การศึกษาและทดสอบสมบัติของวัสดุ มีความสำคัญและมีความจำเป็นต่อผู้ปฏิบัติงาน ทั้งในด้านวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม และด้านเทคโนโลยี เพราะแต่ละกลุ่มย่อมต้องมีความรู้ ความเข้าใจในศาสตร์ของวัสดุ เพื่อใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ สำหรับการออกแบบ หรือผลิตผลิตภัณฑ์ ตลอดจนการสังเคราะห์วัสดุชนิดใหม่ แต่การศึกษาสมบัติวัสดุนี้อาจศึกษาในรายละเอียดที่แตกต่างกัน เช่น หากเป็นการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ของวัสดุ จะเป็นการศึกษาความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างโครงสร้างและสมบัติของวัสดุ การศึกษาทางวิศวกรรมศาสตร์ ของวัสดุ จะเป็นการอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและสมบัติในการออกแบบ เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ให้ได้ตามต้องการ ดังนั้น การศึกษาสมบัติของวัสดุโดยทั่ว ๆ ไป จำแนกได้ ดังนี้

1) สมบัติทางเคมี (Chemical properties)

เป็นสมบัติที่สำคัญของวัสดุซึ่งจะบอกลักษณะเฉพาะตัวที่เกี่ยวกับโครงสร้างและองค์ประกอบของธาตุต่าง ๆ ที่เป็นวัสดุนั้น ตามปกติสมบัตินี้จะทราบได้จากการทดลอง ในห้องปฏิบัติการเท่านั้น โดยใช้วิธีการวิเคราะห์แบบทำลายหรือไม่ทำลายตัวอย่าง

2) สมบัติทางกายภาพ (Physical properties)

เป็นสมบัติเฉพาะของวัสดุที่เกี่ยวกับการเกิดอันตรกิริยา (Interaction) ของวัสดุนั้นกับพลังงานในรูปต่าง ๆ กัน เช่น ลักษณะของสี ความหนาแน่น การหลอมเหลว ปรากฏการที่เกิดเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า เป็นต้น การทดสอบสมบัตินี้จะไม่มีการทำให้วัสดุนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือถูกทำลาย

3) สมบัติเชิงกล (Mechanical properties)

เป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุที่ถูกกระทำด้วยแรง โดยทั่วไปจะเกี่ยวกับการยืดและหดตัวของวัสดุ ความแข็ง ความสามารถในการรับน้ำหนัก ความสึกหรอ และการดูดกลืนพลังงาน เป็นต้น

4) คุณสมบัติทางความร้อน (Thermal properties)

เป็นการตอบสนองของวัสดุต่อปฏิบัติการทางความร้อน เช่น การดูดซับพลังงานของของแข็งในรูปของความร้อนด้วยการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและขนาด พลังงาน จะถ่ายเทไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าถ้าวัสดุมีสองบริเวณที่มีอุณหภูมิต่างกัน โดยวัสดุ อาจเกิดการหลอมเหลวในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ความจุความร้อน การขยายตัวจากความร้อนและการนำความร้อนเป็นสมบัติทางความร้อนที่สำคัญของวัสดุของแข็งในการนำไปใช้งาน

3.1 สมบัติวัสดุประเภทโลหะ (Metallic Materials)วัสดุพวกนี้เป็นสารอนินทรีย์ (Inorganic substances) ที่ประกอบด้วยธาตุ ที่เป็นโลหะเพียงชนิดเดียวหรือหลายชนิดก็ได้ และอโลหะประกอบอยู่ด้วยก็ได้ ธาตุที่เป็นโลหะ ได้แก่ เหล็ก ทองแดง อะลูมิเนียม นิกเกิล และไทเทเนียม ธาตุที่เป็นอโลหะ ได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน โลหะที่มีโครงสร้างเป็นผลึกซึ่งอะตอมจะมีการจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบและเฉพาะ ทำให้โลหะมีสมบัติ ดังนี้

1. การนำไฟฟ้าเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ดี เพราะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปได้ง่ายทั่วทั้งก้อนของโลหะ แต่โลหะนำไฟฟ้าได้น้อยลง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากไอออนบวกมีการสั่นสะเทือนด้วยความถี่และช่วงกว้างที่สูงขึ้นทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่สะดวก

2. การนำความร้อนโลหะนำความร้อนได้ดี เพราะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ โดยอิเล็กตรอนซึ่งอยู่ตรงตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูง จะมีพลังงานจลน์สูง และอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์สูงจะเคลื่อนที่ไปยังส่วนอื่นของโลหะจึงสามารถถ่ายเทความร้อนให้แก่ส่วนอื่น ๆ ของ แท่งโลหะที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้

3. ความเหนียวโลหะตีแผ่เป็นแผ่นหรือดึงออกเป็นเส้นได้ เพราะไอออนบวก แต่ละไอออนอยู่ในสภาพเหมือนกัน ๆ กัน และได้รับแรงดึงดูดจากประจุลบเท่ากันทั้งแท่งโลหะ ไอออนบวกจึงเลื่อนไถลผ่านกันได้โดยไม่หลุดจากกัน เพราะมีกลุ่มขอองอิเล็กตรอนทำหน้าที่คอยยึดไอออนบวกเหล่านี้ไว้

