חומרים מרוכבים

תכונות עיקריות של חומרים מרוכבים

1. חוזק גבוה ביחס למשקל, 2. מבודדים חשמלית (מטריצה פולימרית או קרמית), 3. מבודדים תרמית בגלל המבנה המרוכב, 4. מבודדים אקוסטית בגלל המבנה המרוכב, 5. פיזור גדול של תכונות בגלל השילוב העצום של חומרים והשפעת המבנה המרוכב (כיווניות הסיבים וכו'), 6. חסינות לשבר טובה - בכיוון המקביל לסיבים, או במבנה למנרי, 7. ניתנים ליצור במימדים שונים ובהתאמה אישית, 8. התנהגות סביבתית מצוינת (במקרה של מטריצה פולימרית או קרמית).

שימושים של חומרים מרוכבים

ציוד ספורט (אופניים, ציוד לטניס וגולף), מטוסים ומכוניות מרוץ. הבטון המורכב מצמנט + מים + סלעים = הינו דוגמא לחומר מרוכב. הצמנט עצמו הוא תערובת של סיליקה, אלומינה ושל תחמוצת הסידן. לאחר ערבוב הצמנט, הוא מתקשה בטמפרטורת החדר. ניתן לשריין את הבטון באמצעות הוספת מוטות פלדה או רשת פלדה. אם נפעיל על הפלדה מאמץ מתיחה בעת התמצקות הבטון, כאשר נסיר את המאמץ בתום התהליך הבטון יהיה תחת מאמץ לחיצה, הדבר יגדיל את עמידות הבטון במאמצי מתיחה.

המשריין

המשריין בחומר מרוכב יכול להיות: גרגרי - כמו בטון, בו גרגרי חול וחץץ טבולים בתוך עיסת צמנט. העיסה כולה מתקשה ויוצרת חומר בעל חוזק ניכר. סיבי - כמו סיבי פחמן במטריצה פולימרית או בטון מזוין, בו יש מוטות ברזל סביבן יוצקים את עיסת הבטון. הסיבים יכולים להיות אנאיזוטרופיים (כלומר מפוזרים בחומר באופן אקראי) או בצורת בדים אל תוכם מוספגת המטריצה, כך שהכיווניות מתוכננת וידוע. שכבתי - כמו דיקט בו לוחות דקים מודבקים בעזרת שכבות דבק או בדים בהם כיווניות הסיבים ידועה, המונחים זה על גבי זה. סוגי חלקיקים משריינים: סיבי פחמן (גרפיט), סיבי בורון, סיבי קוורץ (זכוכית גבישית), סיבי סיליקה, סיבי קווארץ, סיבי ניילון, סיבי ארמיד (קבלר) ועוד...

משריינים הנדסיים נפוצים: סיבי הזכוכית הם הנפוצים ביותר מבין הסיבים המשריינים חומרים מרוכבים, והם משמשים בתעשיות הרכב, רכבות, בניין, סירות ועוד. משפחה אחרת של סיבים היא משפחת סיבי הפחמן. לסיבים אלו חוזק וקשיחות גבוהים משל סיבי הזכוכית, ולכן הם משמשים לייצור חלקים מבניים נושאי עומס בתעשיית התעופה, רכבים וימאות, שם נדרשים חוזק רב ומודול אלסטיות (קשיחות). במקרים מסוימים סיבי הפחמן תהליך תרמי נוסף לצורך קבלת תכונות מיוחדות כמו עמידות תרמית גבוהה או יציבות ממדים טובה. סיבים נפוצים נוספים הם סיבי הארמיד (קבלר בשמם המסחרי המוכר), שהם סיבים אורגניים, פוליאמידים, ארומטים של חברת Du Pont. לסיבים אלו חוזק גבוה משל סיבי הזכוכית, וכן כושר ספיגת אנרגיה גבוה מאוד, ולפיכך הם משמשים גם במכלי לחץ ובתעשיית ההגנה הבליסטית, באפודי מגן, בלוחות הגנה בפני כדורים ורסיסים, בקסדות וכדומה.

יתרונות החומרים המרוכבים

1. משקל מוצר נמוך ויחס חוזק למשקל מעולה, 2. תכונות מכאניות מובחרות, כגון חוזק גבוה וקשיחות, 3. ניתן לתכנן את הכיוונים הנדרשים באיזורים השונים לצורך קבלת התכונות הרצויות, 4. ניתן לייצר חלקים בעלי צורות גאומטריות מורכבות מאוג, 3. עמידות מצוינת בקורוזיה, ובסביבות כימיות אגרסיביות (כאשר בוחרים מטריצה פולימרים או קרמית) כולל אווירה ימית.

הידעת! - לחומרים מרוכבים יתרון משמעותי נוסף הקשור לחסינותם לשבר: רוב חומרי המבנה שהם בעלי חוזק וקשיחות גבוהים, מגיעים לכשל עקב היווצרות סדקים. בעיה זו מופחתת במידה רבה בחומרים מרוכבים בהם המצריצה היא פולימרית, מכיוון שאם קיים פגם בסיב, הוא נעצר על ידי המטריצה ולא יעבור לסיבים שבקרבתו. באופן דומה עוצרים הסיבים פגמים הקיימים במטריצה.

