ความหมายของวัสดุศาสตร์

วัสดุศาสตร์ (Materials Science) คือ การศึกษาที่เกี่ยวข้องกับวัสดุ เป็นการนำความรู้ทางวิทยาศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ เพื่ออธิบายถึงความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบพื้นฐานของวัสดุ และสมบัติของวัสดุ ซึ่งความรู้ดังกล่าวนี้ จะนำมาผลิตหรือสร้างเป็นผลิตภัณฑ์พร้อมทั้งหาค่าสมรรถนะในการใช้งานของผลิตภัณฑ์ ความรู้ที่นำมาใช้นั้นจะมีลักษณะเป็น สหวิทยาการ คือ การใช้ความรู้ในหลาย ๆ แขนงมาร่วมกัน วัสดุศาสตร์จึงยิ่งจำเป็นต้องใช้ความรู้หลายแขนงวิชา ไม่ว่าจะเป็นความรู้ทางฟิสิกส์ เคมี วิศวกรรม ชีววิทยา ไฟฟ้า คณิตศาสตร์ หรือ การแพทย์ เข้ามาร่วมกันเพื่อแก้ปัญหาหรืออธิบายสิ่งต่าง ๆ ที่เกี่ยวเนื่องกับวัสดุและสมบัติที่สนใจ

ประเภทของวัสดุศาสตร์

ในปัจจุบันไม่ว่าวิศวกร นักวิทยาศาสตร์ หรือนักเทคโนโลยี ล้วนต้องเกี่ยวข้องกับวัสดุ (Materials) อยู่เสมอทั้งในเชิงของผู้ใช้วัสดุ ผู้ผลิตและผู้ควบคุมกระบวนการผลิต ตลอดจนผู้ออกแบบทั้งในรูปแบบ องค์ประกอบ และโครงสร้าง บุคคลเหล่านี้จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมถูกต้องจากสมบัติของวัสดุเหล่านั้น นอกจากนี้ยังสามารถวิเคราะห์ได้ว่า เมื่อมีความผิดปกติเกิดขึ้นมันเป็นเพราะเหตุใด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปัจจุบันการค้นคว้า ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มีความก้าวหน้าไปอย่างมาก วัสดุใหม่ ๆ ถูกผลิตขึ้น และมีการค้นคว้าสมบัติพิเศษของวัสดุ เพื่อใช้ประโยชน์มากขึ้น กระบวนการผลิตก็สามารถทำได้อย่าง มีประสิทธิภาพ ทำให้ราคาของวัสดุนั้นต่ำลง

วัสดุศาสตร์ แบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่

2.1 โลหะ (Metallic materials)

2.2 พลาสติก หรือ พอลิเมอร์ (Polymeric materials)

2.3 เซรามิกส์ (Ceramic materials)

2.1 วัสดุประเภทโลหะ

โลหะ (Metals) หมายถึง วัสดุที่ได้จากการถลุงสินแร่ต่าง ๆ อันได้แก่ เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม นิกเกิล ดีบุก สังกะสี ทองคำ ตะกั่ว เป็นต้น โลหะเมื่อถลุงได้จากสินแร่ในตอนแรกนั้น ส่วนใหญ่จะเป็นโลหะเนื้อค่อนข้างบริสุทธิ์ มีโครงสร้างเป็นผลึกซึ่งอะตอมจะมีการจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบและเฉพาะ โดยทั่วไปโลหะเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี แต่โลหะเหล่านี้มักจะมีเนื้ออ่อนไม่แข็งแรงเพียงพอที่จะนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมโดยตรง ส่วนมากจะนำไปปรับปรุงคุณสมบัติก่อนการใช้งาน

โลหะและโลหะผสม (Alloys) สามารถแบ่งออกเป็น 2 พวก คือ

1) โลหะและโลหะผสมที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ (ferrous metals and alloys) โลหะพวกนี้จะประกอบด้วยเหล็กที่มีเปอร์เซ็นต์สูง เช่น เหล็กกล้า และเหล็กหล่อ

2) โลหะและโลหะผสมที่ไม่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ หรือมีอยู่น้อย (nonferrous metals and alloys) เช่น อะลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี ไทเทเนียม และนิกเกิล

คำว่า โลหะผสม (Alloys) หมายถึง ของผสมของโลหะตั้งแต่ 2 ชนิดหรือมากกว่า 2 ชนิด หรือเป็นโลหะผสมกับอโลหะ