4. ความมันวาวโลหะมีผิวเป็นมันวาว เพราะกลุ่มของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ โดยอิสระจะรับและกระจายแสงออกมา จึงทำให้ โลหะสามารถสะท้อนแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้

5. จุดหลอมเหลวโลหะมีจุดหลอมเหลวสูง เพราะพันธะในโลหะ เป็นพันธะที่เกิดจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างวาเลนซ์อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดในก้อนโลหะกับไอออนจึงเป็นพันธะที่แข็งแรงมาก

3.2 สมบัติวัสดุพอลิเมอร์ชนิดของสมบัติของพอลิเมอร์แบ่งอย่างกว้างๆได้เป็นหลายหมวดขึ้นกับความละเอียด ในระดับนาโนหรือไมโครเป็นสมบัติที่อธิบายลักษณะของสายโดยตรงโดยเฉพาะโครงสร้างของพอลิเมอร์ ในระดับกลาง เป็นสมบัติที่อธิบายสัณฐานของพอลิเมอร์เมื่ออยู่ในที่ว่าง ในระดับกว้างเป็นการอธิบายพฤติกรรมโดยรวมของพอลิเมอร์ ซึ่งเป็นสมบัติในระดับการใช้งาน

1. จุดหลอมเหลวจุดหลอมเหลวที่ใช้กับพอลิเมอร์ไม่ใช่การเปลี่ยนสถานะ จากของแข็งเป็นของเหลวแต่เป็นการเปลี่ยนจากรูปผลึกหรือ กึ่งผลึกมาเป็นรูปของแข็ง บางครั้งเรียกว่าจุดหลอมเหลวผลึก ในกลุ่มของพอลิเมอร์สังเคราะห์จุดหลอมเหลวผลึกยังเป็นที่ ถกเถียงในกรณีของเทอร์โมพลาสติกเช่นเทอร์โมเซตพอลิเมอร์ ที่สลายตัวในอุณหภูมิสูงมากกว่าจะหลอมเหลว

2. พฤติกรรมการผสมโดยทั่วไปส่วนผสมของพอลิเมอร์มีการผสมกันได้น้อยกว่า การผสมของโมเลกุลเล็กๆผลกระทบนี้เป็นผลจากแรงขับเคลื่อนสำหรับการผสมที่เป็นแบบระบบปิด ไม่ใช่แบบใช้พลังงาน หรืออีกอย่างหนึ่ง วัสดุที่ผสมกันได้ที่เกิดเป็น สารละลายไม่ใช่เพราะปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่ชอบทำปฏิกิริยากัน แต่เป็นเพราะการเพิ่มค่าเอนโทรปี้และพลังงานอิสระที่เกี่ยวข้องกับ การเพิ่มปริมาตรที่ใช้งานได้ของแต่ละส่วนประกอบ การเพิ่มขึ้นในระดับเอนโทรปี้ขึ้นกับจำนวนของอนุภาคที่นำมาผสมกัน

3. การแตกกิ่งการแตกกิ่ง ของสายพอลิเมอร์มีผลกระทบต่อสมบัติทั้งหมดของพอลิเมอร์ สายยาวที่แตกกิ่งจะเพิ่มความเหนียว เนื่องจากการเพิ่มจำนวนของความซับซ้อนต่อสาย ความยาวอย่างสุ่ม และสายสั้นจะลดแรงภายในพอลิเมอร์เพราะการรบกวนการจัดตัวโซ่ข้างสั้น ๆ ลดความเป็นผลึกเพราะรบกวนโครงสร้างผลึก การลดความเป็นผลึกเกี่ยวข้องกับการเพิ่มลักษณะโปร่งใสแบบกระจกเพราะแสงผ่านบริเวณที่เป็นผลึกขนาดเล็ก

4. การนำความร้อนการนำความร้อนของพอลิเมอร์ ส่วนใหญ่มีค่าต่ำ ด้วยเหตุนี้วัสดุพอลิเมอร์จึงถูกนำมาใช้เป็นฉนวนทางความร้อน เนื่องจากค่าการนำความร้อนต่ำเช่นเดียวกับวัสดุเซรามิกส์ โดยสมบัติความเป็นฉนวนของพอลิเมอร์จะสูงขึ้นจากโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นรูอากาศเล็ก ๆ ที่เกิดจากกระบวนการเกิด polymerization เช่น โฟมพอลีไสตรีนหรือที่เรียกว่า Styrofoam ซึ่งมักถูกนำมาใช้เป็นฉนวนกันความร้อน

3.3 สมบัติวัสดุเซรามิกส์วัสดุเซรามิกส์ เป็นสารอนินทรีย์ที่ประกอบด้วยธาตุที่เป็นโลหะและธาตุที่เป็นอโลหะรวมตัวกันด้วยพันธะเคมี ที่ยึดจับตัวกันจากการผ่านกระบวนการผลิตที่อุณหภูมิสูง วัสดุเซรามิกส์มีโครงสร้างเป็นได้ทั้งแบบมีรูปร่างผลึก และไม่มีรูปร่างผลึกหรือเป็นของผสมของทั้งสองแบบ

