เอกสารประกอบการบรรยาย

เรอง

วสดวศวกรรม

Principles of Materials Science and Engineering

โดย

รองศาสตราจารย แมน อมรสทธ

Engineering Materials

2

ความสาคญของการศกษาวสดวศวกรรม ซงเปนศาสตรทเกยวของอยางเปนดานหลกของการใชพน

ฐานและการประยกตความรทางวสด เพอปรบปรงสมบตแลวนามาผลตเปนผลตภณฑทตองการและเปน ประโยชนตอสงคม จดมงหมาย (goals) ของการเรยนวชา Engineering Materials

1. เพอตองการใหผเรยนมความรความคนเคยกบสมบตของวสด เมอตองการเลอกใชหรอนาไปประยกต

2. เพอตองการใหผเรยนไดเขาใจถงองคประกอบ โครงสราง ซงมความสมพนธกบสมบตตาง ๆ ของวสดกบการใชงาน

3. เพอตองการใหผเรยนไดทราบถงขอมลตาง ๆ ของสมบตของวสด เพอนามาใชงานเพอหลกเลยงการตองทดสอบ

4. เพอใหผเรยนไดเขาใจถงกระบวนการผลต, กระบวนการทดสอบใหวสดทผลตออกมามความสมบรณและมคณภาพ

ตาราหรอหนงสอทใชประกอบการเรยน

1. Foundations of Materials Science and Engineering by William F. Smith 2. Principles of Materials Science and Engineering by William F. Smith 3. Elements of Materials Science and Engineering by Lawrence H. Van Vlack 4. Materials for Engineering Concepts and Applications by Lawrence H. Van Vlack 5. The Science and Engineering of Materials by Donald R. Askeland 6. Engineering Materials Properties and Selection by Kenneth G. Budinski 7. Materials Science and Engineering 3rd ed. By William D. Callister Jr., John Willey & Sons 8. วสดวศวกรรม แปลและเรยบเรยง โดย รศ.แมน อมรสทธ ผศ.ดร.สมชย อครทวา

3

1. วสดวศวกรรม 1.1 วสดคออะไร

วสด คอสงตาง ๆ หรอสสารทประกอบดวยสารเคม สงตาง ๆ ทอยรอบตวเราลวนเปนผลตภณฑท เกดจากวสดทงสน 1.2 วสดวศวกรรม (Engineering materials) คอวสดทนาไปใชในงานทางดานวศวกรรม 1.3 ประเภทของวสด วสดวศวกรรม (Engineering materials) แบงออกไดออกเปน 5 ประเภท แตละประเภทจะมโครง สราง, สมบตและความแขงแรงแตกตางกน ดงน 1. ประเภทโลหะ (Metallic materials)

2. ประเภทพลาสตก หรอพอลเมอร (Polymeric materials) 3. ประเภทเซรามก (Ceramic materials) 4. ประเภทวสดผสม (Composite materials) 5. ประเภทอเลกทรอนกส (Electronic materials)

1.3.1.1 วสดประเภทโลหะ

วสดพวกนถอวาเปนสารอนนทรย (Inorganic substances) ทประกอบดวยธาตทเปนโลหะชนดเดยวหรอหลายชนดกได บางครงอาจมอโลหะผสมอยดวยกได โดยทวไปพวกโลหะจะมสมบตเฉพาะทเปนตวนาไฟฟาและความรอนทด มความแขงแรงสง เหนยวออนตวได เปนตน ถาเอาโลหะบรสทธตงแต 2 ชนดขนไปผสมกนจะไดโลหะผสม (alloy)

โลหะและโลหะผสม ยงแบงออกไดเปน 2 พวก ก. พวกโลหะทเปนเหลก (Ferrous metals) และโลหะผสม ทมเหลกเปนองคประกอบหลก ข. พวกโลหะทไมมเหลก (Non-ferrous metals) และโลหะผสมของมนทไมมเหลกหรอถามเหลกก

จะมอยนอย เชน อะลมเนยม (Al) นกเกล (Ni) ทองแดง (Cu) สงกะส (Zn) ดบก (Sn) แมกนเซยม (Mg) เปนตน

1.3.1.2 วสดประเภทพลาสตกหรอพอลเมอร วสดพวกนเปนสารอนทรย สวนใหญจะประกอบดวยธาต C, H, N, Cl, F, S, O เปนตน พอลเมอร

เปนสารทมโมเลกลใหญ มโครงสรางทตอกนยาวหรอเปนโครงขาย (net work) พอลเมอรเปนสารทไมมรปรางผลกเปนสวนใหญ แตบางชนดเปนของผสมทมรปรางผลกและไมมรปรางผลกปนกน จงมสมบตทกวางมาก มทงแขงแรง, ออน เปนฉนวนไฟฟา มจดหลอมเหลวทงสงและตา โดยทวไปพอลเมอรมความหนาแนนตา ตวอยางเชน พอลเอทลน (polyethylene) -CH2-CH2-CH2-CH2- พอลไวนลคลอไรด (PVC) -CH2-CH-CH2-CH- Cl Cl

4

เบเคไลท (Bakelite)

พลาสตกเปนพอลเมอรชนดหนงมอย 2 ชนด คอ เทอรโมพลาสตก (Thermoplastic) เปนพลาสตกชนดทสามารถหลอมเหลวไดดวยความรอนอกชนดหนงคอ เทอรโมเซต (Thermosetting plastic) เปนพลาสตกทไมสามารถหลอมเหลวได เมอแขงตวแลวเปนพลาสตกทแขงแรงแตเปราะ

1.3.1.3 วสดประเภทเซรามก วสดพวกนเปนสารอนนทรย (Inorganic substance) ทประกอบดวยธาตทเปนโลหะ และอโลหะรวม

กนอยไดดวยพนธะทางเคม (chemical bond) ซงมลกษณะดงน ก. มรปรางผลกหรอไมมรปรางผลกกได หรอเปนของผสมของทงสองอยางกได ข. มความแขงสง (high hardness) ค. มความแขงแรงดทอณหภมสง ง. มความเปราะสง หรอแตกงายเมอโดนแรงกระแทก จ. เปนฉนวนไฟฟาและความรอนทด ในปจจบนเซรามกไดพฒนาและกาวหนาไปมาก สามารถนาไปใชประโยชนไดอยางกวางขวาง เชน

ทากระสวยอวกาศ (Space shuttle) สวนประกอบของเครองยนตใชทาหววดอณหภม เปนตน 1.3.1.4 วสดประเภทผสม (composite material)

วสดประเภทผสมคออะไรนน มความหมายกวางขวางมาก ตามดกชนนารไดใหความหมายไววา composite คอสงประกอบดวยองคประกอบ (constituents) ตาง ๆ กน ทงทสามารถบอกความแตกตางไวดวยตาเปลา หรอองคประกอบทมขนาดเลกลงไปในระดบอะตอม (atomic level) หรอระดบไมโคร (microstructural level) ซงตองใชอปกรณพเศษในการดองคประกอบของมนลวนจดวาเปนวสดประเภมผสมทงสน

สาหรบความหมายทยอมรบกนไดโดยทวไปคอ “วสดประเภทผสม หมายถง วสดทจดวาเปนของ ผสมประกอบดวยองคประกอบมากนอยแตกตางกนไปตงแต 2 ชนดขนไป โดยทองคประกอบเหลานนอาจมรปรางและองคประกอบทางเคมตางกน ทาใหมนไมละลายเขาดวยกน” ในความสาคญทางวศวกรรมแลว วสดประเภทผสมกคอวสดทไดจากการนาเอาวสดทแตกตางกนมาผสมกนตงแต 2 ชนดขนไป ทาใหวสดนนมสมบตพเศษขนกวาวสดเดม เชน คอนกรต ไมอด ไฟเบอรกลาส หรอพวก Reinforcement fiber เปนตน

1.3.1.5 วสดประเภทอเลกทรอนกส วสดประเภทนบวามความสาคญมากในปจจบนซงเปนยกตของเทคโนโลยชนสง วสดประเภทนทจด

วาสาคญทสด คอ ซลกอนบรสทธ ซงสามารถนาไปใชหรอดดแปลงใหมลกษณะสมบตเฉพาะไดดมาก เชน ใชทา silicon chip, micro-eletronic devices, semiconductors เปนตน

5

1.4 สมบตและการเลอกใชวสด การเลอกใชวสดใหเหมาะสมกบงานนนจาเปนจะตองศกษา หรอพจารณาจากสมบตของวสดนนใหมนตรงกบงานทออกแบบ หรอทตองการทาจากวสดตาง ๆ ซงมอยมากมาย และวศวกรสามารถสงตวอยางไปวเคราะหสมบต องคประกอบไดจากศนยเครองมอหรอศนยทดสอบ ซงมอยหลายแหงดวยกน เพอประหยดเวลาและการลงทน สมบตทสาคญทใชในการพจารณาเลอกวสดทจะใชดงแสดงในรป 1.1

1.4.1 สมบตทางเคม (Chemical properties) เปนสมบตทสาคญของวสดซงจะบอกลกษณะเฉพาะตวทเกยวกบโครงสรางและองคประกอบของ

ธาตตาง ๆ ทเปนวสดนน ตามปกตสมบตนจะทราบไดจากการทดลองในหองปฏบตการเทานน โดยจะใหวธการวเคราะหแบบทาลายหรอไมทาลายตวอยาง

1.4.2 สมบตทางกายภาพ (Physical properties) เปนสมบตเฉพาะของวสดทเกยวกบการเกดอนตรกรยาของวสดนนกบพลงงานในรปตาง ๆ กน

เชน ลกษณะของส ความหนาแนน การหลอมเหลว ปรากฏการณทเกดกบสนามแมเหลกหรอสนามไฟฟา เปนตน การทดสอบสมบตนจะไมมการทาใหวสดนนเกดการเปลยนแปลงทางเคมหรอถกทาลาย

6

Chemical Physical Mechanical Dimensional

Material properties

Composite Tensile properties Available shapes Microstructure Toughness Available size

Metals Phases Ductility Available surface texture Grain size Fatigue Manufacturing tolerances Corrosion resistance Hardness Inclusions Creep resistance

Composition Tensile properties Manufacturing tolerances Fillers Heat distortion Stability Crystallinity Compression strength Available sizes Molecular weight PV Limit

Plastics Flammability Melting point Toughness Spatial configuration Thermal Chemical resistance Magnetic

Electrical Composition Optical Tensile properties Available shapes Porosity Acoustic Compression strength Available sizes

Ceramics Grain size Gravimetric Fracture toughness Manufacturing tolerances Binder Hardness Available surface texture

Corrosion resistance

Composition(matrix/reinforcement) Tensile properties Available shapes Matrix/reinforcement bond Compression strength Available sizes

Composites Volume fraction reinforcement Fracture toughness Manufacturing tolerances Reinforcement nature Creep resistance Stability Corrosion resistance รปท 1.1 แสดงสมบตตาง ๆ ของวสดเพอการตดสนใจนาไปประยกตของวสดประเภทตาง ๆ

7

14.3 สมบตเชงกล (Mechanical properties) เปนสมบตเฉพาะของวสดทถกกระทาดวยแรง โดยทวไปจะเกยวกบการยดและหดตวของวสด (elastic and

inelastic properties) ความแขง, ความสามารถในการรบนาหนก ความสกหรอและการดดกลนพลงงาน เปนตน 14.4 สมบตเชงมต (ขนาด) (Dimensional properties)

เปนสมบตทสาคญอกอยางหนงทจะตองพจารณาในการเลอกใชวสด เชน ขนาด รปราง ความคงทน ตลอดจน ลกษณะของผววาหยาบ ละเอยด หรอเรยบ เปนตน ซงสมบตเหลานจะไมมกาหนดไวในหนงสอคมอหรอในมาตรฐาน แตกเปนแฟกเตอรหนงทจะใชเปนขอมลในการตดสนใจไดดวย ตอไปนเปนตวอยางของวสด สมบตและการใชงาน ดงแสดงในตารางท 1.1 และรปท 1.2 แสดงความแขงแรงของวสดบางประเภท ตารางท 1.1 แสดงตวอยางของการใชงานและสมบตของวสดชนดตาง ๆ

ชนดของวสด การใชงาน สมบต โลหะ ทองแดง (Cu) เหลกหลอ (cast iron) เหลกแอลลอย (alloy steel) เซรามก SiO2-Na2O-CaO Al2O3, MgO, SiO2 Barium titanate พอลเมอร พอลเอทลน อพอกซ (epoxy) ฟนอลก ไฟฟา-สารกงตวนา ซลคอน (Si) Ga As วสดผสม (composite) แกรไฟต-อพอกซ ทงสเตนคารไบดโคบอลท

ใชทาลวดไฟฟา ใชทาเสอสบรถยนต ใชทาคม กญแจปากตาย ปากกาสาหรบจบ ขน บด ใชทากระจกหนาตาง ใชทาวสดทนไฟ ใชทาอปกรณสาหรบเปลยนสญญาณเสยง, แสง, ความรอน ใหเปนสญญาณไฟฟา เชน ใชในการทาอปกรณเครองเสยง ใชทาบรรจภณฑสาหรบอาหาร ใชเคลอบหรอหอหมแผนวงจรไฟฟา ใชทากาว ใชทาไมอดในอตสาหกรรม ใชทาทรานซสเตอร และแผนวงจรไฟฟา ใชทาระบบเสนใยนาแสง ใชทาสวนประกอบของรถยนต, เครองบน ใชทาเครองเจาะ สวานเครองกลง

นาไฟฟาด สามารถทาใหมรปรางตางๆ ไดด สามารถหลอได กลงได รบการสนได มความแขงแรงสง และสามารถเพมความแขงแรงไดดวยความรอน ใหประโยชนทางแสง และเปนฉนวนความรอน เปนฉนวนความรอน, หลอมเหลวทอณหภมสง สมบตเฉอยตอโลหะทหลอมเหลว เปลยนเสยงใหเปนไฟฟา โดยอาศยสมบต Piezoelectric ทาเปนแผนฟลมบาง ๆ ได ออนตวไดเปนฉนวนไฟฟาและกนความชนได เปนฉนวนไฟฟาและกนความชนได แขงและกนความชนไดด มสมบตพเศษทางไฟฟา เปลยนสญญาณไฟฟาเปนแสงได มความแขงแรงมาก มความแขงสง

8

รปท 1.2 แสดงความแขงแรง (strength) ของวสดชนดตาง ๆ สรป วสดศาสตรและวสดวศวกรรมศาสตร เปนการเชอมโยงความรเกยวกบวสดทงหลาย ระหวางพนฐานความรทางวทยาศาสตรและทางวศวกรรมเขาดวยกน วสดศาสตรเปนศาสตรทเกยวกบการวจยหาความรใหม ๆ ขนพนฐานของวสดทงหลาย แตวสดวศวกรรมศาสตรเปนศาสตรทเกยวกบการประยกตความรของวสดใหเปนประโยชนตอสงคมและมวลมนษย วสดแบงออกไดเปน 3 ประเภทใหญ ๆ ไดแก พวกโลหะ, พอลเมอรและเซรามก อก 2 ประเภท ซงมความสาคญมากสาหรบวศวกรรมและเทคโนโลยสมยใหม ไดแก วสดผสมและอเลกทรอนกส วสดแตละประเภทมการแขงขนกนอยตลอดเวลาเพอความคงอย และหาตลาดใหม ตลอดจนมการใชทดแทนซงกนและกนอยเสมอ วตถดบ ตนทนการผลตและการคนควาพฒนาหาวสดใหม กระบวนการใหม ๆ ลวนเปนแฟกเตอรทสาคญททาใหมการเปลยนแปลงการใชวสดเกดขน

9

2. การจดตวของอะตอมและโครงสรางของผลก การจดตวของอะตอมใน space ออกมาเปนโครงสรางของสารนบวามความสาคญมากตอลกษณะและสมบตของสารเหลานน โดยเฉพาะอยางยงสารทเปนของแขง การจดตวของอะตอมหรอไอออนหรอโมเลกลทเปนองคประกอบจะทาใหสารหรอวสดนนมสมบตแตกตางกนไป เชน การจดตวของอะลมเนยม อะตอมจะทาใหอะลมเนยมมสมบตออนตวด ขณะทเหลกจะมการจดตวอกแบบหนงทาใหเหลกมความแขงแรงดกวา พอลเอทลนจะมการจดตวของอะตอมอกแบบหนง ทาใหหลอมเหลวงายและเปนฉนวนไฟฟาทด สาหรบยางจะมสมบตยดหยนด เปนตน ถาอะตอมหรอไอออนจดตวเปนแบบซา ๆ กนใน 3 มต สารนนจะมโครงสรางเปนผลก (crystal structure หรอ crystalline solid หรอ crystalline material) เชน โลหะ โลหะผสม หรอเซรามก เปนตน 2.1 ระบบผลกและบราเวสแลตทซ นกผลกวทยา (Crystallographers) ไดกาหนดความยาวของแตละดานและมมทดานประกอบกนเปนหนวยเซลลออกมาเปนแบบตางๆ กน ได 7 แบบ ดงแสดงในตารางท 2.1 และใน 7 แบบน A.J.Bravais ไดแสดงใหเหนวามหนวยเซลลมาตรฐาน (Standard unit cells) ถง 14 ชนดดวยกน ดงแสดงในรปท 2.1

รปท 2.1 แสดงหนวยเซลลทง 14 ชนด ตาม Bravais กาหนดจดสดาแสดง lattice points ซงจะอยทดานหรอทมมของหนวยเซลล

10

Bravais lattices มหนวยเซลลพนฐานอย 4 ชนด คอ (1) simple (2) body-centered (3) face-centered และ (4) base-centered สาหรบ cubic system ม 3 ชนด Orthorhombic system ม 4 ชนด tetragonal system ม 2 ชนด monoclinic system ม 2 ชนด สวน Rhombohedral, hexagonal, และ triclinic systems มอยางละหนงชนด

ตารางท 2.1 การจาแนก space lattices ดวยระบบผลก

ตารางท 2.2 แสดงคาคงตวแลตทซและรศมอะตอมของโลหะบางชนดทมโครงสรางแบบ BBC ทอณหภมหอง

Metal Lattice constants a, nm Atomic radius R, nm Chromium

Iron Molybdenum Potassium Sodium

Tantalum Tungsten Vanadium

0.289 0.287 0.315 0.533 0.429 0.330 0.316 0.304

0.125 0.124 0.136 0.231 0.186 0.143 0.137 0.132

11

ตารางท 2.3 แสดงคาของ lattice constants กบรศมอะตอมของโลหะบางชนด ทมโครงสรางผลกแบบ FCC ทอณหภมหอง

Metal Lattice constants a (nm) Atomic radius R (nm) Aluminium

Copper Gold Lead Nickel

Platinum Silver

0.405 0.3615 0.408 0.495 0.352 0.393 0.409

0.143 0.128 0.144 0.175 0.125 0.139 0.144

ตารางท 2.4 แสดงโลหะชนดตาง ๆ ทมโครงสรางเปน HCP มอณหภมหอง (20oC) และ Lattice constants,

รศมอะตอมและอตราสวน c/a Lattice constants (nm) Metal

a C Atomic radius R (nm) c/a ratio

Cadmium Zinc

Magnesium Cobalt

Zirconium Titanium Beryllium

0.2973 0.2665 0.3209 0.2507 0.3231 0.2950 0.2286

0.5618 0.4947 0.5209 0.4069 0.5148 0.4683 0.3584

0.149 0.133 0.160 0.125 0.160 0.147 0.113

1.890 1.856 1.633 1.623 1.593 1.587 1.568

12

3. การแขงตวของโลหะ ความไมสมบรณของผลกและกระบวนการแพรภายในของแขง 3.1 การโตขนของผลกในโลหะหลอมเหลวและการเกดโครงสรางของเกรน หลงจากทเกดนวคลไอทเสถยรขนในกระบวนการการแขงตวของโลหะแลว นวคลไอจะโตขนเรอย ๆ จนกระทงไดเปนผลก ภายในผลกอะตอมจะจดเรยงตวเปนระเบยบทสมาเสมอ แตทศทางของแตละผลกจะแตกตางกนไปเมอการแขงตวของโลหะเกดขนอยางสมบรณ แตละผลกจะสมผสกนในทศทางทตางกน โลหะทประกอบดวยผลกจานวนมากนจะถกเรยกวา โลหะหลายผลก (polycrystalline) ซงแตละผลกทถกเรยกวา เกรน และผวสมผสระหวางผลก เรยกวา ขอบเขตของเกรน จานวนของนวคลไอทเกดขนในกระบวนการแขงตวของโลหะจะมผลตอโครงสรางของเกรน กลาวคอ ถาจานวนนวคลไอทเกดขนมจานวนนอย จะทาใหไดโครงสรางของเกรนทมความหยาบและขนาดใหญ (coarse grains) แตถามจานวนนวคลไอเกดขนมาก จะทาใหไดโครงสรางของเกรนทละเอยด ซงเปนความตองการของวศวกร เพราะโลหะทมความแขงแรงทดจะตองประกอบดวยโครงสรางของเกรนทละเอยดและสมาเสมอ จานวนนวคลไอทเกดขนมความสมพนธกบอตราเรวในการทาใหโลหะทหลอมเหลวเยนลงมาก กลาวคอ ถาทาใหโลหะเยนตวลงอยางรวดเรวจะมผลทาใหเกดนวคลไอจานวนมาก และไดเกรนทมขนาดละเอยด ในทางตรงกนขาม ถาทาใหเยนตวลงอยางชา ๆ จะทาใหเกดนวคลไอจานวนนอย และไดเกรนทใหญกวา นอกจากนยงมปจจยอนๆ ทมผลตอจานวนของการเกดนวคลไอ เชน การมสงแปลกปลอม อาทเชนอะลมเนยมและไทเทเนยมในโลหะหลอมเหลวหรอการคนโลหะทหลอมเหลวในกระบวนการทาใหโลหะแขงตว เปนตน เมอนาโลหะทบรสทธพอสมควรไปหลอในแบบทอยกบท โดยไมมการเตม grain refiner จะพบวาเกดโครงสรางของเกรน 2 แบบ คอ

1. Equiaxed grains เปนเกรนทเกดจากผลกทโตในทกทศทกทาง และมกเกดขนในบรเวณทใกลผนงของแบบ ทใชหลอ ดงแสดงในรปท 3.1 (a) เพราะบรเวณทใกลผนงของแบบทใชหลอจะมปรมาณ undercooling สงหรออตราเรวในการเยนตวสง ทาใหเกดนวคลไอขนาดเลกจานวนมาก ซงเปนผลกอใหเกด equiaxed grains ทละเอยด

2. Columnar grains เปนเกรนทมลกษณะยาวและหยาบ เกรนชนดนจะเกดขนในกรณทโลหะหลอมเหลวเยน ตวลงอยางชา ๆ อาทเชน บรเวณตรงกลางของแบบหลอ ซงเปนบรเวณทโลหะหลอมเหลวเยนตวลงชากวา เมอเทยบกบบรเวณใกลผนงของแบบหลอ หรอกลาวอกนยหนงคอ เปนบรเวณทมปรมาณ undercooling ทตา ทาใหเกดปรมาณ นวคลไอจานวนนอย ซงเปนผลกอใหเกด columnar grains ทมลกษณะหยาบ ดงแสดงในรปท 3.1 (b)

รปท 3.1 (a) แสดงโครงสรางของเกรนของโลหะทแขงตวในแมแบบทเยน

(b) แสดงภาพตดขวางการเกด columnar grain ในแทง (ingot) ของโลหะผสมอะลมเนยม 1100 (99.0% Al)

13

ในกระบวนการหลอโลหะในอตสาหกรรม เพอใหไดเกรนทมขนาดเลกและละเอยด สามารถกระทาไดโดยการเตม grain refiner ลงในโลหะหลอมเหลวในกระบวนการหลอโลหะ เชน กระบวนการหลอโลหะผสมของอะลมเนยมมกจะใช Ti, B, และ Zr เปน grain refiner 3.2 การผลตวสดผลกเดยว

โดยสวนใหญแลววสดทมโครงสรางเปนผลกและใชในงานวศวกรรมนนมกจะประกอบดวยโครงสรางหลายผลก (polycrystalline) แตกมวสดบางอยางทมโครงสรางผลกเดยว (single crystals) ตวอยางเชน ชนสวนทางอเลกทรอนกส อาทเชน transistors และ diodes บางชนด ซงถกทาขนจากธาตหรอสารประกอบกงตวนาทมโครงสรางผลกเดยว โครงสรางผลกเดยวนเปนสงจาเปนอยางยงสาหรบงานทางดานอเลกทรอนกส เพราะถาชนสวนทางอเลกทรอนกสถกทาขนจากวสดทมโครงสรางหลายผลก ขอบเขตของเกรนทมอยในโครงสรางจะขดขวางและทาลายคณสมบตทางไฟฟาของชนสวนนน

รปท 3.2 เปนภาพแสดงภาพตดขวางของโลหะผสม 6063 (Al-0.7% Mg-0.4% Si) ทไมมการเตม grain refiner (a) และ ทมการเตม grain refiner (b)

โครงสรางผลกเดยวจะเกดขนไดถาในกระบวนการแขงตวเกดนวเคลยสเพยงนวเคลยสเดยว ซงกระทาไดโดยการทาใหผวสมผสระหวางของแขงและของเหลวมอณหภมตากวาจดหลอมเหลวของของแขงเพยงเลกนอยและอณหภมภายในของเหลวจะตองสงกวาทผวสมผส ตวอยางการผลตวสดทมโครงสรางผลกเดยวน อาทเชน วธ Czochralski ซงเปนวธการผลตซลคอนโครงสรางผลกเดยวทมคณภาพสง

14

3.3 สารละลายของแขงโลหะ โลหะทใชกนอยในปจจบนน สวนนอยจะเปนโลหะบรสทธหรอเกอบบรสทธ แตโดยสวนใหญแลวมกจะเปนโลหะ

ทมโลหะอนหรออโลหะผสมอย เพอทาใหโลหะผสมนนมคณภาพพเศษมากขน เชน ทาใหแขงแรง ไมเกดสนม ขยายตวนอย และทนตอการกดกรอน เปนตน โลหะผสมหรอ alloy เปนของผสมของโลหะตงแต 2 ชนดขนไป หรออาจเปนโลหะผสมกบอโลหะ โลหะผสมจดวาเปนสารละลายของแขง คอ ของแขงทประกอบดวยอะตอมของธาตตงแต 2 ชนดขนไปกระจายตวอยในโครงสรางเดยวกน ม 2 แบบ คอ

(1) สารละลายของแขงแบบแทนท (substitutional solid solution) (2) สารละลายของแขงแบบเซลลแทรก (interstitial solid solution)

สารละลายของแขงแบบแทนท เกดจากอะตอมของธาต 2 ชนด คอ อะตอมของตวถกละลาย (solute atoms) สามารถเขาไปแทนทอะตอมของตวทาละลาย (solvent atoms) ในโครงสรางผลกได ดงแสดงในรปท 3.4 โครงสรางผลกของโลหะผสมชนดนจะไมมการเปลยนแปลง แตอาจจะเกดการเสยรปไปบาง โดยเฉพาะอยางยงเมอขนาดของอะตอมตางกน

รปท 3.4 แสดง substitutional solid solution วงกลมสเขมกบสขาว แสดงอะตอมของธาตตางชนดกน

สภาวะทอะตอมหนงจะเขาไปแทนทอกอะตอมหนงไดด จะตองมลกษณะดงนคอ 1. ขนาดเสนผานศนยกลางของอะตอมทงสองจะตองไมตางกนเกน 15% 2. โครงสรางผลกของธาตทงสองจะตองเหมอนกน 3. คาอเลกโทรเนกาวต หรอสภาพไฟฟาลบ (electronegativity) จะตองตางกนไมมากนก มฉะนนแลวจะเกดสาร

ประกอบได 4. จะตองมคาเวเลนซเทากน

15

สารละลายของแขงแบบเซลลแทรก เปนสารละลายของแขงทเกดขนเนองจากอะตอมของตวถกละลายเขาไปแทรกตวอยในชองวางระหวางอะตอมของตวทาละลายหรอ parent atoms ชองวางระหวางอะตอมของตวทาละลายนถกเรยกวา ซอก (interstices) สารละลายของแขงแบบเซลลแทรก จะเกดขนไดกตอเมอขนาดของอะตอมของตวทาละลายมขนาดใหญกวาขนาดของอะตอมของตวถกละลาย ตวอยางของอะตอมทมขนาดเลกและสามารถเขาไปแทรกอยในซอก เพอทาใหเกด interstitial solid solutions ได อาทเชน H, C, N และ O ตวอยางของสารละลายของแขงแบบเซลลแทรกทสาคญ คอ อะตอมของคารบอนในเหลก γ ทมโครงสรางแบบ FCC ซงจะอยตวทอณหภมระหวาง 912-1,394oC อะตอมของคารบอนจะเขาไปแทรกในซอกระหวางอะตอมของเหลกไดสงสด 2.08% ทอณหภม 1148 oC รปท 3.5 แสดงโครงสรางของเหลกขณะทอะตอมของคารบอนเขาไปแทรกในซอกระหวางอะตอมของเหลก ซงจะสงเกตเหนไดวาอะตอมของเหลกทอยรอบอะตอมของคารบอนจะเกดการเสยรปไปเลกนอย เนองจากขนาดของซอกระหวางอะตอมในเหลก γ ทมโครงสรางแบบ FCC เทากบ 0.053 nm (ตวอยาง) ซงมขนาดใหญกวาขนาดของซอกระหวางอะตอมในเหลก α ทมโครงสรางแบบ BCC คอประมาณ 0.036 nm จงเปนผลทาใหอะตอมของคารบอนทมขนาด 0.075 nm สามารถละลายในเหลก γ ทมโครงสรางแบบ FCC (2.08%) ไดดกวาเหลก α ทมโครงสรางแบบ BCC (0.025%)