2.2 วัสดุประเภทพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ (Polymers) หมายถึง สารประกอบที่โมเลกุลมีขนาดใหญ่มาก เกิดจากโมเลกุลเดี ่ยวมาเชื่อมต่อกันด้วย พันธะเคมีแต่ละโมเลกุลเดี่ยวหรือหน่วยย่อย เรียกว่า มอนอเมอร์

วัสดุพอลิเมอร์ส่วนมากประกอบด้วยสารอินทรีย์ (คาร์บอนเป็นองค์ประกอบ) ที่มีโมเลกุลเป็นโซ่ยาว หรือเป็นโครงข่าย โดยโครงสร้างแล้ววัสดุพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ไม่มีรูปร่างผลึก แต่บางชนิดประกอบด้วยของผสมของส่วนที่มีรูปร่างผลึกและส่วนมากไม่มีรูปร่างผลึก ความแข็งแรงและความอ่อนเหนียวของวัสดุพอลิเมอร์มีความหลากหลาย เนื่องจากลักษณะของโครงสร้างภายใน ทำให้วัสดุพอลิเมอร์ส่วนมากเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี บางชนิดเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี โดยทั่วไปวัสดุพอลิเมอร์ มีความหนาแน่นต่ำ และมีจุดอ่อนตัวหรืออุณหภูมิของการสลายตัวค่อนข้างต่ำ

ประเภทของพอลิเมอร์

พอลิเมอร์เป็นสารที่มีอยู่มากมายหลายชนิด ซึ่งในแต่ละชนิดก็จะมีสมบัติและการกำเนิดที่แตกต่างกัน ดังนั้นการจัดจำแนกประเภทพอลิเมอร์จึงสามารถทำได้หลายวิธีขึ้นอยู่กับว่าใช้ลักษณะใดเป็นเกณฑ์ในการพิจารณา เราสามารถจำแนกประเภทพอลิเมอร์ได้ โดยอาศัยลักษณะต่าง ๆ ดังต่อไปนี้

1. พิจารณาตามแหล่งกำเนิด

เป็นวิธีการพิจารณาโดยดูจากวิธีการกำเนิดของพอลิเมอร์ชนิดนั้น ซึ่งจะสามารถจำแนกพอลิเมอร์ได้เป็น 2 ประเภท คือ พอลิเมอร์ธรรมชาติ และพอลิเมอร์สังเคราะห์

1) พอลิเมอร์ธรรมชาติ (Natural Polymers) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ สามารถพบได้ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด โดยพอลิเมอร์ธรรมชาติเหล่านี้เป็นสิ่งที่สิ่งมีชีวิตผลิตขึ้นโดยอาศัยกระบวนการทางเคมีต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ และมีการเก็บสะสมไว้ใช้ประโยชน์ตามส่วนต่าง ๆ ดังนั้นพอลิเมอร์ธรรมชาติจึงมีความแตกต่างกันไปตามชนิดของสิ่งมีชีวิตและตำแหน่งที่พบในสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างพอลิเมอร์ธรรมชาติ ได้แก่ เส้นใยพืช เซลลูโลส และไคติน เป็นต้น

2) พอลิเมอร์สังเคราะห์ (Synthetic Polymers) เกิดจากการสังเคราะห์ขึ้นโดยมนุษย์ ด้วยวิธีการนำสารมอนอเมอร์จำนวนมากมาทำปฏิกิริยาเคมีภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ทำให้มอนอเมอร์เหล่านั้นเกิดพันธะโคเวเลนต์ต่อกันกลายเป็นโมเลกุล พอลิเมอร์ โดยสารมอนอเมอร์ที่มักใช้เป็นสารตั้งต้นในกระบวนการสังเคราะห์พอลิเมอร์คือ สารไฮโดรคาร์บอนที่เป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันดิบและการแยกแก๊สธรรมชาติ เช่น เอททีลีน สไตรีน โพรพิลีน ไวนิลคลอไรด์ เป็นต้น

2. พิจารณาตามมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ

เป็นวิธีการพิจารณาโดยดูจากลักษณะมอนอเมอร์ ที่เข้ามาสร้างพันธะร่วมกัน โดยจะสามารถจำแนกได้เป็น 2 ประเภท คือ

