กระบวนการผลิตที่ใช้เทคนิคใหม่ เช่น ใช้ hot isostatic pressing และ isothermal forging สามารถช่วยยืดอายุของการเกิดความล้าของโลหะผสมที่ใช้กับเครื่องบิน นอกจากนี้ยังมีการใช้เทคนิคการถลุงโลหะด้วยโลหะผง ทำให้สมบัติโลหะผสมมีการปรับปรุงให้ดีขึ้น และทำให้ราคาของการผลิตลดลงอีกด้วย เทคนิคการทำให้โลหะแข็งตัวอย่างรวดเร็วโดยทำให้โลหะที่หลอมเหลวลดอุณหภูมิลง ประมาณ 1 ล้านองศาเซลเซียสต่อวินาทีกลายเป็นโลหะผสมที่เป็นผง จากผงโลหะผสมเปลี่ยนให้เป็นแท่งด้วยกระบวนการต่างๆ เช่น hot isostatic pressing เป็นต้น ด้วยวิธีการเหล่านี้ทำให้สามารถผลิตโลหะที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูงชนิดใหม่ได้ หลายชนิด เช่น nickel-based supperalloys, aluminium alloys และ titanium alloys

2.วัสดุประเภทพอลิเมอร์(พลาสติก)จากเหตุการณ์ที่ผ่านมาวัสดุพอลิเมอร์ (พลาสติก) มีอัตราการเติบโตอย่างรวดเร็วมาก ด้วยอัตราการเพิ่มขึ้น 9% ต่อปี โดยน้ำหนัก แม้ว่าอัตราการเติบโตของพลาสติกจากปี 1995 ได้มีการคาดหมายว่าโดยเฉลี่ยแล้วจะลดลงต่ำกว่า 5% การลดลงนี้ก็เพราะว่าพลาสติกได้ถูกนำมาใช้แทนโลหะ แก้วและกระดาษเป็นผลิตภัณฑ์หลักในตลาดแล้ว เช่น ใช้ทำบรรจุภัณฑ์ และใช้ในการก่อสร้างซึ่งพลาสติกเหมาะสมกว่า
พลาสติกที่ใช้งานทางวิศวกรรม เช่น ไนลอน ได้รับความคาดหมายว่าน่าจะเป็นคู่แข่งกับโลหะได้อย่างน้อยจนถึง ค.ศ.2000 แนวโน้มที่สำคัญในการพัฒนาพลาสติกวิศวกรรม คือ การผสมผสานพลาสติกต่างชนิดกันเข้าด้วยกันให้เป็นพลาสติกผสมชนิด ใหม่(synergistic plastic alloy) ตัวอย่างเช่น ในช่วงปี 1987 ถึง 1988 ได้มีการผลิตพลาสติกชนิดใหม่ๆพลาสติกผสมและสารประกอบตัวใหม่จากทั่วโลก ประมาณ 100 ชนิด พลาสติกผสมชนิดใหม่มีประมาณ 10%

3.วัสดุประเภทเซรามิก ในอดีตการเจริญเติบโตของการใช้เซรามิกสมัยเก่า เช่น ดินเหนียว แก้วและหินในอเมริกาเท่ากับ 3.6%(1966-1980) อัตราการเจริญเติบโตของวัสดุเหล่านี้จากปี 1982 ถึง 1995 คาดว่าจะประมาณ 2%ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมาเซรามิกวิศวกรรมตระกูลใหม่ได้ผลิตขึ้น ซึ่งเป็นสารประกอบพวกไนไตรต์ คาร์ไบด์ และออกไซด์ ปรากฏว่าวัสดุเหล่านี้ได้นำไปประยุกต์อย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะใช้กับอุณหภูมิสูงๆ และใช้กับเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์วัสดุเซรามิกมีราคาถูกแต่การนำไปผลิตเป็น ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมักใช้เวลานาน และมีค่าใช้จ่ายสูง วัสดุเซรามิกส่วนใหญ่จะแตกหักหรือชำรุดได้ง่ายจากการกระแทก เพราะมีความยืดหยุ่นน้อยหรือไม่มีเลย ถ้ามีการค้นพบเทคนิคใหม่ที่สามารถพัฒนาให้เซรามิกทนต่อแรงกระแทกสูงๆได้แล้ว วัสดุประเภทนี้สามารถนำมาประยุกต์ทางวิศวกรรมได้สูงยิ่งขึ้น โดยเฉพาะในส่วนที่ต้องใช้อุณหภูมิสูงและในบริเวณสิ่งแวดล้อมที่มีการกัด กร่อนสูง

4.วัสดุผสมพลาสติกที่มีการเสริมแรงด้วยเส้นใย เป็นวัสดุผสมหลักที่ใช้กันในอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่จะใช้เส้นใยแก้วมากกว่าเส้นใยทั่วไป พอลิเอสเทอร์ที่ไม่อิ่มตัว เป็นตัวเรซิ่นที่สำคัญที่ใช้ทำพลาสติกเสริมแรงด้วยใยแก้วหลายชนิด การใช้วัสดุประเภทนี้ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้น จาก 1407 ล้านปอนด์ (640 ล้านกิโลกรัม) ในปี 1991 เป็น 1467 ล้านปอนด์ (667 ล้านกิโลกรัม) ในปี 1992 ซึ่งเพิ่มมากขึ้นประมาณ 4 เปอร์เซ็นต์
วัสดุผสมขั้นสูงได้แก่ อีพอกซีเสริมแรงด้วยเส้นใยแก้ว(fiberglass-epoxcy) และแกรไฟต์-อีพอกซี นับวันจะมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นตลอดเวลาในการใช้เป็นโครงสร้างหลักที่มี สมรรถนะสูง ได้มีการทำนายกันว่าในอนาคตวัสดุชนิดนี้จะมีการใช้เพิ่มขึ้น โดยเฉลี่ยต่อปีประมาณ 7.5% เครื่องบินโดยสารที่ทันสมัยได้มีการใช้วัสดุชนิดนี้มากขึ้น ตัวอย่างเช่น เคื่องบิน 777 รุ่นใหม่ ซึ่งจะนำออกใช้ในปี 1995 ได้มีการใช้วัสดุผสมประมาณ 10% โดยน้ำหนัก

5.วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ตั้งแต่ปี 1970 ได้มีการนำซิลิคอนและวัสดุกึ่งตัวนำอื่นๆในสถานะของแข็ง(solid-state) และไมโครอิเล็กทรอนิกส์มาใช้เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล และคาดว่าจะมีการใช้เพิ่มขึ้นต่อไปเรื่อยๆจนเลยปี 2000 ได้มีการคาดคะเนกันว่าการใช้แผงวงจรรวมที่ทำจากซิลิกอนชิพ(siliconchips) จะมีบทบาทอย่างมากต่อคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่างๆที่ใช้ในอุตสาหกรรม หุ่นยนต์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์จะมีผลต่ออุตสาหกรรมที่ทันสมัยยังคงจะต้อง ทำต่อไป ไม่ต้องสงสัยเลยว่าในอนาคตวัสดุอิเล็กทรอนิกส์จะต้องมีบทบาทที่สำคัญมากๆต่อ โรงงานอุตสาหกรรม ด้วยการใช้หุ่นยนต์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ทำงาน
หลายปีที่ผ่านมาวงจรรวม(integrated circuits) ได้สร้างขึ้นด้วยการบรรจุทรานซิสเตอร์ลงในซิลิคอนชิพเดียวมีปริมาณมากขึ้นๆ ซึ่งเท่ากับเป็นการลดขนาดของทรานซิสเตอร์ลง