รปท 3.5 แสดงสารละลายของแขงแบบเซลลแทรกของคารบอนในเหลก γ ทมโครงสรางแบบ FCC ทอณหภมสงกวา 912 oC และเกดการบดเบยวขน (distortion) 3.4 ความไมสมบรณของผลก

ในความเปนจรง ไมมผลกใดทมความสมบรณอยางแทจรง แตมกจะมความบกพรองเกดขนในโครงสรางผลก เสมอ ซงความบกพรองทเกดขนเหลานมกจะมผลทาใหคณสมบตทางกายภาพและสมบตเชงกลแตกตางกนออกไป ความไมสมบรณของผลกสามารถแบงออกตามเรขาคณตและรปราง ไดเปน 3 แบบ ดงนคอ

(1) ความไมสมบรณแบบศนยมต หรอแบบจด (zero-dimension or point defects) (2) ความไมสมบรณแบบหนงมต หรอแบบเสน (one-dimension or line defects) (3) ความไมสมบรณแบบสองมต (two-dimension defects) ซงรวมถงผวภายนอกและขอบเขตภายในของเกรน นอกจากนยงอาจจะมความไมสมบรณแบบสามมต (three-dimension macroscopic on bulk defects) ซงความ

ไมสมบรณเหลานไดแก รพรน รอยราว และสงแปลกปลอม เปนตน

16

ความไมสมบรณแบบศนยมตหรอแบบจด ซงเกดขนไดหลายลกษณะ ดงนคอ

(1) การเกดชองวางขนเปนความไมสมบรณแบบจดอยางธรรมดาทสด กลาวคอ อะตอมบางอะตอมทอยในโครง สรางไดหายไป ดงแสดงในรปท 3.6 (a) ซงมกจะเกดขนในขณะทโลหะหลอมเหลวแขงตว โดยทมการรบกวนระบบในชวงทผลกเจรญเตบโต หรอมการจดเรยงตวใหมของอะตอมในโครงผลกทมอยเดม เนองจากการเคลอนตวของอะตอม เปนตน ภายในโครงสรางของโลหะโดยสวนใหญแลวทสภาวะสมดลมกจะมชองวางไมเกนกวา 1 ชองตอ 10,000 อะตอม และพลงงานกระตนทตองใชในการเกดชองวางจะมคาประมาณ 1 eV ชองวางเหลานสามารถเปลยนตาแหนงได เนองจากระบวนการแพรหรอการเคลอนยายของอะตอมขางเคยง โดยเฉพาะทอณหภมสง ๆ

(a) (b) รปท 3.6 (a) แสดงความไมสมบรณแบบจดทเกดเปนชองวาง (vacancy point defect)

(b) แสดงการเกด self-interstitial หรอ interstitialcy point defect ในโครงสรางแบบ close-packed ของโลหะ

(2) Self-interstitial หรอ interstitialcy เปนความไมสมบรณของผลกแบบจดทเกดขนเนองจากอะตอมหนงเขา ไปแทรกตวอยในซอกระหวางอะตอม ดงแสดงในรปท 3.6 (b) ซงโดยทวไปแลวปรากฏการณเชนนมกจะไมเกดขน เพราะเมอเกดขนแลวมกจะทาใหโครงสรางผลกไมเสถยรและเกดการบดเบยว (distortion)

รปท 3.7 แสดงการเกด Schottky defect กบ Frenkel defect

17

นอกจากทกลาวขางตนแลว ความไมสมบรณแบบจดยงอาจเกดขนในโครงสรางผลกไอออนก ซงพบวาเกดได 2 ลกษณะ ดงนคอ

(1) Schottky imperfection เปนความไมสมบรณแบบจดทเกดขนเนองจากทงไอออนบวกและไอออนลบหลด ออกจากโครงสรางไป เพอรกษาประจของโครงสรางใหเปนกลางอยเสมอ ทาใหเกดชองวาง 2 ชองของประจบวก-ประจลบ (cation - anion divacancy) ดงแสดงในรปท 3.7 (สวนบน)

(2) Frenkel imperfection เปนความไมสมบรณแบบจดทเกดชองวางขน เนองจากไอออนบวกบวกทมขนาด เลกกวา ไมไดหลดหายออกจากโครงสราง แตเขาไปแแทรกตวอยในซอกระหวางไอออนลบ รวมกบไอออนบวกอกตวหนง ทาใหเกดชองวางของประจบวก (cation vacancy) ขน ดงแสดงในรปท 3.7 (สวนลาง)

นอกจากนอะตอมแปลกปลอมหรอไอออนแปลกปลอมทอยในโครงสรางผลกของโลหะหรอของไอออนก ใน ลกษณะของการแทนท (substitutional) หรอการเขาไปแทรกในซอก กถอไดวาเปนความไมสมบรณแบบจดเชนกน อาทเชน อะตอมทแปลกปลอมเขาไปแทนทอะตอมของซลคอนในซลคอนบรสทธ ซงเปนผลตอคณสมบตในการนาไฟฟาของซลคอนบรสทธ ทาใหเกดประโยชนตออตสาหกรรมทางอเลกทรอนกสเปนอยางมาก ความไมสมบรณแบบหนงมตหรอแบบเสน ความไมสมบรณแบบน อาจเรยกไดอกอยางหนงคอ dislocations เปนความไมสมบรณทกอใหเกดการบดเบยวของผลก มกจะเกดขนในขณะทโลหะหลอมเหลวแขงตว หรอการทวสดถกทาใหเสยสภาพแบบพลาสตก (plastic deformation) เปนตน ซงม 2 ลกษณะ ดงนคอ

(1) Edge dislocation เกดขนเนองจากม extra half plane ของอะตอมในโครงสรางผลก ดงแสดงในรปท 3.8 (a) ระยะทเพมขนรอบ ๆ dislocation น เรยกวา slip หรอ Burgers vector b ซงจะตงฉากกบ edge-dislocation line ดงแสดงในรปท 3.8 (b)

รปท 3.8 (a) แสดงการเกด edge dislocation ในผลกซงเกดความไมสมบรณแบบเสนทเกดอยในแนวบนของตวทหว กลบ (inverted tee ⊥ ) โดยม extra half plane ของอะตอมเกดแทรกอย

(b) แสดง edge dislocation ซงบงถงทศทางของ Burgers หรอ slip vector

18

(2) Screw dislocation เปนความไมสมบรณทเกดขนจากการใสแรงเฉอนเขาไปในโครงสรางผลกทสมบรณ ทา ใหโครงสรางผลกทสมบรณเกดการบดเบยวหรอเสยรปไป ดงแสดงในรปท 3.9 ในบรเวณทโครงสรางผลกเกดการบดเบยวขนน จะมพลงงานสะสมอยมาก slip หรอ Burgers vector ทเกดขน screw dislocation นจะขนานกบ dislocation line ดงแสดงอยในรปท 3.9 (b)

(a) (b) รปท 3.9 แสดงการเกด screw dislocation

(a) แสดงรปผลกทสมบรณ ถกตดดวย plane และไมมการใสแรงเคนเฉอนทศทางตรงกนขาม แตขนานกบ plane ทตด เกด screw dislocation ทแสดงในรป (b)

(b) แสดง screw dislocation กบ slip หรอ Burgers vector b ทขนานกบ dislocation line

รปท 3.10 แสดง dislocation แบบผสมทเกดขนในผลกซง dislocation line AB เปนแบบ screw type ในแนวทพงเขาส ผลกทางดานซาย และเปนแบบ edge dislocation ในแนวทออกจากผลกทางดานขวา โดยสวนใหญแลว ความไมสมบรณแบบเสนทเกดขนในโครงผลกนนมกจะเปนแบบผสมระหวาง edge dislocation และ screw dislocation ดงแสดงในรปท 3.10

19

ความไมสมบรณแบบ 2 มต หรอแบบระนาบ ความไมสมบรณแบบ 2 มตน อาทเชน ขอบเขตของเกรนซงเปนความบกพรองของพนผวทเกดขนในวสดทมโครงสรางหลายผลก ขอบเขตของเกรนเกดขนได เนองจากการเรยงตวของอะตอมในแตละผลกทมทศทางทแตกตางกน ในขณะทผลกเตบโตขนเปนเกรน เมอเกรนแตละเกรนมาสมผสกนจงทาใหเกดขอบเขตของเกรนขน ซงเปนบรเวณแคบ ๆ ระหวางเกรน บรเวณแคบ ๆ นจะมความกวางประมาณ 2 - 5 เทาของรศมของอะตอม และม atomic packing ตากวาภายในเกรน นอกจากนยงเปนบรเวณทมการสะสมของสงเจอปนเปนจานวนมากเชนกน 3.5 ขนาดของเกรน

ขนาดของเกรนในโลหะทมโครงสรางหลายผลกมผลอยางมากตอคณสมบตของวสด โดยเฉพาะอยางยงความ แขงแรงของวสด ในสภาวะทอณหภมตา (นอยกวาประมาณครงหนงของจดหลอมเหลว) ขอบเขตของเกรนจะมผลทาใหโลหะมความแขงแรงมากขน เนองจากขอบเขตของเกรนจะขดขวางตอการเคลอนตวและเปนปจจย ทาใหโลหะมความแขงแรงลดนอยลง วธ ASTM เปนวธหนงทใชในการวดขนาดของเกรน ซงแสดงไดดงสมการ

N = 2n-1

N = จานวนเกรน/ตารางนวของพนผวทถกขดและถก etched ดวยสารเคม ทกาลงขยาย 100 เทา n = เปนตวเลขจานวนเตม ซงหมายถง ASTM grain-size number คา grain-size numbers พรอมดวยคาจานวนเกรน ตอตารางนวทกาลงขยาย 100 เทา และคาจานวนเกรนตอตารางมลลเมตรทกาลงขยาย 1 เทา ไดแสดงไวในตารางท 3.1

ตารางท 3.1 แสดง ASTM Grain Sizes จานวนของเกรน Grain size no.

ตอตารางมลลเมตรทกาลงขยาย 1 เทา ตอตารางนวทกาลงขยาย 100 เทา 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

15.5 31.0 62.0 124 248 496 992 1980 3970 7940

1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0 64.0 128 256 512

ตวอยางท 3.1 ASTM grain-size มกจะถกกาหนดจาก photomicrograph ของโลหะทสองดดวยกาลงขยาย 100 เทา จงคานวณหา ASTM grain-size number ของโลหะชนดหนง ทมจานวนเกรนเทากบ 64 เกรนตอตาราง นวทกาลงขยาย 100 เทา

20

จาก N = 2n-1 ดงนน 64 = 2n-1

log 64 = (n - 1)(log2) 1.806 = (n – 1)(0.301) n = 7

ตวอยางท 3.2 ถาบน photomicrograph ของโลหะชนดหนงมจานวนเกรนเทากบ 60 เกรน ตอตารางนวทกาลงขยาย 200 เทา จงคานวณหา ASTM grain-size number ของโลหะชนดน เนองจากโจทยกาหนด 60 เกรนตอตารางนวทกาลงขยาย 200 เทา จงยงแทนลงในสตรไมได จาเปน

ตองหาจานวนเกรนทกาลงขยาย 100 เทาเสยกอน ดงนคอ

N = )ตารางนว/เกรน 60( x 100200 2

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ = 240

จาก N = 2n-1

240 = 2n-1

log 240 = (n – 1)log2 2.380 = (n – 1)(0.301) n = 8.91

การศกษาลกษณะพนผวของโลหะนน อาจศกษาไดโดยใชเครองมอทเรยกวา scanning electron microscope (SEM)

21

4. คณสมบตทางไฟฟาของวสด การนาไฟฟาในโลหะ

อะตอมของโลหะจะมการจดเรยงตวอยางมระเบยบ เกดเปนโครงผลก (อาทเชน FCC, BCC และ HCP) โดยท อะตอมเหลานนจะเกดพนธะระหวางกน โดยการเคลอนทอยางอสระของอเลกตรอนวงนอกสดของแตละอะตอม ซงเรยกพนธะนวา “พนธะโลหะ” อเลกตรอนจะเคลอนทอยางอสระระหวาง positive ion cores (อะตอมทปราศจากเวเลนซอเลกตรอนหรออเลกตรอนวงนอกสด) ในโครงผลกคลายกลมหมอก ดงแสดงในรปท 4.1

รปท 4.1 แสดงการจดเรยงตวของอะตอมของโลหะทมเวเลนซอเลกตรอนหนงตว อาทเชน Cu, Ag หรอ Na

ถาไมมความตางศกยทางไฟฟา อเลกตรอนวงนอกสดนกจะเคลอนทอยางไมมระเบยบ ทาใหไมมการไหลของกระแสไฟฟา แตถามการใหความตางศกยทางไฟฟาเขาไป กจะทาใหอเลกตรอนเกดการเคลอนทดวยความเรวลอยเลอน (drift velocity) ในทศทางเดยวกน ซงเปนปฏภาคโดยตรงกบความตางศกย แตไปในทศทางตรงกนขาม กฎของโอหม (Ohm’s law) ลองพจารณาเสนลวดทองแดงเสนหนงทปลายทงสองขางถกตอเขากบแบตเตอร ดงแสดงในรปท 4.2 ทมความตางศกยทางไฟฟา V จะทาใหเกดกระแสไฟฟา I

รปท 4.2 แสดงความตางศกย ∆ V ทตอเขากบลวดโลหะ ซงมพนทหนาตด A กระแสไหลผานเสนลวด โดยเปนปฏภาค

สวนกลบกบความตานทาน R ของเสนลวด

22

i = RV

เมอ i = กระแสไฟฟา, A แอมแปร V = ความตางศกยทางไฟฟา, V (โวลต) R = ความตานทานของเสนลวด, Ω (โอหม) ความตานทานทางไฟฟา R ของลวดตวนา จะเปนสดสวนโดยตรงกบความยาวของลวดตวนา l และ เปนปฏภาคสวนกลบกบพนทหนาตดของลวดตวนา A ดงสมการ

R = Alρ หรอ ρ =

lRA

เมอ ρ = สภาพตานทานไฟฟา (electrical resistivity) หนวยคาสภาพตานทานไฟฟา ซงเปนคาคงทของวสดทอณหภมใด ๆ คอ

ρ = l

RA = mm. 2Ω

= โอหม – เมตร = Ω .m

สวนคาสภาพการนาไฟฟา (electrical conductivity) จะเปนปฏภาคสวนกลบกบคาสภาพตานทานไฟฟา ดงน

σ = ρl

หนวยของคาสภาพการนาไฟฟา คอ (โอหม – เมตร)-1 = (Ω .m)-1 สาหรบหนวยในระบบ SI คา Ω -1 จะเรยกวา siemens (S) แตหนวยนไมคอยไดถกนามาใชเทาใดนก ตารางท 4.1 ไดแสดงคาสภาพการนาไฟฟาของโลหะและอโลหะบางชนด จากตารางจะสงเกตเหนไดวา โลหะบรสทธ อาทเชน เงน, ทองแดง และทอง จะมคาสภาพการนาไฟฟาสงประมาณ 107 (Ω .m)-1

สวนพอลเอทลนและพอลสไตลน ซงเปนฉนวนทางไฟฟา จะมคาสภาพการนาไฟฟาตาประมาณ 10-14 (Ω .m)-1

ซงนอยกวาโลหะตวนาถงประมาณ 1023 เทา สวนซลคอนและเจอรเมเนยม จะมคาสภาพการนาไฟฟาอยระหวางโลหะและฉนวน จงถกเรยกวา สารกงตวนา (semiconductors)

ตารางท 4.1 แสดงภาพการนาไฟฟาของโลหะและอโลหะทอณหภมหอง

โลหะและโลหะผสม σ (Ω .m)-1 อโลหะ σ (Ω .m)-1 เงน

ทองแดง ทอง

อะลมเนยม

6.3 x 107

5.8 x 107 4.2 x 107

3.4 x 107

แกรไฟต เจอรมาเนยม ซลคอน

พอลเอทลน พอลสไตลน

เพชร

105 (คาเฉลย) 2.2

4.3 x 10-4

10-14

10-14

10-14

ตวอยางท 4.1 ลวดตวนาเสนหนงซงมเสนผานศนยกลาง 0.20 ซม. มกระแสไฟฟาไหลผาน 20 A และกาลงไฟฟาสง สดในลวดตวนาเสนนเทากบ 4 W/m จงคานวณหาคาสภาพการนาไฟฟาตาสดของลวดตวนาเสนน

23

วธทา กาลงไฟฟา P = iV = i2R เมอ i = กระแสไฟฟา, A V = ความตางศกย, V R = ความตานทานไฟฟา, Ω P = กาลงไฟฟา, W

R = Alρ

เมอ ρ = สภาพตานทานไฟฟา, Ω .m I = ความยาวของลวดตวนา, m A = พนทหนาตดของลวดตวนา, m2

∴ P = Ali2 ρ =

Ali2

σ

σ = PA

li2

แทนคา P = 4 W/m, i = 20 A, l = 1 m

A = π r2 = 2

2002.0 x

722

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ = 3.14 x 10-6 m2

σ = PA

li2 =

)m10 x 14.3)(W4()lm()A20(

26

2

− = 3.18 x 107 (Ω .m)-1

ดงนน จะตองใชลวดตวนาทมสภาพการนาไฟฟาอยางนอย 3.18 x 107 (Ω .m)-1 หรอมากกวา ตวอยางท 4.2 ถากระแสไฟฟา 10A ไหลผานลวดทองแดง ทาใหเกดความตางศกย 0.4 V/m จงหาขนาดของเสนผาน

ศนยกลางนอยทสดของเสนลวดทองแดงน [ ]17 )m.(10 x 85.5 ดงเทากบของลวดทองแ −Ωσ

วธทา จากกฎของโอหม V = iR และ R = Alρ

∴ V = A

liρ

A = V

liρ

แทน A = (π /4)d2 และ ρ = σl จะได

2d4π =

Vil

σ

∴ d = V

il4πσ

แทนคา i = 10 A, V = 0.4 V สาหรบความยาวของลวด 1 m, l = 1.0 m, และ σ = 5.85 x 107 (Ω .m)-1 ดงนน

24

d = V

il4πσ

= ( )[ ] )V4.0(m.10x85.5

)m0.1)(A10(417 −Ωπ

= 7.37 x 10-4 m

ดงนน เสนลวดทองแดงนจะตองมเสนผานศนยกลางมากกวาหรอเทากบ 7.37 x 10-4 m ความเรวลอยเลอนของอเลกตรอนในโลหะตวนา ทอณหภมหอง positive – ion cores ทอยในโครงสรางผลกของโลหะตวนาจะเกดการสน จงมคาพลงงานจลนในตวจานวนหนง สวนอเลกตรอนจะเคลอนทอยางอสระชน positive – ion cores ทาใหเกดการแลกเปลยนพลงงานกน เนองจากไมมสนามไฟฟาภายนอกใสเขาไป จงทาใหอเลกตรอนเคลอนทอยางไมเปนระเบยบ ดงนนจงไมมกระแสไหล ถาความเขมของสนามไฟฟาสมาเสมอ E ถกใสเขาไปในตวนา อเลกตรอนจะถกเรงใหเคลอนทดวยความเรวคาหนงในทศทางตรงขามกบสนามไฟฟาทใสเขาไป อเลกตรอนจะวงชน ion core ในโครงสราง ทาใหสญเสยพลงงานจลนของตวมนเอง หลงจากเกดการชนอเลกตรอนจะเปนอสระทจะถกเรงอกครง จงเปนผลทาใหความเรวของอเลกตรอนเปลยนแปลงตามเวลาในลกษณะคลายฟนเลอย (sawtooth manner) ดงแสดงในรป 4.3 คาเฉลยของเวลาทเกดการชนเทากบ 2T เมอ T คอ relaxation time

รปท 4.3 แสดงความสมพนธระหวางความเรวลอยเลอนของอเลกตรอนกบเวลา

อเลกตรอนจะมคาเฉลยของความเรวลอยเลอนเทากบ vd ซงจะเปนปฏภาคโดยตรงกบสนามไฟฟา E ดงสมการ vd = µ E เมอ µ คอสภาพเคลอนทไดของอเลกตรอน m2/(V.S) ซงเปนคาสดสวนคงท

รปท 4.4 แสดงการไหลของอเลกตรอนในลวดทองแดง

25

ลองพจารณารปท 4.4 เปนเสนลวดตวนาทมความหนาแนนของกระแส (current density) J ไหลในทศทางดงทแสดง คาความหนาแนนของกระแสถกนยามไววา คอ อตราเรวในการเคลอนทของประจทผานพนทหนาตดทตงฉากกบแนวของ J ซงมหนวยเปน A/m2 หรอ C/(s.m2) อตราเรวในการเคลอนทของประจตอหนงหนวยพนทจะขนอยกบจานวนอเลกตรอนในหนงหนวยปรมาตร, คาประจของอเลกตรอน, e(-1.60 x 10-19 C) และความเรวลอยเลอนของอเลกตรอน, vd ซงเทากบ –nevd แตอยางไรกตาม การไหลของกระแสไฟฟาคอการไหลของประจบวก ดงนนความหนาแนนของกระแส J จงมเครองหมายเปนบวก ดงสมการ J = nevd ความตานทานไฟฟาของโลหะ (electrical resistivity of metals) คาสภาพตานทานไฟฟาของโลหะนน สามารถประมาณคาไดจาก ρ total = ρ T + ρ r ρ T เกดจากการสนของ positive ion cores ในโครงสรางผลกของโลหะ เนองจากอณหภม เมออณหภมสงขน จะทาให positive ion cores สนมากขน ซงเปนผลทาใหขดขวางการเคลอนทของอเลกตรอนทาใหโลหะมสภาพตานทานมากขน ดงแสดงในรปท 4.5

รปท 4.5 แสดงผลของอณหภมทมตอสภาพตานทานทางไฟฟาของโลหะบางชนด

26

รปท 4.6 แสดงการเปลยนแปลงของสภาพตานทานทางไฟฟาของโลหะชนดหนง เมออณหภมเปลยนไป

สวน ρ r เกดจากความบกพรองภายในโครงผลกของโลหะ อาทเชน dislocations, ขอบเขตของเกรน, และสารเจอปนตาง ๆ ซงจะไปขดขวางการเคลอนทของอเลกตรอน คา ρ r จะไมขนกบอณหภมและเดนทอณหภมตาเทานน (รปท 4.6) ในโลหะสวนใหญ ทอณหภมสงกวา –200oC คาสภาพตานทานทางไฟฟาจะมความสมพนธกบอณหภมเปนเสน ตรง ดงแสดงในรปท 4.5 ซงอาจหาไดจากสมการ ρ r = ρ0oC (1 + α T T) เมอ ρ0oC = คาสภาพตานทานทางไฟฟาทอณหภม 0oC α T = temperature resistivity coefficients, oC-1 T = อณหภมของโลหะ, oC

ตารางท 4.2 แสดงคา temperature resistivity coefficients ของโลหะบางชนด

โลหะ ความตานทานไฟฟาท 0oC, Ωµ .cm

Temperature resistivity coefficient α T, oC-1

อะลมเนยม ทองแดง ทอง เหลก เงน

2.7 1.6 2.3 9

1.47

0.0039 0.0039 0.0034 0.0045 0.0038

ตวอยางท 4.3 จงคานวณหาคาสภาพตานทานทางไฟฟาของทองแดงบรสทธ ทอณหภม 132oC, โดยใชคา

temperature resistivity coefficient ของทองแดงจากตารางท 4.2 วธทา ρ T = ρ0oC(1 + α T T)

= 1.6 x 10-6 Ω .cm (1 + C132 x C

0039.0 oo )

= 2.42 x 10-6 Ω .cm = 2.42 x 10-8 Ω .cm

27

นอกจากอณหภมจะมผลตอสภาพตานทานของโลหะแลว การเตมธาตอนลงในโลหะบรสทธกจะมผลตอสภาพตานทานไฟฟาของโลหะเชนกน กลาวคอ เมอเตมธาตอนลงในโลหะบรสทธ จะทาใหการเคลอนทของอเลกตรอนซงเปนตวพาประจไดลาบากยงขน ซงจะมผลทาใหคาสภาพตานทานไฟฟาของโลหะนนเพมขน ดงแสดงในรปท 4.7

รปท 4.7 แสดงผลกระทบของการเตมธาตบางชนดตอสภาพตานทานไฟฟาของทองแดงทอณหภมหอง จากรปจะสงเกตเหนไดวา ผลของธาตแตละชนดทมตอคาสภาพตานทานไฟฟาของทองแดงจะคอนขางแตกตางกน กลาวคอ โลหะเงนจะใหผลกระทบนอยทสด แตฟอสฟอรสจะมผลกระทบทาใหคาสภาพตานทานทางไฟฟาของทองแดงเพมขนอยางมาก

รปท 4.8 แสดงผลของการเตมสงกะสลงในทองแดงบรสทธททาใหสภาพการนาไฟฟาของทองแดงลดลง

รปท 4.8 แสดงผลของการเตมโลหะสงกะสลงในทองแดงตอคาสภาพการนาไฟฟาของทองแดง ซงจะสงเกตเหนไดวา ทองแดงจะมสภาพการนาไฟฟาลดลงอยางมาก เมอมการเตมสงกะสปรมาณ 5-35% ลงในทองแดง

28

5. สมบตเชงกลของโลหะ 5.1 กระบวนการการผลตโลหะและโลหะผสม การหลอโลหะและโลหะผสม ในกระบวนการหลอโลหะ หรอโลหะผสม โดยมากจะใชวธหลอมโลหะในเตาหลอมเสยกอน ๆ ทจะนาไปเทลงในแบบ และถาจะทาโลหะผสมกจะใชวธเตมโลหะอกชนดหนงหรอหลาย ๆ ชนดลงในโลหะทกาลงหลอมเหลวอยแลว คนใหผสมกนดจนไดสวนผสมทตองการ จากนนกจะนาไปหลอใหเปนแทงหรอเปนแผนใหเปนรปตามทตองการหรอทาใหเปนวสดสาเรจรปตอไป การรดรอนและการรดเยน ในกรณทตองการทาเปนแผนโลหะทมวนไดหรอทาใหเปนแผนหนาตามทตองการจากโลหะทเปนแทง โดยใชวธรดรอนและรดเยน การรดรอน (Hot rolling) : ถาตองการลดความหนาลงมา มกจะใชวธรดขณะทยงรอน ๆ แตกอนรดจะทาใหโลหะนนรอนทอณหภมสงกอนในเตาเผา (รปท 5.1) ซงเรยกวา soaking pit แลวจงสงเขาไปรดดวยลกกลง (รปท 5.2) จนกวาจะเยน แลวจงทาใหรอนใหมตดตอกนไป (รปท 5.3) การรดเยน (Cold rolling) : ตามปกตจะทาการรดทอณหภมหองโดยใชลกรด 4 ลก และอาจรดเปนลาดบตดตอกนกได วธนเหมาะแกการรดเยนพวกโลหะทไมใชเหลก เชน ดบก (tin) หรออะลมเนยม ความหนาทถกรดใหบางลง สามารถคานวณหาไดโดย %ความหนาทลดลง = ความหนาเรมตนของโลหะ – ความหนาสดทายของโลหะ x 100% ความหนาเรมตนของโลหะ

29

รปท 5.1 แสดงถงเหลกจะถกเผาใหรอนประมาณ 1200oC (2200oF) ในเตาแกส เรยกวา soaking pit ประมาณ 4-8 ชม. กอนนาไปรด (Bethlehem Steel Co.)

รปท 5.2 แสดงไดอะแกรมของการรดรอน

30

รปท 5.3 แสดงกระบวนการรดโลหะทรอนเปนอนกรม เพอใหโลหะบางลง ๆ ซงมตวรดหยาบ 4 ตว และตวรดสดทายอก 6 ตว

31

ตวอยางท 5.1 จงคานวณหาเปอรเซนตความหนาทลดลงของการรดเยนแผนโลหะผสมอะลมเนยม จากความหนา 0.120 นวเปน 0.040 นว

วธทา เปอรเซนตความหนาทลดลง = %100x มตนความหนาเร

ทายความหนาสด มตนความหนาเร −

= 100 x 120.0

040.0 120.0 −

= 100 x 120.0080.0

= 66.7%

ตวอยางท 5.2 แผนโลหะผสมซงมทองแดง 10% สงกะส 30% ถกนาไปรดเยนลง 20% เหลอความหนาเปน 3.00 มม.

