משפחות חומרים

קבוצות חומרים

כל יסוד מורכב מסוג מסוים של אטומים: גוש זהב בנוי מאטומי זהב ואילו גוש ברזל בנוי מאטומי ברזל. כשמחברים יחד מספר יסודות שונים מקבלים חומר חדש. ניתן לדמות את העולם החומרי בו אנו חיים למשחק לגו ענקי ואת האטומים לקוביות משחק, אשר באמצעותן ניתן לבנות דברים שונים. החומרים שמסביבנו מורכבים "מקוביות משחק" הקרויות אטומים. העולם החומרי שמסביבנו עשוי מצרופים שונים של אטומים, אשר באמצעות קשרים ביניהם יוצרים מגוון רחב של חומרים, כדוגמת: חומרים קרמיים, מתכות, פולימרים, חומרים מרוכבים ומוליכים-למחצה.

חלוקה מקובלת מתחום המדע והנדסת החומרים לקבוצות חומרים הבאות: מתכות (כסף, זהב), פולימרים (גומי, עץ), חומרים קרמים (חרסית, קוורץ), מוליכים למחצה (סיליקון) וחומרים מרוכבים (בטון, פיברזלס). לכל קבוצת חומרים שכזאת תכונות אופייניות ובהתאם שימושים אפשריים. כיום מושקע מאמץ כלל עולמי בפיתוח חומרים מתקדמים, זאת בין היתר בשל העובדה שכשמנתחים בעיות במדע ובטכנולוגיה, במקרים רבים הפתרון קשור למדע החומרים ולפיתוחם של חומרים חדשים.

לשם המחשת הקשר שבין הקשרים הבין-אטומיים לתכונות נשווה בין קבוצת החומרים הקרמיים לבין קבוצת המתכות. חומרים קרמיים מכילים יסודות מתכתיים ואל-מתכתיים, ומתאפיינים במבנה גבישי, קשיות גבוהה, בידוד חשמלי ותרמי, פריכות, עמידות בטמפרטורות גבוהות, ועמידות בסביבות כימיות תוקפניות. לעומת זאת, חומרים מתכתיים מתאפיינים גם כן במבנה גבישי, אך בהם מספר רב של אלקטרונים הנעים כענן אלקטרונים המשותף לכל האטומים. המתכות הן בעלות ברק, הולכה חשמלית ותרמית גבוהות, משיכות (יכולת עיבוד פלסטי), חסינות טובה לשבר ועמידות גרועה בסביבות כימיות אגרסיביות.

מתכות

דוגמאות: Au, Cu, Mg, Al, Ni, Fe, Cr, Ti.

מתכות הן חומרים מתכתיים מתאפיינים במספר רב של אלקטרונים הנעים בתוך ענן אלקטרונים. המתכות מתאפיינות בהולכה תרמית וחשמלית גבוהות, ברק, משיכות (יכולת עיבוד פלסטי), חסינות טובה לשבר, עמידות גרועה בסביבות אגרסיביות. האטומים מסודרים במבנה גבישי. קיימים שלושה מבנים אופייניים עיקריים: FCC, BCC, HCP.

שימושים: בניינים, גשרים, מכוניות, מטוסים, רכבות, מנועים, ביו-רפואה (שתלים), מגנטים.

ברזל (Fe): חומר שצבעו אפור מבריק, מוליך טוב חשמלית ותרמית, משיך (קל לעיבוד), בעל תכונות מגנטיות, והינו חומר קל למחזור.

פלדה (מערכת Fe-C): חומר בעל חוזק גבוה שהינו שילוב בין ברזל לבין כמויות קטנות (בדרכ' פחות מ- 1%) של פחמן. פלדת אל-חלד, הקרויה בקיצור פלב"מ (stainless steel), הינה פלדה דלת-פחמן המכילה למעלה מ- 10% כרום (Cr). תוספת זאת של כרום היא המקנה לפלדה את עמידותה בקורוזיה (שיתוך). שימושים של ברזל ופלדות: שלד לגשרים, שלד לגורדי שחקים, רכיבים אלקטרונים, מסילות ברזל, מכוניות, מגנטים, מוצרי ספורט, צעצועים, מכונות תעשייתיות, מטבעות ועוד.

הידעת? המהפכת התעשייתית. באמצע המאה ה-18 התרחשו באנגליה שורה של שינויים טכנולוגיים, שהביאו לידי המהפכה התעשייתית, שהתפשטה מאנגליה לשאר אירופה וארה"ב. מדובר בתהליך מדורג של מעבר משיטות ייצור ידניות לשיטות ייצור במכונות תעשייתיות, שהביא עמו שינויים חברתיים וכלכליים. שתי התגליות משמעותיות אפשרו התהוות מהפכה זו: הראשונה, פיתוח שיטה להפקת ברזל בעזרת שריפת פחם כמעט טהור הקרוי קוקס (Coke) ושימוש בתנור רם, והשנייה היא המצאת מנוע הקיטור. המהפכה החדירה מיכון בייצור החקלאי והובילה להגברת העיור. בתחילת המאה ה-20 נולד מדע המתכות, המטלורגיה. בשנת 1913 הומצא הפלב"ם בעל העמידות המצוינת בשיתוך (קורוזיה).

