Introduction to Materials Science (MATS 201)

Introduction to Materials Science (MATS 201) อ. ดร. วันดี ธรรมจารี อ. ดร. ชัยกานต์ เลียวหิรัญ

เนื้อหากระบวนวิชา 1. บทนำเกี่ยวกับวัสดุศาสตร์ 2. วัตถุดิบและทรัพยากรพลังงาน 3. ชนิดของวัสดุ 4. โครงสร้างของวัสดุ 4.1 โครงสร้างอะตอมและการสร้างพันธะของอะตอมในของแข็ง 4.2 โครงสร้างผลึกและความบกพร่อง 4.3 การเคลื่อนไหวของอะตอมในวัสดุ 4.4 โครงสร้างจุลภาคและการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ 5. สมบัติของวัสดุ 5.1 สมบัติเชิงกล

ครึ่งหลัง 5.2 สมบัติเชิงความร้อน 5.3 สมบัติเชิงไฟฟ้า 5.4 สมบัติเชิงแสง • ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคและสมบัติของวัสดุ • การประดิษฐ์วัสดุ 7.1 การประดิษฐ์โลหะ เซรามิก พอลิเมอร์ และวัสดุผสม 7.2 ความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติของแต่ละชนิดของกระบวนการประดิษฐ์วัสดุและสมรรถนะ 8. การเลือกและออกแบบวัสดุ

คะแนนทั้งหมด 50 คะแนน • จิตพิสัย • เข้าห้องเรียน • ตั้งใจเรียน • รายงาน/การบ้าน • สอบมิดเทอม

บทที่ 1 วัสดุศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ

บทนำ : ความเกี่ยวข้องกันระหว่างวัสดุกับมนุษย์

Stone Ages • ยุคหินเก่า เครื่องมือที่ใช้จะเป็นเครื่องมือกะเทาะหินอย่างหยาบๆ หลักฐานที่พบคือ เครื่องมือหินกรวดแม่น้ำ พบที่ อ. เชียงแสน จ. เชียงราย อ.แม่ทะ จ. ลำปาง มนุษย์ในยุคนี้ดำรงชีพด้วยการล่าสัตว์ ยังไม่รู้จักการเพาะปลูกหรือทำเครื่องปั้นดินเผา • ยุคหินกลาง ใช้เครื่องมือใช้เครื่องมือขวานหินกะเทาะทรงโดมแบบสับตัดเครื่องมือแบบขูด คนสมัยหินกลางอาศัยอยู่ในถ้ำ ในประเทศไทยพบที่ถ้ำผี ถ้ำปุงฮุง จ.แม่ฮ่องสอน และถ้ำในภาคใต้ บางแหล่งรู้จักการเพาะปลูกและทำเครื่องปั้นดินเผา • ยุคหินใหม่ ใช้เครื่องมือหินขัด และมีการทำเครื่องปั้นดินเผาขึ้นมาใช้ ทำขวานหินขัดใช้ พบตามแนวแม่น้ำแควใหญ่ แควน้อย จ. กาญจนบุรี และแหล่งโบราณคดีบ้านเชียง จ. อุดรธานี แหล่งโบราณคดีบ้านปราสาท อ. โนนสูง จ. นครราชสีมา

Metal Ages • ยุคสำริด เป็นยุคที่ใช้โลหะผสมระหว่างทองแดงและดีบุกเรียกว่าสำริดมาทำเป็นเครื่องมือเครื่องใช้ • ยุคเหล็ก เป็นยุคที่รู้จักการถลุงเหล็ก นำมาทำเป็นเครื่องมือเครื่องใช้แบ่งเป็นแหล่งโบราณคดีซึ่งพบเครื่องมือเครื่องใช้ทำด้วยโลหะสำริดฝังร่วมกับโครงกระดูกในหลุมศพ พบที่บ้านเชียง อุดรธานี หรือแหล่งโบราณคดีบ้านปราสาท อ.โนนสูง จ.นครราชสีมา ฯลฯ ส่วนแหล่งโบราณคดีซึ่งพบเครื่องมือเหล็กฝังร่วมกับโครงกระดูกนั้น พบบริเวณริมฝั่งแม่น้ำป่าสัก อ.ศรีเทพ จ.เพชรบูรณ์