เมอนาไปรดตอจนเหลอความหนาเปน 2.00 มม. จงหา % cold work ทงหมดวาเปนเทาใด วธทา กอนอนหาความหนาเรมแรกเสยกอน โดยให x เปนความหนาเรมตน

เพราะฉะนน x

00.3x − = 0.20

x = 3.75 มม.

% cold work ทงหมด = 100 x 75.3

00.275.3 −

= 46.6% ตวอยางท 5.3 จงหาเปอรเซนตความหนาทลดลง เมอนาลวดทองแดงททาใหออนตวแลวนามาดงใหเสนผานศนย

กลางลดลงจาก 1.27 มม. เหลอ 0.813 มม.

วธทา เปอรเซนตความหนาทลดลง = %100 x มพนทเด

ยนาตดทเปลพนทหน

= ( ) ( )

( )%100 x

27.14

813.04

27.14

2

22

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ π

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ π

−⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ π

= 59%

32

กระบวนการอดฉด (Extrusion) : โดยมากใชกบกระบวนการผลตของพวกพลาสตก โดยวสดนนจะถกอดดวยความดนสง เพอบงคบใหออกไปทาง open die ดงรปท 5.4 แตถาเปนโลหะหรอโลหะผสม จะใชวธนไดกบโลหะทกาลงรอน เพราะมนจะมความตานทานตาจงมกจะทาใหเปนแทงกลมหรอทาเปนทอกลวง โดยนาโลหะทหลอมเหลวมาใสไวในทพก (billet) ของภาชนะบรรจ (container) แลวจงจะถกอดดวยตวดน (ram) ใหออกทางดาย (die)

รปท 5.4 แสดงกระบวนการผลตโลหะโดยใช Direct และ Indirect extrusion

กระบวนการอดฉด 2 แบบ คอ 1. Direct extrusion (ดงรปท 5.4 (a)) 2. Indirect extrusion (ดงรปท 5.4 (b))

รปท 5.5 แสดงลกษณะรปรางของ Open-die forging

สาหรบ Indirect extrusion จะใช power นอยกวา Direct extrusion เพราะมความฝดนอยกวา แตกมขดจากด

กวา Direct extrusion กระบวนการอดฉดใชไดดกบพวก non-ferrous metals เชน Al, Cu หรอพวกโลหะผสมของมนทมจดหลอมเหลวตาและยงใชกบพวกแกว ถานและ Stainless steel กระบวนการอดหรอต (Forging) : เปนอกกระบวนการหนงทใชเปลยนแปลงรปรางวสด ดวยการตดวยฆอนหรอดวยการอด (press) ขณะรอนใหออกมาเปนรปรางทตองการ กระบวนการอดหรอตม 2 แบบคอ

1. Open-die forging (ดงรปท 5.5) 2. Closed-die forging

33

ซงสามารถเปลยนรปรางของวสดทมลกษณะเปนพเศษ โดยใหม refine structure และลดความพรน (porosity) ของวสดดวย นอกจากนยงมกระบวนการอน ๆ อก เชน

ก. กระบวนการดงใหเปนเสน (wire drawing) โดยดงผาน die ทมสารหลอลน และบางครงตองทาใหรอนกอน ทงนแลวแตชนดของโลหะ

ข. Deep drawing เปนกระบวนการทโดยมากใชเปลยนแปลงจากรปลกษณะทเปนแผนใหออกมาเปนถวย โดยการอดเขาไปตามรปแบบทตองการ

5.2 ความเคนและความเครยดของโลหะ

จะไดกลาวถงสมบตเชงกล (Mechanical properties) ของโลหะเพอการนาไปใชงานทางดานวศวกรรมวาม ความแขงแรง และมความออนความแขงของวสดเปนอยางไร เหมาะทจะใชงานหรอไม Elastic และ plastic deformation ถาเอาโลหะมาดงในทศทางเดยว (uniaxial tensile force) จะทาใหโลหะเปลยนรปไดและถาเลกดงแลวโลหะนนกลบมาอยในสภาพเดมเรยกวาเกด Elastic deformation แตถากลบสสภาพเดมไมได 100% เรยกวาเกด Plastic deformation ในระหวางทเกดการเปลยนรปน อะตอมจะเคลอนทไปยงตาแหนงใหม การเปลยนแปลงแบบนบางครงกเปนสงทวศวกรตองการมาก เพราะสามารถนาไปผลตสงของตาง ๆ ไดถาไมมแตกหกและเปนไปตามทตองการ เชน การผลตชนสวนรถยนตจากเหลกกลา เปนตน ความเคนทางวศวกรรม (Engineering Stress) ถานาแทงโลหะมายาว lo และมพนทหนาตด Ao ดงดวยแรง F

Engineering Stress (σ ) = )area tionseccross original( A

)force tensile uniaxial .Ave( F

o −

หนวยทใชวดคาของความเคน ปอนดตอตารางนว = lb/in2 หรอ psi ปาสคาล (Pascals), นวตน/เมตร2 1 N/m2 = 1 Pa 1 psi = 6.89 x 103 Pa 106 Pa = 1 เมกะปาสคาล = Mpa ตวอยางท 5.4 แทงอะลมเนยมมเสนผานศนยกลาง 0.500 นว ถกดงดวยแรง 2500 lb จงหาความเคนทางวศวกรรม

ในหนวย psi

วธทา σ = Ao original

Force

= 2r2500π

= ( )2500.0

4l

2500

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛π

= 12700 lb/in2

34

ตวอยางท 5.5 โลหะแทงหนงมเสนผานศนยกลาง 1.25 เซนตเมตร รบนาหนก 2500 กโลกรม จงคานวณหาความเคน ทางวศวกรรมทเกดกบแทงโลหะในหนวยเมกะปาสคาล (MPa)

วธทา มวลทใสลงไปบนแทงโลหะ = 2500 kg ∴ แรง F = ma

มวล m = 2500 kg อตราเรง a = 9.81 m/s2 ∴ F = (2500 kg) (9.81 m/s2) = 24,500 N แทงโลหะมเสนผานศนยกลาง = 1.25 cm = 0.0125 m

∴ ความเคนทางวศวกรรม σ = oA

F = 2d

d

Fπ

= ( )2m 0125.0

4

N 24500

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ π

= (2.00 x 108 Pa)

= 2.00 x 108 PA x Pa 10

MPa 16

= 200 MPa ความเครยดทางวศวกรรม (Engineering Strain) เมอแทงโลหะถกดงในทศทางเดยวกน ทาใหแทงโลหะยาวขนในทศทางทแรงกระทา ความยาวทเพมขนนเรยกวา ความเครยด (strain) จากคานยามของคาวา Engineering strain หมายถง ความเครยดทางวศวกรรมทเกดจากแรงดงโลหะ ซงหาไดจากอตราสวนของความยาวทเปลยนไปตอความยาวเดม

Engineering strain (ε ) = o

o

lll −

= oll∆ =

มความยาวเดเปลยนไปความยาวท

โดยทวไปทางดานวศวกรรมจะใชความยาว 2 นว ซงเรยกวา gage length ดงรปท 5.5

รปท 5.5 แสดงผลของแผนโลหะทถกทดสอบ

35

ตวอยางท 5.6 แทงอะลมเนยมกวาง 0.500 นว หนา 0.04 นว และยาว 8 นว โดยใช gage length 2 นว เมอทาใหเกด ความเครยดวด gage length ได 2.65 นว จงหาความเครยดทางวศวกรรม ดงรปท 5.5

วธทา ความเครยดทางวศวกรรม (ε ) = o

o

lll −

= 00.2

00.265.2 − = 0.325

% elongation = 0.325 x 100 = 32.5% Poisson Ratio การเปลยนรปทเปน elastic ในทศทางเดยว บางครงจะมการเปลยนแปลงทางดานขางดวย (lateral contraction) tensile stress ( 2σ ) จะทาใหเกด axial strain (+ε Z) และ lateral contraction เปน -ε x และ -ε y

∴ Poisson ratio (V) = )allongitudin(

)lateral(ε

ε

= -z

x

εε = -

z

y

εε

สาหรบวสดวศวกรรมสมมต v = 0.5 แตสาหรบวสดวศวกรรมจรง ๆ จะมคา v อยระหวาง 0.25 – 0.4 เฉลยจะได 0.30 ความเคนเฉอนและความเครยดเฉอน โลหะสามารถเปลยนรปไดดวยความเคนเฉอน ซงโดยมากจะเปน shear stress ธรรมดากระทาเปนค (act in pairs)

นนคอ τ (shear stress) = AS

S = แรงเฉอนทกระทากบ surface A τ = shear stress, N/m2 หรอ Pascal (Pa) A = พนททงหมดท shear force กระทา

Shear strain γ = ha = tan θ

a = shear displacement h = distance ทแรงเฉอนกระทา ถาเปน pure elastic shear τ = G γ G = elastic shear modulus

36

5.3 การทดสอบแรงดงและแผนภาพของความเคน-ความเครยดทางวศวกรรม การทดสอบแรงดง (Tensile test) ใชสาหรบการประเมนความแขงแรงของโลหะหรอโลหะผสมดวยการใชวธดง

จนขาดในชวงเวลาสน ๆ ดวยอตราคงท สารตวอยางทใชทดสอบจะแตกตางกนไปสาหรบโลหะอาจทาเปนแผน หรออาจทาเปนแทงมเสนผานศนยกลาง 0.50 นว และใช gage length 2 นว ดงรปท 5.7 ขอมลของแรงสามารถหาไดจากกราฟของการทดสอบแรงดง ซงเปนกราฟระหวางความเคนทางวศวกรรมกบความเครยดทางวศวกรรม ดงรปท 5.8 จะสามารถหา Tensile strength ได

รปท 5.6 แสดงภาพงาย ๆ ของเครองมอทใชทดสอบแรงดง ซงเปนการดงลง

รปท 5.7 แสดงตวอยางของขนาดทจะใชทดสอบแรงดง

(a) ขนาดมาตรฐานทมลกษณะกลม gage length ยาว 2 นว (b) ขนาดมาตรฐานทมลกษณะเปนแผน gage length ยาว 2 นว

37

รปท 5.8 แสดงลกษณะของกราฟ stress-strain diagram จากการทดสอบ strength ของโลหะผสมอะลมเนยม (7075-T6) ขนาดเพลต 5/8 นว เสนผานศนยกลาง 0.50 นว และใช gage length 2 นว

ขอมลสมบตเชงกลทไดจากการทดสอบแรงดงและแผนภาพความเคน-ความเคนทางวศวกรรม สมบตเชงกลของโลหะและโลหะผสมเปนเรองทสาคญสาหรบวศวกรในการออกแบบโครงสราง ซงขอมลทได

จากการทดสอบแรงดง มดงน 1. Modulus of elasticity 2. Yield strength ทวดไดจาก 0.2% offset 3. Ultimate tensile strength 4. Percent elongation at fracture 5. Percent reduction in area at fracture

Modulus of Elasticity

เปนการทดสอบของการเปลยนรปวาจะสามารถเปลยนกลบมารปเดมไดหรอไมสาหรบโลหะ maximum, elastic deformation มกจะมนอยกวา 0.5% โดยทวไปโลหะและโลหะผสมจะแสดงความสมพนธทเปนแบบเสนตรงของความเคนและความเครยดในชวงของ elastic ของ engineering stress-strain diagram ซงสามารถอธบายไดดวย Hook’s law ดงรปท 5.8

38

Hook’s law ไดอธบายไวดงน σ (stress) = Eε (strain) E = modulus of elasticity = Young’ s modulus

E = εσ

)strain()stress( (หนวยเปน psi หรอ Pa)

Modulus elasticity นจะเกยวของกบความแขงแรงของพนธะ (bond strength) ระหวางอะตอมของโลหะหรอโลหะผสม (ดตารางท 5.1) โลหะทม modulus elasticity สงจะแขง ไมงองาย เชน เหลกกลา มคา elastic modulus 30 x 106 psi (207 GPa) ขณะทโลหะผสมอะลมเนยมมคาตากวาประมาณ 10 –11 x 106 psi. (69-76 GPa) โปรดสงเกตวาในชวง elastic ของ stress strain diagram คา modulus จะไมเปลยนแปลงเมอ stress เพมขน

ตารางท 5.1 แสดงคาของ Elastic Constants ของ Isotropic Materials ทอณหภมหอง Materials Modulus of elasticity

10-6 psi (GPa) Shear Modulus 10-6 psi (GPa)

Poisson’s ratio

Aluminium alloys Copper Steel

Stainless steel Titanium Tungsten

10.5 (72.4) 16.0 (110) 29.0 (200) 28.0 (193) 17.0 (117) 58.0 (400)

4.0 (27.5) 6.0 (41.4) 11.0 (75.8) 9.5 (65.6) 6.5 (44.8) 22.8 (157)

0.31 0.33 0.33 0.28 0.31 0.27

Yield Strength เปนคาทมความสาคญทใชในการออกแบบโครงสรางของวศวกร เพราะมนเปนคาความแขงแรงของโลหะหรอโลหะผสมทสาคญตอการเปลยนรปทจะเกดขนอยางถาวร จาก stress-strain curve ไมมจดทแนนอนทแสดงใหเหนถงจดท elastic strain สนสด และ plastic strain เรมตน จงไดเลอกเอา yield strength เปนความแขงแรงของโลหะ หรอโลหะเมอมปรมาณ plastic strain เกดขนจานวนหนงแนนอน สาหรบการออกแบบโครงสรางของวศวกรอเมรกน ไดกาหนดให 0.2% ของ plastic strain ทเกดขนใน stress-strain diagram ตามรปท 5.9 0.2% yield strength นอาจเรยกไดอกอยางหนงวา 0.2% offset yield strength แตในองกฤษใช 0.1% offset การหา yield strength ใหลากเสนตรงขนานกบเสน stress-strain diagram ดงรปท 5.9 ตรงจด 0.002 นว/นว (เมตร/เมตร) ไปตด curve ขางบนจะได yield strength 78000 psi Ultimate Tensile Strength เปนคาความแขงแรงสงสดของวสด โดยพจารณาจาก engineering stress-strain curve ดงรปท 5.8 ถาตวอยางวสดซงอาจเปนโลหะหรอโลหะผสมไปดง จะเหนวาตรงกลางจะเลกลง เกดเปนคอคอด (necking) และถาดงตอไปความเคนทางวศวกรรมจะลดลง เมอความเครยดเพมขน ในทสดกจะขาด ความเคนทางวศวกรรมหาไดจากพนทหนาตดเดม (A0) ของตวอยาง

39

รปท 5.9 แสดง Engineering stress-strain diagram ซงจะไดกราฟเสนตรงซงขยายจากรป 5.8 ทาใหมความแมนยายงขนในการหา 0.2% offset

จากรปท 5.9 Ultimate tensile strength หาไดโดยการลากเสนขนานกบแกน strain ของ stress-strain curve จากจสงสดไปตดแกน stress จะไดคา ultimate tensile strength บางครงเรยกวา tensile strength จากรปท 5.8 แสดง ultimate tensile strength ของโลหะผสมอะลมเนยมซงมคา 87000 psi คานไมคอยไดใชมากนกสาหรบยานออกแบบกอสรางโดยเฉพาะโลหะออน (ductile alloy) เนองจากมการเกดการเปลยนแปลงรปอยางถาวรขนอยางมาก กอนทจะถง ultimate tensile strength อยางไรกตาม ultimate tensile strength สามารถบงชไดวาโลหะนนมความสมบรณหรอไม ถาโลหะนนมโครงสรางทไมสมบรณ เชน มรพรน จะทาใหคา strength ลดลง Percent Elongation (% ความยด) ปรมาณความยดทเกดจากการนาตวอยางไปดง เปนคาทใชบอกถงความออน (ductile) ของโลหะ ความออนตวของโลหะโดยทวไปแสดงดวยคาเปอรเซนตความยด (percent elongation) โดยเรมจาก gage length ทใชกนคอ 2.0 นว (5.1 cm) ดงรปท 5.7 โดยทวไปโลหะใดยงออน ยงมคาเปอรเซนตความยดมาก แสดงวาโลหะนนเปลยนรปมาก สาหรบโลหะอะลมเนยมบรสทธทเปนแผนหนา 0.062 นว (1.6 mm) จะม % elongation สงถง 35% แตถาเปน aluminum alloy (high strength) 7075 – T6 ทหนาเทากน จะม % elongation เพยง 11% ความยาวของโลหะทยดออกสามารถวดไดดวย extensometer หรออาจจะวดดวย calipers เปอรเซนตความยดสามารถคานวณไดจากสมการ ดงตอไปน

40

% elongation = %100 x length Initial

length Initiallength Final −

= %100 x l

ll

o

o−

% elongation ณ จดทขาดมความสาคญทางดานวศวกรรมมาก เพราะนอกจากจะทาใหทราบวาโลหะนนออนเพยงใด ยงเปนดชนทชใหทราบวา โลหะนนมคณภาพอยางไรดวย โดยท % elongation ตากวาปกต Percent reduction in area พวกโลหะหรอโลหะผสมทออนอาจแสดงไดดวยคา % reduction in area ตามปกตคานไดจากการทาการทดสอบแรงดง โดยเรมตนดวยตวอยางขนาดเสนผานศนยกลาง 0.50 นว (12.7 มม.) เมอดงจนขาด วดเสนผานศนยกลางอกครงหนงกจะหาคานไดดงสมการ

% reduction in area = %100 x area initial

area finalarea initial −

= %100 x A

AA

o

fo −

% area reduction นจะลดลงเมอโลหะม defect เชน โลหะมความพรน เปนตน ซงเหมอนกบ % elongation ตวอยางท 5.7 เสนลวดเหลกมเสนผานศนยกลาง 0.500 นว ถกดงจนขาด ปรากฏวาเสนผานศนยกลางทตรงลวดขาด

เปน 0.343 นว จงหา % reduction in area ของตวอยางน

∴ % reduction in area = %100 x A

AA

o

fo −

= l - %100 x AA

o

f

= l - %100 x )500.0(

4

)343.0(4

2

2

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ π

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ π

= 53%

41

รปท 5.10 (a) แสดง Rock well hardness tester

(b) แสดงวธการวด hardness ดวย diamond-cone indenter ความลก (t) ใชหา ความแขงของวสด ถา t นอย แสดงวาวสดนนแขงกวา

5.4 ความแขงและการทดสอบความแขง ความแขงแรงของโลหะเปนการวดความตอตาน (resistance) ของโลหะทจะตองเปลยนรปรางไปอยางถาวร

(plastic deformation) การทดสอบความแขงของวสดนน ใชวธกดวสดทมลกษณะแขงกวา เชน เหลกแขง ทงสเตนคารไบด เพชร เปนตน โดยทาเปนรปรางตาง ๆ กน เชน ทาเปนรปกลม พระมด หรอโคน เมอกดตวกด (indenter) ลงไปในวสดททดสอบเปนมม 90oC ลงไปอยางชา ๆ แลววดรอยเวาทเกดขน กจะสามารถหาความแขงได รปท 5.10 ความแขงของโลหะจะมคาเทาไร ขนอยกบความยากงายของการเปลยนรปรางอยางถาวรของวสดนน การทดสอบความแขงของวสดนนทาไดงายกวาการหาความแขงแรงของวสด 5.5 การเกดรอยแตกของโลหะ

การเกดรอยแตกของโลหะเปนการแยกหรอการแตกของของแขง ออกเปนหลาย ๆ สวนเมอมความเคน โดยทว ไปการเกดรอยแตกของโลหะ แบงออกไดเปน 2 พวก คอ 1. การเกดรอยแตกของโลหะออน (Ductile fracture) เกดขนหลงจากทเกดการเปลยนรปอยางถาวรดวยการดง ถา

ความเคนเกดขนกบตวอยาง (specimen) เกน ultimate tensile strength เปนเวลานานพอควร จะทาใหโลหะเกดรอยแตกขน ซงมลกษณะทเหนไดชด 3 ลกษณะดวยกนคอ 1.1 มลกษณะเวาเขาไปและมชองวางเกดขนทบรเวณนน (ดงรป 5.11 a และ b)

42

1.2 ชองวางทเกดนรวมตวกนมากขนเปนรอยแตกทตรงกลาง แลวมาสผวของตวอยาง เปนแนวตงฉากกบทศทางของแรงดง (ดงรป 5.11 c)

1.3 เมอรอยแตกดาเนนมาใกลกบผว ทศทางจะเปลยนไปเปนมม 45 องศา ทาใหเกดแตกออกเปนฟนปลาขน (cup and cone results) (ดงแสดงในรปท 5.11 d และ e)

2. การเกดรอยแตกของโลหะแขง (Brittle fracture) มโลหะและโลหะผสมหลายชนดทมการเกดรอยแตกแบบน คอมลกษณะเฉพาะของการเกดรอยแตกตามระนาบของผลกทเรยกวา cleavage planes แมจะเกดการเปลยนรปเพยงเลกนอย เชน โลหะทมโครงสรางของผลกเปน HCP เมอเกดรอยแตกจะเปนการแตกชนดน และโลหะอกหลายชนดทมโครงสรางเปน BCC เชน เหลก α , โมลบดนม และทงสเตนกมการแตกแบบเดยวกน การเกดรอยแตกของโลหะแขง มขนตอนของการเกดรอยแตก 3 ขนตอนดวยกน คอ 2.1 การเปลยนรปอยางถาวรจะเกดขนตาม slip plane ทถกขวางกน 2.2 ความเคนเฉอนจะถกสะสมมากขนท slip plane ถกขวางกน กอใหเกดรอยแตกเลก ๆ ขนมากอน 2.3 เมอความเคนดาเนนตอไป การเกดรอยแตกเลก ๆ จะเกดมากขนจนเปนรอยแตกเกดขน

การเกดรอยแตกนอณหภมเปนปจจยหนงทมผลกระทบ คอถาอณหภมตาและมความเครยดสง ชอบทจะเกด รอยแตกเปนแบบ brittle fracture รวมทงทบรเวณมรอยบาก (notch) ดวย

รปท 5.11 แสดงลกษณะหรอขนตอนของการเกดรอยแตกเปนฟนปลาของโลหะออน

43

5.6 ความแขงแกรงหรอความเหนยวของวสด และการทดสอบตอแรงกระแทก ความแขงแกรงหรอความเหนยวของวสด (Toughness) เปนสมบตของวสดอยางหนงทเกยวกบการดดกลน

ปรมาณพลงงานของวสดนนจะเปนไฟไดมากนอยเพยงใดกอนจะเกดการแตกหก ซงนบวามความสาคญมากตองานทางดานวศวกรรม โดยพจารณาจากความทนทานตอแรงกระแทก (impact) โดยไมเกดการแตกหก วธวดความแขงแกรงของวสดทงายทสดวธหนง คอใชเครองทดสอบแรงกระแทก (impact testing machine) ดงรปท 5.12

รปท 5.12 แสดงการทดสอบแรงกระแทก (a) แสดงตวอยางทใช Charpy and Izod test (b) แสดงภาพวาดของเครองทใชทดสอบแรงกระแทก

รปท 5.13 แสดงผลของอณหภมตอการดดกลนพลงงานจากการทดสอบแรงกระแทกของวสดบางชนด

44

รปท 5.13 แสดงถงผลของอณหภมทมตอการดดกลนพลงงานของวสดบางชนด Impact test นสามารถนามาใชทดสอบหาชวงของอณหภมของการเปลยนสมบตและพฤตกรรมของโลหะและโลหะผสมจากออน (ductile) ไปเปนแขงเปราะ นนคอ เหลกออนทมปรมาณคารบอนเพมขนจะทาใหเหลกแขงมากขน และดดกลนพลงงานนอยลง ในชวงอณหภมทกวาง แตถามปรมาณคารบอนตาจะดดกลนพลงงานไดด คอเปนเหลกทออนหรอเหนยวขน แตเกดในชวงอณหภมทแคบ และเมอใชอณหภมตา ๆ การทดสอบ Fracture toughness ของโลหะและโลหะผสมไดมการพฒนาวธทดสอบทซบซอนอน ๆ อก

รปท 5.14 กราฟแสดงผลของปรมาณของคารบอนทมตอ impact energy และอณหภมสาหรบเหลกททาใหรอนขน

45

6.1 ความหมายและประเภทของพอลเมอร

คาวา ”พอลเมอร” (Polymer) ตามคาศพทแลวแปลวา หลายสวน (Many parts) คาวา Poly แปลวามากหรอ หลายอยาง ดงนนวสดพอลเมอรอาจจะพจารณาไดวาเปนสารทประกอบดวยสวนตาง ๆ หรอหนวยตาง ๆ เขาดวยกนดวยพนธะเคมกลายเปนของแขง ในทนจะกลาวถงชนดตาง ๆ ของพอลเมอร (รปท 6.1) การทาพอลเมอรในทางเคมลกษณะโครงสรางของพอลเมอร สมบตตาง ๆ กระบวนการเตรยม เทคนคตาง ๆ ในการขนรป การประยกตของ พอลเมอรในทางอตสาหกรรมและวศวกรรมตลอดจนผลกระทบตาง ๆ ตอความแขงแรงและการเสรมความแขงแรงของพอลเมอร แตพอลเมอรทมความสาคญตอการประยกตทางอตสาหกรรมและผใช อาจแบงออกไดเปน 2 ประเภทใหญ ๆ คอ

1. พลาสตก (Plastics) 2. อลาสโตเมอร (Elastomers) หรอพวกยาง (Rubber) พลาสตกเปนวสดสงเคราะหกลมใหญและอาจมหมธาตทเปนองคประกอบแตกตางกน ซงอาจทาใหรวมตวกน

หรอเขาแบบใหมรปรางตามทตองการ พลาสตกมหลายแบบ เชน พอลเอทลน และไนลอน เปนตน พลาสตกทแบงออกเปน 2 ประเภทนนขนอยกบพนธะเคมทกระทากนไดออกมาเปนโครงสราง และมลกษณะเฉพาะเมอทาใหอณหภมเพมขน คอ เทอรโมพลาสตก (Thermoplastic) และเทอรโมเซททงพลาสตก (Thermosetting plastic) สวนอลาสโตเมอรหรอยางเปนพอลเมอรทมลกษณะยดหยน (elastical) ไดมากเมอออกแรงดงและจะกลบมาอยในสภาพเดมเมอปลอยแรงดง Thermoplastics เปนพลาสตกทสามารถทาใหหลอมเหลวหรอเปลยนรปรางไดดวยความรอน และจะแขงตวเมอทาใหเยน พลาสตกพวกนจงสามารถ recycle ไดตลอดโดยสมบตไมเปลยนแปลง เทอรโมพลาสตกโดยมากประกอบดวยพวก long chain carbon atoms ทเกดพนธะโคเวเลนตเขาดวยกน บางครงอาจมธาตไนโตรเจน ออกซเจน หรอกามะถน เขาไปเกดพนธะโคเวเลนตในโมเลกลและระหวางโมเลกลตอโมเลกลจะเกดพนธะทตยภม (secondary bonds) กนอกดวย Thermosetting plastic (Thermosets) เปนพลาสตกทไมสามารถทาใหหลอมเหลวไดดวยความรอน พลาสตกชนดนจะคงรปอยางถาวรดวยการบม “set” หรอ “cured” ดวยปฏกรยาเคมหรอดวยความรอน เมอใหความรอนทอณหภมสงจะเกดการสลายตวหรอไหมได ดงนนจงไมสามารถทา recycle กบพลาสตกชนดนได โดยมาก Thermosetting plastics ประกอบดวยคารบอนอะตอมทเกดพนธะโคเวเลนตเขาดวยกนเปนโครงขาย (network) ไดเปนของแขง บางครงในโครงขายนนจะมอะตอมของธาตไนโตรเจน ออกซเจน กามะถน หรออะตอมอน ๆ เขาไปเกดพนธะโคเวเลนตรวมดวย พลาสตกเปนวสดวศวกรรมทสาคญหลายประการดวยกน เพราะมนมสมบตกวางขวางมาก บางชนดอาจจะไมมวสดอนเสมอเหมอน และโดยทวไปพลาสตกจะมราคาคอนขางตา พลาสตกยงมขอไดเปรยบอกหลายอยางทวศวกรเครองกลนาไปใชออกแบบ เพอลดการใชชนสวนบางอยาง ลดขนตอนการทางานโดยทาใหงายตอการประกอบ ลดนาหนก ลดเสยงดงและบางกรณชวยลดเรองของการหลอลน บางชนสวนพลาสตกยงมประโยชนอกมากมายตอการออก

6. วสดพอลเมอร

46

แบบใชงานทางไฟฟา เพราะพลาสตกเปนฉนวนทดเยยม ทางอเลกทรอนกสใชทาตวเชอมตอ (connectors) สวตช รเรย ทาชนสวนของทว รปแบบขดลวด ทาแผนวงจรไฟฟา และทาชนสวนของเครองคอมพวเตอร ปรมาณการใชพลาสตกในทางอตสาหกรรมไดเพมขนอยางมากในชวงหลายปทผานมา ตวอยางทเหนไดชดเจนวาอตสาหกรรมใชพลาสตกมากขน คออตสาหกรรมผลตรถยนต ของเลน ของใชในบาน เปนตน ตอไปนจะไดกลาวถงโครงสราง สมบต และการประยกตของพลาสตกและอลาสโตเมอร

47

Ethenic Vinyls Phenolics Polyolefins Polyamides Fluorocarbons Unsaturated polyesters Styrenes Polyesters Acrylics Urethanes Cellulosics Silicones Acetals Ureas Polycarbonates Melamines Polyimides Epoxides Polyethers

รปท 6.1 แสดงชนดตาง ๆ ของวสดพอลเมอร และชนดตาง ๆ ทสาคญของพลาสตก

Polymeric materials

Plastics Elastomers Adhesives Coatings Fibers Natural polymers Biosystems

Thermoplastic Thermosetting

48

6.2 ปฏกรยาพอลเมอไรเซชน เทอรโมพลาสตกสวนมากไดจากกระบวนการสงเคราะห โดยใหโมเลกลเลกๆ มาเชอมตอกนเปนลกโซ (chain-

growth polymerization) ดวยพนธะโคเวเลนตกลายเปนโมเลกลทยาวมาก ๆ โมเลกลเรมตนทเลกหรองาย ๆ (simple- molecules) ทเรยกวาโมโนเมอร (monomers) ซงมาจากภาษากรกวา mono แปลวาหนงและ meros แปลวาสวน (part) โมเลกลหรอโมโนเมอรทมาตอกนเปนลกโซยาวน เรยกวา พอลเมอร (polymer) ซงมาจากภาษากรกวา polys แปลวามาก และ meros แปลวาสวน กระบวนการทางเคมททาใหเกด long chain molecule นเรยกวา chain-growth polymerization 6.3 ขนตอนการเกดพอลเมอไรเซชน (Chain Polymerization Steps) ปฏกรยาททาใหเกด chain polymerization ของเอทลนโมโนเมอร ไปเปน linear polymers คอ polyethylene สามารถแบงออกไดเปน 3 ขนตอน คอ

1. เกด initiation 2. เกด propagation 3. เกด termination

1. Initiation เปนการเกดปฏกรยาเรมตนเชนเดยวกบปฏกรยาทงหลายทมการใชตวเรง (catalyst) ในกรณของการเกด

polyethylene ใช organic peroxides (เปอรออกไซดทเปนสารอนทรย) เปนตวททาใหเกดอนมลอสระ (free-radical) ซงหมายถงกลมของอะตอมทมอเลกตรอนขาดค หรออเลกตรอนอสระ (unpaired electron หรอ free electron) ทาใหสามารถเกดพนธะโคเวเลนตกบโมเลกลอนทมอเลกตรอนขาดคเชนเดยวกนได 2. Propagation

เปนกระบวนการทเกด polymer chain ดวยการทโมโนเมอรเขาไปตอกนเปนหนวยทใหญขนอยางตอเนอง โดย ทพนธะค (double bond) หวทายของโมเลกลจะเปดออกเพอให free radical เขาเกดพนธะโคเวเลนตตอไป polymer chain จะเกด polymerization ทาให chain ยาวขน ๆ และพลงงานของระบบกตาลง ทาใหกระบวนการเกดปฏกรยาเปนไปอยางตอเนอง นนคอผลรวมของพลงงานของพอลเมอรทเกดขนจะตากวาผลรวมของพลงงานของโมโนเมอรททาใหเกดพอลเมอร degree of polymerization (DP) ของพอลเมอรจะมคาแตกตางกนแลวแตชนดของพอลเมอร สาหรบพอลเอทลนทขายกนอยในปจจบนมคา DP เฉลยอยในชวง 3500 – 25000 .

