ความรู้เกี่ยวกับวัสดุ
ในชีวิตประจำวันมนุษย์นำวัสดุจากธรรมชาติ และวัสดุที่มนุษย์สร้างขึ้นมาใช้ประโยชน์มากมาย ในการดำรงชีวิต โดยในสมัยโบราณวัสดุส่วนใหญ่ล้วนมาจากธรรมชาติ เช่น การนำหินมาสร้างอาวุธ นำหนังสัตว์มาทำเครื่องนุ่งห่ม นำดินมาปั้นเป็นภาชนะ แต่ปัจจุบันวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีพัฒนา และก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว จึงได้มีการนำความรู้เหล่านี้มาพัฒนา และปรับปรุงสร้างวัสดุใหม่ ๆ เพื่อตอบสนองต่อความต้องการที่หลากหลาย โดยผ่านกระบวนการทางเทคโนโลยี และถูกส่งต่อการพัฒนามาเป็นกระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรม เพื่อทำให้การแก้ไขปัญหามีทางเลือกมีหลักการและเป็นระบบมากขึ้น
ประเภทของวัสดุ
การเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับงาน จำเป็นต้องศึกษา หรือพิจารณาคุณสมบัติของวัสดุนั้นให้ตรงกับงานที่ออกแบบหรือผลิตภัณฑ์ เพื่อให้สามารถสร้างชิ้นงานได้ตรงตามความต้องการ มีความปลอดภัยและใช้ทรัพยากรได้อย่างคุ้มค่า ซึ่งวัสดุมีอยู่หลากหลายประเภท แต่ละประเภทมีคุณสมบัติต่างกัน ดังนั้นผู้ออกแบบชิ้นงานจะต้องกำหนดสมบัติเบื้องต้นเพื่อเลือกใช้วัสดุและเครื่องมือได้อย่างเหมาะสม โดยทั่วไปวัสดุแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ โลหะและอโลหะ
1. โลหะ(Metal)
เป็นวัสดุที่ได้จากการถลุงแร่ต่าง ๆ เช่น เหล็ก ดีบุก อลูมิเนียม นิกเกิล โลหะเมื่อถลุงได้จากสินแร่ในตอนแรกนั้นส่วนใหญ่จะเป็นโลหะเนื้อค่อนข้างบริสุทธิ์ ซึ่งโลหะเหล่านี้จะมีเนื้ออ่อนไม่แข็งแรงเพียงพอที่จะนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมได้โดยตรง ต้องผ่านการปรับปรุงคุณสมบัติก่อนการใช้งานโดยโลหะมีสมบัติ เป็นตัวนำไฟฟ้า ตัวนำความร้อน สามารถตีเป็นแผ่นให้บางได้สภาพทั่วไปมีความแข็ง ผิวมันวาวและเหนียว จึงเป็นวัสดุที่ใช้งานด้านโครงสร้างซึ่งสามารถแบ่งออกได้ 2 ประเภทดังนี้
1.1 โลหะประเภทเหล็ก(Ferrous Metal)
คือ โลหะที่มีพื้นฐานเป็นเหล็กประกอบ เช่น เหล็กกล้า เหล็กเหนียว เหล็กหล่อ เป็นวัสดุโลหะที่นิยมใช้ในงานโครงสร้างและใช้กันมากในวงการอุตสาหกรรม เช่น เครื่องจักร เครื่องทุ่นแรง เครื่องมือเครื่องใช้ต่าง ๆ เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงสามารถปรับปรุงคุณภาพและเปลี่ยนแปลงรูปทรงได้หลายวิธี เช่น การหล่อ การตี การกลึง การอัดรูป
1.2 โลหะนอกกลุ่มเหล็ก(Nonferrous Metal)
