مواد اجسامی هستند که از آنها چیزهای مختلف ترکیب و یا ساخته میشوند. از همان آغاز تمدن بشری، مردم برای بهبود شرایط زندگی خود، از مواد همراه با انرژی استفاده کرده اند. مواد همه جا هستند، زیرا فرآورده های اطراف ما از مواد ساخته شدهاند. بعضی از مواد متداولی که با آنها سر و کار داریم، شامل چوب، بتن، آجر، فولاد، پلاستیک، شیشه، لاستیک، آلومینیم، مس و کاغذ است. در اطراف ما، انواع مختلفی از مواد وجود دارند، تنها کافی است انسان به اطراف خود نگاه کند تا به وجود آنها پی ببرد. تنها تحقیق و توسعه پویا با علم مهندسی مواد است که باعث تولید مواد جدید میشود.
علم مواد و مهندسی
به طور عمده با علم مواد به تحقیق برای کسب اطلاعات اساسی درباره ساختمان درونی، خواص و نحوه فرآوری مواد مربوط میشود. مهندسی مواد به طور اساسی شامل به کارگیری معلومات پایهای و کاربردی در مورد مواد است، به طوری که بتوان با استفاده از این معلومات مواد را به تولیدات مورد نیاز مطلوب جامعه تبدیل کرد. نام «مهندسی و علم مواد»، ترکیبی از علم مواد و مهندسی مواد است. علم مواد منتهی الیه معلومات پایهای مربوط به طیف دانش مواد، و مهندسی مواد منتهی الیه مربوط به دانش کاربردی است و هیچ خط مرزی بین این دو وجود ندارد.
علم مواد در مهندسی و طراحی
در حال حاضر بخش عظیمی از اقتصاد ما را تولید و فرآوری مواد، به صورت کالاهای نهایی تشکیل میدهد. مهندسان بخش عمده ای از کالاها و نیز سیستمهای لازم برای فرآوری آنها را طراحی می¬کنند. اما از آنجایی که هر تولیدی به مواد نیاز دارد، لذا مهندسان باید به ساختمان درونی و خواص مواد آنچنان آگاه باشند که بتوانند مناسب¬ترین ماده را برای هر کاربردی انتخاب و بهترین روشهای فرآوری را برای تولید آن انتخاب کنند.
مهندسان بخش تحقیق و توسعه هر لحظه سعی میکنند که مواد جدیدی تولید کنند، یا خواص مواد موجود را بهبود ببخشند. مهندسان طراح، از مواد موجود، یا مواد اصلاح شده و یا مواد جدید، برای طراحی و تولید فرآوردهها و سیستمهای جدید استفاده میکنند. برخی مواقع عکس این حالت مطرح است و مهندسان طراح برای طرح خود به ماده جدیدی نیاز دارند که باید توسط مختصصان و کارشناسان محقق تولید شود.
علم مواد در هوا فضا
مهندسان طراح یک فضاپیمای با سرعت مافوق صوت، مجبور هستند که مواد پیشرفته جدیدی با توانایی کار در دماهای بالا بسازند به طوری که این مواد بتوانند در دماهای بالای تا ۱۸۰۰ مقاومت کنند تا سرعت هوایی معادل ۱۲ الی ۲۵ ماخ فراهم گردد. مواد تحت بررسی در حال حاضر برای استفاده در هواپیمای ۳۰-X شامل آلیاژ تیتانیوم از نوع تیمتال S۲۱ مستحکم شده با الیاف کاربید سیلیسیم برای سازه¬ی یاتاقانهای تحت بار، مواد مرکب کربن-کربن، برای سیستم حفاظ حرارتی وصل شده به صورت مکانیکی، و مواد مرکب اپوکسی با الیاف کربن برای مخزن سوخت است.
مثالی دیگر از فعالیتهای مهندسی، در مورد ایستگاه فضایی سرنشین دار است. یکی از طرحهای پیشنهادی مربوط به احداث ساختمان اصلی یک ایستگاه فضایی در فضا، با استفاده از تیرهایی با مقاطع I شکل و مقاطع ناودانی تهیه شده از مواد مرکب از جنس پلی اترمید و پلی اترا ترکتون است.