222222.22 CHCHCHCHRCHCHCHCHR −−−−→=+−−

3. Termination

เปนกระบวนการทจะทาใหกระบวนการพอลเมอไรเซชนสนสดลง การเตมสาร Terminator เพอหยดการเกด free radical หรอให free radical chains ทงสองรวมกน อกวธหนงทอาจทาใหกระบวนการพอลเมอรไรเซชนสนสดไดดวยสารเจอปน (impurities) เพยงเลกนอย ปฏกรยาทเกดจาก 2 free radicals รวมตวกนแลวทาใหปฏกรยาสนสดลง เชน 'R)CHCH()CHCH(R)CHCH('R)CHCH(R n22m22

.n22

.m22 −−−→−+−−

49

6.4 พอลเมอรเดยวและพอลเมอรผสม พอลเมอรเดยว (Homopolymers) เปนพอลเมอรทประกอบดวยโมโนเมอรชนดเดยวหรอเปนพอลเมอรทโครงสรางประกอบดวยหนวยยอยเพยงอยางเดยว ถา A เปนโมโนเมอร ดงนนโมเลกลของพอลเมอรเดยวจะเปน AAAAAAA… พอลเมอรผสม (Copolymers) เปนพอลเมอรทโมเลกลของมน หรอโครงสรางของมนประกอบดวยโมโนเมอรตงแต 2 ชนดขนไปมาตอกนเขาดวยรปแบบตางๆ กน พอลเมอรผสมมแบบตางกนอย 4 แบบ คอ

1. Random copolymers เปนพอลเมอรผสมโมโนเมอรแตละชนดมาตอกนเปนแบบไมแนนอน เชน ถา A และ B เปนโมโนเมอรทตางกน 2 ชนด การเรยงตวของมนจะเปนแบบ

AABABBBBAABABAAB…

2. Alternating copolymers เปนพอลเมอรผสมทเกดจากโมโนเมอรตงแต 2 ชนดขนไปมาเรยงดวยกนเปนพอลเมอรแบบสลบกน เชน

ABABABABAB…

3. Block copolymers เปนพอลเมอรผสมทเกดจากโมโนเมอรแตละชนดมาตอกนเปนแบบชวงยาว ๆ (long block) เชน

AAAAA-BBBBB-…

4. Graft copolymers เปนพอลเมอรผสมทเกดจากโมโนเมอรทมาตอกนเปนโซยาวแลวมกงกาน เชน AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA B B

B B B B 6.5 การเกดผลกและเสตอรโอไอโซเมอรในเทอรโมพลาสตกบางชนด

เทอรโมพลาสตกเหลวเมอแขงตวจะกลายเปนของแขงทมบางสวนเปนพวกไมมรปรางผลกหรออสณฐาน และ บางสวนเปนผลก ตอไปนจะไดทาการตรวจสอบดวาการแขงตวของวสดพวกนมลกษณะโครงสรางเฉพาะอยางไร ถานาเทอรโมพลาสตกทไมมรปรางผลกและเปนของเหลวมาทาใหเยนลงอยางชา ๆ การแขงตวของมนจะไปทาใหคาปรมาตรจาเพาะ (specific volume ปรมาตร/หนวยมวล) ลดลงอยางทนททนใด แต (ดงรปท 6.2) ของเหลวนนจะกลายเปนของเหลวเยนยงยวด (supercooled liquid) ซงมคาปรมาตรจาเพาะจะคอย ๆ ลดลงเมออณหภมลดลงดงแสดงดวยเสน ABC ในรปท 6.2 ในขณะทอณหภมลดลง ๆ การเปลยนแปลงของความชนของคาปรมาตรจาเพาะตออณหภม ดงเสดงดวยเสน C และ D ของ curve ABCD อณหภมเฉลยตรงทมการเปลยนแปลงความชนนน คออณหภมทพลาสตกเปลยนเปนพลาสตกทมรปรางผลกทเรยกวา glass transition temperature (Tg) เหนอจด Tg เทอรโมพลาสตกทไมมรปรางผลกจะมลกษณะเปนของเหลวขน (viscous) และถาตากวาจด Tg วสดพลาสตกนจะแสดงลกษณะเปราะเหมอนแกว (galss brittle) ในบางกรณ Tg อาจจะใชพจารณาถงอณหภมของการเปลยนแปลงความเหนยว-เปราะของวสดได ถาอณหภมตากวา Tg วสดนนจะมลกษณะเปราะคลายแกว เพราะการเคลอนไหวของโมเลกลจะเปนระเบยบแนนอน รปท 6.2 แสดงผลการทดลองทไดจากการเขยนกราฟระหวางคาปรมาตรจาเพาะกบอณหภมของพอลเอทลนทไมมรปรางผลก

50

ซงชใหเหนวาการเปลยนแปลงความชนของ curve ท Tg อยท –12oC และตารางท 6.1 เปนคา Tg ของเทอรโมพลาสตกบางชนด

รปท 6.2 แสดงการแขงตวและการทาใหเยนลงของเทอรโมพลาสตกทไมเปนผลก (non crystalline) และทเปนผลกบางสวน (crystalline) ซงแสดงใหเหนถงการเปลยนแปลงคาปรมาตรจาเพาะทอณหภมตาง ๆ Tg เปน glass transition temperature และ Tm เปนอณหภมทเกดการหลอมเหลว การเยนตวลงของเทอรโมพลาสตกจะเปนไปตามเสน ABCD เมอ A = ของเหลว B = ของเหลวขนมาก C = ของเหลวเยนยงยวด และ D = ของแขงคลายแกว (แขงและเปราะ) สาหรบเทอรโมพลาสตกทเปนผลกบางสวนจะเยนตวลงตามเสน ABEF เมอ E = บรเวณทเปนผลกแขงอยในของเหลวเยนยงยวด และ F = บรเวณทเปนผลกแขงอยในลกษณะคลายแกว 6.6 กระบวนการผลตวสดพลาสตก

กระบวนการผลตวสดสาเรจรปใหออกมาเปนแผน เปนแทง หรอใหมรปรางตาง ๆ จากเมดพลาสตกนน ทาได หลายวธ เชน ใชกระบวนการอดฉดเขาไปในแบบหรอทาออกมาเปนทอ การจะใชกระบวนการใดนนขนอยกบชนดของพลาสตก คอเปนเทอรโมพลาสตกหรอเทอรโมเซททงพลาสตก สาหรบเทอรโมพลาสตกจะใชวธทาใหรอนจนออนตวลงหรอเหลวแลวจงอดฉดเขาไปในแบบใหเปนรปรางตาง ๆ กนกอนทจะเยนตวลง แตถาเปนเทอรโมเซททงพลาสตกจะใชกระบวนการทาใหเกดปฏกรยาเคมเชอโยงเปนโครงขายแลวเขาในแบบเปนรปรางตามทตองการกอนทกระบวนการพอลเมอไรเซชนจะสนสดลง และขนสดทายของการเกดพอลเมอไรเซชนกคอ การใหความรอนหรอความกดดนหรอใชตวเรงทอณหภมหองหรอทอณหภมสงขน ตอไปนจะเปนกระบวนการทสาคญในการผลตเทอรโมพลาสตกและเทอรโมเซททงพลาสตก กระบวนการทใชผลตวสดเทอรโมพลาสตก 1. การฉดเขาในแบบ (Injection molding)

วธการนนบวาเปนสงสาคญทสดทใชผลตวสดสาเรจรปของวสดเทอรโมพลาสตก เครองททนสมยใช reciprocating-screw เปนตวพาพลาสตกทหลอมเหลวแลวฉดเขาไปในแบบ

ในกระบวนการผลตดวยการฉดพลาสตกเหลวเขาไปในแบบนน เมกพลาสตกจะถกสงลงมาจากถงใส (hopper) เขาไปยงกระบอกฉดซงมสกรหมนไปรอบ ๆ พรอมกนนน เมดพลาสตกจะถกทาใหรอนจนหลอมเหลว เมอพลาสตกเหลวทปลายสกรมมากพอ สกรจะหยดหมน แตจะทาหนาทเปนตวอดฉดจากชองออกเขาสแบบ ในชวงเวลาสนและใหความดนคงทจนพลาสตกแขงตว สกรจะถอยออกมา แบบทใชหลอจะมนาเยนเขาไปหลอ เพอใหพลาสตกแขงตวเรว ขน

51

สดทายแบบจะเปดออก พลาสตกจะหลดออกมาจากแบบดวยการใชอากาศหรอสปรงดนออกมา แลวแบบกจะประกอบเขาไปใหมพรอมทจะอดฉดตอไป

ขอดของกระบวนการผลตโดยวธนคอ 1. ชนงานหรออปกรณทผลตไดจะมคณภาพดและสามารถผลตไดรวดเรว 2. เปนกระบวนการผลตทมคาแรงถก 3. ผวของอปกรณทผลตไดจะมสภาพด 4. กระบวกการนสามารถผลตแบบอตโนมตได 5. ชนงานทมลกษณะยงยากซบซอน สามารถผลตไดโดยวธน ขอเสยของวธนคอ 1. เครองจกรมราคาแพงมาก จงตองผลตครงละมากๆ 2. เพอใหไดผลตภณฑทมคณภาพดจะตองควบคมกระบวนการคอนขางใกลชด

2. กระบวนการอดรด (Extrusion) เปนกระบวนการผลตทสาคญอกวธหนงสาหรบใชกบเทอรโมพลาสตก กระบวนการนโดยมากใชผลตพวกทอ แทง เปนฟลมและแผนพลาสตกหรอผลตเปนรปแบบอยางอน เครองอดรดอาจใชทาวตถดบทเปนพลาสตกผสมใหออกมามรปรางตาง ๆ กนเชน ทาเมดและใชกบพวกพลาสตกทใชแลว ในกระบวนการอดรดพลาสตกนเมดพลาสตกจะถกสงเขาไปใหความรอนแลวพลาสตกทหลอมเหลวจะถกบงคบใหออกไปทางทอเปดหรอ die ตามรปรางทตองการดวยสกรหมน พลาสตกทออกมาแลวจะทาใหเยนตากวา Tg หรอ glass transition temperature เพอใหแนใจวารปรางจะคงท การทาใหพลาสตกเยนลงใชวธเอาลมเปาหรอใชระบบนาเยนหลอกได 3. กระบวนการอดเขากบแบบ (compression molding) เปนกระบวนการอดเขากบแบบ ซงโดยทวไปตวแบบเองจะมการทาใหรอนกอน แลวใชเมดพลาสตกใสลงไปในแบบ เมอแบบเขาประกบกน ความรอนและความดนจะรกษาใหคงทจนกวาเมดพลาสตกจะเขาเตมแบบและทาใหแขงตว กระบวนการนเหมาะทจะใชกบ Thermosetting materials เพราะการทาใหแขงตวสาหรบ Thermosetting polymers นนขนอยกบเวลาของการเกดปฏกรยาและมกจะใชเวลานานกวากระบวนการแบบฉด 4. กระบวนการ Transfer molding เปนกระบวนการทใชกบพลาสตกทเปน Thermosets โดยเอาวสดทจะขนรปใสในกระบอกอด วสดนนจะถกเผาใหรอนจนเหลวแลววสดนนจะถกอดเขาไปในแบบ วธการนไดดดแปลงมาจาก compression molding 5. กระบวนการ Blow molding กระบวนการนใชทาผลตภณฑทกลวง โดยการเปาพอลเมอรทรอนดวยลมใหพอลเมอรเขาไปตดกบแบบทเปน 2 ชนประกบกน โดยใหพอลเมอรทเปนหลอด (tube หรอ parison) ทาใหรอนแลวถกดนลงมาจากดานบนของแบบ แลวใชอดอากาศเขาไป พอลเมอรทหลอมเหลวจะกลายเปนรปรางตาง ๆ กนตามแบบทใชและไดความหนาทคอนขางสมาเสมอกน วธการใชในการผลตขวดพลาสตกหรอภาชนะบรรจอน ๆ ซงสามารถทาไดรวดเรวและใหกบเทอรโมพลาสตก 6. กระบวนการ Thermoforming เปนกระบวนการทใชพอลเมอรแผนหรอฟลมบาง ๆ ผลตเปนรปตาง ๆ วธการนแผนพอลเมอรจะถกเผาจนออนตวลงและหอยลงมาจนสมผสกบแบบดวยระบบสญญากาศ ทาใหแผนพอลเมอรออกมามรปรางตามแบบทใช บางครงอาจใชแบบทเปนโลหะ 2 ชนประกบกนกได กระบวนการนเหมาะทจะนาไปใชกบการผลตทมจานวนไมมากนก

52

7. กระบวนการรดใหเปนแผน (Calendaring) เปนกระบวนการทใช Thermoplastic ทาเปนแผนหรอเปนฟลม โดยใชพลาสตกผานเขาไประหวางลกกลงทใหความรอน (heated rolls) และตอเนองกน ระยะหางระหวางลกกลงคสดทายจะบอกความหนาของแผนพลาสตกนน กระบวนการนอาจนามาใชเปนวธผสมวสดใหเขากนกได โดยทวไปยางแผนกใชกระบวนการนทาเชนเดยวกน 8. กระบวนการหลอ (Casting) กระบวนการนใชในการขนรปของทตนหรอกลวง โดยใชพลาสตกทหลอมเหลวหรอจากเรซนทผสมตวเรงแลวดวยการเทลงไปในแบบ แลวปลอยใหแขงตวหรอให set ตว (curing) สาหรบแบบควรจะตองใหขางบนเปด กระบวนการนใชกนมากในการหลอพวกยรเทน และ silicone elastomers ใหเปนแผนหรอเหมาะทจะใชทาเครองรอนแร หรอใชสรางอปกรณทอยกบทดวยสาร epoxy หรอ polyester resins 9. กระบวนการ Reaction Injection Molding (RIM)

กระบวนการนจะใชวธปมพอลเมอรทจะทาใหเกดปฏกรยาเคมเขาไปใน mixing chamber กอน ใหผสมกนแลว ใหออกไปสแบบหลอทความดนปกต ปฏกรยาทเกดขนจะกอใหเกดการขยายตวเตมแบบหลอ ถามความรอนเกดขนจะชวยทาใหพอลเมอรแขงตวเรวขน และอาจใช filler ผสมเขาไปเพอเพมสมบตเชงกลใหดขนกได กระบวนการนใชหลออปกรณรถยนตตาง ๆ วสดทใชทาแบบหลอเปนพอลยรเทนโฟม 6.7 สมบตพนฐานและการเลอกใชประโยชนทวไปของเทอรโมพลาสตก

ในสวนนจะไดกลาวถงสงสาคญเกยวกบโครงสราง กระบวนการทางเคม สมบตและการประยกตของเทอรโม พลาสตก เชน พอลเอทลน พอลไวนลคลไรด พอลโพรพลน พอลสไตรน เอบเอส พอลเมทลเมทาครเลต พอลเตตระฟล-ออโรเอทลน เซลลโลสอะซเตต และสารทเกยวของ เปนตน ตารางท 6.1 แสดงคาความหนาแนน tensile strengths, impact strengths, dielectric strengths และอณหภมสงสดทสามารถใชงานได สงทจดวาสาคญและดทสดของพลาสตก สาหรบการนาไปประยกตทางวศวกรรม คอพลาสตกทมความหนาแนนตาหรอนาหนกเบา (พลาสตกมความหนาแนนประมาณเทากบ 1 เมอเทยบกบเหลกประมาณ 7.8)

ตารางท 6.1 แสดงสมบตบางชนดของเทอรโมพลาสตกบางอยางทใชกนทวไป

53

Tensile strength ของพลาสตกคอนขางตาซงเปนจดออนหรอขอเสยทจะนาไปใชออกแบบงานทางวศวกรรมพลาสตกสวนมากจะม tensile strength นอยกวา 10,000 psi (69 MPa) การทดสอบแรงกระแทก (Impact test) ของพลาสตก สวนมากจะใช Izod test (ใชขนาดของตวอยาง

in11

2x21

x81

) ซงจะมคาตงแต 0.4-14 ft.lb/in ซงเปนการวดพลงงานทถกดดกลนตอความยาวของรอยบาก เมอลกตม

เขาชนเรยกวา notch impact strength ของวสด พลาสตกโดยทวไปจะเปนฉนวนทดและวดคาออกมาเปนคา dielectric strength ซงเปนคา voltage ทตางกนจนทาใหเกดไฟฟาไหลผานวสดนนได วดออกมาเปนคา Volt/mil หรอ Volt/mm คา dielectric strength ของพวกพลาสตกจะมคาแตกตางกนตงแต 385-1775 Volt/mil ดงแสดงในตารางท 6.1 สาหรบอณหภมสงสดทเทอรโมพลาสตกสามารถใชงานไดคอนขางจะตา คออยระหวาง 130o-300oF (54o-149oC) อยางไรกตามเทอรโมพลาสตกบางชนดสามารถทนความรอนไดถง 550oF (288oC) เชน พวก Teflon เปนตน พอลเอทลน (Polyethylene = PE) พอลเอทลนเปนเทอรโมพลาสตกทมลกษณะใสจนถงสขาวแตแสงผานได ถาเปนฟลมบาง ๆ จะใส แตถาหนาจะขนขาวคลายขผง และสามารถทาใหเปนสตาง ๆ ได พอลเอทลนโดยทวไปจะมอย 2 แบบ คอ

1. PE แบบความหนาแนนตา (LDPE) 2. PE แบบความหนาแนนสง (HDPE) พวกความหนาแนนตาจะมโครงสรางเปนกงกานสาขา (branch-chain) ดงแสดงในรปท 6.3 (b) แตพวกความ

หนาแนนสจะมโครงสรางเปนเสนตรง (straigth-chain) ดงแสดงในรปท 6.3 (a) พอลเอทลนความหนาแนนตาผลตโดยใชถงปฏกรยา (autoclave reactors) ความดนมากกวา 14500 psi (100 MPa) ทอณหภมประมาณ 300oC และชนดความหนาแนนสง ผลตดวยกระบวนการ Phillips และ Ziegler โดยมตวเรงททาใหใชความดนและอณหภมตาลง คอใชอณหภม 100-150oC และความดน 290-580 psi (2-4 MPa) ในปจจบนการผลตพอลเอทลนไดพฒนาขนโดยใชความดนเพยง 100-300 psi และอณหภมประมาณ 100oC เทานน พอลเอทลนทผลตไดจะเปน linear-low density (LLDPE) ซงโครงสรางเปนเสนตรงโดยมกงกานสน ๆ ดงรปท 6.3 (c) โครงสรางและสมบต โครงสรางของพอลเอทลน ทงแบบความหนาแนนตาและสง ดงแสดงในรปท 6.3 แบบความหนาแนนตา โครงสรางจะมกงกานสาขา ทาให degree ของ crystallinity และ density ตาลง (ดตารางท 6.2) โครงสรางแบบนยงทาให strength ตาลงอกดวย เนองจากไปทาใหแรงของการเกดพนธะระหวางโมเลกลลดลง ในทางตรงขาม พอลเอทลนทมความหนาแนนสงจะมโครงสรางทมกงกานสาขานอย ทาใหโมเลกลสามารถเขาไปใกลกนไดมากขน ทาให crystallinity และ strength เพมขนดวย (ดตารางท 6.2)

54

รปท 6.3 แสดงโครงสรางของพอลเอทลนแบบตาง ๆ

(a) แบบความหนาแนนสง (high-density) (b) แบบความหนาแนนตา (low-density) (c) แบบโครงสรางเปนสนตรงความหนาแนนตา (linear-low-density)

ตารางท 6.2 แสดงสมบตของพอลเอทลนชนดความหนาแนนตาและความหนาแนนสง

พอลเอทลนเปนพลาสตกทใชกนมากทวโลก เนองจากมราคาถก และมสมบตเออตอการใชงานหลาย ๆ ดาน

แขงแรงพอสมควร เหนยว กนการสกกรอนไดด ไมมกลน ไมมรส กลายเปนไอไดนอยมาก การประยกต ใชทาภาชนะบรรจ ฉนวนไฟฟา สายพลาสตก ทาอปกรณทใชในบานเรอน ทาขวด ทาฟลม

พลาสตกสาหรบหอของ และใชสาหรบบ (liner) สระนา เปนตน พอลไวนลคลอไรด และโคพอลเมอร พอลไวนลคลอไรด (PVC) เปนพลาสตกสงเคราะหทใชกนอยางกวางขวางมาก เพราะ PVC ไมถกกดกรอนดวยสารเคม และมสมบตพเศษทสามารถผสมไดกบสารอน ๆ ทมสมบตทางกายภาพและทางเคมหลากหลายไดอกมาก

55

โครงสรางและสมบต จากการท PVC มอะตอมใหญ เชน คลอรนเขาไปตอกบคารบอนอะตอมในโครงสรางของ PVC ทาใหพอลเมอรนนเปน Amorphous และไมตกผลก นอกจากนอะตอมคลอรนยงทาใหโมเลกลม strong dipole moment ซงทาใหเกดแรงเกาะกน (cohesion) ระหวางโมเลกลของ PVC สงยงขน นอกจากนยงทาใหเกด sterichindrance และเกดแรงผลกระหวางประจไฟฟา (eletrostatic repulsion) ดวยความออนตว (flexibility) ของ polymer chain จะลดลงทาใหกระบวนการผลตทเปน polymers อยางเดยวยากขน การประยกตใชกนอยลง ดงนนจงตองใชวธการเตมสารบางชนดเขาไปชวยเพอใหสมบตดขน PVC ทเปน polymers ชนดเดยวม strength คอนขางสง (7.5-9.0 ksi) และเปราะ ทนความรอนไดปานกลาง (57-82oC ท 66 psi) มคา dielectric strength สง (425-1300 V/mil) ละลายในตวทาละลายยาก และถา PVC มปรมาณคลอรนมากจะทาใหตดไฟยากและปองกนสารเคมไดด การประยกตใชของ PVC โดยทวไปจะใชวธผสมกบสารอนบางชนด เพอปรบปรงคณภาพของ PVC ใหดยงขน สารทนามาใชผสมไดแก พลาสตไซเซอร (plasticizers) สารททาใหเสถยรตอความรอน (heat stabilizers) สารหลอลน (lubricants) สารเตมแตง (fillers) และส (pigments) PVC ทผสมดวยพลาสตกไซเซอรใชทาเฟอรนเจอรหมเบาะ หมฝาผนงภายใน เสอกนฝน รองเทา กระเปาเดนทาง สวนประกอบรถยนต ฉนวนไฟฟา ทาทปพน สายยาง สวนประกอบตเยน และของใชตาง ๆ ในบาน เปนตน สารพลาสตไซเซอรเปนสารททาให PVC มความออนตวหรอเหนยวขน สารพวกนเปนสารทมมวลโมเลกลสง แตควรจะตองเปนสารทสามารถรวมและเขากนไดอยางดกบวสดพอลเมอรนน สาหรบ PVC สวนมากใชผสมดวย phthalate ester ผลของพลาสตไซเซอรตอ tensile strength ของ PVC ไดแสดงอยในรปท 6.4

รปท 6.4 แสดงผลของพลาสตไซเซอรชนดตาง ๆ ตอ tensile strength ของ PVC

Heat stabilizers เปนสารทเตมลงใน PVC แลวจะชวยปองกนไมให PVC เกดการสลายตวดวยความรอนในระหวางผลต และยงชวยใหอายของผลตภณฑททาไดมอายยาวขน สารพวกนอาจเปนสารอนทรยหรอสารอนนทรย ซงโดยปกตจะเปนพวกสารประกอบ organometallic ของดบก ตะกว แบเรยม แคดเมยม แคลเซยม และสงกะส Lubricants เปนสวนทชวยทาให PVC ทหลอมเหลวไมตดกบเครองทกาลงใชผลต เชน ใชขผง fatty ester, metallic soaps เปนตน

56

Fillers ไดแก สารทเตมเขาไปเพอใหมปรมาณเพมขนเปนการลดราคาใหตาลง เชน ใชผงหนปนผสมเขาไป เปนตน Pigments เปนสอนทรยและสอนนทรยทผสมเขากบ PVC ใหออกมาเปนสสวยงาม แตทาใหขนและทนตอสภาวะอากาศไดดขน พอลโพรพลน (Polypropylene) พอลโพรพลนเปนพลาสตกอกชนดหนงทมการใชมาก และมความสาคญเปนอนดบทสาม เนองจากราคาถก เพราะสามารถสงเคราะหไดจากปโตรเลยม โครงสรางและสมบต จากพอลเอทลนไปเปนพอลโพรพลนดวยการแทนทไฮโดรเจนดวยหมเมทล (-CH3) ทก ๆ 2 อะตอมของคารบอนในโครงสราง ทาใหพอลโพรพลนมความแขงแรงมากขน แตออนตวนอยลง หมเมทลในโครงสรางชวยทาใหเพม glass transition temperature ดงนนพอลโพรพลนจงมจดหลอมเหลวและจดทาใหออนตวสงกวาพอลเอทลน จากการใช stereospecific catalysts ทาใหสามารถสงเคราะห isotactic polypropylene ซงมจดหลอมเหลว 165-177oC ได วสดนถาไดรบความรอนทอณหภมประมาณ 120oC จะไมมการเปลยนรปรางเลย พอลโพรพลนใชทาผลตภณฑตางๆ ในอตสาหกรรมมากมาย เพราะมนมสมบตทดหลายอยาง เชน ทนตอสารเคม ไมดดความชน ทนความรอนไดด มความหนาแนนตา (0.900-0.910 g/cm3) ผวหนาแขงและมรปรางเสถยร แตมความออนตวทจะโคงงอได ประกอบกบราคาของโมโนเมอรถกดวย ทาใหพอลโพรพลนเปนเทอรโมพลาสตกทไดรบความสนใจมาก การประยกตของพอลโพรพลน การประยกตทเปนหลกของพอลโพรพลนคอทาของใชในบานและเครองไฟฟา ภาชนะบรรจอปกรณในหองปฏบตการ ขวดและภาชนะตาง ๆ ใชทา copolymers ททนทานตอแรงกระแทกแทนยาง ไดแก ใชทาหมอแบตเตอร ใชหมกนชน ทาทหอหมกนเปรอะเปอน ใบพด ทอนา พรม ถง แผนฟลมสาหรบหอของและอนๆ อกมาก พอลสไตรน (Polystyrene) สารนเปนพลาสตกตวทสทมการใชมาก พอลสไตรนอยางเดยวเปนพลาสตกทใส ไมมกลน ไมมรส แตคอนขางเปราะ นอกจากจะมการผสมสารอน ดงนนพอลสไตรนจงใชผลตพวก copolymers ทสาคญ ๆ เปนจานวนมาก โครงสรางทางเคมของหนวยยอย คอ