1) โฮโมพอลิเมอร์ (Homopolymer) คือ พอลิเมอร์ที่เกิดจาก มอนอเมอร์ ชนิดเดียวกันทั้งหมด เช่น แป้ง พอลิเอทิลีน และพีวีซี เป็นต้น

2) โคพอลิเมอร์ (Copolymer) คือ พอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์มากกว่า 1 ชนิดขึ้นไป เช่น โปรตีน ซึ่งเกิดจากกรดอะมิโนที่มีลักษณะต่าง ๆ มาเชื่อมต่อกัน พอลิเอไมด์และพอลิเอสเทอร์ เป็นต้น

3. พิจารณาตามลักษณะการใช้งานได้เป็น 4 ประเภท ได้แก่

1) อิลาสโตเมอร์ (Elastomer) หรือพอลิเมอร์ประเภทยาง อาจเป็น พอลิเมอร์ธรรมชาติ หรือพอลิเมอร์สังเคราะห์ ที่มีสมบัติยืดหยุ่น เกิดจากลักษณะโครงสร้างโมเลกุล มีลักษณะม้วนขดไปมา และบิดเป็น เกลียว สามารถยืดตัวได้เมื่อมีแรงดึง หดกลับได้เมื่อลดแรงดึง และสามารถเกิดการยืดตัวหดตัวซ้ำไป ซ้ำมาได้ เช่น ยางรถยนต์ เป็นต้น

2) เส้นใย (Fabric) คือ พอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยโมเลกุลขนาดยาว ลักษณะโครงสร้างมีความเหนียวและยืดหยุ่น สามารถนำมาปั่นเป็นเส้นยาวได้ เมื่อนำมาสานจะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความคงตัว เหมาะสำหรับนำไปใช้เป็น เครื่องนุ่งห่ม สามารถนำไปซักรีดได้ โดยไม่เสียรูป หรือเสื่อมคุณภาพ โดยเส้นใยนั้นมีทั้งที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ และได้จากการสังเคราะห์

3) พลาสติก (Plastic) คือ พอลิเมอร์กลุ่มใหญ่กว่าพอลิเมอร์ประเภทอื่น ๆ เป็นพอลิเมอร์ที่ได้จากการสังเคราะห์ขึ้น โดยทั่วไปจะมีลักษณะอ่อนตัวได้เมื่อได้รับความร้อน ทำให้สามารถนำไปหล่อหรือขึ้นรูปเป็นรูปต่าง ๆ ได้ มีสมบัติระหว่างเส้นใยกับอิลาสโตเมอร์ พลาสติกอาจจำแนกได้เป็น พลาสติกยืดหยุ่น และพลาสติกแข็ง

4) วัสดุเคลือบผิว (Coating Materials) คือ พอลิเมอร์ที่ใช้ในการป้องกัน ตกแต่งผิวหน้าของวัสดุรวมถึงพอลิเมอร์ขนาดเล็กที่ให้สี ใช้ย้อมผ้าให้มีสีต่าง ๆ พอลิเมอร์กันน้ำบางชนิดเคลือบเหล็กไม่ให้เกิดสนิม นอกจากนี้ ยังรวมถึงกาว กาวลาเทกซ์ และกาวพอลิเมอร์ชนิดต่าง ๆ

2.3 วัสดุประเภทเซรามิกส์

เซรามิกส์ มีรากศัพท์มาจากภาษากรีกว่า “เครามอส (Keramos)” หมายถึงวัตถุที่ผ่านการเผา ดังนั้นผลิตภัณฑ์เซรามิกส์จึงครอบคลุมผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่ใช้ความร้อนในกระบวนการผลิต ปัจจุบัน เซรามิกส์ หมายถึง ผลิตภัณฑ์ที่ทำจากวัตถุดิบในธรรมชาติ เช่น ดิน หิน ทราย และแร่ธาตุต่าง ๆ นำมาผสมกัน ทำเป็นสิ่งประดิษฐ์แล้วเผาเพื่อเปลี่ยนเนื้อวัสดุให้มีความแข็งแรงและคงรูปอยู่ได้ เช่น อิฐ ถ้วยชาม แก้ว แจกัน เป็นต้น