1. การนำความร้อนการนำความร้อนของเซรามิกส์ จะเป็นฉนวนความร้อนมากขึ้นตามจำนวนอิเล็กตรอนอิสระที่ลดลง ค่าการนำความร้อนของวัสดุเซรามิกอยู่ในช่วงประมาณ 2 ถึง 50 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นการกระเจิงจากการสั่นของผลึกจะมากขึ้น ทำให้การนำความร้อนของวัสดุเซรามิกส์ลดลง แต่ค่าการนำความร้อนจะกลับเพิ่มขึ้นอีกครั้งที่อุณหภูมิสูง ทั้งนี้ เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนของรังสีอินฟราเรด จำนวนหนึ่งจะสามารถทำให้ความร้อนถ่ายเทผ่านวัสดุเซรามิกส์โปร่งใสได้ โดยประสิทธิภาพการนำความร้อนของกระบวนการนี้จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น สมบัติด้านการเป็นฉนวนควบคู่ไปกับการทนความร้อนสูง ๆ และทนต่อการขัดสี ทำให้เซรามิกส์หลายชนิดสามารถนำไปใช้บุผนังเตาเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อหลอมโลหะ เช่น เตาหลอมเหล็กกล้า การนำเซรามิกส์ไปใช้งานทางอวกาศนับว่ามีความสำคัญมาก คือ ใช้กระเบื้องเซรามิกส์บุผนังกระสวยอวกาศ (space shuttle) วัสดุเซรามิกส์เหล่านี้ช่วยกันความร้อนไม่ให้ผ่านเข้าไปถึงโครงสร้างอะลูมิเนียมภายในกระสวยอวกาศเมื่อขณะบินออก และกลับเข้าสู่บรรยากาศของโลกซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 800 องศาเซลเซียส

2. ความเหนียวของเซรามิกส์เนื่องจากพันธะที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้างของเซรามิกเป็นพันธะแบบไอออนิก – โคเวเลนต์ ดังนั้นวัสดุเซรามิกส์จะมีความเหนียว (toughness) ที่ต่ำ มีงานวิจัยมากมายที่พยายามค้นคว้าเพื่อ ปรับปรุง ความเหนียวของเซรามิกส์ อาทิเช่น การทำอัดด้วยความร้อน (hot pressing) และเติม สารเคมีบางชนิดเพื่อให้เกิดพันธะขึ้น การทดสอบความต้านทานต่อการขยายตัวของรอยแตก (fracture – toughness tests) กับวัสดุเซรามิกส์เพื่อหาค่าความสามารถกระทำได้เช่นเดียวกับในโลหะ

3.ความแข็งของเซรามิกส์

เนื่องจากเซรามิกส์มีความแข็งมาก ทำให้เราสามารถนำเอาวัสดุเซรามิกส์มาใช้เป็นวัสดุสำหรับ ขัดสี (abrasive materials) เพื่อตัด บด และขัดถูวัสดุอื่นที่มีความแข็งน้อยกว่า เซรามิกส์เหล่านี้ ได้แก่อลูมิเนียมออกไชด์ (aluminum oxide) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (silicon carbide) เซรามิกส์ที่ใช้ เป็นวัสดุสำหรับขัดสีจะต้องมีอนุภาคที่แข็งและมีปริมาณรูพรุนที่พอเหมาะ เพื่อให้อากาศและของ เหลวไหลผ่านโครงสร้างได้ อลูมิเนียมออกไซด์มักจะมีความเหนียวที่สูงกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์แต่ ไม่แข็งเท่า ดังนั้นซิลิคอนคาร์ไบด์จึงถูกใช้มากกว่า ในขณะเดียวกันเมื่อผสมเซอร์โคเนียมออกไชด์ (zirconium oxide) ลงไป อลูมิเนียมออกไชด์จะทำให้เราได้วัสดุขัดสีมีความแข็งแรง ความแข็ง และความคมมากยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังมีเซรามิกส์ที่ใช้สำหรับขัดสี (abrasive ceramic) ที่สำคัญอีกชนิดหนึ่งคือโบรอนไนไตร์ด (boron nitride) ซึ่งมีชื่อทางการค้าว่า Borazon ซึ่งมีความแข็ง เกือบเท่ากับเพชร แต่ทนความร้อนได้ดีกว่าเพชร

กล่าวโดยสรุป การศึกษาสมบัติของวัสดุแต่ละประเภท มีความสำคัญและ มีความจำเป็นต่อผู้ปฏิบัติงานอย่างมาก เพื่อให้สามารถออกแบบและสร้างผลิตภัณฑ์ให้ได้ตามความต้องการและเกิดประโยชน์ต่อการใช้งานมากที่สุด โดยการออกแบบผลิตภัณฑ์จะต้องคำนึงถึงชนิด และสมบัติของวัสดุที่จะนำไปใช้

ตัวอย่างสมบัติของวัสดุชนิดต่าง ๆ