57

โครงสรางและสมบต เนองจากในโครงสรางม phenylene ring เขาไปตอกบอะตอมของคารบอน ทาใหพอลสไตรนมโครงสรางทแขงไมยดหยน เทอะทะ และม steric hindrance พอสมควร จงทาใหพอลเมอรชนดนไมออนตวทอณหภมหอง ถาเปนพอลเมอรชนดเดยวจะมลกษณะเฉพาะคอแขง (regidity) ใสเปนประกาย งายในการผลตเปนสงของตาง ๆ แตอาจจะเปราะ ถาจะใหมความทนทานตอแรงกระแทกสามารถทาไดโดยผสมกบสารอนใหเกด copolymeriation เชน ผสมกบยางเทยม polybutadiene elastomer ซงมสตรเปน

Copolymers ทมยางผสมจะมยางอยประมาณ 3-12% จะทาใหพอลเมอรนลดความแขงลงและออนตวดวยความรอนดขน โดยทวไปพอลสไตรนจะมรปรางคงทเมอนาไปทาแบบหลอ จะมการหดตวเลกนอย ทาไดงาย ราคาถก แตไมทนตอสภาพอากาศและสารเคม ตวทาละลายอนทรยและพวกนามนจะละลายพอลสไตรนได พอลสไตรนเปนวสดฉนวนไฟฟาทดและมสมบตเชงกลทใชไดทอณหภมคอนขางจากด การประยกต พอลสไตรนใชทาชนสวนภายในของรถยนต อปกรณ เครองใชในบาน ปมทใชปรบหรอหมนตลอดจนอปกรณไฟฟาทวไป พอลอะครโลไนไทรล (polyacrylonitrile) พอลเมอรนเปนพวกอะครลก ซงมกจะใชทาพวกเสนใย เพราะพอลเมอรนมความแขงแรงและเสถยรตอสารเคม บางครงยงใชทา copolymers เปน engineering thermoplastics ชนดหนงไดอกดวย โครงสรางทางเคมของหนวยยอย คอ

โครงสรางและสมบต เนองจากหมไนไทรลซงมคาอเลกโทรเนกาตวตสงมาก เมอตอเขากบคารบอนอะตอมในโครงสรางทาใหเกดแรงผลกดนของประจไฟฟาระหวางหมไนไทรลกนเอง ทาใหโมเลกลถกบงคบใหตอกนเปนโครงสรางตามยาว (rodlike) และแขง โคงงอยาก โครงสรางแบบนจะมการจดตวของมนอยางสมาเสมอ ทาใหเกดเปนเสนใยทแขงแรงระหวาง polymer chains ดวยพนธะไฮโดรเจน ดงนนจากผลทเกดขนน ทาใหเสนใยอะครโลไนไทรลม strengths สง และทนทานตอความชนและตวทาละลายดมาก ๆ

58

การประยกต อะครโลไนไทรลนาไปใชในลกษณะเปนเสนใยเชนเดยวกบขนสตว เชน ใชทาเสอกนหนาว ผาหม เปนตน และยงใชทา copolymers เชน stryrene-acrylonitrile (SAN resins) และทา acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymers (ABS resins) ABS ABS เปนชอของเทอรโมพลาสตกทผลตมาจากโมโนเมอร 3 ชนด คออะครโลไนไทรล บวตะไดอน และ สไตรน ABS จดวาเปนวสดวศวกรรมททนแรงกระแทกไดด มความแขงแรงเชงกลทดและงายตอการทาผลตภณฑ โครงสรางทางเคมของหนวยยอย ABS ประกอบดวยโครงสรางทางเคม 3 หนวยดวยกน คอ

โครงสรางและสมบตของ ABS ABS มสมบตและการใชประโยชนทกวางขวาง โดยทมนสามารถแสดงสมบตตาง ๆ ทเปนขององคประกอบของมน อะครโลไนไทรลแสดงสมบตทางความทนทานตอความรอนและสารเคมและเหนยว บวตะไดอนใหสมบตทางความทนทานตอแรงกระแทกแตเกบไวไดไมนานมความเสถยรตา สวนสไตรนมความแขงด ผวเปนมน งายตอกระบวนการผลต ความทนทานตอแรงกระแทกของ ABS จะเพมขนตามเปอรเซนตของยางทใชผสมเพมขน แตทาให tensile strength และทนตอความรอนลดลง ตารางท 6.3 แสดงสมบตของ ABS พลาสตกททนตอแรงกระแทกตา ปานกลางและสง

ตารางท 6.3 แสดงสมบตทวไปของ ABS พลาสตกท 23oC

การประยกต ABS มการนาไปใชมากในการทาพวกทอ และอปกรณขนาดตางๆ โดยเฉพาะทาทอนาทงในอาคาร ทาสวนประกอบรถยนต เครองไฟฟา เชน ทาทบประตตเยน เครองคานวณ ตวเครองคอมพวเตอร โทรศพท ทอสายไฟฟา ทาอปกรณกนการรบกวนของแมเหลกไฟฟาและความถวทย

59

พอลเมทลเมทาครเลต (Polymethyl methacrylate = PMMA) พอลเมอรนเปนเทอรโมพลาสตกทแขงไมยดหยน ใสและทนตอสภาวะแวดลอมไดด ทนตอแรงกระแทกไดดกวากระจก วสดนอาจจะรจกกนดในชอทางการคาวา เพลกซกลาส (Plexiglas) หรอลไซท (Lucite) ซงเปนวสดทสาคญทสดในกลมเทอรโมพลาสตกทเปนพวกอะครลก (acrylics) โครงสรางและสมบต จากการทหมเมทล (methyl) และเมทาครเลต (methacrylate) ทเขาไปตอกบคารบอนอะตอมของโครงสรางหลกนนทาใหเกด steric hindrance อนเปนผลใหพอลเมอรชนดนมลกษณะแขง ใส ยดหยน จากการจดตวของพอลเมอรเปนแบบ Random ทาใหกลายเปนสารทไมมรปรางผลก แสงผานไดอยางด ทนทานตอการกดกรอนของสารเคมและสภาวะแวดลอม การประยกต PMMA ใชสาหรบทากระจกหนาตางของเครองบน เรอเรว หนาตางสง ๆ โคมไฟทตดตงภายนอกบาน ปายโฆษณาสนคา ไฟทายรถยนต กระจกนรภย แวนตานรภย ลกบด มอถอ และอปกรณไฟฟาตางๆ เปนตน ฟลออโรพลาสตก (Fluoroplastics) พอลเมอรหรอพลาสตกชนดนทาไดจากโมโนเมอรทมอะตอมของธาตฟลออรนประกอบอยหนงอะตอมหรอหลายอะตอม ฟลออโรพลาสตกมสมบตพเศษหลาย ๆ อยางทนาไปใชงานทางดานวศวกรรม เชน มความตานทานสง ทนทานตอสารเคมในสภาวะแวดลอมตางๆ และมสมบตทดมาก ๆ อกอยางหนงคอ มสมบตเปนฉนวนไฟฟา ถาฟลออโรพลาสตกทมเปอรเซนตฟลออรนสง ๆ จะมสมประสทธความฝดตา ซงมผลทาใหพลาสตกนมสมบตหลอลนไดในตวและไมตดภาชนะ ฟลออโรพลาสตกทผลตไดมหลายชนด แตมเพยง 2 ชนดทใชกนอยางกวางขวาง ไดแก พอลเตตระฟลออโรเอทลน (PTFE) และพอลคลอโรไตรฟลออโรเอทลน (PCTFE) พอลเตตระฟลออโรเอทลน (PTFE) กระบวนการผลตทางเคม PTFE เปนพอลเมอรทอะตอมของฟลออรนเขาแทนทอะตอมของไฮโดรเจนในเอทลนหมดและเกดจากพอลเมอไรเซชนของ free radical chain ของแกสเตตระฟลออโรเอทลน เปนพอลเมอรโซตรงพอลเต- ตระฟลออโรเอทลน (teflon) ผผลตคอ R.J. Plunkett ในป 1938 จากหองปฏบตการของบรษทดปอง (Du Pont) โครงสรางและสมบต PTFE เปนพอลเมอรทมรปรางผลก มจดหลอมเหลวท 327oC (620oF) เนองจากอะตอมของฟลออรนมขนาดเลกและการเขาเกาะใน carbon chain ของพอลเมอรมความเปนระเบยบ ทาใหพอลเมอรทไดเปนผลกทมความหนาแนนสง คอมคา 2.13-2.19 g/cm3

PTFE เปนพอลเมอรททนตอสารเคมเปนพเศษ และยงไมละลายในตวทาละลายสารอนทรย ยกเวนตวทาละลายทมฟลออรนบางชนด PTFE มสมบตเชงกลทดทงในชวงอณหภมตา –200oC (-300oF) ถง 260oC (500oF) impact strength สง แตมคา tensile strength การสกหรอ และ creep resistance ตา เมอเทยบกบ engineering plastics อน ๆ PTFE ถาผสมกบ fillers เชน glass fibers จะทาใหความแขงแรงเพมขน PTFE ยงเปนพอลเมอรเมอใชงานจะลนและมสมประสทธความเสยดทานตา

กระบวนการผลต เนองจาก PTFE เมอหลอมเหลวจะมความหนดสง การใชกระบวนการผลตแบบ extrusion หรอ injection molding ธรรมดาจะทาไมได จงตองใชวธอดเมดเขาไปในแบบทมความดนสง 2,000-10,000 psi (14-69 MPa) หลงจากนนนาไปใหความรอนท 360-380oC (680-716oF)

60

การประยกต ใชทาทอและสวนประกอบของปมทใชกบสารเคม ใชหมสายไฟฟาทใชกบอณหภมสง ๆ ทาอปกรณไฟฟา เทป ใชเคลอบ ปลอก แหวน ตลบ ประเกน ซล (seals) โอรง และตลบลกปน เปนตน พอลคลอโรไตรฟลออโรเอทลน (PCTFE) โครงสรางและสมบต จากการแทนทฟลออรนอะตอมทสดวยคลอรน ทาใหเกดความไมสมาเสมอใน polymer chains พอลเมอรชนดนจงมผลกนอยกวาและหลอมเหลวไดงายกวา ดงนน PCTFE จงมจดหลอมเหลว 218oC (420oF) ตากวา PTFE ทาใหสามารถผลตวสดสาเรจรปไดดวยกระบวนการอดรดเขาไปในแบบโดยทวไป การประยกต พอลเมอร PCTFE สามารถนาไปใชงานไดเชนเดยวกบ PTFE แตสามารถใชกระบวนการผลตแบบธรรมดาได เชน ใชทาอปกรณตาง ๆ ในอตสาหกรรมเคม อปกรณไฟฟา ประเกน โอรง และซล เปนตน พอลเมอรอลลอยด (Polymer Alloys) พอลเมอรอลลอยดเปน copolymer ชนดหนง ซงไดจากการผสม homopolymers ทมโครงสรางตางกนในเทอรโมพลาสตกพอลเมอรอลลอยดนน พอลเมอรทแตกตางกนจะเกดพนธะระหวางโมเลกลดวยแรงดงดดระหวางขว (dipole forces) แตถาเปน copolymer พนธะระหวางโมเลกลของโมโนเมอรเปนพนธะโคเวเลนต ซงเปนพนธะทแขงแรง องคประกอบของพอลเมอรอลลอยดจะตองเขากนได หรอม adhesion ในปรมาณหนง เพอปองกนการแยกออกจากกน (phase separation) ในระหวางกระบวนการผลต ในปจจบนพอลเมอรอลลอยดมความสาคญมากขนเปนลาดบ เพราะทาใหพลาสตกมคณภาพดขน และราคากเหมาะสม

ตารางท 6.4 แสดงพอลเมอรอลลอยดบางชนดทผลตออกมาเชงพาณชย Some Properties of Selected Engineering Thermoplastics

พอลเมอรอลลอยดสมยเกาบางชนดทาไดจากการเตมพอลเมอรทเปนยาง เชน ABS เขาไปเพอทาใหพอลเมอรแขงแรงและเหนยวขน เชน พอลไวนลคลอไรดแขงขน และวสดพวกยางนยงชวยทาใหพอลเมอรทแขงมความเหนยวขน ในปจจบนนเทอรโมพลาสตกใหม ๆ จงใชวธการผสมพอลเมอรเขาดวยกน เชน ใช PBT (polybutylene terphthalate) ผสมกบ PET (polyethylene terphthalate) ทาใหพอลเมอรทไดมผวมนและราคากถกลง ดงแสดงในตารางท 6.4 ของ พอลเมอรอลลอยดบางชนด

61

6.8 เทอรโมเซททงพลาสตก (เทอรโมเซท) เทอรโมเซททงพลาสตกหรอเทอรโมเซท เปนพลาสตกทเกดพนธะโคเวเลนตเปนโครงขายของโครงสรางของโมเลกล เทอรโมเซทบางชนดเกด cross-linked ดวยความรอนหรอดวยความรอนและความกดดน นอกจากนอาจจะเกด cross-linked ไดโดยปฏกรยาเคมทอณหภมหอง (เทอรโมเซททแขงตวเมอเยน) แมวาสวนทจะถกบม (cured parts) ทมาจากเทอรโมเซท สามารถทาใหออนตวลงไดดวยความรอนกตาม พนธะโคเวเลนตทเกด cross-link จะเปนตวปองกนมใหเกดภาวะททาใหเกดการไหลขนกอนทพลาสตกจะถกบม ดงนนเทอรโมเซทจงไมสามารถหลอมเหลวดวยความรอนใหมไดเหมอนกบเทอรโมพลาสตก นเปนขอเสยเปรยบของเทอรโมเซททไมสามารถนาเศษพลาสตกทเกดขนจากกระบวนการผลตไปทารไซเคลและนาไปใชใหมได โดยทวไปขอไดเปรยบของเทอรโมเซททงพลาสตกสาหรบการออกแบบทางวศวกรรม การประยกตอาจพจารณาจากสมบตอยางใดอยางหนงหรอหลายอยางดงตอไปน

1. มความเสถยรตอความรอนสง 2. มความแขงสง ไมงองาย 3. มความเสถยรเชงมตสง 4. มความทนทานตอการเกดครฟและเปลยนรปภายใตการใชงาน 5. มนาหนกเบา 6. มสมบตเปนฉนวนไฟฟาและความรอนทด เทอรโมเซททงพลาสตก ตามปกตจะใชกระบวนการผลตแบบอดหรอแบบ transfer molding อยางไรกตามใน

บางกรณ เทอรโมเซทสามารถใชกระบวนการผลตแบบ injection molding ทไดพฒนาขนเพอใหเปนกระบวนการผลตทถกลง เทอรโมเซทอกหลายชนดททาเปนสารประกอบซงประกอบดวยองคประกอบหลก 2 ชนด คอ 1) เรซนทม curing agents ตวททาใหแขงและพลาสตกไซเซอรและ 2) ฟลเลอร และ/หรอสารเสรมแรงซงอาจเปนสารอนทรยหรอ สารอนนทรย ขเลอย ไมกา แกว และเซลลโลส ตามธรรมดาจะใชเปนวสดฟลเลอร สมบตพนฐานของเทอรโมเซทงพลาสตกบางชนด ตารางท 6.5 แสดงความหนาแนน tensile strength impact strength, dielectric strength และอณหภมสงสดทสามารถทนได สาหรบเทอรโมเซททงพลาสตกบางชนด ความหนาแนนของเทอรโมเซททงพลาสตกมกจะสงกวาวสดพลาสตกโดยทวไปเลกนอย ดงในตารางท 6.5 จะมความหนาแนนอยในชวง 1.34-2.3 g/cm3 tensile strength ของเทอรโมเซทสวนมากจะมคาคอนขางตา ซงจะอยในชวงจาก 4,000-15,000 psi (28-103 MPa) แตถามปรมาณของแกวเขาไปผสมมาก ๆ tensile strength ของเทอรโมเซทสามารถเพมขนไดสงถง 30,000 psi (201 MPa) เทอรโมเซททมแกวผสมยงให impact strength สงอกดวย เทอรโมเซทยงมคา dielectric strength สงดดวย โดยอยในชวง 140-650 V/mil พลาสตกพวกนมขดกาจดในการใชอณหภมสงเหมอนพลาสตกทวไป ซงอยในชวง 170-550oF (77-2280C)

62

ตารางท 6.5 แสดงสมบตของเทอรโมเซทพลาสตกบางชนด

ฟนอลก (Phenolics) เทอรโมเซทพลาสตกชนดฟนอลกเปนพลาสตกทสาคญพวกแรกทนามาใชในอตสาหกรรม ลขสทธเดมเปนปฏกรยาของฟนอลกบฟอรมลดไฮดได ฟนอลกพลาสตก เบเคไลท ในนามของ L.H. Baekeland ในป 1909 ฟนอลกพลาสตกยงคงใชอยในปจจบนน เพราะมนมราคาถกและเปนฉนวนไฟฟาและความรอนทด ยงมสมบตเชงกลดดวยหลอแบบไดงายแตมสจากด (ปกตจะมสดาหรอนาตาล) เคมของฟนอลกเรซน ฟนอลกเรซนตามธรรมดาจะผลตไดจากปฏกรยาของฟนอลกบฟอรมลดไฮด โดยกระบวนการ condensation polymerization และมนาออกมาเปนผลพลอยได ฟนอลกเรซนสภาวะสอง (novolac) จะเกดขนเปนธรรมดาในภาวะแรกจะเกดเทอรโมพลาสตกเรซนทมลกษณะเปราะขนกอน ซงเรซนนจะหลอมเหลวไดแตจะไมเกด cross-link เปนโครงขายของแขง วสดนเตรยมไดโดยใชฟอรมลดไฮดนอยกวา 1 โมง ทาปฏกรยากบ 1 โมลของฟนอล โดยมกรดเปนตวเรงปฏกรยาพอลเมอไรเซชนจะเกดขน การประยกต สารประกอบพวกฟนอลกใชกนอยางกวางขวางสาหรบทาอปกรณพวกสายไฟฟา สวตชตวเชอมตอ ระบบรเรย โทรศพท วศวกรทสรางรถยนตใชสารประกอบฟนอลกทาเพาเวอรเบรก สวนประกอบทรานสมสชน พวกฟนอลกยงใชทาพวกมอจบ ปมตาง ๆและอปกรณตาง ๆ ฟนอลกทนความรอนสง ไมดดความชน จงนามาใชทาไมอดและปารตเคลบอรด ฟนอลกเปนจานวนมากใชทาไบเดอร (binder) กบทรายในโรงหลอ

63

อพอกซเรซน (Epoxy Resins) อพอกซเรซน เปนเทอรโมเซททงพวกหนงของบรรดาวสดพอลเมอร ทการบมหรอการทาใหเกด cross-link จะไมมผลจากปฏกรยาออกมาและยงมการหดตวนอยดวย วสดพวกนตดยดกบวสดอนไดด ทนทานตอสารเคมและสงแวดลอม มสมบตเชงกลทด และเปนฉนวนไฟฟาทดอกดวย การประยกต อพอกซเรซนนามาใชงานอยางกวางขวาง โดยใชเคลอบเพอปองกนการขดขดและปองกนกรดดาง สารเคม รวมทงเคลอบเครองตกแตงตาง ๆ เพราะอพอกซเรซนมสมบตทดในความเหนยวแนน สมบตเชงกลดและทนทานตอสารเคมทใชประโยชนกนโดยทวไป ไดแก การใชเคลอบตวถงรถยนต เครองมอ ของใชทสาคญ ๆ และใชหมเสนลวดสายไฟฟา เปนตน ในทางไฟฟาและอเลกทรอนกสใชอพอกซในงานทเกยวกบ dielectric strength เมอแขงตวมการหดตวนอย มแรงยดทด ทนทานตอสภาวะแวดลอมตาง ๆ เชน ปองกนนาและความชนไดด ใชเปนฉนวนในพวกไฟฟาแรงสง ทาสวตซ เกยร และหมพวกทรานซสเตอร นอกจากนอพอกซเรซนยงใชเสรมแรงดวยพวกเสนใยและ แลมมเนต 6.9 อลาสโตเมอรหรอยาง อลาสโตเมอรหรอยางเปนวสดประเภทพอลเมอรอยางหนง ซงสามารถเปลยนขนาดไดอยางมากเมอดงและเมอปลอยแรงดงจะกลบมาอยสภาพเดม อลาสโตเมอรมดวยกนหลายแบบ แตพวกทจะไดกลาวตอไปไดแก ยางธรรมชาต ยางสงเคราะห (synthetic polyisoprene) ยางสไตรน-บวตะไดอน ยางไนไทรล พอลคลอโรพรน และซลโคน (silicones) เปนตน ยางธรรมชาต (Natural Rubber) ยางธรรมชาตเปนผลตภณฑทไดมาจากลาเทค (Latex) หรอนายางจากตนยางพารา ซงปลกมากในแถบรอนแถวเอเชยตะวนออกเฉยงใต ไดแก ประเทศไทย มาเลเซยและอนโดนเซย แหลงของยางธรรมชาตคอ ลาเทค ซงเปนของเหลวสขาวคลายนมสด โดยมอนภาคเลก ๆ ของยางแขวนลอยอยในนา นายางลาเทคทเกบมาจากตนยางพาราจะถกทาใหเจอจางลงเหลอ 15% และทาใหตกตะกอนดวยกรดฟอรมก (กรดอนทรย) นายางทตกตะกอนมาอดดวยลกกลงเพอไลนาออก จะไดเปนยางแผน ยางแผนนจะนาไปทาใหแหงดวยการอบดวยอากาศรอนหรออบดวยควนไฟ ยางแผนหรอยางทอยในรปแบบอนจะนาไปบดดวยลกกลงทหนก แรงเฉอนจะทาใหหวงโซยาวของพอลเมอรแตกออกทาใหมวลโมเลกลโดยเฉลยลดลง โครงสราง ยางธรรมชาตสวนใหญจะเปน cis-1,4 polyisoprene (ดงสตรขางลางน) ผสมกบจานวนเลกนอยของโปรตน ไขมน เกลอแรและสารอน ๆ cis-1,4 polyisoprene เปนพวก long-chain พอลเมอร (มวลโมเลกลเฉลยประมาณ 5x105 กรม/โมล) มสตรโครงสรางเปน

Cis-1,4 polyisoprene หนวยโครงสรางยอยของยางธรรมชาต

64

คาวา cis- ทอยขางหนา แสดงวาหมเมทล (-CH3) และไฮโดรเจนอะตอมอยขางเดยวกนของพนธะคระหวางคารบอนกบคารบอนซงแสดงอยในวงของโครงสราง 1,4 บอกถงตาแหนงของคารบอนวาอยตาแหนงท 1 และท 4 ทเปนหนวยยอยของพอลเมอรทเกดพนธะโคเวเลนตตอเปนโซยาว โซพอลเมอรของยางธรรมชาตจะยาวสลบซบซอนและเปนมวนขด ทอณหภมหองจะอยทสภาวะสนอยเสมอ ทาใหโมเลกลเกดโกงงอ เนองมาจาก steric hindrance ของหมเมทลกบไฮโดรเจนอะตอมทอยขางเดยวกนของพนธะค การจดตวของยางธรรมชาตในโซพอลเมอรจงเปนดงรปขางลางน

พอลไอโซพรน ยงมไอโซเมอรอยางอนอก คอ ทรานซ-1,4 พอลไอโซพรน (trans*-1,4 polyisoprene) เรยกวา กตตาเปอรชา (gutta percha) ซงไมเปนอลาสโตเมอร และมโครงสรางทมหมเมทลและไฮโดรเจนอะตอมอยคนละดานของพนธะค ดงแสดงอยในโครงสรางทเปนวงขางลางน

Trans-1,4 Polyisoprene Repeating structural unit for gutta-percha

ในสตรโครงสรางนหมเมทลและไฮโดรเจนอะตอมทเกดพนธะทพนธะคจะไมรบกวนซงกนและกน ดวยเหตน ทรานส-1,4 พอลไอโซพรนจงมโมเลกลทสมมาตรมากกวา ซงสามารถตกผลกเปนสารแขงไดดกวา

การทาใหยางแขง (Vulcanization) การทาใหยางแขงเปนกระบวนการทางเคมซงเปนการทาใหเกด cross-link

ระหวางโมเลกลกลายเปนโมเลกลทใหญขนและเคลอนไหวยาก ในป 1893 ชารล กดเยยร (Charles Goodyear) ไดคนพบกระบวนการทาใหยางแขงโดยใชกามะถนและตะกวคารบอเนต กดเยยรพบวาเมอนายางธรรมชาตผสมกบกามะถนและตะกวคารบอเนตแลวใหความรอน ยางจะเปลยนจากเทอรโมพลาสตกไปเปนอลาสโตเมอร แมในปจจบนนปฏกรยา

65

ระหวางกามะถนกบยางจะซบซอนและยงไมเขาใจทแจมชดนกแตผลสดทายทเกดขน คอ พนธะคในพอลไอโซพรนโมเลกลจะเปดออกแลวเกด cross-link กบอะตอมของกามะถนดงแสดงในรปท 6.5

รปท 6.5 แสดงกระบวนการเกด Vulcanization ของยางกบอะตอมของกามะถน โดยเกด cross-link ของซส-1,4 พอลไอโซพรน

(a) แสดงซส-1,4 พอลไอโซพรนกอนเกด cross-link กบอะตอมของกามะถน (b) แสดงซส-1,4 พอลไอโซพรนหลงเกด cross-link กบอะตอมของกามะถนทตาแหนงพนธะค รปท 6.6 แสดงถงการเกด cross-link ของอะตอมกามะถนตอโมเลกลของยาง กามะถนและยางทาปฏกรยากน

ชามากแมจะเพมอณหภมใหสงขน ดงนนเพอตองการใหเวลาบมสนลง เมออณหภมเพมขน จงตองเตมสารเคมและสารอน ๆ อกดวย เชน เตมฟลเลอร พลาสตไซเซอร และแอนตออกซเดนท

รปท 6.6 แสดงแบบของการเกด cross-link ของซส-1,4 พอลไอโซพรนดวยอะตอมของกามะถน (เมดสดา) โดยทวไปถายางทผสมกบกามะถนประมาณ 3% โดยนาหนกและใหความรอน 100-200oC จะได vulcanized rubber ทออน แตถาเพมปรมาณของกามะถนขน การเกด cross-link กจะเพมขนจะทาใหไดยางแขงขน และโคงงอไดนอยลง แตถาจะใหยางแขงเตมทจะตองผสมกามะถนประมาณ 45% โดยนาหนก ยางสงเคราะห (Synthetic Rubbers) เมอป 1980 ไดมรายงานวายางสงเคราะหถกนามาใชถง 70% ของการใชยางทงโลก ยางสงเคราะหบางชนดทนบวาสาคญไดแก สไตรน-บวตะไดอน ยางไนไทรล และพอลคลอโรพรน

66

ตารางท 6.6 แสดงสมบตบางอยางของอลาสโตเมอรบางชนด

การทาใหเทอรโมพลาสตกแขงแรงขน (Strengthening of Thermoplastics) ขอใหพจารณาจากปจจยตางๆ ดงตอไปน โดยทแตละปจจยอาจจะเปนการบอกความแขงแรงของเทอรโมพลาสตกได

1) มวลโมเลกลโดยเฉลยของพอลเมอร 2) ระดบของการเกดผลก 3) ผลของกรปใหญ ๆ ทเขาไปตอกบโมเลกล 4) ผลของอะตอมทมขวสง ๆ เขาไปตอกบโมเลกล 5) ผลของอะตอมของออกซเจน ไนโตรเจน และกามะถน ทเขาไปตอกบคารบอนในโซโมเลกล 6) ผลของเฟนลรงในโซโมเลกล 7) การเตมใยแกวเขาไปเสรมแรง