คือ โลหะที่ไม่มีส่วนประกอบของเหล็กอยู่ เช่น ดีบุก อลูมิเนียม สังกะสี ตะกั่ว ทองแดง เงิน ทองคำขาว ทองเหลือง แมกนีเซียม โดยวัสดุประเภทนี้มีคุณสมบัติในด้านความทนทานต่อการกัดกร่อนของกรดและด่าง น้ำหนักเบา นำไฟฟ้า ยืดตัวได้ง่าย และมีความเหนียว บางชนิดมีราคาสูงกว่าเหล็กมาก จึงต้องมีการกำหนดในการใช้งานด้านอุตสาหกรรมที่เหมาะสม เช่น ทองแดงใช้กับงานไฟฟ้า ดีบุกใช้กับงานที่ทนต่อการกัดกร่อน อลูมิเนียมใช้กับงานที่ต้องการน้ำหนักเบา
2. อโลหะ (Non Metal)
เป็นวัสดุที่มีสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า (ยกเว้นแกรไฟต์) ฉนวนความร้อน มีอัตราการยืดตัวต่ำ ไม่สามารถตีแผ่เป็นแผ่นบางได้ ซึ่งปัจจุบันวัสดุประเภทอโลหะถูกนำมาใช้มากที่สุดและมีบทบาทในภาคอุตสาหกรรมการผลิต โดยโลหะสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทดังนี้
2.1 วัสดุจากธรรมชาติ (Natural Marerials)
คือ วัสดุที่เกิดมาจากธรรมชาติ ที่ถูกนำมาใช้หากอยู่ในสภาพเดิมหรือต้องผ่านกระบวนการปรับปรุงคุณภาพ เช่น
ไม้ (Wood) เป็นวัสดุแข็งที่ได้จากลำต้นของต้นไม้ แล้วนำมาแปรรูปเป็นไม้อัดหรือไม้แผ่น เพื่อนำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เนื่องจากไม้เป็นวัสดุที่มีความแข็งแรง เนื้อไม้สามารถดูดซับเสียงได้ดี นำความร้อนต่ำ ทำให้ความร้อนจากภายนอกเข้ามาสู่อาคารได้ยาก เป็นฉนวนป้องกันไฟฟ้าได้ดี และสามารถแกะสลักลวดลายได้
ยาง (Rubber) เป็นวัสดุที่ได้จากการกรีดน้ำยางจากต้นยางพารา แล้วนำมาผ่านกระบวนการทำเป็นแผ่นยาง และสามารถนำมาแปรรูปใช้ประโยชน์ได้อย่างมากมาย เนื่องจากยางเป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่น กันน้ำได้ดี ไม่นำความร้อน และไม่นำไฟฟ้า
ผ้า (Fabric) เป็นวัสดุที่ได้จากการทอเส้นใยของไหม ฝ้าย หรือขนสัตว์บางชนิด เพื่อนำมาใช้เป็นเครื่องนุ่งห่ม เรื่องจากภาพเป็นวัสดุที่มีความอ่อนนุ่ม มีน้ำหนักเบา ดูดซับน้ำได้ดี แต่ไม่กันน้ำ
2.2 วัสดุสังเคราะห์ (Synthetic Materials)
คือ วัสดุที่สร้างขึ้นมาใหม่จากการผสมกันของวัสดุหรือสารตั้งต้นตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปด้วยกระบวนการทางเคมีในห้องทดลอง เช่น หลอม กดขึ้นรูป อบด้วยความร้อน ซึ่งวัสดุที่สร้างขึ้นมาใหม่นี้จะมีคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงไปจากเดิม มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเล็กกว่าเดิม เช่น
ไม้สังเคราะห์ (Synthetic Wood) เป็นวัสดุทดแทนไม้จริงในรูปแบบต่าง ๆ เช่น เกล็ดไม้ ผงไม้ ชิ้นไม้ขนาดเล็กโดยผสมกับวัสดุประเภทอื่น ซึ่งวัสดุที่เกิดขึ้นเรียกว่า วัสดุประกอบ(Composite Materials) นำมาใช้ผลิตเป็นไม้สังเคราะห์ประเภทต่าง ๆ เช่น ผงไม้ผสมกับพลาสติก เรียกว่า Wood Plastic Composite (WPC) และชิ้นไม้ขนาดเล็กผสมกับปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ เรียกว่า Wood Cement Board (WCB)