Stone Ages http://media-cdn.tripadvisor.com/media/photo-s/01/17/91/af/stone-age-times.jpg8/6/11 http://www.art.com/asp/View_HighZoomResPop.asp?apn=14197456&imgloc=29-2936-Z00DRAQN.jpg&imgwidth=894&imgheight=671 8/6/12 http://dir.coolclips.com/History/British_History/Medieval_Times/Weapons/stone_age_weapon_CoolClips_wb042562.jpg 8/6/12

Stone Ages http://visual.merriam-webster.com/images/society/weapons/weapons-in-stone-age.jpg 6/6/09 http://www.any.biz/wp-content/uploads/2010/09/Stone_Age1.jpg access 8/6/11

Copper Ages Chalcolithic Age www.oknation.net/blog/print.php?id=277833

Bronze Ages http://www.dot-domesday.me.uk/bronze_axes.jpg http://www.huntingdonshire.info/history/images/Plate_II.png http://webprojects.prm.ox.ac.uk/arms-and-armour/600/1884.119.309.jpg

Iron Ages knowledgerush.com/kr/encyclopedia/Iron/ http://s3.amazonaws.com/readers/2008/08/26/goujianssword_2.jpg http://www.fas.harvard.edu/~semitic/hsm/PrepJpegs/CypIronCase.jpg

วัสดุคืออะไร “วัสดุ” หมายถึง สสารที่ทำขึ้นหรือประกอบขึ้นจากบางสิ่งบางอย่างและอยู่รอบๆ ตัวเรา เช่น ไม้ คอนกรีต พลาสติก ยาง ทองแดง อิฐ เหล็กกล้า แก้ว อลูมิเนียม กระดาษ ฯลฯ

วัสดุศาสตร์ “วัสดุศาสตร์” (Materials Science) เป็นการศึกษาเพื่อวัตถุประสงค์ดังต่อไปนี้ • มีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับโครงสร้างวัสดุ (structure) ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้วัสดุนั้นมีสมบัติที่แตกต่างกัน • สามารถแบ่งวัสดุออกเป็นชนิด ประเภท ตามลักษณะการเกิด สมบัติและกรรมวิธีในการผลิตได้ • สามารถมีข้อพิจารณาในการเลือกใช้วัสดุให้มีความเหมาะสมกับลักษณะของงาน โดยคำนึงถึงปัจจัยด้านความสะดวก ปลอดภัย ประหยัดและมีความคงทนเป็นสำคัญ • สามาถวินิจฉัยหรือพิสูจน์ทราบได้ว่า ชิ้นงานนั้นๆ ทำมาจากวัสดุอะไร เพื่อประโยชน์ในการซ่อมบำรุงหรือพัฒนางานต่อไป

วัสดุวิศวกรรม (Materials Engineering) เป็นศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอย่างเป็นด้านหลักของการใช้หลักการพื้นฐานและการประยุกต์ความรู้ของวัสดุ เพื่อปรับปรุงสมบัติแล้วนำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการได้ หรือให้เป็นไปตามความต้องการของตลาดหรือสังคม เป็นการศึกษาเรื่องของวัสดุในลักษณะการสำรวจ การวิจัย การปรับปรุง พัฒนาเพื่อให้ได้มาซึ่งวัสดุที่มีสมบัติดียิ่งขึ้น และเป็นการแก้ไขข้อด้อยของวัสดุชนิดต่างๆ เช่น • ทำอย่างไรชิ้นงานจึงจะมีน้ำหนักน้อยลง • ทำอย่างไรวัสดุที่ใช้จึงจะทนต่อการกัดกร่อน เสียดสี ทนความร้อนได้ดีกว่าเดิม • ทำอย่างไร วัสดุที่ใช้จึงจะมีลักษณะเป็นตัวนำ / ตัวต้านทานไฟฟ้า (ความร้อน) ได้ดี ฯลฯ

materials science and engineering นี้จึงได้มาจากการรวมกันของทั้ง materials science และ materials engineering วัสดุศาสตร์เป็นความรู้พื้นฐานทั้งหมดของวัสดุ และวัสดุวิศวกรรมเป็นการประยุกต์ความรู้ทั้งหมดให้เป็นประโยชน์ดั้งนั้นวิชาทั้งสองนี้จึงไม่มีเส้นแบ่งขอบเขตอย่างชัดเจน