6.10 การเลอกใชวสดพอลเมอรสาหรบการออกแบบทางวศวกรรม ในปจจบนวสดพอลเมอรไดนามาใชงานในรปแบบตาง ๆ กนเพมขนเปนจานวนมาก ทงนเพราะวสดประเภทนมราคาถก มสมบตทดเหมาะแกการใชงานและงายตอการผลตใหเปนผลตภณฑสาเรจรป สาหรบงานออกแบบทางวศวกรรมกมแนวโนมเพมขนเรอย ๆ ในการเลอกใชวสดประเภทนซงจะตองเลอกใหมสมบตตรงกบทตองการ ตารางท 6.7 ไดแสดงรายการชนดตางๆ ของพอลเมอร ชอทางการคา สมบต การประยกตและเกรด สมบตทสาคญทปรากฏอยเสมอ คอ

1. ความสามารถททาใหลดจานวนสวนประกอบในการออกแบบ 2. ทนทานตอสารเคมในสภาวะสงแวดลอมตาง ๆ กน 3. มสมบตเปนฉนวนไฟฟา 4. มนาหนกเบา 5. งายตอการใชกระบวนการผลต

67

6. มความแขงแรง เหนยว และทนทานทดพอ 7. มลกษณะโปรงใส แสงผานได 8. มสมประสทธของความฝดตา 9. สามารถทาเปนสตาง ๆ และทาเปนแผนได 10. สามารถกนความชน เมอทาเปนบรรจภณฑ 11. มรปรางทเสถยร วสดพลาสตกไดรบความนยมนาไปใชในการออกแบบงานทางวศวกรรมเปนจานวนมาก เนองจากมราคาถก

บางครงกคานงถงทงราคาของวสดและราคาในการผลตออกมาเปนวสดสาเรจรป ทาใหพลาสตกมขอไดเปรยบ เชน ในการสรางเครองตดหญาจะใชพลาสตกดหรอโลหะดเพอใชในการออกแบบ จะเหนวามหลายสวนทสามารถใชพลาสตกแทนเหลกไดเพราะไมเกดการผกรอน นาหนกเบา ทนทาน ตลอดจนราคาในการผลตกถกกวาดวย

ตวอยางท 6.1 เครองยนตใหมของรถยนตไดถกพฒนาขน โดยทอยภายในฝากระโปรงจะมอณหภมถง 340oF

(171oC) มไอนามนอยดวย ถามวาพลาสตกชนดไหนททานจะเลอกใชเปนฉนวนไฟฟาสาหรบ sensors หรอตวตอ (connectors) ทสามารถทนตอสภาวะดงกลาวได โดยเลอกใชวสดจากตารางท 6.7 คาตอบ จากการใชตารางท 6.7 วสดทจะเลอกใชไดควรเปนพอลเฟนลนซลไฟดทเสรมแรงดวยใยแกว 40% เพราะวสดนทนไดดมากตอความรอน สารเคม และเปนฉนวนไฟฟา และใหรปทรงทเสถยรด วสดพลาสตกอน ๆ กอาจเลอกใชได การจะประยกตพลาสตกสาหรบออกแบบโครงสรางนนคอนขางจะจากดและไมดเทาเหลกกลา เชน การสรางรถยนตสมยใหม จะมพลาสตกเปนองคประกอบประมาณ 200 ถง 350 ปอนด (90.7-159 kg) อกหลายปโดยไมใชทาโครงสราง อยางไรกตามพลาสตกยงใชทาสวนประกอบทเหมาะสมสาหรบรถยนตมากขน เชน นาไปทาหลงคารถ ประตและสวนประกอบอน ๆ สรป พลาสตกและอลาสโตเมอรเปนวสดวศวกรรมขนพนฐานทสาคญ เพราะมนมสมบตกวางขวาง งายตอการทาใหมรปตางๆ ตามทตองการได และมราคาถกพอสมควร วสดพลาสตกสามารถแบงออกไดเปน 2 ชนด คอ เทอรโมพลาสตกและเทอรโมเซททงพลาสตก (เทอรโมเซท) เทอรโมพลาสตกสามารถหลอมเหลวไดดวยความรอน เมอเยนจะแขงและรกษารปรางไวได วสดประเภทนสามารถรไซเคลไดเทอรโมเซททงพลาสตกตามปกตจะทาใหมรปรางตาง ๆ ทถาวรไดดวยความรอนและความดน ซงปฏกรยานจะเกดขนดวยการเกดพนธะของอะตอมตาง ๆ เขาดวยกน ทาใหเปนของแขงได เทอรโมเซททงอาจเกดปฏกรยาทอณหภมหองได และไมตองใชความรอนและความกดดน เทอรโมเซททงพลาสตกไมสามารถหลอมเหลวใหมได หลงจากททาใหแขงหรอบม (curing) แลว แตถาเผาทอณหภมสงจะสลายตวได สารเคมทใชผลตพลาสตกสวนใหญจะมาจากปโตรเลยม แกสธรรมชาต และถานหน วสดพลาสตกผลตขนมาไดจากกระบวนการพอลเมอไรเซชนของโมเลกลเลก ๆ เปนจานวนมาก ซงเรยกวา โมโนเมอร (monomers) กลายเปนโมเลกลใหญ เรยกวาพอลเมอร (polymers) เทอรโมพลาสตกประกอบดวยโมเลกลทเปนโซยาวและเกดพนธะกนระหวางโซโมเลกลดวยแรงทเรยกวา secondary permanent dipole เทอรโมเซททงพลาสตกเกดพนธะโคเวเลนตทแขงแรงระหวางอะตอมตาง ๆ

68

วฏภาคหรอเฟสทมอยในวสด หมายถงบรเวณทมโครงสรางและ/หรอองคประกอบทแตกตางจากเฟสอน กราฟท

แสดงถงเฟสตางๆ ทมอยในวสด ณ สภาวะหนง (อณหภม ความดน และองคประกอบ) จะถกเรยกวา เฟสไดอะแกรม (phase diagrams) หรออาจถกเรยกวา equilibrium diagrams หรอ constitutional diagrams โดยทวไป เฟสไดอะแกรมมกจะถกสรางขนทสภาวะสมดล กลาวคอ เฟสไดอะแกรมนนจะไมมการเปลยนแปลงเมอเวลาเปลยนไป ซงมกจะกระทาไดโดยคอย ๆ ทาใหระบบนนเยนตวลงหรอรอนขนอยางชา ๆ เนองจากชนด จานวน และปรมาณของเฟสทมอยในวสดมกจะใหผลกระทบตอสมบตของวสด ดงนนเฟสไดอะแกรมจงเปนประโยชนตอนกวทยาศาสตรและวศวกรเปนอยางมากทสามารถนาไปใชในการทานายลกษณะและสมบตของวสดได และสามารถทราบขอมลตาง ๆ ไดจากเฟสไดอะแกรม ซงพอจะสรปไดดงนคอ

1. แสดงเฟสตาง ๆ ทมอยในวสดในสภาวะ (อณหภม องคประกอบ) ทแตกตางกน 2. แสดงถงสภาพละลายไดของธาตหนง (หรอสารประกอบหนง) ในอกธาตหนง ณ สภาวะสมดล 3. สามารถบอกใหทราบถงอณหภมทโลหะผสมเรมแขงตวเปนของแขงและชวงอณหภมทโลหะผสมเกดการ

แขงตว เมอโลหะผสมนนถกทาใหเยนตวลงอยางชา ๆ 4. สามารถบอกใหทราบถงอณหภมทโลหะผสมเรมหลอมละลาย

7.1 กฏเฟสของ Gibbs

จากวชาเทอรโมไดนามกส J.W. Gibbs ไดสรางสมการทสามารถใชในการหาจานวนเฟสทมอยในระบบหนง ๆ ทสภาวะสมดล ไดดงนคอ P + F = C + 2 เมอ P = จานวนของเฟสทมอยในระบบ C = จานวนชนดของสวนประกอบในระบบ F = ระดบขนความเสร (degrees of freedom) โดยปกต สวนประกอบ C คอ ธาต สารประกอบ หรอสารละลายทมอยในระบบ ระดบขนความเสร F คอจานวนของตวแปร (ความดน อณหภม และองคประกอบ) ทสามารถเปลยนแปลงไดอยางอสระ โดยปราศจากการเปลยนแปลงจานวนเฟสในสภาวะสมดลของระบบทกาลงพจารณาอย เราลองพจารณาเฟสไดอะแกรมของนาบรสทธทจดรวมสาม ซงประกอบดวย 3 เฟสทสภาวะสมดลและมเพยงสวนประกอบเดยวคอนา ดงนนจานวนระดบขนความเสร จะมคาดงนคอ จากสมการ P + F = C + 2 3 + F = 1 + 2 F = 0 (ระดบขนความเสรเทากบ 0) เนองจากไมมตวแปร (อณหภม หรอความดน) ใด สามารถเปลยนแปลงได ดงนนทจดรวมสามจงถกเรยกวา invariant point ถาพจารณาถงจดบนเสนโคงเยอกแขงระหวางของเหลว – ของแขง ซงม 2 เฟส จะได

7. เฟสไดอะแกรม

69

2 + F = 1 + 2 F = 1 (ระดบขนความเสรเทากบ 1) ระบบเชนน จะมระดบขนความเสรเทากบ 1 ซงหมายถงมตวแปร (อณหภมหรอความดน) 1 ตวทสามารถเปลยนแปลงไดอยางอสระ โดยทระบบกยงคงมเฟสอย 1 เฟส ในการศกษาทางวสดศาสตรโดยทวไป ระบบทมสวนประกอบ 2 ชนดนน ความดนมกจะถกกาหนดใหคงท ท 1 บรรยากาศ ดงนน เฟสไดอะแกรมของระบบเชนนจงมกจะเปนเฟสไดอะแกรมแบบอณหภม-องคประกอบ (temperature-composition phase diagram) ซง Gibbs phase rule จะถกเปลยนไปเปน P + F = C + 1 (P คงทท 1 บรรยากาศ) 7.2 ระบบ Binary Isomorphous Alloy

ระบบทประกอบดวยโลหะ 2 ชนด เชน โลหะผสม เราจะเรยกวา binary system หรอระบบทประกอบดวยสวน ประกอบ 2 ชนด (two component system) เนองจากธาตโลหะแตละชนดในโลหะผสมนนจะพจารณาไดวาเปนสวนประกอบทแยกกนคนละชนด เชน ทองแดงบรสทธพจารณาไดวาเปนระบบทมสวนประกอบชนดเดยว ในขณะทโลหะผสมระหวางทองแดงและนกเกลนน พจารณาไดวาเปนระบบทมสวนประกอบ 2 ชนด ในบางครงสารประกอบในโลหะผสมจะพจารณาไดวาเปนสวนประกอบชนดหนงไดเชนกน ตวอยางเชน เหลกกลา plain-carbon ทประกอบดวยเหลกและเหลกคารไบด เปนสวนประกอบหลก จะพจารณาไดวาระบบนเปนระบบทมสวนประกอบ 2 ชนดได ในบางระบบทประกอบดวยโลหะ 2 ชนด ถาโลหะผสมนนสามารถละลายรวมกนไดอยางสมบรณทงในสภาวะของแขงและของเหลวแลว ระบบเหลานนจะมโครงสรางผลกเพยงชนดเดยวททก ๆ สดสวนองคประกอบ ซงเราเรยกระบบเชนนวา isomorphous system ระบบทธาต 2 ชนดละลายเขาดวยกนไดอยางสมบรณนน จะตองมเงอนไขสอดคลองตามกฎของ Hume-Rothery Hume-Rothery ไดตงกฎการละลายของธาต 2 ชนดทสามารถละลายเขาดวยกนไดอยางสมบรณไวดงนคอ 1. โครงผลกของธาตแตละชนดจะตองเหมอนกน 2. ขนาดของอะตอมของธาตทงสองจะตองไมตางกนเกนกวา 15% 3. ธาตทงสองนนจะตองไมทาใหเกดสารประกอบ นนคอธาตทงสองนนจะตองมคาอเลกโทรเนกาตวตไมตางกนมากนก 4. ธาตทงสองนนควรมเวเลนซอเลกตรอนทเทากน ระบบโลหะผสม 2 ชนดแบบ 1. Eutectic system

β+α⎯⎯⎯ →⎯ทาใหเยน

L

เชน Pb-Sn 2. Peritectic system β⎯⎯⎯ →⎯α+

ทาใหเยนliq

เชน Fe-Ni )ni(

ทาใหเยน)ni(Ni liq γ⎯⎯⎯ →⎯δ+

หรอ Pt-Aq

70

3. Monotectic system L1 α+⎯⎯⎯ →⎯ 2L

ทาใหเยน

เชน Cu-Pb นอกจากนยงมปฏกรยาทเปน invariant system อก 2 ชนดคอ 4. Eutectoid system γ+β⎯⎯⎯ →⎯α

ทาใหเยน

5. Peritectoid system

γ⎯⎯⎯ →⎯β+α ทาใหเยน

71

เซรามกเปนวสดอนนทรย (inorganic) ทประกอบดวยธาตทเปนโลหะและอโลหะ โดยเกดพนธะไอออนกและ/หรอโคเวเลนตรวมกน องคประกอบทางเคมของวสดเซรามกจะแตกตางกนไปแลวแตชนด บางชนดจะมองคประกอบเปนสารประกอบอยางงาย ๆ แตบางชนดจะประกอบดวยเฟสตาง ๆ ทซบซอนโดยเกดพนธะระหวางกน สมบตของเซรามกจะแตกตางกนอยางมาก เนองจากความแตกตางของพนธะในโครงสราง โดยทวไปเซรามกจะมกจะมสมบตทแขงและเปราะ มความแขงแรงนอยมาก เปนฉนวนไฟฟาและความรอนทดเพราะไมมอเลกตรอนอสระทเปนตวนาไฟฟาและความรอนได นอกจากนวสดเซรามกยงมจดหลอมเหลวคอนขางสง ทนตอการกดกรอนจากสารเคมและสภาวะแวดลอมไดดเนองจากมพนธะทางเคมทแขงแรง จากสมบตเหลานทาใหวสดเซรามกเปนวสดทขาดไมได สาหรบงานออกแบบทางวศวกรรมตาง ๆ โดยทวไป วสดเซรามกทถกใชในงานวศวกรรมสามารถแบงออกเปน 2 กลมใหญ ๆ ดงนคอ 1. วสดเซรามกธรรมดา 2. วสดเซรามกวศวกรรม

วสดจาพวกเซรามกธรรมดา (traditional ceramic) คอ วสดเซรามกทมมาแตเดม ซงประกอบดวยองคประกอบ หลก 3 ชนด คอ ดนเหนยว (clay) ซลกา (silica) และเฟลสปาร (feldspar) ตวอยางของเซรามกพวกนไดแก พวกอฐ (brick) กระเบองมงหลงคา (tile) และลกถวยไฟฟา เปนตน วสดจาพวกเซรามกวศวกรรม (engineering ceramics) คอวสดเซรามกทประกอบดวยสารบรสทธหรอเกอบบรสทธของพวกอะลมนา (Al2O3) , ซลคอนคารไบด (SiC) และซลคอนไนไตรด (Si3N4) วสดชนดนมกจะใชในงานเทคโนโลยชนสง เชน SiC ใชทาเครองยนตของกงหนแกส (gas turbine engine) ซงเปนสวนประกอบหนงในเครองยนต AGT-100 และอะลมนมออกไซดทใชเปนฐานรองรบตว integrated circuit chips ในอปกรณ thermal conduction module 8.1 โครงผลกอยางธรรมดาของเซรามก

กอนอนเราลองพจารณาถงโครงผลกอยางธรรมดาของเซรามก ตารางท 8.1 ไดยกตวอยางสารประกอบเซรามก บางชนดทมโครงผลกอยางธรรมดา และจดหลอมเหลวของสารประกอบเหลาน ตารางท 8.1 สารประกอบเซรามกบางชนดและจดหลอมเหลว

สารประกอบเซรามก จดหลอมเหลว (oC) สารประกอบเซรามก จดหลอมเหลว (oC) Hafnium carbide, HfC Titanium carbide, TiC Tungsten carbide, WC Magnesium oxide, MgO Silicon carbide, SiC

4150 3210 2850 2789 2500

Boron carbide, B4C Alumium oxide Al2O3 Silicon dioxide* SiO2 Silicon nitride, Si3N4 Titanium dioxide, TiO2

2450 2050 1715 1900 1605

* Cristobalite

8. วสดเซรามก

72

8.2 กระบวนการผลตผลตภณฑเซรามก ผลตภณฑจาพวกเซรามก สามารถถกผลตขนไดโดยการนาผงหรออนภาคมาอดขนเปนรปรางแลวนาไปเผาท

อณหภมสง ๆ เพยงพอเพอทจะทาใหอนภาคเหลานนเกาะกนหรอเกดพนธะระหวางกนขน ขนตอนพนฐานทใชในการผลตผลตภณฑเซรามกมดงนคอ 1. การเตรยมวสด 2. การขนรปหรอการหลอ 3. การทาใหแหงและเผาทอณหภมสงเพยงพอเพอทจะทาใหอนภาคของเซรามกเกดพนธะระหวางกน การเตรยมวสด ผลตภณฑเซรามกสวนใหญถกผลตขนโดยการรวมกลม (agglomeration) ของอนภาควตถดบของผลตภณฑเหลานจะแตกตางกนโดยขนอยกบสมบตของผลตภณฑเซรามกตามทตองการ อนภาคและสวนประกอบอน เชน สารยดเหนยว (binder) และสารหลอลน (Lubricants) อาจถกเตมลงไปและผสมเขาดวยกนดวยวธแบบเปยกหรอแบบแหงได ในกรณของผลตภณฑเซรามกทไมตองการสมบตพเศษ เชน อฐธรรมดา ทอนา หรอผลตภณฑดนเหนยวอน ๆ ในทางปฏบตเราสามารถผสมสวนประกอบทงหมดดวยนา แตในกรณของผลตภณฑเซรามกอนบางชนด วสดดบอาจจะถกบดแบบแหงรวมกบสารยดเหนยวและสารเตมแตงอน ๆ และในบางครงอาจมการใชทงกระบวนการแบบแหงและแบบเปยกรวมกน ตวอยางเชน ในการผลตฉนวนอะลมนา (Al2O3) ทมคณภาพสงชนดหนง อนภาคของวตถดบจะถกบดรวมเขากบนาพรอมกบสารยดเหนยวจาพวกไข (wax) เกดเปนสารละลายขน (slurry) หลงจากนนจะทาใหแหงดวยวธการฉดพน (spray) เกดเปนเมดทรงกลมขนาดเลก ๆ การขนรป ผลตภณฑเซรามกซงถกผลตขนโดยการรวมกลมของอนภาคนน อาจถกขนรปไดดวยวธการทแตกตางกนหลายวธทงในสภาวะทแหง, เหนยวหรอของเหลว กระบวนการขนรปทอณหภมตา (cold-formimg processes) จะเปนวธทมกถกใชในอตสาหกรรมเซรามก แตกระบวนการขนรปทอณหภมสง (hot-forming processes) กมกถกใชเชนกน กระบวนการอด (pressing) กระบวนการ slip casting และกระบวนการ extrusion จะเปนวธทใชกนทวไปในการขนรปเซรามก กระบวนการอด (pressing) วตถดบของเซรามกทอยในรปของอนภาคสามารถถกกดอดไดในสภาวะแหงเหนยว หรอเปยกในแมแบบเพอไดผลตภณฑทมรปรางลกษณะตามทตองการ กระบวนการอดแหง (dry pressing) กระบวนการนมกถกใชในการผลตผลตภณฑ เชน วตถทนไฟทใชในงานโครงสราง (วสดทตานทานตอความรอนไดสง) และสวนประกอบของอปกรณอเลกทรอนกส กระบวนการอดแหง (dry pressing) อาจกลาวไดอกนยหนงคอ กระบวนการอดขนรปผงเซรามกทผสมนาและ/หรอสารยดเหนยวประเภทสารอนทรยจานวนเลกนอยในแมแบบใหแนนในแนวแกนเดยว (uniaxial compaction) หลงจากทเซรามกผานกระบวนการอดเยน (cold pressing) แลวผลตภณฑนนกจะถกเผา (sintered) เพอใหไดความแขงแรงและโครงสรางตามทตองการ กระบวนการอดแหงถกใชอยางกวางขวาง เนองจากเปนกระบวนการทสามารถขนรปผลตภณฑไดหลายรปแบบอยางรวดเรว มความสมาเสมอและมความผดพลาดนอย ตวอยางเชน อะลมนา ไททาเนต และเฟอรไรด สามารถถกอดแหงใหไดขนาดตงแตไมกมลลเมตรจนถงหลายนวไดดวยอตราการผลต 5000 ชนตอนาท

73

กระบวนการอดแบบ isostatic ในกระบวนการน ผงเซรามกจะถกปอนใสลงในภาชนะบรรจทมดชดและยดหยนได (มกจะเปนยาง) (ถกเรยกวาถง bag)) ถงนจะบรรจอยในหองของของเหลวไฮดรอลกซงจะถกปอนดวยความดนผลตภณฑทถกผลตขนโดยวธการอดแบบ isotatic นมดงนคอ วสดทนไฟ อฐ ฉนวนของหวเทยน เครอมอจาพวกคารไบด crucibles และ bearing กระบวนการอดรอน (hot pressing) สาหรบในกระบวนการอดและเผาควบคกนนผลตภณฑเซรามกทถกผลตขนจะมความหนาแนนสง และมสมบตเชงกลดขน วธการอดแบบแกนเดยว (uniaxial) และ isotatic สามารถกนามาใชไดในกระบวนการน กระบวนการ slip casting รปรางของเซรามกสามารถถกหลอขนไดโดยกระบวนการทมลกษณะเฉพาะตวทเรยกวา slip casting ขนตอนทสาคญของกระบวนการ slip casting มดงนคอ

1. การเตรยมวตถดบซงประกอบดวยเซรามกทมลกษณะเปนผงและของเหลว (สวนใหญมกจะเปนดนเหนยวและนา) ใหอยในสภาพแขวนลอยทมความเสถยร ทเรยกวา slip

2. เท slip ลงในแมแบบทมรพรน ซงสวนใหญแลวจะถกทาจาก plaster of paris สวนทเปนนาใน slip จะถกดดซบดวยแมแบบบางสวน ขณะทของเหลวถกกาจดออกจาก slip ชนของวสดทมลกษณะกงของแขงจะแขงตวอยรอบ ๆ ผวของแมแบบ

3. เมอวสดมความหนามากเพยงพอแลว กระบวนการหลอจะถกยบยงและ slip ทมากเกนพอจะถกเทออกจากชองวาง ซงวธการนเรยกวา drain casting สวนอกวธหนงคอ รปรางของแขงจะถกทาขนโดยใหมการหลออยางตอเนองจนกระทงชองวางภายในแมแบบทงหมดถกเตมจนเตม วธการหลอในลกษณะนจะถกเรยกวา solid casting

4. วสดภายในแมแบบจะถกทาใหแหงจนกระทงมความแขงแรงเพยงพอทจะเคลอนยาย และเอาวสดนนออกจากแมแบบ

5. สดทาย วสดทหลอแลวนจะถกเผาเพอใหไดสมบตและโครงสรางตามทตองการ กระบวนการ slip casting เปนวธการทเหมาะสมกบการขนรปผลตภณฑทมผนงบาง และมรปรางทสลบซบซอน

แตตองการความหนาทสมาเสมอ นอกจากนกระบวนการ slip casting นยงเหมาะกบงานพฒนาชนสวนและการผลตผลตภณฑทมจานวนนอยในเชงเศรษฐศาสตร มผลตภณฑหลายชนดของกระบวนการ slip casting ทถกหลอภายใตสภาวะความดนหรอสญญากาศ กระบวนการ extrusion วสดทมรปรางทรงกระบอกกลวงสามารถถกผลตขนโดยกระบวนการ extrusion ผานแมแบบ ซงวธการนมกจะถกใชในการผลตผลตภณฑตางๆ เชน อฐทนไฟ ทอระบายนา กระเบอง และฉนวนไฟฟา เปนตน เครองจกรทมกถกนามาใชคอเครอง vacuum-auger-type extrusion ซงวตถดบเซรามกทประกอบดวยดนเหนยวและนาจะถกอดผานแมแบบทเปนเหลกกลาหรอโลหะผสมดวย auger ทถกขบเคลอนดวยมอเตอร กรรมวธทางความรอน เปนขนตอนทสาคญทสดของการผลตผลตภณฑเซรามก ซงมหลายวธดวยกน คอ 1. การอบแหงและการกาจดสารยดเหนยว วตถประสงคของวธนคอ เพอกาจดนาออกจากตวเซรามก กอนทจะนาไป

เผาทอณหภมสง โดยทวไปการอบแหงจะกระทาทอณหภมตากวา 100oC และอาจใชเวลาถง 24 ชวโมง ถาผลต

74

ภณฑเซรามกนนมขนาดใหญและสารยดเหนยวเปนสารจาพวกอนทรย จะตองเผาทอณหภม 200-300oC เพอทาใหสารเหลานหมดไป

2. Sintering คอกระบวนการททาใหอนภาคของวสดเซรามกเกดพนธะซงกนและกน โดยการแพรของของแขงทอณหภมสง ซงจะทาใหสวนทเปนรพรนของเนอวสดลดลงและมความหนาแนนมากขน โดยมากวธนจะใชกบ

เซรามกจาพวก alumina, beryllia, ferrites และ titanates ในกระบวนการ sintering อนภาคจะเกาะเขากนโดยการแพรภายใตสถานะทเปนของแขงทอณหภมสงมากแต

ตากวาจดหลอมเหลวของสารประกอบทถกเผานน ตวอยางเชน ฉนวนของหวเทยนททาจากอะลมนาจะถกเผาทอณหภม 1600oC (จดหลอมเหลวของอะลมนาเทากบ 2050oC) ในกระบวนการ sintering การแพรของอะตอม จะเกดขนระหวางหนาผวสมผสของอนภาค ทาใหเกดพนธะทางเคมซงกนและกนขน ถากระบวนการดาเนนตอไป จะเกดอนภาคทใหญขน เนองจากเกดการรวมตวของอนภาคเลก ๆ เขาดวยกนมากขน ดงเชน การ sintering ของ MgO (ทแสดงในรปท 8.1 (a), (b) และ (c))

รปท 8.1 ภาพ Scanning electron micrographs ของพนผวของ MgO (ผงทถกอดแนน) ทถกเผาท 1430oC ในสภาวะอากาศนงเปนเวลา (a) 30 นาท (สดสวนรพรน = 0.39), (b) 303 นาท (f.p. = 0.14); (c) 1110 นาท (f.p. = 0.09); พนผวของ (c) ทถก annealed ไดแสดงดงรป (d) ขนเมอเวลาทใชในการ sintering เพมขนอนภาคจะมขนาดใหญขน แตความพรน (porosity) ของวสดจะลดลง (รปท 8.2) สดทายทจดสนสดของกระบวนการ ขนาดของเกรนจะเขาสสภาวะสมดล (รปท 8.1 (d)) แรงทขบเคลอนใหกระบวนการดาเนนไป คอ การลดพลงงานของระบบใหตาลง 3. Vetrification มผลตภณฑเซรามกบางชนด เชน porcelain และสวนประกอบของวสดอเลกทรอนกสบางชนดจะ ประกอบดวยวฏภาคของแกว วฏภาคของแกวนจะทาหนาทเปนตวกลางในการเชอมประสานอนภาคของเซรามก กลาวคอ เมอใหความรอนวสดเซรามกเหลาน แกวจะหลอมเหลวและแพรเขาไปในชองวางของวสด และบางครง อาจเกดปฏกรยากบวสดทอยภายใน และเมออณหภมลดลง แกวจะแขงตว และชวยยดอนภาคทไมหลอมเหลวใหตด กน

75

รปท 8.2 กราฟแสดงความสมพนธระหวางความพรน และเวลาทใชในการ sintering ของ MgO ทถกเตมดวย CaO 0.2% โดยนาหนก และถกเผาภายใตสภาวะอากาศนงท 1330 และ 1430oC ขอสงเกตคอ การเผาทอณหภมสงขนจะทาใหความพรนลดลงอยางรวดเรว 8.3 วสดเซรามกธรรมดาและเซรามกวศวกรรม เซรามกแบงไดออกเปน 2 พวก คอ 1. วสดเซรามกธรรมดา (tradition ceramic) เซรามกพวกนประกอบดวยสวนประกอบทสาคญ 3 สวนคอ ดนเหนยว

ซลกา (flint) และเฟลสปาร (Feldspar) สวนใหญดนเหนยวประกอบดวย hydrated aluminum, silicates (Al2O3.SO2H2O) และออกไซดอน ๆ เชน TiO2, Fe2O, MgO, CaO, Na2O และ K2O

