שיקולי בחירת חומרים

חומרים טבעים

חומרים טבעים הם חומרים הנמצאים בטבע ומשמשים את האדם ליצור מוצרים ומערכות. דוגמאות לחומרים טבעים: חול, מים, חרסיות, כותנה, צמר, גומי טבעי, עץ, קש, נפט, פחם ואבן. האדם הקדמון לדוגמה נהג לבנות מבנים פשוטים כדוגמת חציבת מערות ובניית סוכות ובקתות מענפים, בוץ, עורות ועצים.

חומרים הנדסים

חומרים הנדסים הם חומרים שעברו עיבוד לפני השימוש בהם. לדוגמה: פלסטיק הוא חומר הנדסי שהינו תוצר לוואי של תעשיית הנפט. דוגמאות נוספות לחומרים הנדסים: פלדה, נתכי אלומיניום, נתכי טיטניום, בטון ונייר.

בתחום המדע והנדסת החומרים 'מהנדסים' את החומר על מנת להקנות לו מיקרומבנה אופטימלי שיוביל לקבלת התכונות הרצויות בהתאם לדרישות התיכנון. מנקודת מבט הנדסית, קודם כל תתבצע בחירת החומר המתאים, ורק אחר-כך יוקנו לחומר ולמבנה התכונות האופטימליות במהלך תהליך הייצור והעיבוד, וכם על-ידי ביצוע טיפולים תרמים. לכן, מבחינה הנדסית הסדר הנכון בתכנון רכיב הנדסי הוא לבחומר את החומר המתאים מבין מגוון רחב של חומרים (ישנם כמובן יותר מחומר אחד מתאים), ורק לאחר מכן הקניית התכונות הרצויות.

הידעת? למבנה החומר מהרמה האטומית והקשרים הבין-אטומים ועד לפגמים בחומר ישנה השפעה על תכונות החומר. שיקולי בחירת חומרים לשימושים שונים קשורה במידה מרכזית לתכונות החומר. בהתאם לקשרים הבין-אטומיים ולסידור האטומים בחומר, יחליט מהנדס החומרים אם אפשר להשתמש בחומר מסוים ליישומים אלו ואחרים, ואף ינסה לפתח חומרים חדשים ומתקדמים בעלי תכונות משופרות. קיים קשר בין תהליכי הייצור שהחומר עבר, מבנה החומר ברמה המיקרוסקופית (קשרים בין אטומים, צפיפות האטומים, סידור האטומים ופגמים מיקרוסקופיים בחומר) ותכונות החומר ברמה המאקרוסקופית. לשם המחשה, זהב טהור צבעו צהוב, אולם ניתן על ידי סגסוג (הוספת יסודות שונים לזהב) לשנות את תכונותיו, כולל את צבעו. נוכחות של נחושת בזהב גורמת לזהב להיות בגוון כתום-אדמדם, ואילו הוספת כסף ופלדיום לזהב גורמת לו להיות בגוון כסוף.

שיקולי בחירת חומרים

נבחן שיקולים שונים כגון: אסטטיקה, תכונות חומר, עלות, דרישות הלקוח, זמיינות, שיקולים סביבתים ועוד. כאשר בוחרים חומר למטרה מסוימת יש לבדוק:

• האם הוא יעמוד בביצועים הנדרשים מהמוצר? לדוגמא, האם הוא עמיד בטמפרטורות גבוהות? האם הוא מבודד חום? האם הוא עמיד בשחיקה? האם הוא עמיד בזעזועים? האם הוא דליק? וכו'.

• האם הוא זמין?

• האם ניתן יהיה באמצעות חומר זה לייצר בקלות יחסית את המוצר בו אנו מעוניינים?

• האם הוא בעל תכונות אסטטיות בהם אנו מעוניינים? 5) שיקול כלכלי: עלות החומר ועלות הייצור תוך שימוש בחומר זה.

שימוש בדיאגרמות אשבי

• בעת בחירת חומרים לשימושים השונים נשאל את עצמנו שאלות שונות כגון:

• מהם השימושים להם מיועד המוצר?

• באיזה תהליכים נבחר לייצר את המוצר?

• באיזה סביבות המוצר ישרת? מהן דרישות הלקוח, האם החומר שבחרנו זמין?

• מה מחירו של החומר, והאם מדובר בחומר ידידותי לסביבה – בר מחזור ושאינו רעיל?

הידעת? גשר הזהב (או בשמו המלא גשר שער הזהב ,The Golden Gate Bridge) הוא גשר פלדה תלוי, המהווה את נתיב הכניסה מהאוקיינוס השקט למפרץ סן-פרנסיסקו. הגשר, המחבר בין סן-פרנסיסקו לבין מחוז מרין, נחשב לאחד הגשרים היפים והמפורסמים בתבל. גשר הזהב הוא סימלה של העיר סן-פרנסיסקו והוא מופיע במספר רב של סרטי קולנוע, סדרות טלוויזיה ויצירות אמנות שונות.