วัสดุประเภทเซรามิกส์ ส่วนใหญ่ใช้วัตถุดิบอยู่ 2 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ วัตถุดิบหลัก เช่น ดิน เฟลด์สปาร์ อวอตซ์ และวัตถุดิบรอง ซึ่งเป็นวัตถุดิบช่วยเสริมให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีคุณภาพสูงขึ้น เช่น ดิกไคซ์ โดโลไมต์ และสารประกอบออกไซด์บางชนิด

ดิน (Clays) เป็นวัตถุดิบสำคัญในการผลิตเซรามิกส์หลายประเภท โดยเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่ใช้เป็นภาชนะใส่อาหาร เครื่องสุขภัณฑ์ กระเบื้อง เป็นต้น ถ้าแบ่งดินตามลักษณะทางกายภาพอาจจำแนกได้เป็นดินขาว (Chaina clays) และดินเหนียว (Ball clays)

เฟลด์สปาร์ (Feldspar) หรือหินฟันม้า เป็นสารประกอบอะลูมิโนซิลิเกต (Al3O5Si) ใช้ผสมกับดิน เพื่อช่วยให้ส่วนผสมหลอมตัวที่อุณหภูมิต่ำ และทำให้ผลิตภัณฑ์มีความโปร่งแสง ใช้ผสมในน้ำยาเคลือบทำให้ผลิตภัณฑ์มีความแวววาว ในอุตสาหกรรมแก้ว เมื่อเฟลด์สปาร์หลอมตัวกับแก้วจะทำให้แก้วมีความเหนียว คงทนต่อการกระแทก และทนต่อความร้อนเฉียบพลัน

ควอตซ์ (Quartz) หรือหินเขี้ยวหนุมาน เป็นสารประกอบออกไซด์ของซิลิคอนไดออกไซค์ (SiO2) หรือที่เรียกว่า ซิลิกา ส่วนมากมีลักษณะใสไม่มีสี แต่ถ้ามีมลทินเจือปนจะทำให้เกิดสีต่าง ๆ ควอตซ์ ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างของผลิตภัณฑ์เซรามิกส์ ช่วยให้เกิดความแข็งแรง ไม่โค้งงอ ทำให้ผลิตภัณฑ์ทั้งก่อนเผาและหลังเผาหดตัวน้อย

แร่โดโลไมต์ (Dolomite) หรือหินตะกอนที่มีองค์ประกอบหลัก คือ แคลเซียมแมกนีเซียมคาร์บอเนต (CaMg(CO3)2 มีลักษณะคล้ายหินปูน ใช้ผสมกับเนื้อดินเพื่อลดจุดหลอมเหลวของวัตถุดิบ และใช้ผสมในน้ำยาเคลือบ

สารประกอบออกไซด์ เป็นสารที่ใช้เติมเพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีสมบัติและคุณภาพตามที่ต้องการ เช่น มีสมบัติทนไฟ มีสมบัติโปร่งแสงทึบแสง

นอกจากนี้ยังมีวัตถุดิบอื่นๆ เช่น ดิกไคต์ ซึ่งมีองค์ประกอบเหมือนดิน แต่มีโครงสร้างผลึกและสัดส่วนขององค์ประกอบต่างกัน ปริมาณอะลูมินาที่องค์ประกอบมีผลต่อสมบัติของผลิตภัณฑ์ถ้าอะลูมินาเป็นองค์ประกอบร้อยละ 28 – 32 โดยมวล จะมีลักษณะเป็นหินแข็งเหมาะสำหรับแกะสลักเป็นรูปต่างๆ แต่ถ้าอะลูมินาเป็นองค์ประกอบร้อยละ11 –28 โดยมวล เหมาะสำหรับใช้ผลิตวัสดุทนไฟ กระเบื้องปูพื้นและถ้ามีอะลูมินาเป็นองค์ประกอบ ในสัดส่วนที่น้อยกว่านี้จะใช้ผสมทำปูนซีเมนต์ขาว เป็นต้น

กระบวนการผลิตเซรามิกส์แต่ละชนิดประกอบด้วยขั้นตอนต่าง ๆ เช่นการเตรียมวัตถุดิบ การขึ้นรูป การตากแห้ง การเผาดิบ การเคลือบ การเผาเคลือบ นอกจากนี้การตกแต่งให้สวยงามโดยการเขียนลวดลายด้วยสีหรือการติดรูปลอก ซึ่งสามารถทำได้ทั้งก่อนและหลังการเคลือบ

วัสดุประเภทวัสดุเซรามิกส์ ในชีวิตประจำวัน