ตารางท 8.2 องคประกอบทางเคมของดนเหนยวบางชนด

ซลกา SiO2) ทเปนสวนประกอบทสาคญในดนเหนยว อาจถกเรยกวา flint หรอ quartz จะมจดหลอมเหลวทสงและทนไฟไดด สวน potash (potassium) feldspar ซงมสตรเคม K2O.Al2O3.6SiO2 จะมจดหลอมเหลวทตากวาและเกดเปนแกวไดเมอถกเผา แกวนจะทาหนาทในการเชอมประสานสวนประกอบททนไฟ (silica) เขาดวยกน

76

ผลตภณฑเซรามกททาจากดนเหนยว ไดแก อฐทใชในการกอสราง ทอระบายนา กระเบองมงหลงคา และกระเบองปพน เปนตน ผลตภณฑ whiteware เชน ถวยไฟฟา ถวยชาม และเครองสขภณฑจะถกทาจากสวนประกอบของดนเหนยว ซลกา และเฟลสปาร โดยมการควบคมองคประกอบ ตารางท 8.3 ไดรวบรวมองคประกอบทางเคมของผลตภณฑ whiteware ทประกอบดวยสวนประกอบทสาคญ 3 ชนด (triaxial)

ตารางท 8.3 องคประกอบทางเคมของผลตภณฑ whiteware บางชนด

2. วสดเซรามกวศวกรรม (engineering ceramics) หรอเซรามกทางเทคนค (technical ceramics) เซรามกชนดนสวน

ใหญจะประกอบดวยสารบรสทธ หรอเกอบบรสทธ ของสารประกอบออกไซด คารไบด หรอไนไตรด วสดเซรามกวศวกรรมทสาคญ เชน อะลมนา ซลคอนไนไตรด ซลคอนคารไบด และเซอรโคเนยม

8.4 สมบตทางไฟฟาของเซรามก วสดเซรามกไดถกนามาประยกตใชในงานวศวกรรมทางไฟฟาและอเลกทรอนกสเปนจานวนมาก กลาวคอ มวสดเซรามกหลายชนดทถกใชเปนฉนวนทางไฟฟาทความตางศกยทางไฟฟาทงตาและสง และยงไดถกนามาใชเปนตวเกบประจไฟฟา (capacitors) ชนดตาง ๆ ทมขนาดเลก นอกจากนเซรามกบางชนดยงมสมบตพเศษทสามารถเปลยนสญญาณแรงดนทางกลไปเปนสญญาณทางไฟฟา หรอในทางกลบกน กสามารถเปลยนสญญาณทางไฟฟาไปเปนสญญาณแรงดนทางกลไดเชนกน ซงวสดเซรามกทมคณสมบตเชนนจะถกเรยกวา piezoelectrics กอนทจะกลาวถงสมบตทางไฟฟาตาง ๆ ของวสดเซรามกชนดตาง ๆ จะขอกลาวถงสมบตพนฐานบางชนดของฉนวน หรอวสดไดอเลกตรก ดงนคอ

1. คาคงทไดอเลกตรก (dielectric constant) 2. dielectric breakdown strength 3. loss factor

77

คาคงทไดอเลกตรก (dielectric constant) เราลองพจารณาตวเกบประจชนดแผนขนาน (paralled-plate capacitor) ทประกอบดวยแผนโลหะทมพนท A และแยกหางกนเปนระยะ d ดงแสดงในรปท 8.3

รปท 8.3 แสดงตวเกบประจชนดแผนขนาน (parallel-plate capacitor) แบบธรรมดา ในกรณทชองวางระหวางแผนโลหะเปนสญญากาศ เมอใสความตางศกย V ใหกบแผนโลหะ ทแผนโลหะหนงจะ

มประจสทธเปน +q และอกแผนโลหะแผนหนงจะมประจสทธเปน –q คาประจ q จะเปนสดสวนโดยตรงกบความตางศกย V ดงนคอ

q = CV หรอ C = Vq

เมอ C เปนคาคงทซงถกเรยกวาความจ (capacitance) ของตวเกบประจ หนวยในระบบ SI ของความจ คอ coulomb/volt (C/V) หรอ farad (F) ดงนน I farad = 1 coulomb/volt

เนองจากหนวยของความจจะมคานอยมาก เพราะฉะนนจงมกจะใชเปน picofarad (1 pF = 10-12 F) หรอ microfarad (1 µ F = 10-6 F)

คาความจของตวเกบประจเปนคาวดความสามารถในการเกบประจทางไฟฟา กลาวคอ ถาคาความจมคาสง ประจทถกเกบไวในแผนโลหะกจะมากดวย คาความจ C จะมความสมพนธกบพนทของแผนโลหะและระยะหางระหวางแผนโลหะ ดงน

dA

C 0ε=

เมอ ε 0 = permittivity ของ free space = 8.854 x 10-12 F/m ถาชองวางระหวางแผนโลหะถกใสดวยวสดไดอเลกตรก (หรอฉนวน) คาความจของตวเกบประจจะมคาเพมขน

ดวยตวคณ k ซงเรยกวา คาคงทไดอเลกตรก (dielectric) ของวสดไดอเลกตรก ดงน

d

Ak C 0ε

=

78

ตารางท 8.4 แสดงคาคงทไดอเลกตรกของวสดฉนวนเซรามกบางชนด

พลงงานทถกเกบสะสมในตวเกบประจในปรมาตรทกาหนดทคาความตางศกยคาหนง จะเพมขนโดยคาคงท ไดอเลกตรกเมอมวสดไดอเลกตรกอย ถาใชวสดทมคาคงทไดอเลกตรกสงจะสามารถผลตตวเกบประจทมขนาดเลกลงได Dielectric strength เปนปรมาณทบอกถงความสามารถของวสดในการทจะเกบพลงงานไวไดทความตางศกยสง ๆ ซงถกนยามไวเปน volt ตอหนวยความยาว หรอกลาวอกนยหนงไดวา คอคาทบอกถงปรมาณสนามไฟฟาสงสดทวสดยงคงรกษาความเปนฉนวนไวได โดยทวไป คา dielectric strength จะมหนวยเปน V/mil (1 mil = 0.001 นว) kV/mm ถาวสดไดอเลกตรกถกปอนดวยความตางศกยทสงมาก ๆ อาจทาใหความเคนของอเลกตรอนหรอไอออนในการทจะพยายามไหลผานวสดไดอเลกตรกมคาเกนกวาคา dielectric strength และถามคาเกนกวาคา dielectric strength วสดไดอเลกตรกจะถกทาลายและทาใหเกดการไหลของกระแสไฟฟาขน คา dielectric strength ของวสดฉนวนเซรามกบางชนดถกแสดงไวในตารางท 8.4 Dielectric loss factor โดยปกต ถาความตางศกยทใชในการรกษาประจบนตวเกบประจมรปรางสญญาณเปนลกษณะ sinusoidal เชน ความตางศกยจากกระแสไฟฟาสลบ กระแสไฟฟาจะอยนาหนาความตางศกย 90oC เสมอ เมอไมมการสญเสยพลงงานระหวางแผนโลหะ แตโดยความเปนจรงแลว กระแสไฟฟาจานาหนาความตางศกย 90o-δ ซง δ คอ dielectric loss angle และผลคณของ k tan δ คอ loss factor ซงเปนคาปรมาณทบอกถงพลงงานทสญเสยไปในรปของพลงงานความรอนของตวเกบประจในวงจรกระแสไฟฟาสลบ ตารางท 8.4 ไดแสดงคา loss factor ของวสดฉนวนของเซรามกบางชนดไว 8.5 วสดเซรามกทใชเปนฉนวน

วสดเซรามกเปนวสดทมสมบตทางไฟฟาและสมบตเชงกลทเหมาะสมทสามารถนามาใชเปนฉนวนในงานอต

79

สาหกรรมทางดานไฟฟาและอเลกทรอนกสอยางมาก เนองจากพนธะระหวางอะตอมทเกดขนในเซรามกเปนพนธะแบบไอออนกและโคเวเลนตทแขงแรง ดงนน จงทาใหอเลกตรอนและไอออนถกจากดในการเคลอนท เปนผลทาใหวสด เซรามกมสมบตเปนฉนวนไฟฟาทด และสมบตเชงกลทแขงแรงแตคอนขางเปราะ ตวอยางของเซรามกทใชเปนฉนวนมดงน Electrical porcelain ประกอบดวยดนเหนยว 50%, ซลกา 25% และ feldspar องคประกอบเชนนจะทาใหวสดมสภาพพลาสตกทดและชวงของอณหภมในการเผาคอนขางกวาง โดยมราคาตนทนตา ขอเสยของวสดเซรามกทใชเปนฉนวนชนดนคอ มคา loss factor สงกวาวสดชนดอน (ตารางท 8.4) เพราะแอลคาไลออนมการเคลอนทไดด Steatite steatite porcelains เปนฉนวนทางไฟฟาทด เพราะม power-loss factor ตา, ไมดดความชน และมคา impact strength สง วสดเซรามกชนดนถกใชในอตสาหกรรมไฟฟา และอเลกทรอนกสอยางกวางขวาง steatite ทใชในอตสาหกรรมจะประกอบดวย 90% talc และ 10% clay โครงสรางของ steatite จะประกอบดวยผลก enstatite ทเกดพนธะรวมกนดวยแกว (glassy matrix) Fosterite มสตรทางเคมดงนคอ Mg2SiO4 และเนองจากไมมแอลคาไลไอออน จงทาใหมความตานทานสง และมการสญเสยพลงงานตากวา steatite เมออณหภมสงขน นอกจากน fosterite ยงม loss factor ตาทความถสง (ตารางท 8.4) Alumina เซรามกอะลมนาจะประกอบดวยผลก Al2O3 ทเกดพนธะรวมกนดวยแกว วฏภาคของแกวนเกดจากการผสมระหวางดนเหนยว talc และ alkaline earth fluxes ซงปราศจากแอลคาไล เซรามกอะลมนาจะมคา dielectric strengths ทสงและ dielectric losses ทตาและมความแขงแรงสง อะลมนาทผานกระบวนการ sintering จะใชในอปกรณทางดานอเลกทรอนกสมากมาย เนองจากม dielectric losses ตาและมพนผวทเรยบ

รปท 8.4 ชนสวนของฉนวนอเลกทรอนกสและฉนวนไฟฟาบางชนดทผลตจาก steatite

ประโยชนของเซรามก เชงไฟฟา 1. ทาเปนฉนวนไฟฟา 2. ทาตวเกบประจ capacitor 3. ทาสารกงตวนา

80

ประโยชนของเซรามก เชงกลและความรอน 1. ทาผงขด 2. ทาวตถทนไฟ 3. ทนกรดและดาง

แกว แกวเปนวสดทมลกษณะพเศษซงไมมวสดวศวกรรมใดเหมอน เพราะเปนวสดทโปรงใส แขงทอณหภมหองพรอมกนนนมความแขงแรงเพยงพอและทนทานตอการกดกรอนในสภาพแวดลอมตาง ๆ ดงนน จงทาใหแกวเปนวสดทขาดเสยไมไดในงานวศวกรรมตาง ๆ เชน งานกอสรางและกระจกของยานพาหนะตาง ๆ หลอดสญญากาศและหลอดไฟในงานทางดานอตสาหกรรมไฟฟา และเครองมอเครองแกวตาง ๆ ทใชในงานอตสาหกรรมเคม เปนตน แกวคอ วสดเซรามกทถกทาขนจากสารอนนทรยทอณหภมสง แกวแตกตางจากวสดเซรามกอน ๆ คอ เมอองคประกอบถกหลอมเหลวโดยใหความรอนและทาใหเยนตวลงแลว แกวจะแขงตวโดยไมเกดโครงผลก ดงนนแกวจงเปนวสดทไมมผลก หรออสณฐาน โมเลกลของแกวจะไมมการเรยงตวอยางเปนระเบยบ

81

ตารางท 8.5 องคประกอบของแกวบางชนด

82

9.1 วสดผสมคออะไร ในปจจบนคานยามของคาวาวสดผสม (Composite Materials) ทยอมรบกนอยางกวางขวางนนยงไมม แตถาหาดจากพจนานกรมซงไดคานยามไววา วสดผสมเปนสงใดกไดทประกอบดวยองคประกอบทางเคมทแตกตางกนตงแต 2 ชนดขนไป ในระดบของอะตอมของวสด เชน โลหะผสมบางชนด และวสดพอลเมอร สามารถเรยกไดวาเปนวสดผสม เพราะมนประกอบดวยกลมอะตอมทแตกตางกน ถาพจารณาจากโครงสรางในระดบไมโคร (ประมาณ 10-4-10-2 ซม.) ของโลหะผสม เชน เหลกกลาธรรมดาจะประกอบดวยเฟอรไรด (ferrite) และเพยรไลด (pearlite) สามารถรยกไดวาเปนวสดผสมเพราะเฟอรไรดและเพยรไลดมองคประกอบทตางกน (เปนโครงสรางทเปนยเทคทอยดของเหลกกลา) ซงสามารถดไดจากกลองไมโครสโคปทระดบแมคโคร (ประมาณ 10-2 ซม. หรอมากกวา) พลาสตกทเสรมแรงดวยใยแกว สารมารถ มองเหนดวยตาเปลาวามใยแกวผสมกบพอลเมอร จงถอวาวสดผสมในขณะนเราพอจะเหนไดแลววาความยากในการใหคานยามของวสดผสมอยทความจากดของขนาดขององคประกอบในวสดนน ๆ ในงานออกแบบทางวศวกรรม โดยทวไปวสดผสมจะหมายถงวสดทประกอบดวยองคประกอบทมขนาดอยในชวงของไมโครถงแมคโคร แตชอบทจะใหอยในขวงแมคโครมากกวา วสดผสม (composite material) เปนระบบของวสดทประกอบดวยของผสมหรอเปนการรวมกนของสารตงแต 2 ชนดขนไปทงในขนาดไมโครหรอแมคโครกได ทองคประกอบทางเคมแตกตางกนและจะตองไมละลายเขาดวยกน ความสาคญทางวศวกรรมของวสดผสมอยทวาวสด 2 ชนดมากกวา 2 ชนดทนามาผสมกนใหไดวสดผสมทมสมบตพเศษดเปนพเศษหรอใหมลกษณะทสาคญบางอยางแตกตางไปจากสารเดม วสดตางๆ ทจดอยในพวกวสดผสมนนมมากมาย แตจะขอกลาวเฉพาะทมความสาคญทสดตองานวศวกรรมเทานน ซงไดแก พลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย คอนกรต ยางมะตอย ไมและอน ๆ เชนการใชวสดผสมในการออกแบบเชงวศวกรรม 9.2 วสดผสมทเปนพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย

เสนใยสงเคราะหทใชเสรมแรงพลาสตกในสหรฐอเมรกามดวยกน 3 ประเภทหลก คอ เสนใยแกว อะรามด เสน ใยอะรามดเปนพลาสตกพวก อะโรมาตก พอลอะไมคทมโครงสรางของโมเลกลแขงมาก ๆ (very rigid) และเสนใยคารบอน เสนใยแกว คอพวกทใชกนมากทสดและมราคาตาสด เสนใยอะรามด และเสนใยคารบอนมความแขงแรงสง และมความหนาแนนตา และนาไปประยกตไดมากมาย โดยเฉพาะอยางยงการสรางยานอวกาศ เนองจากมราคาแพง ใยแกวสาหรบเสรมแรงพลาสตกเรซน ใยแกวทนามาใชเสรมแรงพลาสตก เพอใหมโครงสรางแบบวสดผสมและใชสาหรบทาแบบหรอแมพมพ (molding compounds) วสดพวกนจะมลกษณะเฉพาะทดคอ มความแขงแรงสง มรปทรงทเสถยร เปนฉนวนความรอน-เยน ทด ไมดดคามชน ทนทานตอการผกรอน เปนฉนวนไฟฟาทด ขนรปงาย และมราคาคอนขางถก

9. วสดผสม

83

แกวทใชสาหรบทาใยแกว ทนบวาสาคญทสดมอย 2 ประเภท คอ E (electrical) glasses และ S (high- strength) glasses E glass เปนเสนใยแกวทใชกนมากทสด และใชกบกระบวนการผลตแบบตอเนอง E glass เปนแกวทไดจากสารประกอบของ lime-aluminum-borosilicate ซงไมมโซเดยมหรอโพแทสเซยมหรอมปรมาณนอย องคประกอบหลกของ E glass คอมซลกา (SiO2) 52-56% อะลมเนยมออกไซด (Al2O3) 12-16% แคลเซยมออกไซด 16-15% และโบรอนออกไซด (B2O3) 8-13% E glass ทบรสทธม tensile strength ประมาณ 500 ksi (3.44 GPa) และม modulus of elasticity 10.5 Msi (72.3 GPa) S glass มคาอตราสวนของ Strength ตอนาหนกสงกวาและราคาแพงกวา E glass และในระยะเรมแรก S glass จงถกนาไปประยกตใชทางการทหารและอวกาศ tensile strength ของ S glass มคามากกวา 650 Ksi (4.48 SiO2) ประมาณ 65% อะลมนา (Al2O3) 25% และแมกนเซยมออกไซด (MgO) 10% การผลตใยแกว (glass fibers) และแบบตาง ๆ ของวสดทเสรมแรงดวยใยแกว (fiber glass reinforcing) ใยแกวหรอไฟเบอรกลาสผลตไดจากการดงแกวทกาลงหลอมเหลวอยในเตาใหออกมาเปนเสนเลก ๆ (filaments) แลวนามาปนเขาดวยกนทาเปนเกรยว เสนใยเลก ๆ เหลานนาไปทาใยแกวหรอใหอยรวมกนเปนกลม (roving) หรออาจจะทอเปนแผนไฟเบอร แผนใยแกวททอเปนผนใชในการเสรมแรง แผนใยแกวสามารถตดทาเปนรปรางตาง ๆ เสนใยเลก ๆ อาจทาใหมนอยรวมกนไดโดยใชเรซน สวนแผนใยแกวจะทาใหตดกนไดดวยพนธะเคม สมบตของใยแกว การเปรยบเทยบสมบตเกยวกบแรงดง (Tensile properties) และความหนาแนนของเสนใยแกวอ เทยบกบเสนใยคารบอนและเสนใยอะรามด ไดดงแสดงไวในตารางท 9.1 จะเหนไดวาเสนใยแกวม Tensile strength และมอดลสอลาสตซตตากวาใยคารบอนและใยอะรามด แตมคาความยดมากกวา ความหนาแนนของใยแกวกสงกวาของใยคารบอนและใยอะรามด อยางไรกตามใยแกวกไดรบความนยมอยางกวางขวางทใชสาหรบเสรมแรงพลาสตกเพราะมราคาถก

ตารางท 9.1 แสดงการเปรยบเทยบสมบตของเสนใยทใชเสรมแรงพลาสตก

เสนใยคารบอนสาหรบเสรมแรงพลาสตก (Carbon Fibers for Reinforced Plastics) วสดผสมทผลตจากการใชใยคารบอนไปเสรมแรงใหกบพลาสตกเรซน (plastic resin) เชน อพอกซ (epoxy) เพอใหวสดผสมนนมคณลกษณะเฉพาะในหลาย ๆ สวนรวมกน คอทาใหมนาหนกเบา มความแขงแรงสง มความแขงตว ไมโคงงองาย สมบตเหลานกอใหเกดความสนใจทจะนาไปประยกตทางดานยานอวกาศ (aerospace) เชน สรางเครอง

84

บน โดยใชวสดผสมททาดวยใยคารบอนเสรมแรงพลาสตก แตเนองจากราคาของเสนใยคารบอนคอนขางสง จงทาใหการนาไปใชงานทางดานอตสากรรมตาง ๆ เชน อตสาหกรรมรถยนตตองกาจดตวลง เสนใยคารบอนทใชวสดผสมน ทามาจากแหลงทสาคญ 2 แหลงคอ พอลอะครโลไนไทรล (Polyacrylonitrile, PAN) กบยางมะตอย (pitch) ซงเปนตวทเกดขนมากอนทจะเปนเสนใยคารบอนเรยกวา พรเคอเซอร (Precursor) โดยทวไปเสนใยคารบอนผลตมาจาก PAN-precursor ดวยกระบวนการ 3 ขนตอนดวยกนคอ

1. กระบวนการทาใหเสถยร (stabilization) 2. กระบวนการทาใหเกดคารบอน (Carbonization) 3. กระบวนการทาใหเปนแกรไฟต (graphitization)

รปท 9.1 แสดงขนตอนตาง ๆ ของกระบวนการผลตใยคารบอนทมความแขงแรงและโมดลสสงจากพอลอะครไนไทรล (PAN) พรเคอเซอร ขนตอนแรกเปนกระบวนการทาใหเสถยร (Stabilization stage) ขนตอนนเสนใย PAN จะถกดงใหยดเปนเสนตรง โดยใหเสนใยแตละเสนขนานกบแกนเสนใย แลวทาใหเกดออกซเดชนดวยอากาศทอณหภมประมาณ 200-220oC (392-428oF) ทง ๆ ทยงดงอย ขนตอนทสอง เปนกระบวนการทาใหเกดคารบอน (Carbonization) ซงเปนการผลตเสนใยคารบอนดวยการกาจดออกซเจน ไฮโดรเจน และไนโตรเจนจากเสนใย PAN การเผาใหกลายเปนคารบอนนตามปกตจะเผาทอณหภม 1000-1500oC ในบรรยากาศของแกสเฉอย ในระหวางการเกดกระบวนการทเปลยนเปนคารบอนน เสนใยนนจะเปลยนเปนเสนใยเลก ๆ หรอเปนแถบ (ribbon) คลายแกรไฟต ขนในแตละเสนใย ซงทาใหความแขงแรงเพมขนอยางมาก ขนทสามหรอการทาใหเสนใยเปนแกรไฟตซงเปนกระบวนการทใชสาหรบเพมอลาสตกมอดลสจากการทมความแขงแรงสง ในระหวางทมการเผาทอณหภมสงกวา 1800oC เสนใยแตละเสนจะมการเปลยนโครงสรางกลายเปนผลกคลายแกรไฟตเพมขน วสดผสมพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใย เรซนพอลเอสเทอรเสรมแรงดวยเสนใยแกว (Fiberglass-reinforced polyester resins) ความแขงแรงของพลาสตกเสรมแรงดวยเสนใยแกวนน สวนใหญจะขนอยกบปรมาณของแกวและการจดตวของใยแกว โดยทวไปถาเปอรเซนตโดยนาหนกของแกวในวสดผสมมคาสงกวา ความแขงแรงของพลาสตกเสรมแรงกจะแขงแรงกวาดวย เมอมเสนใยแกวทพนกนเปนเกลยวขนานกน อาจทาใหปรมาณของใยแกวมในวสดผสมไดถง 80% โดยนาหนก ซงเปนสวนททาใหวสดนมความแขงแรงสง

85

คอนกรต

คอนกรต (concrete) เปนวสดวศวกรรมหลกทใชในการกอสราง วศวกรโยธาใชคอนกรตในการออกแบบกอสราง เชน สรางสะพาน อาคาร เขอน กาแพงสาหรบกกเกบและกนนา และใชสรางถนน ในป 1993 สหรฐอเมรกาผลตคอนกรตใชประมาณ 60x107 เมตรกตน ซงมากกวาเหลกกลาถง 8.7x107 เมตรกตนในปเดยวกน เมอกลาวถงวสดกอสรางแลวคอนกรตมขอไดเปรยบกวาวสดอนๆ มากมาย เชน งายตอการออกแบบและเปลยนแปลงไดงาย สามารถหลอได ประหยดราคาถก มความทนทาน ปองกนไฟได สามารถนาไปประกอบหรอสรางทบรเวณงานได และยงสามารถออกแบบหรอสรางใหสวยงามได สงทเปนขอเสยของคอนกรต โดยพจารณาจากทศนะของวศวกร คอ คอนกรตม tensile strength ตาความออนตวหรอความเหนยวตา และมการหดตวบาง

คอนกรตเปนวสดผสมประเภทเซรามกชนดหนง ซงประกอบดวยอนภาคทหยาบของวสดฝงตวอยในเมทรกซแขงของเนอซเมนต (ตวเชอม) ซงตามปกตจะเปนปนซเมนตพอรตแลนดกบนา คอนกรตอาจมองคประกอบทแตกตางกนบาง แตตามปกตแลวจะประกอบดวยปนซเมนตพอรตแลนด 7-15% นา 14-21% อากาศ

21 -8% สวนผสมท

ละเอยดเปนผง 24-30% และสวนผสมทเปนอนภาคหยาบ 31-51% โดยปรมาตร รปท 13.27 แสดงภาพตดขวางของตวอยางคอนกรตทขดมนแลว เนอซเมนตในคอนกรตจะทาหนาทเปนกาวเพอยดอนภาคตางๆ เขาดวยกนเปนวสดผสม ตอไปนเรามาดลกษณะเฉพาะขององคประกอบของคอนกรตและสมบตบางอยางของมน

ปนซเมนตพอรตแลนด (Portland Cement) การผลตปนซเมนตพอรตแลนด วตถดบทสาคญทใชในการผลตปนซเมนตพอรตแลนด ไดแก ปนขาว หรอ

ไลม (CaO) ซลกา (SiO2) อะลมนา (Al2O3) และเหลกออกไซด (Fe2O3) องคประกอบเหลานจะมอตราสวนทพอเหมาะในการผลตปนซเมนตพอรตแลนดชนดตางๆ วตถดบทไดรบการคดเลอกมาแลวนามายอย บดใหละเอยดแลวนามาผสมกนใหเขากนตามอตราสวนทตองการ ของผสมทไดนจะถกนาไปเผาทอณหภม 1400 ถง 1650oC (2600-3000oF) ในเตาหมน (rotary kiln) ในกระบวนการนของผสมเมอถกเผาจะเกดการเปลยนแปลงทางเคมขน ผลทไดจะเปนกอนซเมนต (cement clinker) หลงจากทาใหเยนแลวนาไปบดใหละเอยด และผสมผงยปซม (Gypsum CaSO42H2O) ลงไปอกเลกนอย เพอควบคมเวลาแขงตว (setting time) ของคอนกรต องคประกอบทางเคมของปนซเมนตพอรตแลนด

จากความคดและขอสรปเชงปฏบตการ ปนซเมนตพอรตแลนดสามารถประกอบดวยสารประกอบหลก 4 อยางคอ

สารประกอบ สตรเคม ตวยอ ไตรแคลเซยมซลเกต ไดแคลเซยมซลเกต

ไตรแคลเซยมอะลมเนต เตตระแคลเซยมอะลมโนเฟอรไรต

3CaO⋅SiO2 2CaO⋅SiO2 3CaO⋅AlO3

4CaO⋅Al2O3⋅Fe2O3

C3S C2S C3A

C4AF

86

ชนดตางๆ ของปนซเมนตพอรตแลนด ชนดตางๆ ของปนซเมนตพอรตแลนดผลตออกมาจากการแปรเปลยนปรมาณขององคประกอบทางเคมขางบน

น โดยทวไปมองคประกอบหลกทางเคมอย 5 อยางดงแสดงในตารางท 9.2

ตารางท 9.2 แสดงองคประกอบทสาคญทางเคมของปนซเมนตพอรตแลนด

ชนดท 1 (Type I) เปนปนซเมนตพอรตแลนดทใชทวไป ปนซเมนตชนดนใชทาคอนกรตทจะตองไมใชหรอถกกบดนหรอนาทมปรมาณซลเฟตสง หรอตองไมมความรอนเกดขนจากการทซเมนตรวมกบนา เพราะเกดไฮเดรชน ทาใหอณหภมสงขนจนรบไมได ปนซเมนตชนดท 1 นใชประยกตในการทาคอนกรตสรางทางเทา อาคารคอนกรตเสรมแรง สรางสะพาน ทอระบายนา แทงกนาและอางเกบนา ชนดท 2 (Type II) ปนซเมนตพอรตแลนดชนดนใชกบงานทมปรมาณซลเฟตเปนตวทาลายขนาดปานกลาง เชน ทาโครงสรางทางระบายนาโดยทมความเขมขนของซลเฟตในนาบาดาลสงกวาปกต ซเมนตชนดนปกตจะใชในสภาพบรรยากาศทรอนสาหรบทาโครงสรางใหญ เชน สรางตอหมอใหญๆ และสรางกาแพลงใหญๆ สาหรบกกเกบนา ซเมนตชนดนใหความรอนเมอรวมกบนาเพราะเกดไฮเดรชนขนาดปานกลาง ชนดท 3 (Type III) เปนปนซเมนตพอรตแลนดทไดพฒนาใหมความแขงแรงสงจากดงเดม เปนซเมนตทใชทาคอนกรตทตองเอาโครงสรางออกเรว เพอวาจะไดใชงานใหเรวขน ชนดท 4 (Type IV) เปนซเมนตทใหความรอนจากไฮเดรชนตา จงนาไปใชงานเมอตองการใหความรอนทเกดขนตาทสด ปนซเมนตชนดท 4 นใชงานทาคอนกรตทเปนโครงสราง โดยใชซเมนตจานวนมากๆ เชน สรางเขอนใหญ ๆโดยทความรอนทเกดขนจากการแขงตวของซเมนตเปนแฟกเตอรทวกฤต ชนดท 5 (Type V) เปนซเมนตทตานทางการทาลายจากซลเฟต จงใชสาหรบทาคอนกรตทตองถกกบดนและนาบาดาลทมปรมาณซลเฟตสง การแขงตวของซเมนตพอรตแลนด ปนซเมนตพอรตแลนดแขงตวไดดวยการเกดปฏกรยากบนา ทเรยกวา ปฏกรยาไฮเดรชน ปฏกรยาเหลานซบซอนและยงเขาใจไดไมสมบรณนก ไตรแคลเซยมซลเกต (C3S) และไดแคลเซยมซลเกต (C2S) เปนองคประกอบของซเมนตพอรตแลนดประมาณ 75% โดยนาหนก และเมอสารประกอบ