הגשר, שאורכו הוא 1,970 מטר, תוכנן על ידי המהנדס היהודי יוסף שטראוס והאדריכל אירבין מורו. בנייתו של הגשר החלה בשנת 1933 והסתיימה בשנת 1937, בעלות כוללת של 27 מיליון דולר. שני כבלי פלדה, שמשקל כל אחד מהם מעל 7,000 טון והוא בנוי מ- 27,000 חוטי פלדה, נושאים את סיפון המכוניות. הגשר מכיל שישה נתיבי מעבר לרכב וכן משני צידי הגשר מעבר להולכי רגל ורוכבי אופנים. צבעו של הגשר נבחר על ידי האדריכל אירבין מורו, שחיפש צבע שמחד ישתלב היטב מבחינה אסטטית בסביבת האוקיינוס והעיר סן-פרנסיסקו ומאידך יהיה ניתן להבחין בו בעת נהיגה בערפל האופייני לאזור.

חומרים מתכתיים מתאפיינים במספר רב של אלקטרונים הנעים בתוך ענן אלקטרונים. המתכות מתאפיינות בהולכה תרמית וחשמלית גבוהות, ברק, צפיפות גבוהה (כבדות יחסית), משיכות (יכולת עיבוד פלסטי), חסינות טובה לשבר, עמידות גרועה בסביבות אגרסיביות. האטומים מסודרים במבנה גבישי. קיימים שלושה מבנים (תאי יחידה) אופייניים עיקריים: FCC, BCC, HCP. דוגמאות למתכות: זהב (Au), כסף (Ag), ברזל (Fe), נחושת (Cu), עופרת (Pb), בדיל (Sn), אלומיניום (Al), אבץ (Zn), מגנזיום (Mg), טיטניום (Ti), ניקל (Ni), כרום (Cr), נתרן (Na) ועוד (למעשה מרבית היסודות הם יסודות מתכתיים).

הידעת! - שימושי מתכות:

• מתכות תעופתיות – מתכות בעלות משקל סגולי נמוך וחוזק גבוה. שילוב מתכות אלה בבניית מטוסים מפחית ממשקלו הכולל של כלי הטייס ומשפר את ביצועיו. מתכות בולטות בקבוצה זו הם אלומיניום, טיטניום, מגנזיום וסגסוגותיהם.

• שימוש בפלדות אל-חלד (המוכרות בשם המסחרי נירוסטה) שכיח בתעשייה הכימית ובתעשיית המזון.

• חלקי מבנה – שלד של מבנים ומפרופילים של מבנים עשויים מפלדות מסחריות.

• גלגלי שיניים ומסבים מיוצרים מסגסוגות כדוגמת פלדות שונות, המצטיינות ביכולת לעבד אותן ולהשחיזן לרמת פני שטח גבוהה מחד ובעמידות גבוהה בפני מעיכה ושחיקה מאידך.

• מתכות לכורי כוח אטומיים – מתכות רדיואקטיביות המשחררות אנרגיה בעת התפרקותן ומשמשות כדלק לכורים אטומיים. מתכות בולטות בקבוצה זו הם האורניום והפלוטוניום.

פלדה - 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 פלדות: שלדת גשרים, בניינים וגורדי שחקים, מסילות ברזל, מכוניות, מגנטים, מוצרי ספורט, צעצועים, מכונות תעשייתיות, פחיות שתיה, כלי מטבח, גלגלי שינים, להבים של סכינים, קפיצים, מחטים, שתלים, כלי עבודה, מטבעות ועוד.

נחושת - 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: חוטי חשמל, צינורות, מערכות קירור, תעשיית האלקטרוניקה, מטבעות, רהיטים, כלי נגינה, רכיבים תעשייתיים (צינורות,שסתומים, מוטות) חפצי אומנות ותכשיטים, אריחים לציפוי קירות חיצוניים של מבנים וחיפוי גגות.

אלומיניום - מתכת אפורה, קלה ורכה, הניתנת לעיבוד בקלות, מוליכה טוב חשמל וחום ובעלת עמידות טובה בקורוזיה. חומר קל למחזור.

שימושים: שילדה קלה, מסגרות לחלונות, דלתות ורהיטים, צינורות, שלדת מטוסים, פחיות לשתיה, תעשיית הרכב, כלי שייט, רכיבים אלקטרונים, מארזים, פסלים, כלי מטבח.