สรุป • วัสดุศาสตร์ เป็นการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้าง และสมบัติของวัสดุ รวมถึงกระบวนการผลิต • วัสดุวิศวกรรม เป็นการศึกษาการออกแบบและคำนวณทางวิศวกรรมเกี่ยวกับโครงสร้างของวัสดุหนึ่งๆ เพื่อให้ได้มาซึ่งสมบัติที่ได้กำหนดไว้ก่อนแล้ว โดยมีพื้นฐานอยู่บนความรู้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ของโครงสร้างและสมบัติของวัสดุ

www.answers.com/topic/materials-science

http://product-image.tradeindia.com/00295352/b/Processing.jpg http://www.secomak.com/image003.jpg

โครงสร้าง ของวัสดุเกี่ยวกับการจัดเรียงองค์ประกอบภายในวัสดุ ซึ่งโครงสร้างในระดับที่เล็กกว่าอะตอมจะประกอบด้วยอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส ที่อยู่ในแต่ละอะตอมนั้น ซึ่งถ้ากล่าวถึงในระดับอะตอม โครงสร้าง คือ การจัดกลุ่มของอะตอม หรือ โมเลกุลเข้าด้วยกัน เมื่ออะตอมมารวมตัวกันในระดับที่โตขึ้น โครงสร้างนั้นจะอยู่ในระดับจุลภาค (micro scale) และถ้าโตขึ้นจนกระทั่งสามารถมองได้ด้วยตาเปล่าเรียกว่า ระดับมหภาค (macro scale)

วัสดุได้ถูกแบ่งออกได้เป็นวัสดุได้ถูกแบ่งออกได้เป็น โลหะ (Metal) http://www.thaisecondhand.com/view/productpic/p6090685n1.jpg http://www.annefriday.com/images/uploads/design/070812plat0101.jpg

โลหะ (Metal) เป็นอนินทรียสารที่มีธาตุโลหะประกอบอยู่อย่างน้อยหนึ่งธาตุ และบางครั้งอาจมีธาตุที่ไม่ใช่โลหะบางชนิดเจือปนด้วย ตัวอย่างธาตุโลหะ เช่น เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม นิกเกิลและไทเทเนียม เป็นต้น โครงสร้างของโลหะมีการจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ โดยโลหะนี้มีอิเล็กตรอนที่ไม่จำกัดเฉพาะที่อยู่มากมาย นั่นคือ อิเล็กตรอนนี้ไม่ได้เป็นของอะตอมใดโดยเฉพาะ ทำให้โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีมาก และไม่โปร่งใส ผิวของโลหะที่ขัดเรียบดีแล้วจะมีความเป็นมันวาว มีความแข็งแรงพอสมควร

เซรามิก (Ceramics) http://www.thaitravelhealth.com/blog/wp-content/uploads/2009/03/lampang-ceramics2.jpg http://img118.imageshack.us/img118/173/img0006r.jpg

เซรามิก (Ceramics) เป็นอนินทรียสารที่มีเป็นสารประกอบระหว่างธาตุโลหะกับอโลหะยึดกันด้วยพันธะเคมี โดยมากอยู่ในรูปของออกไซด์ (oxide) ไนไตรด์ (nitride) และ คาร์ไบด์ (carbide) วัสดุประเภทนี้จะรวมถึงเซรามิกที่ประกอบด้วยดินเหนียว ซีเมนต์ และแก้ว เซรามิกส่วนใหญ่มีความแข็งแรงสูงและคงความแข็งแรงแม้ที่อุณหภูมิสูงได้ดี แต่มักจะเปราะ นอกจากนี้ยังเป็นฉนวนต่อการส่งผ่านไฟฟ้าและความร้อน ทนต่ออุณหภูมิสูงและการขัดสีได้ดี ทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้ดีกว่าโลหะและพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ (Polymer) www.geocities.com/eeeve.sari/p6plastic.html www.sema.go.th/.../k4/0043/web/page/page7.htm