اهداف مهندسی مواد در شاخه های متفاوت
تحقیقات برای کشف مواد جدید به طور مداوم ادامه دارد؛ مهندسان مکانیک به دنبال مواد دما بالایی هستند که آنها را در موتورهای جت با کارایی بالاتر به کار بگیرند. مهندسان برق میکوشند مواد جدیدی پیدا کنند که دستگاههای الکترونیکی با سرعت بیشتر و در دماهای بالاتر کار کنند. مهندسان هوافضا در جستجوی موادی با نسبتهای استحکام به وزن بالاتری در ساخت هواپیما و وسایل نقلیه فضایی هستند. مهندسان شیمی به دنبال موادی با مقاومت به خوردگی بالا هستند. این موارد، تنها چند نمونه از تحقیقات مهندسان، در زمینه مواد جدید و پیشرفته است. بسیاری از مواردی که تا دیروز غیر ممکن بودند، امروزه به حقیقت پیوستهاند. در هر نظام تخصصی، مهندسان باید دارای یک سری اطلاعات اساسی و کاربردی در مهندسی مواد باشند تا موقع استفاده از مواد، بتوانند کارشان را به طور مؤثر انجام دهند.
انواع مواد
برای راحتی کار، اغلب مواد مهندسی را به سه گروه اصلی تقسیم میکنند: مواد فلزی، مواد پلیمری (پلاستیکها) و مواد سرامیکی. در این مقاله تفاوتهای عمده بین این مواد بر اساس برخی از خواص مهم مکانیکی و الکتریکی و فیزیکی آنها مشخص خواهند شد. علاوه بر این سه گروه اصلی مواد، دو نوع ماده دیگر را نیز به خاطر اهمیت زیاد آنها از جنبه مهندسی بررسی خواهیم کرد. این دو نوع مواد شامل مواد مرکب (کامپوزیت¬ها) و مواد الکترونیکی هستند.
مواد فلزی
این مواد، غیر آلی هستند و از یک یا چند عنصر فلزی تشکیل میشوند و ممکن است دارای مقداری عناصر غیر فلزی نیز باشند. آهن، مس، آلومینیم، نیکل و تیتانیوم نمونه هایی از عناصر فلزی هستند. در مواد فلزی، ممکن است عناصر غیر فلزی، از قبیل کربن، نیتروژن و اکسیژن نیز وجود داشته باشند. فلزات دارای ساختمان بلوری هستند که درآن، اتمها با ترتیب منظمی مرتب شدهاند. فلزات در کل، رساناهای الکتریکی و حرارتی خوبی هستند. خیلی از فلزات در دمای محیط به طور نسبی پر استحکام و انعطاف پذیر هستند و بسیاری از آنها استحکام خود را حتی در دماهای بالا نیز به خوبی حفظ میکنند.
فلزات و آلیاژها معمولا به دو گروه تقسیم میشوند:
- فلزات و آلیاژهای آهنی که دارای درصد زیادی آهن هستند؛ مثل فولادها و چدنها، و فلزات
- آلیاژهای غیر آهنی، که یا در آنها آهن وجود ندارد، یا مقدار نسبی آهن در آنها کم است.
برخی از فلزات غیر آهنی:
- آلومینیم
- مس
- روی
- تیتانیم و نیکل
مواد پلیمری (پلاستیکی)
بیشتر مواد پلیمری از شبکهها با زنجیرهای مولکولی طویل آلی (حاوی کربن) تشکیل شدهاند. از نظر ساختمانی، اغلب مواد پلیمری غیر بلوری هستند، اما بعضی از آنها شامل مخلوطی از نواحی بلوری و غیر بلوری میباشند. استحکام و شکل پذیری این مواد به طور گستردهای تغییر میکند. به علت ماهیت ساختمان درونی، اغلب مواد پلیمری، دارای رسانایی الکتریکی ضعیفی هستند. بعضی از این مواد، عایقهای خوبی به شمار میآیند و به عنوان عایق الکتریکی مورد استفاده قرار میگیرند. به طور کلی، مواد پلیمری دارای چگالی کم و دمای نرم شوندگی با دمای تجزیه نسبتا پایینی هستند.