טיטניום - מתכת אפורה בעלת גוון יחודי, קלה יחסית, בעלת חוזק גבוה, הולכה תרמית נמוכה יחסית למתכות, עמידות טובה בזעזועים ועמידות מצוינת בקורוזיה.

שימושים: ביו-רפואה (שתלים), מוצרי ספורט, שלדות לאופניים ואופנועים, תכשיטים.

בשל העמידות הטובה של הטיטניום בסביבות כימיות אגרסיביות (עמידות טובה בקורוזיה), משמש הטיטניום בתעשיות התעופה האווירית ורכבי החלל ובתעשיית הביו-רפואה (שתלים וקוצבי לב). שימושים נוספים לטיטניום קיימים בתעשיות הרכב, מוצרי ספורט (אופני טיטניום, ומחבטי גולף), מחשבים, שעונים ותכשיטים. תחמוצת הטיטניום משמשת כפיגמנט לצבעים (לבן טיטניום).

חומרים קרמים

חומרים קרמים מכילים אלמנטים מתכתיים ואל-מתכתיים הקשורים בקשרים יונים, קוולנטים או יונים-קוולנטים מעורבים. חומר קרמי מוגדר כתרכובת אנאורגנית המכילה יסוד לא מתכתי אחד לפחות. חומרים קרמים מתאפיינים בקשיות גבוהה, מבודדים מבחינה תרמית (חום) וחשמלית, עמידים בטמפרטורות גבוהות, הם קלים יחסית למתכות, הם בעלי ייציבות מבנית בטמפרטורות גבוהות ועמידים בסביבות אגרסיביות. חסרונם הגדול נובע מהיותם חומרים פריכים (שבירים). דוגמאות לחומרים קרמים: SiO₂ ,Al₂O₃ ,TiN ,SiC.

חומר קרמי יכול להיות תחמוצת של מתכת (לדוגמה אלומינה) או תרכובת של יסודות אל מתכתיים (לדוגמה גרפיט). מבנה האטומים בקרמיקה יכול להיות גבישי (מסודר) או אמורפי (חסר סדר). קרמיקה גבישית יכולה להיות חד-גבישית, כלומר מורכבת מגביש יחיד, כמו פרוסת סיליקון, או רב-גבישית, כמואלומינה. דוגמה לקרמיקה אמורפית היא זכוכית. תכונות של חומרים קרמים: 1. קשיחות מצויינת - בזכות הקשר הקוולנטי (מודול יאנג גבוה), התנגדות נמוכה לשבירה (חסינות לשבר נמוכה מאוד). 3. פריכות, כלומר משיכות נמוכה מאוד - חוסר בדפורמציה פלסטית, 4. התנגדות נמוכה לנגיפה - חוסר בדפורמציה פלסטית.

יישומים של קרמיקה מתקדמת - חלל ותעופה: 1. מנועים הפועלים בטמפרטורות גבוהות, 2. מבנים אוירודינמיים קלים וחזקים, 3. ראשי חץ (קונוסים) לטילים, 4. מבודדי חום, 5. רכיבים במזלטים, 6. אריחים לחלליות להגנה בעת חדירה לאטמוספירה. ביו רפואה: 1. שתלים: עצמות מלאכותיות, רפואת שיניים, 2. קיבוע ואיחוי עצמות בשיקום מאוסטיאופורוזיס. אלקטרוניקה: 1. קבלים, 2. אריזות למעגלים משולבים, 3. מתמרים, 4. מבודדים. יישומים נוספים: 1. סיבים אופטיים, 2. מתגים, 3. מגברי לייזר, 4. עדשות. ועוד.

פולימרים

מולקולת ענק המכילות את האלמנטים האל-מתכתיים: C, H, (Cl, F, O, N). פולי=הרבה, מר=שרשראות. הקשרים בתוך הפולימר הם קשרים קוולנטים (מולקולרים) חזקים. היחידות החוזרות המסוגלות ליצור את הפולימר נקראות "מונומר" (ביוונית: מונו - אחד, מר - יחידה). קבוצת החומרים הפולימרים מכילה מגוון עצום של חומרים כדוגמת חלבונים, פחמימות, דנ"א, עץ, וכן חומרים כדוגמת הפלסטיק והגומי. הפולימרים מאופיינים בטמפרטורות היתוך נמוכות, עמידות נמוכה בטמפרטורות גבוהות, צפיפות נמוכה, מבודדים תרמית וחשמלית.