พลาสติก (Plastic) เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่สังเคราะห์ขึ้นใช้แทนวัสดุธรรมชาติบางชนิดเมื่อเย็นจะแข็งตัว เมื่อถูกความร้อนจะอ่อนตัว บางชนิดแข็งตัวถาวร ซึ่งแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
เทอร์มอพลาสติก(Themoplastic)
เป็นพลาสติกที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดในโลก เมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนตัว และเมื่อเย็นลงจะแข็งตัว สามารถเปลี่ยนรูปได้ เช่น อะคริลิค ไนลอน พอลิเอทิลีน พอลิโพรพิลีน พอลิสไตรีน มีสมบัติพิเศษ คือ เมื่อหลอมแล้วสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ตัวอย่างการนำพลาสติกประเภทนี้มาใช้งาน เช่น ขวดน้ำ ขวดน้ำยาสารเคมี ถุงพลาสติก ปากกา ไม้บรรทัด
เทอร์โมเซตติ้ง (Thermostting)
เป็นพลาสติกที่มีคุณสมบัติพิเศษ คือ ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และทนต่อปฏิกิริยาเคมีได้ดี เกิดคราบและรอยเปื้อนได้ยาก คงรูปร่างเมื่อผ่านความร้อน หรือแรงดันเพียงครั้งเดียว เมื่อเย็นตัวลงจะแข็งมากไม่อ่อนตัวและไม่เปลี่ยนรูปร่าง ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ตัวอย่างการนำพลาสติกประเภทนี้ไปใช้งาน เช่น ถ้วยชามเมลามีน ที่จับกระทะ กันชนรถ
เซรามิก (Ceramic) คือ เครื่องปั้นดินเผา หรือเครื่องเคลือบดินเผา ที่ใช้วัสดุชนิดตะกูลดินเหนียวเป็นหลัก ทำเป็นรูปร่างต่าง ๆ ผ่านกระบวนการผลิตที่ใช้อุณหภูมิสูง เซรามิกเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงแต่เปราะ ทนความร้อน ทนต่อการกัดกร่อน เป็นฉนวนไฟฟ้า และฉนวนความร้อน
แก้ว (Glass) เป็นวัสดุที่เกิดจากการหลอมของส่วนผสมของสารอินทรีย์ ส่วนใหญ่มักจะเป็นซิลิกา(Silica) เมื่ออยู่ในที่อุณหภูมิสูงจะหลอมจนเป็นน้ำแก้ว ที่อยู่ในสถานะของเหลว แล้วถูกนำไปผ่านกระบวนการขึ้นรูปทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว เนื้อแก้วบริสุทธิ์นั้นจะโปร่งใส ผิวเรียบ มีความแข็งแรง ทนต่อการขีดข่วน กัดกร่อน และความร้อน ทำให้แก้วมีประโยชน์ต่อการใช้งานอย่างกว้างขวาง
ดังนั้น ความรู้เรื่องคุณสมบัติต่าง ๆ ของวัสดุ หรือที่เรียกว่า “วัสดุศาสตร์” จึงเป็นความรู้หลักการพื้นฐานสำหรับการประยุกต์ใช้งาน โดยปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุต่าง ๆ แล้วนำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ หรือเรียกว่า “วัสดุวิศวกรรม”
ผังความคิดวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ
เรียนรู้เพิ่มเติม: วัสดุฉลาด(Smart Materials)
วัสดุฉลาด หรือ Smart Material คือ วัสดุที่มีความสามารถในการตอบสนอง ต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่น มีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ หรือมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า เกิดขึ้นเมื่อมีความเค้น เป็นต้น ซึ่งโลหะจำรูป (shape memory alloys - SMA) ก็จัดเป็นหนึ่งในวัสดุฉลาด ด้วยเหตุที่วัสดุสามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เมื่ออุณหภูมิ เปลี่ยนแปลงถึงระดับหนึ่ง
ตัวอย่างวัสดุฉลาด
Stent สเต็นท์ อุปกรณ์ถ่างหรือขยายหลอดเลือด มีรูปร่างลักษณะเป็นขดลวดตาข่ายทรงกระบอก ผลิตจากสเตนเลส หรือ โลหะจำรูป(วัสดุฉลาด) ก็ได้ ในกรณีที่เป็นสเต็นท์ที่ทำจากสเตนเลส แพทย์จะยึดอุปกรณ์นี้ติดกับลูกโป่งหรือบอลลูน ด้วยลวดและสอดเข้าทางเส้นเลือดในร่างกาย จนถึงหลอดเลือดของอวัยวะเป้าหมาย จากนั้นแพทย์จะอัดลมเข้าไปในลูกโป่ง เพื่อให้ลูกโป่งพองตัวออกเพื่อดัน สเต็นท์ให้ขยายตัวออกติดผนังของหลอดเลือด จากนั้นแพทย์จะปล่อยลมออกจากลูกโป่ง และถอนเส้นลวดที่ยึดสเต็นท์ออกมา แต่ในกรณีสเต็นท์ที่ทำจากโลหะจำรูป แพทย์ไม่ต้องยึดสเต็นท์เข้ากับลูกโป่ง เพราะออกแบบให้มีการเปลี่ยนรูปร่างที่อุณหภูมิ ประมาณ 37 องศาเซลเซียสแล้ว สเต็นท์ที่เข้าไปอยู่ในร่างกาย จะขยายตัวออกมาดันผนังหลอดเลือดได้เอง
วัสดุชีวภาพ (Biomaterials) คือ วัสดุที่สามารถเป็นส่วนประกอบ หรือฝังอยู่ภายในร่างกายของมนุษย์ได้เพื่อใช้เป็นวัสดุทดแทนส่วนต่างๆ ในร่างกายที่เสียหายจากโรค หรือสาเหตุอื่น ๆ เช่นขาเทียมหรือกระดูกเทียมที่ทำจากโลหะผสมที่เป็นมิตรต่อร่างกายได้แก่ โลหะไทเทนียมผสม และโลหะผสมระหว่างโคบอลต์กับโครเมียม
เส้นใยแก้วนำแสง (Fibers Optic) เป็นตัวกลางของสัญญาณแสงชนิดหนึ่ง ที่ทำมาจากแก้วซึ่งมีความบริสุทธิ์สูงมากเส้นใยแก้วนำแสงมีลักษณะเป็นเส้นยาวขนาดเล็ก มีขนาดประมาณเส้นผมของมนุษย์ เส้นใยแก้วนำแสงที่ดีต้องสามารถนำสัญญาณแสงจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้โดยมีการสูญเสียของสัญญาณแสงน้อยมาก เส้นใยแก้วนำแสงสามารถแบ่งตามความสามารถในการนำแสงออกได้เป็น 2 ชนิด คือเส้นใยแก้วนำแสงชนิดโหมดเดี่ยว(Single mode Optical Fibers) และเส้นใยแก้วนำแสงชนิดหลายโหมด (Multimode Optical Fibers)
ข้อมูลอ้างอิง: เมษ์ ศรีพัฒนาสกุล. 2562. วัสดุ อุปกรณ์เทคโนโลยี. ใน ดร.ฉัททวุฒิ พืชผล(บรรณาธิการ), เทคโนโลยี(การออกแบบและเทคโนโลยี) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2(13-18). บริษัทอักษรเจริญทัศน์ อจท. จำกัด 142 ถนนตะนาว เขตพระนคร กรุงเทพมหานคร 10200