אלומיניום (Al)

מתכת אפורה, קלה ורכה, הניתנת לעיבוד בקלות, מוליכה טוב חשמל וחום ובעלת עמידות טובה בקורוזיה. חומר קל למחזור. שימושים: מסגרות לחלונות, מטוסים, פחיות לשתיה, רכיבים אלקטרונים, מארזים.

הידעת! - במאה ה-20 החליף מנוע הבעירה הפנימית את מנוע הקיטור. בשנת 1903 ביצעו האחים רייט בפעם הראשונה בתולדות ההיסטוריה האנושית טיסה בכלי טיס כבד מן האויר, ממונע בבעירה פנימית ובעל יכולת בקרה. המטוסים הראשונים היו עשויים מעץ ומאריג. לקראת מלחמת העולם ה-II, כבר היו בשימוש מטוסים ששלדתם הייתה עשויה מנתכי אלומיניום ומטוסי סילון החלו להופיע לקראת סופה.

נחושת (Cu)

מתכת כתומה המוליכה טוב חשמל וחום, משיכה וקלה לעיבוד, בעלת ריאקטיביות כימית נמוכה. באווירת לחות הנחושת נוטה ליצור תחמוצת ירוקה הקרויה פטינה. שכבת תחמוצת זאת מגינה על הנחושת מפני קורוזיה. קיימים שני נתכי נחושת שימושיים, הברונזה והפליז. הברונזה היא שילוב בין נחושת (Cu) לבין בדיל (Sn), הפליז הינו נתך של נחושת ואבץ (Zn). שימושים של נחושת ונתכיה: אריחים לציפוי קירות חיצוניים של מבנים, אריחים לציפוי גגות, חוטי חשמל, מעגלים מודפסים, מטבעות, חפצי אומנות, רכיבים תעשייתיים (צינורות, שסתומים, מוטות).

חומרים קרמיים וזכוכית

חומרים המכילים אלמנטים מתכתיים ואל-מתכתיים. חומרים קרמים מתאפיינים בקשיות גבוהה, מבודדים מבחינה תרמית וחשמלית, עמידים בטמפרטורות גבוהות, פריכים, עמידים בסביבות אגרסיביות.

דוגמאות: SiO₂ ,Al₂O₃, TiN ,SiC. שימושים: בניה, חומרים מבודדים תרמית, קבלים ורכיבים אלקטרונים.

פולימרים

מולקולת ענק המכילות את האלמנטים: C, H, (Cl, F, O, N).

פולי=הרבה, מר=שרשראות. קבוצה זו מכילה מגוון עצום של חומרים כדוגמת חלבונים, פחמימות, דנ"א, עץ, וכן חומרים כדוגמת הפלסטיק והגומי. מאופיינים בטמפרטורות היתוך נמוכות, עמידות נמוכה בטמפרטורות גבוהות, צפיפות נמוכה, מבודדים תרמית וחשמלית. שימושים: דבקים, מיכלים, כלי בית ורהיטים, צמיגים, מארזים, חלקים בתעשיית הרכב, בניה (עץ), ביגוד, מזון.

הידעת? מהפכת הפלסטיק - המאה ה-20 הביאה עימה מהפכה נוספת בתחום החומרים. מהפכה זו החלה עם פיתוחם וייצורם של החומרים הפלסטיים הראשונים לקראת סוף המאה ה-19. בני האדם השתמשו בפולימרים טבעיים, כדוגמת השעווה, כבר בעת העתיקה. התאית (צלולוזה), שהינה פולימר טבעי ממקור צמחי, נוצלה עד למאה ה-19 לחיזוקם של חבלים בספינות. מאז שנות ה-30 של המאה ה-20 משתמשת התעשייה הפולימרית בתוצרי לוואי של תעשיית הנפט לייצורם של חומרים פלסטיים שונים. שנות ה-30 היו שנות הזוהר של הניילון - פולימר סינטטי מבית היוצר של חברת דופונט, המתאפיין בחוזק וגמישות מצוינים.

חומרים מרוכבים

שילוב של שני או יותר חומרים לצורך קבלת חומר חדש עם תכונות משופרות. דוגמאות: בטון, פיבר-גלס (fiberglass). החומר המרוכב עשוי ממטריצה שתפקידה לאגד את החלקיקים, ומחלקים משריינים שתפקידם להקנות חוזק. המטריצה יכולה להיות: פולימר, מתכת או חומר קרמי. החומר המחזק (סיבים או חלקיקם) יכול להיות: זכוכית, פחמן, בורון, חומר קרמי או חומר מתכתי. שימושים: ציוד ספורט (אופניים, ציוד לטניס וגולף), מטוסים ומכוניות מרוץ.

דוגמה: 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.

מוליכים למחצה, מיקרואלקטרוניקה וננו-טכנולוגיות

מוליכים למחצה הם חומרים שתכונותיהם החשמליות בין מבודדים לבין מוליכים. התכונות החשמליות של חומרים אילו תלויות בנוכחות כמויות קטנות של אטומים מזהמים.בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה משתמשים בחד-גביש ענדי של צורן (סיליקון) שאותו חותכים לפרוסות דקות. בתום התהליך מכילה כל פרוסה אלפי רכיבים המשמשים בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה והמחשבים לבניית מחשבים.