חסרונות של חומרים מרוכבים

1. חומרים מאוד יקרים, בעיקר אלה המבוססים על קבלר או בורון, 2. תהליכי ייצור מסובכים המחייבים עבודה ידנית וייצור בסדרות קטנטת בלבד, 3. שימוש בחומרים מסרטנים (בעיקר סיבי גרפיט וזכוכית), כולל חדירה לדרכי הנשימה ואף חדירה דרך העור, 4. נדרשת התמחות מיוחדת בתיכון וייצור הרכיבים. 5. גישות שמרניות מעכבות לעיתים קרובות את השימוש בחומרים מרוכבים כחלקי מבנה עיקריים.

הידעת! - בעת הכנסת קדח לחומר מרוכב, נוצרת באזור הקדח משיכה של הסיבים ושבירתם, מה שיכול לגרום לנזק רחב ממדים (לדוגמה, קדח בקוטר 1 מילימטר עשוי לגרום לנזק בטווח של חצי מטר ממנו). בחומר מרוכב, להבדיל ממתכות ומחומרים קרמים, קיימית תופעה של התקדמות סדקים לא ישרה. נוצר נזק נפחי, בו הסדק מתפתח ונע בכיוונים שונים בו-זמנית. כיווני ההתקדמות תלויים בחוזק השכבות ובכיווניות הסיבים. חומר מרוכב יכול להיכשל גם ברמה המיקרוסקופית וגם ברמה המאקרוסקופית.

הידעת! - Metal Clay - מדובר בפטנט יפני שהומצא בשנות ה-90 של המאה ה-20. חומר מרוכב העשוי מחלקיקי מתכת כדוגמת זהב, כסף, נחושת וברונזה. החומר מכיל מטריצה אורגנית פולימרית (מעין שעווה) המאגדת חלקיקי מתכת ומים ספוחים. המטריצה מאפשרת לעבוד עם חומר זה בדומה לפלסטלינה. קל לעבד אותו לצורה הרצויה. לאחד מכן מיבשים את החומר באויר ושורפים אותו בתנור לטמפרטורה גבוהה, אשר שורפת את השעווה האורגנית ומחברת בין אטומי המתכת באמצעות מנגנוני דיפוזיה. התוצאה היא חפץ מתכתי קל משקל ונקבובי. טכניקה זאת משמשת לייצור תכשיטים, פסלים קטנים וחרוזים.

בטון דרוך

לבטון חוזק גבוה ללחיצה, אך חוזק נמוך במתיחה. בכדי להתגבר על בעיה זו, מקובל לצקת את הבטון יחד עם מוטות או רשתות ברזל - התוצאה מכונה בטון מזוין. בטון זה מסוגל להתמודד הן עם כוחות לחיצה והן עם כוחות מתיחה. בכדי להעניק לבטון חוזק גבוה במתיחה, מותחים את כבלי פלדה באמצעות מכשור מכני-הנדסי, ורק אז יוצקים את הבטון. המוטות המתוחים שואפים להתכווץ חזרה וכך "מרגיש" הבטון כוחות לחיצה. בבטון מזוין משתמשים בעת בניית מבנים בהם נדרש חוזק רב. קרוי גם "בטון דרוך". מקובל להוסיף לתערובת הבטון תוספים שונים בכדי להקנות לו תכונות משופרות, כולל: בידוד תרמי משופר, עמידות גבוהה יותר ברטיבות, קצב יבוש מהיר יותר, עמידות גבוהה יותר בקורוזיה ועוד. הבטון משמש לבניית יסודות, רצפה, תקרות ועמודים תומכים. לאחר מלחמת המפרץ הראשונה חוקק בישראל חוק המחייב כל דירת מגורים להכיל חדר אחד לפחות בבית, המכונה "מרחב מוגן", הבנוי כולו מבטון מזוין. חדר ממוגן זה, המכונה "מרחב מוגן", מהווה תחליף למקלטים שהיו מחויבים על-פי חוקי הבנייה הישנים. בטון משוריין בסיבי זכוכית (GFRC) הינו אחד מחומרי הבנייה הנפוצים ביותר. מדובר בחומר מרוכב המשלב בין צמנט פורטלנד (המטריצה) לבין סיבי זכוכית המשריינים.

בטון שקוף

או לייתר דיוק הבטון החצי-שקוף, הומצא על-ידי האדריכל ההונגרי אהרון לוסונצי (Aron Losonczi) בשנת 2000, וזכה לכינוי "אבן נוזלית". מדובר בבטון משוריין בסיבים אופטיים בעלי כיווניות אחידה (כל הסיבים מקבילים זה לזה), כך שהאור יעבור בכיוון הרצוי. הסיבים האופטיים עשויים זכוכית גבישית והם מהווים כ-5% מנפח כלל החומר. החומר מעביר אור כך שניתן להבחין מבעדו בצלליות - אפקט מרשים ביותר. ככל שעוצמת האור העוברת דרך הסיבים גדולה יותר, כך הצלליות מצדו השני של הקיר יהיו ברורות וחדות יותר. בלוק של בטון שקוף מורכב ממיליארד סיבי זכוכית אופטיים מקבילים, ולכן תהליך יצורו של בטון שקוף הינו מסובך והוא יקר בהרבה מזה של ייצור בטון קונוונציונלי. ממדי הבלוקים והפנלים של הבטון השקוף הקיימים כיום בשוק נעים בגדלים שבין עובי: 2.5-5 ס"מ, רוחב: 60 ס"מ וגובה: של 30 ס"מ. בשל מחירו היקר של הבטון השקוף, בינתיים הוא משמש בעיקר כגימיק עיצובי במוזיאונים, מבני ציבור ותערוכות.