مواد سرامیکی
مواد سرامیکی موادی غیرآلی (معدنی) هستند که دارای عناصر فلزی و غیر فلزی ترکیب شده با یکدیگر با پیوندهای شیمیایی میباشند. از نظر ساختمان، مواد سرامیکی میتوانند به صورت بلوری، غیر بلوری یا مخلوطی از هر دو باشند. بیشتر مواد سرامیکی، داری سختی بالایی هستند و استحکام دما بالای زیادی دارند، اما همین امر باعث شکنندگی مکانیکی آنها میشود. اخیراً، مواد سرامیکی جدیدی برای استفاده در موتور، ساخته شدهاند.
مزایای مواد سرامیکی مورد استفاده در موتور عبارت از:
- سبکی
- استحکام و سختی زیاد
- مقاومت گرمایی و سایشی خوب
- کاهش اصطکاک
- خواص عایقی مناسب آنها
عایق بودن بسیاری از سرامیک ها به همراه مقاومت بالای آنها در مقابل حرارت و سایش، آنها را موادی مناسب جهت مصرف در آستری کوره های مورد استفاده در ذوب فلزات دما بالایی مانند فولاد قرار میدهد. یکی از کاربردهای مهم مواد سرامیکی، کاربرد آنها به صورت کاشیهای سرامیکی در سفینه های فضایی است. این سرامیکها، ساختمان درونی آلومینیم مورد استفاده در سفینه فضایی را، در اثنای صعود به بیرون از جو زمین و نیز هنگام ورود مجدد به آن را از نظر حرارتی محافظت میکنند.
مواد مرکب
مواد مرکب مخلوطی از دو یا چند ماده هستند. اکثر مواد مرکب دارای یک ماده پرکننده یا تقویت کننده انتخابی هستند و علاوه بر آن، مواد مرکب دارای یک چسب رزینی مناسب جهت کسب ویژگیهای مخصوص و خواص مطلوب در آنها هستند. معمولا اجزای تشکیل دهنده یک ماده مرگب در یکدیگر حل نمیشوند و به صورت فیزیکی، میتوان آنها را از طریق سطح مشترک بین اجزا تشخیص داد.
از انواع عمده مواد مرکب:
- مواد الیافی (شامل الیاف در یک زمینه)
- ریز ذره ها (شامل ریز ذرهها در یک زمینه)
برای تولید مواد مرکب از انواع مختلف تقویت کنندهها و مواد زمینه استفاده میشود.
دو نوع عمده مواد مرکب نوین که در مصارف مهندسی به کار رفته اند:
- مواد مرکب شامل یک زمینه پلی استر یا رزین اپوکسی با تقویت کننده الیاف شیشه ای
- مواد مرکب شامل یک زمینه رزین اپوکسی با الیافهای کربنی
یک مثال از کاربرد مواد مرکب، استفاده از ماده مرکب سلفید پلی فنیلن (PPS) تقویت شده با الیاف شیشهای در اتصالات مناطق نفتی است. در این کاربرد از مقاومت خیلی خوب این مواد در مقابل خوردگی بهره گرفته میشود.
مواد الکترونیکی
هر چند که مواد الکترونیکی از نظر حجم، گروه بزرگی از مواد را تشکیل نمیدهند، اما از لحاظ فناوری پیشرفته مهندسی، یکی از انواع بسیار مهم مواد به شمار میآیند. مهمترین ماده الکترونیکی، سیلیسیم خالص است که خصوصیات الکتریکی آن با روشهای متعددی بهبود مییابد. مجموعه ای از مدارهای پیچیده الکترونیکی را میتوان در یک ورقه سیلسیمی به اندازه تقریبی 4/1 اینچ مربع جمع نمود.
امروزه کاربرد این مواد (مواد الکترونیکی)، ساخت تجهیزاتی از جمله را فراهم ساخته است:
- وسایل میکروالکترونیکی
- ساخت تجهیزات جدیدی از قبیل ماهواره¬های ارتباطاتی
- کامپیوترهای پیشرفته
- ماشین حسابهای دستی
- ساعتهای دیجیتالی
- ربات های جوشکاری