พอลิเมอร์ (Polymer) เป็นอินทรียสาร ซึ่งมีพื้นฐานทางเคมีมาจากคาร์บอน ไฮโดรเจน และธาตุอโลหะอื่นๆ มีโครงสร้างโมเลกุลที่ใหญ่มาก โมเลกุลจะเป็นลูกโซ่ยาวหรือร่างแห โดยส่วนใหญ่จะไม่มีรูปผลึก (อสัณฐาน) สามารถรับแรงได้มาก มีความหนาแน่นต่ำ อ่อนตัวได้มาก นำไฟฟ้าได้ไม่ดี จึงนิยมนำมาใช้ทำฉนวนไฟฟ้าและใช้ประโยชน์ทางการปิดรั่วของไฟฟ้า เช่น พลาสติก ยาง ฟองน้ำ โฟม อีพ็อกซี พีวีซี เป็นต้น

วัสดุผสม (Composites) http://www.hvtechnologies.com/images/products/emc%20products/plane.gif http://img339.imageshack.us/img339/3416/ccxtechchassiszw7.jpg

วัสดุผสม (Composites) เป็นวัสดุที่มีวัสดุ 2 ชนิดขึ้นไปเป็นองค์ประกอบ วัสดุผสมส่วนใหญ่ประกอบด้วยสารเติมที่เหมาะสมหรือวัสดุเสริมแรงกับสารเชื่อมประสานพวกเรซิน ซึ่งวัสดุผสมจะได้ลักษณะเฉพาะที่เป็นสมบัติตามต้องการ ซึ่งโดยส่วนใหญ่ วัสดุผสมจะถูกออกแบบให้รวมลักษณะเฉพาะที่ดีที่สุดของวัสดุที่เป็นองค์ประกอบเข้าด้วยกัน เช่น เส้นใยแก้ว-อีพ็อกซี กราไฟต์-อีพ็อกซี เป็นต้น

สมบัติและการเลือกใช้วัสดุสมบัติและการเลือกใช้วัสดุ 1. สมบัติทางเคมี (Chemical properties)เป็นสมบัติที่สำคัญของวัสดุซึ่งจะบอกลักษณะเฉพาะตัวที่เกี่ยวกับโครงสร้างและองค์ประกอบของธาตุต่างๆ ที่เป็นวัสดุนั้น โดยสมบัตินี้สามารถหาได้จากการใช้วิธีการวิเคราะห์แบบทำลายหรือไม่ทำลายตัวอย่าง2. สมบัติทางกายภาพ (Physical properties)เป็นสมบัติเฉพาะของวัสดุที่เกี่ยวกับการเกิดอันตรกิริยาของวัสดุนั้นกับพลังงานในรูปต่างๆกัน เช่น ลักษณะของสี ความหนาแน่น การหลอมเหลว ปรากฏการที่เกิดเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า เป็นต้น การทดสอบสมบัตินี้จะไม่มีการทำให้วัสดุนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีหรือถูกทำลาย

3. สมบัติเชิงกล (Mechanical properties)เป็นสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุที่ถูกกระทำด้วยแรง โดยทั่วไปจะเกี่ยวกับการยืดและหดตัวของวัสดุ ความแข็ง ความสามารถในการรับน้ำหนัก ความสึกหรอ และการดูดกลืนพลังงาน เป็นต้น 4.สมบัติเชิงมิติ (Dimensional properties)เป็นสมบัติที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งที่จะต้องพิจารณาในการเลือกใช้วัสดุ เช่น ขนาด รูปร่าง ความคงทน ตลอดจนลักษณะของผิวว่าหยาบ ละเอียด หรือเรียบ เป็นต้น

วัสดุสำหรับอนาคต วัสดุฉลาด (Smart materials) http://nanotech.sc.mahidol.ac.th/clip/walle.jpg http://www.trf.or.th/RE/image/best_re_50/best_50_pic11.jpg http://nana24.tarad.com/shop/n/nana24/img-lib/spd_2008042001133_b.jpg

วัสดุฉลาด (Smart materials) วัสดุเหล่านี้สามารถ “รับรู้” การเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมได้และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้นตามรูปแบบที่ได้มีการกำหนดเอาไว้ล่วงหน้าได้ (เป็นพฤติกรรมที่พบในสิ่งมีชีวิต) ตัวอย่างเช่น Sensors, Actuators

www.fiat.co.uk/showroom/?id=9665 : www.societyofrobots.com/sensors.shtml ai.jpl.nasa.gov/public/projects/sensorweb/

การบ้าน ค้นคว้าเพิ่มเติม Nanomaterials Biomaterials Ultracapacitor

Introduction to Materials Science (MATS 201)