תכונות ומאפיינים של חומרים פולימרים: התנגדות טובה לקורוזיה ולחימצון - מלאנים לשיפור העמידות בסביבות חומציות. עמידות גרועה בטמפ' גבוהה - זוחלים כבל בטמפ' החדר, טמפ' היתוך נמוכה. התנגדות לשבירה (חסינות לשבר) נמוכה - בגלל המבנה השרשרתי והיעדר אלקטרונים חופשיים. משיכות גבוהה לתרמופלסטיים - מצויינים לעיבוד ולעיצוב. התנגדות נמוכה לנגיפה - כמו חסינות לשבר. הם מושפעים מאוד מהסביבה - משינויי אקלים, אור השמש ועוד. יכולות ייצור רבות ומגוונות - טמפ' היתוך נמוכה משולבת בפלסטיות רבה. כושר חיבור והרכבה - ניתנים להלחמה. אינם מגנטיים. הם חומרים זולים ולרוב גם ניתנים למיחזור. אחת הבעיות העיקריות בחומרים פולימרים היא הירידה הגדולה בתכונותיהם עם עליית הטמפרטורה. לדוגמה, חלבונים נהרסים סביב 42oC.

שימושים של חומרים פולימרים: דבקים, מיכלים, כלי בית ורהיטים, כלים חד-פעמים, צמיגים, מארזים, חלקים בתעשיית הרכב, בניה (עץ), מוצרי ספורו, צעצועים, ביגוד, מזון.

חומרים מרוכבים

שילוב של שני או יותר חומרים לצורך קבלת חומר חדש עם תכונות משופרות.דוגמאות: בטון, פיברגלס (fiberglass), אפוקסי עם סיבי פחמן. החומר המרוכב עשוי ממטריצה, שתפקידה לאגד את החלקיקים, ומחלקים משריינים, שתפקידם להקנות חוזק. המטריצה יכולה להיות: פולימרית, מתכתית או חומר קרמית. החומר המחזק (סיבים, זיפים או חלקיקם או מעין מבנה כוורת) יכול להיות: זכוכית, פחמן, בורון, חומר קרמי או חומר מתכתי.

תכונות עיקריות: 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.

מוליכים למחצה

הם חומרים שתכונותיהם החשמליות נעות בין בידוד חשמלי להולכה חשמלית. הניסוי הראשון שנערך בחומר מוליך למחצה בוצע על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1833. פאראדיי גילה כי כאשר מחממים כסף גופרתי, התנגדותו החשמלית של חומר זה יורדת בצורה ניכרת. התכונות החשמליות (הולכה חשמלית) של חומר מוליך למחצה משתנות במידה ניכרת כתלות בגורמים כגון טמפרטורה וחשיפה לאור הנראה. מוליך למחצה טהור יהיה מבודד באפס מעלות קלווין (האפס המוחלט) ומוליכותו תגבר ככל שהטמפרטורה שלו תעלה (התנהגות הפוכה למתכות). התכונות החשמליות של חומר מוליך למחצה ניתנות לשינוי כתוצאה מנוכחות כמויות מזעריות של אטומים זרים (מזהמים). תהליך הזיהום של מוליכים למחצה באי-ניקיונות הוא תהליך דיפווזיוני הקרוי "אילוח". בתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה מייצרים חד-גביש ענק של צורן (סיליקון - Si), שאותו חותכים לפרוסות דקות (wafers). פרוסת הגביש יחיד של סיליקון מלוטשת מצידה האחד באיכות גבוהה ומצידה האחר באופן גס. הצד המבריק של הפרוסה משמש ליצירת ההתקנים האלקטרונים. על מנת שיהיה ניתן לייצר התקנים איכותיים, חייבת הפרוסה להיות בעלת דרגת ניקיון גבוהה במיוחד, כלומר ריכוז אטומים זרים מזערי (נמוך מחלק אחד למיליון). בנוסף לסיליקון קיימים מוליכים למחצה נוספים, ביניהם הגרמניום, גליום-ארסנייד, אינדיום-פוספט, גליום-ארסנייד-פוספט ועוד.

ביומימטיקה או ביומימיקרי (Biomimicry)

ענף בין-תחומי (אינטרדיסציפלינרי) המשלב בין ביו (חיים) לבין מימיסיס (חיקוי ביוונית). תחום זה מנסה לפתור בעיות שונות, כולל בעיות טכנולוגיות ועיצוביות באמצעות חיקוי רעיונות והתנהגויות מן הטבע, כולל המתנהגותם של בעלי חיים, צמחים ומערכות אקולוגיות הקיימות בטבע. באמצעות הביומימטיקה מנסים כיום מהנדסים, מדענים ואדריכלים לקיים דו-שיח ציבורי פורה שמטרתו לאפשר שיתופי פעולה בין אנשי מקצוע מתחומים שונים במטרה לשפר יעילות של מערכות קיימות ולעצב סביבה חכמה וידידותית יותר לאדם ולטבע שמסביבו, אך יחד עם זאת ליצור סביבה יעילה יותר מבחינה אנרגתית.