87

เหลานเกดปฏกรยากบนาในระหวางแขงตวของซเมนต ผลทเกดขนจากปฏกรยาไฮเดรชนนคอ ไตรแคลเซยมซลเกตไฮเดรตสารตวนจะเกดเปนอนภาคเลกมากๆ (นอยกวา 1µm) และมลกษณะเปนคอลลอยดล เจล (colloidal gel) ในขณะเดยวกนแคลเซยมไฮดรอกไซด (Ca(OH)2) กจะเกดขนดวยจากการเกดไฮเดรชนอง C3S และ C2S และเปนสารทมรปรางผลก ปฏกรยาเคมเหลานเกดขนดงสมการ 2C3S+6H2O → C3S2⋅3H2O+3Ca(OH)2 2C2S+4H2O → C3S2⋅3H2O+Ca(OH)2 สารไตรแคลเซยมซลเกต (C3S) จะแขงตวเรวและเปนสารทมบทบาทเกยวกบความแขงแรงของปนซเมนตพอรตแลนดตอนเรมแรก การเกดไฮเดรชนของ C3S สวนมากจะใชเวลาประมาณ 2 วน ดงนนความแขงแรงของปนซเมนตพอรตแลนดในตอนเรมแรกจะมปรมาณของ C3S สงกวาสารอน ไดแคลเซยมซลเกต (C2S) เกดปฏกรยาไฮเดรชนกบนาชา และจะมความแขงแรงเพมขนตองใชเวลา 1 อาทตยลวงแลว ไตรแคลเซยมอะลมเนต (C3A) เกดปฏกรยาไฮเดรชนอยางรวดเรวพรอมกบมความรอนเกดขนดวยอตราทสง C3A จะคอยๆ ใหความแขงแรงในตอนแรก และจะตองรกษาใหซเมนตทตอตานซลเฟต (ชนดท 5) อยในระดบตา นาผสมคอนกรต (Mixing Water for Concrete) นาธรรมชาตสวนมากสามารถดมได และสามารถนามาใชคอนกรตได แตนาบางชนดไมสามารถดมได แตสามารถใชทาซเมนตได ถานามสารเจอปน (impurity) ถงระดบทกาหนดไว นานนจะตองนาไปตรวจเสยกอนวาจะมผลตอความแขงแรงของคอนกรตหรอไม วสดเฉอย (inert materials) สาหรบผสมคอนกรต (Aggregates for Concrete) วสดเฉอยหรอวสดทไมไดเกยวของกบการเกดปฏกรยาเคม ตามปกตจะมผสมอยในคอนกรตประมาณ 60-80% โดยปรมาตรของคอนกรต และวสดเหลานจะมผลตอสมบตของคอนกรตอยางมาก วสดทใชผสมนอาจจะจาแนกออกเปนพวกทเปนผงละเอยด และพวกเปนกอนหรอหยาบ พวกทละเอยดประกอบดวยทราบซงอาจมขนาดถง

41 นว (6 mm) สวน

อนภาคทหยาบไดแกอนภาคทไมสามารถผานเครองรอนนมเบอร 16 (ชองกวาง 1.18 mm) ชวงของขนาดระหวางพวกละเอยดกบพวกหยาบยงมการเหลอมลากนอยบาง หนทใชทาซเมนตสวนใหญจะหยาบ สวนแรธาต (minerals) เชน ทรายโดยมากจะเปนสวนละเอยด การใหอากาศกระจายอยในคอนกรต (Air Entrainment) คอนกรตทมฟองอากาศเลกๆ กระจายอยทวไปอยางสมาเสมอนเปนการปรบปรงใหคอนกรตปองกนความเยนและรอนไดและยงชวยทาใหคอนกรตบางชนดใชงานไดดขน สารทจะทาใหเกดฟองอากาศเมอเตมลงไปในซเมนตพอรตแลนด บางชนดแลวจะจดเปนซเมนตอกประเภทหนง โดยการเตมอกษร A เขาไปหลงชนดของซเมนต เชน ชนด 1A (Type IA) และชนด 2A (Type IIA) สารททาใหเกดฟองอากาศประกอบดวยสารทเรยกวา surface-active agents หรอเปนพวก surfactants ซงกคอผงซกฟอก สารพวกนจะทาหนาทลดแรงตงผว (surface tension) ระหวางอากาศกบผวนาจงทาใหฟองอากาศเลกมาๆ เกดขน (90% ของฟองอากาศจะมขนาดเลกกวา 100 ไมโครเมตร) เมอทาใหคอนกรตเยฯจดพอดจะชวยปองกนใหฟองอากาศยงคงอยในคอนกรตประมาณ 4-8% โดยปรมาตร ความแขงแรงตอการอดของคอนกรต คอนกรตโดยพนฐานแลวเปนวสดผสมเซรามก ซงมความแขงแรงมากตอแรงอดมากกวาแรงดง ดงนนการออกแบบทางวศวกรรมจงใชคอนกรตเปนหลกสาหรบรบแรงกดหรอแรงอด ความ

88

สามารถในการรบแรงดงของคอนกรตสามารถทาใหเพมมากขนได โดยเสรมแรงดวยเหลกเสน ซงจะไดกลาวในเรองนตอไป สดสวนตางๆ ทใชผสมคอนกรต การออกแบบของผสมทจะใชทาคอนกรตนนควรจะตองพจารณาจากปจจยตางๆ ดงตอไปน

1. ความสามารถในการใชงานของคอนกรต คอนกรตตองสามารถทจะไหลหรอทาใหมรปรางตามแบบทนาไปเทหรอหลอ

2. ความแขงแรงและชวงเวลาของการใชงาน สาหรบการนาคอนกรตไปใชประโยชนสวนใหญจะตองมความแขงแรง และชวงการถงเกณฑทกาหนด

3. การผลตจะตองประหยด สวนใหญทนามาใชพจารณาคอ ราคาซงเปนปจจยทสาคญทสด วธตางๆ ทใชออกแบบสวนผสมของคอนกรตสมยใหมมสวนเกยวของกบวธดงเดมเมอป 1900 ทใชอตราสวน

โดยปรมาตรของๆ ผสมเปน 1 : 2 : 4 ซงเปนอตราสวนของซเมนตตอวสดเฉอยละเอยดตอวสดเฉอยหยาบ วนนวธทใชเตรยมสวนผสมของคอนกรตโดยใชนาหนกและปรมาตรสมบรณ (absolute-volume) นนไดเตรยมไวสาหรบขางหนา โดยสถาบนคอนกรตของอเมรกา (the american concrete institute) เปนเคาโครงของวธการหาปรมาณขององคประกอบทตองการคอ ซเมนตสวนผสมทเฉอย (aggregate) ทงสวนทละเอยดและหยาบ และปรมาณของนาสาหรบปรมาตรของคอนกรตจานวนหนง โดยกาหนดอตราสวนโดยนาหนกขององคประกอบ ความถวงจาเพาะของแตละองคประกอบ และปรมาตรของนาทตองใชตอนาหนกของซเมนตให

รปท 9.3 แสดงชวงของสดสวนของวสดทใชในการทาคอนกรตดวยวธการโดยปรมาตรสมบรณ

รปท 9.3 แสดงชวงของสดสวนของวสดทใชในการทาคอนกรตดวยวธการโดยปรมาตรสมบรณ สาหรบ

คอนกรตชนดธรรมดาและชนดมฟองอากาศ คอนกรตธรรมดาจะมซเมนต 7-15% สวนผสมเฉอยชนดละเอยด (fine agg.) ม 25-30% สวนผสมเฉอยชนดหยาบ (course agg.) 31-51% และนา 16-21% โดยปรมาตร

89

ปรมาณของอากาศทมในคอนกรตธรรมดาอยในชวง 21 -3% แตถาเปนคอนกรตชนดมฟองอากาศ (A-E) จะม

อากาศอย 4-8% จากทไดกลาวมาแลว อตราสวนของนาตอซเมนตเปนปจจยอยางหนงทใชหาความแขงแรงตอแรงอดของคอนกรต อตราสวนของนาตอซเมนต ถาสงกวา 0.40 จะทาใหความแขงแรงตอแรงอดของคอนกรตลดลงอยางมนยสาคญ

คอนกรตเสรมแรงและพรสเตรสคอนกรต (Reinforced and Prestressed Concrete) โดยทความทนแรงดงของคอนกรรตจะตากวาคอนกรตแรงอดประมาณ 10-15 เทา ดงนนคอนกรตทวศวกร

ใชในการออกแบบเปนหลกคอ คอนกรตแรงอด อยางไรกตามสวนใหญของคอนกรตทไดรบแรงดง เชน สงทเกดกบคานคอนกรต ตามธรรมชาตจะมเหลกเสรมแรงเปนคาน ในคอนกรตเสรมแรงน แรงดงจะเกดการถายเทจากคอนกรตไปยงเหลกทเสรมแรงผานทางพนธะ (bonding) คอนกรตทมการเสรมดวยเหลกอาจอยในรปของแทงเหลก เหลกเสน และตะแกรงเหลก หรอตาขายเหลก เปนตน คอนกรตประเภทนจดวาเปน คอนกรตเสรมแรง (reinforced concrete) คอนกรตชนดนจะทนแรงดงและตานการโคง (bending) ไดอยางด

พรสเตรสคอนกรต (prestressed concrete) เปนคอนกรตททาใหเกดความเคนในเหลกทเสรมแรงกอน ความทนทานตอแรงดงของคอนกรตเสรมแรงนนสามารถปรบปรงใหดขนไดอยางการใชแรงอด (compressive stresses) ซงความเคนทเกดในคอนกรตเนองมาจากเกด pretensioning หรอ posttensioning กบเหลกทใชเสรมแรง เหลกทใชเสรมแรงนเรยกวา เทนดนส (tendons) เชน เทนดนสอาจเปนแทงเหลกหรอสายเคเบล ขอดการทาใหเกดพรสเตรสคอนกรตคอ ความเคนทเกดขนกบเหลกเทนดนสจากแรงอดจะชวยตอตานใหคอนกรตทนตอแรงดงยงขน

พรเทนชน (พรสเตรส) คอนกรต [Pretension (prestressed) concrete] ในสหรฐอเมรกา prestressed concrete สวนมากจะเปน pretension ในวธการนตามปกตเทนดนส

จะอยในรปของสายเคเบลทไดจากลวดหลายเสนพนเปนเกรยวสายเคเบลนจะถกดงใหยดโดยทปลายหนงจะถกยดไวกบทยด (anchorage) อกปลายหนงยดตดไวกบแมแรงทปรบได (adjustable jack) ขณะทเทนดนสนถกดงอยแลวเทคอนกรตหมสายเคเบล เมอคอนกรตถงจดทมความแขงแรงตามตองการแลว แรงดงจะลดลงทปลายแมแรงสายเคเบลควรจะสนลงแบบอลาสตก แตเปนไปไมไดเพราะสายเคเบลยดตดกบคอนกรตเสยแลว ในกรณเชนนความเคนจากแรงอดกจะเกดขนในคอนกรต โพสเทนชน (พรสเตรส) คอนกรต ในกระบวนการนตามปกตจะมทอเลก ๆ (hollow conduits) ทใสเทนดนสเหลกไวในคอนกรต (เชน ใสไวทคาน) กอนเทคอนกรตลงไป เทนดนสนอาจเปนลวดเหลกพนกนเปนเกรยว หรอเปนลวดเหลกทวางขนานกน หรออาจเปนแทงเหลกแขงกได แลวเทคอนกรตลงไป เมอคอนกรตแขงพอสมควร เทนดนสเหลานปลายหนงจะถกยดไวกบทยด (anchorage) ของปลายคอนกรต อกปลายหนงของเทนดนสจะถกดงดวยแมแรงทสงมากพอแลวใสตวประกอบยดไวแทนแมแรง ทวางระหวางเทนนส แอสฟลท ยางมะตอยหรอแอสฟลท” (Asphalt) หรอทเรยกกนทวไปในบานเราวา “ยางมะตอย” นน เปนวสดประสานชนดหนง มลกษณะยดหยน ทนทางและปองกนนาซม ซงมนษยรจกและนามาใชประโยชนในหลายๆ ดาน รวมทงนามาใชเปนวสดในการกอสรางอาคารบานเรอนหรอถงเกบนาตงแตสมยโบราณ แอสฟลทเกดขนตามธรรมชาตในหลายๆ

90

แหงของโลก และทนามาใชอยางแพรหลายในปจจบนเกอบทงหมดทงในวงการวศวกรรมและอตสาหกรรมจะเปนแอสฟลทซงเปนผลทไดจากการกลนนามนดบ คณสมบตทสาคญของแอสฟลทในเชงการนามาใชเปนวสดกอสรางสามารถสรปไดดงน • คณสมบตในการยดและประสาน (Cementing) • คณสมบตในการปองกนนาซม (Water Proofing) • คณสมบตทเปลยนเปนของเหลว หรอออนตวเมอไดรบความรอน และแขงตวเมอเยนลง (Thermoplastic)

คณสมบตทง 3 ดงกลาว ทาใหแอสฟลทไดถกนามาใชในงานตางๆ ทงงานทางดานวศวกรรม และในอตสาหกรรมหลายอยาง เชน • ใชเปนตวประสานเพอเกาะยดวสดตางๆ เชน หนยอย และกรวด เปนตน เขาดวยกนเพอใหไดสวนผสม

สาหรบใชในการทาผวทางจราจร • ใชสาหรบดาดคลองชลประทาน อางเกบนา สระนา ผวหนาของเขอนดน เพอปองกนนาซม และปองกน

การกดกรอนของผวดน • ใชเปนวสดในวงการอตสาหกรรมตางๆ เชน ทาสกนสนท ทากระดาษปองกนความชน ผสมกบทรายทาอฐ

สาหรบงานกอสราง ทากระเบองลกฟกสาหรบมงหลงคา ตลอดจนใชเปนวสดสวนผสมในการผลตยางรถยนต เปนตน

ยางมะตอยมองคประกอบทางเคมคอ มคารบอน 80-86% ไฮโดรเจน 9-10% ออกซเจน 2-8% กามะถน 0.5-7%

และมไนโตรเจนเลกนอย และอน ๆ ไดแกโลหะมอยนอยมาก (trace metals) สารทเปนองคประกอบของยางมะตอยแตคอนขางจะแตกตางกนอยางมากและซบซอน ซงจะมพอลเมอรตงแตมวลโมเลกลตาถงมวลโมเลกลสง และผลตภณฑจากการควบแนน (condensation products) จะประกอบดวยไฮโดรคารบอนทเปนโซยาว ทเปนวงแหวนและทมวงแหวนตอกน ยางมะตอยทนบวาสาคญคอ ใชเปนตวยดตดกบหนยอย (aggregate) เปนยางมะตอยผสม (asphalt mix) ใชสาหรบลาดถนน สถาบนยางมะตอยในสหรฐอเมรกาไดออกแบบของผสมทจะใชสาหรบลาดถนนและใหชอวา ของผสม 8 โดยใชของทจะผสมกบยางมะตอย (หนยอย) มขนาดเลกโดยจะตองผานแรง (sieve) เบอร 8 เชน ยางมะตอยผสมชนดท 4 (type IV asphalt mix) สาหรบลาดถนน มองคประกอบของยางมะตอย 3.0-7.0% ผสมกบหนยอยทผานแรงเบอร 8 จานวน 35-50%

แหลงกาเนดของแอสฟลท แอสฟลทตามธรรมชาต (Native Asphalt)

ซงเกดขนเองตามธรรมชาตในลกษณะเปนบง เนองจากนามนดบตามธรรมชาตใตผวโลกขนมายงผวโลก และ ถกกระทาภายใตสภาวะแวดลอมตามธรรมชาต เชน ความรอนจากแสงอาทตยและลม ยงผลใหสวนประกอบทเปนกาซ หรอนามนทระเหยงาย แยกตวออกไปยงผลใหเหลอเปนแอสฟลทซงเปนวสดทหนกกวาไวบนพนผวดน ตวอยางของแอสฟสททเกดตามธรรมชาต เชน ทะเลสาบแอสฟลท (Lake Asphalts) เปนแอสฟลททพบตามธรรมชาตอยในลกษณะเปนบงคลายทะเลสาป ซงอาจมเฉพาะแอสฟลทเทานน หรออาจมนาผสมอยกได

91

หนแอสฟลท (Rock Ashalts) ไดแกพวกหนปนทมแอสฟลทซมอยอมตว กลาวคอ แอสฟลทจะแทรกอยเตมไปหมดตามชองวาง ซงอาจมปรมาณมากถงรอยละ 20 หนแอสฟลทนพบอยทวไปในตางประเทศ สาหรบในประเทศไทยเรายงไมมเอกสารทรายงานทางดานน แอสฟลทธรรมชาตอนๆ นอกจากทะเลยสาปแอสฟลทและหนแอสพลทแลว ยงมแอสฟลทธรรมชาตทพบอยทวไปตงแตเปนบงเลกๆ หรอแทรกอยเปนชนๆ ระหวางชนของหน ซงในบางแหงจะมปรมาณแอสฟลททคอนขางสง เรยกวา กลโซไนท (Gilsonite) มคณสมบตทแขงและเปราะ หรอทเรยกกนทวไปวา แอสฟลทไตท (Asphaltities) ซงหมายถงแอสฟลททมจดหลอมเหลวทสง

แอสฟลททไดจากการผลต เปนแอสฟลททไดจากสวนทเหลอจากการกลนนามนดบ (Crude Oil) หลงจากการกลนเอานามนเชอเพลง

และนามนหลอลน นามนดบตามธรรมชาตทไดมาจากแหลงตางๆ ทวโลก จะมลกษณะและสวนประกอบแตกตางกน ซงสามารถแยกตามสวนประกอบหลกของนามนดบออกไปเปน 3 ประเภทคอ

- นามนดบประเภทสวนประกอบหลกเปนพาราฟน (Parafin Base Crude) นามนดบประเภทนภายหลงจากการแยกเอานามนประเภทตางๆ เชน นามนเบนซน นามนกาด นามนดเซล นามนหลอลน หรอนามนเตาออกแลว สวนทเหลอจากการกลนจะเปนพาราฟน

- นามนดบประเภทสวนประกอบหลกเปนแอสฟลท (Asphalt Base Crude) คอนามนดบ ซงสวนทเหลอสวนใหญจากการกลนเอานามนประเภทตางๆ ออกแลวจะเปนแอสฟลท

- นามนดบประเภทสวนประกอบหลกเปนแอสฟลท (Asphalt Base Crude) คอนามนดบ ซงสวนทเหลอสวนใหญจากการกลนเอานามนประเภทตางๆ ออกแลวจะเปนแอสฟลท

- นามนดบแบบผสม (Mixed Base Crude) ไดแกนามนดบซงภายหลงจากการแยกเอาพวกนามนตางๆ ออกแลว สวนทเหลอจะมทงพาราฟนและแอสฟลท

ในอตสาหกรรมการผลตแอสฟลททวไป จะใชนามนดบประเภท Asphalt Base Crude ทงนเพราะสวนทเหลอจากการกลนสวนใหญจะไดเปนแอสฟลท ไม ในปจจบนนถงแมวาจะมผประดษฐวสดอนขนมาหลายชนด เพอใชแทนไม แตไมกยงอยในความนยมของมหาชนโดยทวไป ทงในเขตนครหลวงและในทองทชนบท ทเปนเชนนกเพราะวาไมเปนวสดธรรมชาต ซอหาไดงายการกอสรางกทาไดงายโดยไมตองการเครองมอพเศษมากมาย เพยงแตใชเลอย กบไสไม ฆอนและตะป ชางกสามารถกอสรางอาคารไมไดแลว ในสมยกอนไมถกใชอยางฟมเฟอย เมอการผพงเสยหายจากปลวก มอด กรอทงแลวเปลยนใหม แตในปจจบนนวทยาการกาวหนาประกอบกบปาสวนมากถกโคนทาลาย เราจงจาเปนตองศกษาการใชไมอยางประหยด เพราะไมไมเพยงแตจะใชในการกอสรางอาคารไมเทานน ยงสมารถนามาทาเครองตกแตง เครองเรอน เครองประดบ และเครองใชตาง ๆ ประจาบานไดอกดวย นอกจากนในการกอสรางอาคารคอนกรตเสรมเหลก กยงตองใชไมเปนสวนประกอบทสาคญ เชน ไมแบบ คายน และนงราน เปนตน ความจรงแลวถาเรานาไมมาใชใหเหมาะสมกบลกษณะของงานและสงแวดลอม เชน ใชไมแกนทไมมมอดกนมากอนมาเปนสวนโครงสรางภายในของอาคาร เชน คาน ตง หรอพน สวนโครงสรางภายนอกอาคารกใชไมอาบนายา หรอสทา เปนตน อาคารไมกจะมอายยนยาว ไมนอยกวา 20 ปขนไปทเดยว เปนททราบกนดในวงการชางแลววา ไมนนถา

92

อยในสภาวะแหง หรอเปยกตลอดเวลา เชน จมอยในดนตากวาระดบนาใตดน กจะไมมการผพง ถาเปยกบาง แหงบาง กจะเกดการผชนตรงนน ทงนเนองจากการกดกนของแบคทเรยบางพวกนนเอง นอกจากนขอดของไมกอยทวา เมอปลกสรางอาคารคอนกรตเสรมเหลก ถารอลงมากคงมแตเศษปรกหกพงของพวก อฐ หน ปนทรายเทานน ลกษณะโครงสรางของไม (The Structure of Wood) เนองจากไมเปนวสดกอสรางทมลกษณะโครงสราง และคณสมบตเกยวของกบ Cell ททาหนาทในการเจรญเตบโตของตนไม ซงแบงออกไดเปน 3 ประเภท คอ 1. Conducting Tissue เปน cell ซงทาหนาทลาเลยงนาแรธาตเพอปรงอาหาร โดยมากเปน Pore หรอ Vessel ถา

Fore หรอ Vessel ถา Pore โตกมเนอหยาบ ถา Pore เลก เนอกละเอยด 2. Storage Tissue เปน cell ซงทาหนาทสะสมอาหารเพอใชในการเจรญเตบโต ไดแก cell ทมผนงบางเรยกวา

Parenchyma Cell 3. Strengthening Tissue เปน cell ซงสรางความแขงแรงใหแกตนไม ไดแก พวก Fibers มลกษณะยาว แคบ อาจม

ผนง cell หนาหรอบางกได ลาตนของตนไมประกอบดวย 1. ไสไม (Pitch) มกจะอยบรเวณกลางลาตน สาหรบไมปกตธรรมดาใหกาลงของเนอไมตาเกดขนพรอม ๆ กบความ

เจรญเตบโตของตนไม 2. ไมแกน (Heart wood) เปนทอยตอจากไสไมออกมา สวนนเปนสวนของ cell ทไมทางานในการลาเลยงอาหารแลว ม

สเขม ทาหนาทเปนโครงของลาตน มกาลงของเนอไมสงกวา 3. กะพไม (Sapwood) อยตอจากไมแกนออกมา มสออนกวา เปนสวนทตนไมใชลาเลยงอาหารทรากดดขนมาจากดน

สงตอไปยงใบเพอปรงอาหาร 4. เยอเจรญ (Cambium Layer) เปนชนบาง ๆ ถดจากกะพไมออกมา เปนสวนทสราง cell ในเนอไมและเปลอกไมขน

มา 5. เปลอกชนใน (Inner bark) อยตดกบเยอเจรญมาจากดานนอก มลกษณะออน เปยกชน เปนสวนทสงอาหารทปรง

แลวจากใบไปเลยงสวนตาง ๆ ของลาตนใหเจรญเตบโต 6. เปลอกชนนอก (Outer bark) ประกอบดวยเยอไมทแหงแลว ทาหนาทหมหอลาตน ปองกนการระเหยของนาในลา

ตน 7. วงรอบปหรอวงประจาป (Annual rings) เปนวงแสดงการเจรญเตบโตของไมในรอบ 1 ป มลกษณะเปนวงรอบ ๆ ไส

ไมวงรอบนอาจมลกษณะถหรอหางกไดตามชนด และความอดมสมบรณของพนทนน ๆ ในทางปาไมใชนบวงรอบปนในการบอกอายของไมได

ผลตภณฑททาจากไม 1.1 ไมอดและไมประสาน 1.1.1 ไมอด (plywood) หมายถงแผนไมทประกอบดวยไมบางมจานวนชนเปนเลขค คอ 3, 5, 7, ฯลฯ ทากาวแลวอดตดเขาดวยกน โดยใหทศทางของเสยนไมของชนขางเคยงสลบเปนมมฉากตอกน การอดอาจอดใหหนา

93

บางเทาใดกได โดยการเพมจานวนชน หรอความหนาของไมบางซงอาจปอกใหหนาแตกตางกนไดตงแต 1 มม. ถง 4-5 มม. ทงนแลวแตวาจะนาไปใชในงานอะไร ไมอดตามปกตมขนาดมาตรฐาน 4 x 8 ฟต หรอ (1.20 x 2.40 ม.) ไมทใชในการอดอาจตางชนดกนกได ความทนทานขนอยกบกาวทใชและลกษณะงาน เชน ไมอดภายใน ใชกาวทนนาพอควร ไดแกพวกยเรยฟอรมลดไฮด ไมอดภายนอก ใชกาวทนนาไดเตมท ไดแกพวกฟนวลฟอรมลดไฮด และรซอลซนวล ฟอมลดไฮด 1.1.2 ไมประสาน (Laminated wood) ตางกบไมอดทจานวนชน คอจะเปนเทาใดกไดและวางใหเสยนของแตละแผนขนานกน การอดตองใชแรงอดสงเปนพเศษ ดงนนไมทไดกจะมความแนนสง ใชในงานเฉพาะอยาง เชน ทาเปนสวนประกอบของเครองจกรกล คานตงขนาดใหญ ไมพน โดยสามารถทาใหโคงเปนรปอยางไรกได กาวทใชโดยมากเปนกาวทแขงตวในอณหภมตาไดแก รซอสซนอลฟอมลดไฮด

1.1.3 ไมอดพเศษ (Special Plywood) ทาเหมอนไมอดธรรมดาทกอยางตางกนแควาทศทางของเสยนในแตละชนไมเปนมมฉากหรอขนานกน ใชในงานพเศษบางอยางเทานน เชนในการทาถงกลม เปนตน ไมชนดนตามปกตไมมการผลต เพราะนอกจากจะยงยากและเสยหายในการผลตแลวคณภาพของไมทไดอาจกลบมคณภาพเลวกวาดวย

1.2 ไมประกอบ (Composite wood) แบงออกไดเปน 3 ประเภท คอ 1.2.1 Fibre Board พวกนทาจากชนไมซงตมและบดจน cell ไมแยกออกมาเปนอสระเสยกอน

กรรมวธแยกออกเปน 2 อยาง คอ วธเปยกและวธแหง วธแหงตองมกาวเปนสวนผสม แตในวธเปยก ไยไมจะจบยดกนเองเหมอนการทากระดาษ แผนไยไมอดนอาจทาใหมความแขงออน แตกตางกนได คอ

- Hard Board แขงทสด อดแหง อดเปยกกได ถาอดแหง ใชปรมาณความชน 12% ถาอดเปยก ใชปรมาณความชน 50% หรออดปานกลาง ใชปรมาณความชน 17-50%

- Soft Board ออนทสด ใชเปนเครองเกบเสยงหรอฉนวนกนความรอน บางทเรยกวา Insulation Board

1.2.2 Particle Board ชนดนแผนชนไมอดนน ไมยงมสภาพเปนชน ๆ อย ถาชนไมทใชมความ ยาวมาก เรยกวา เซฟวงบอรด ถาชนไมทใชมขนาดเลกลง และยาวสมาเสมอกวาพวกแรก เรยกวา ชพบอรด ผลตภณฑประเภทนตองใชกาวเปนวสดประสานทงสน

1.2.3 Wool-Wool-Board ทาจากไมทไสเปนเสนยาวๆ คลกปนซเมนตเหมอนงานคอนกรตแลวอด เปนแผน ๆ เมอปนซเมนตแขงตวกเปนแผนแขง ในประเทศไทยเรามผผลตจาหนายเรยกวา “เซลโลกรต” มคณสมบตในการเปนสอความรอน เกบเสยงไดด สามารถตบแตง โดยใชกบงานปนไดด

-------------------------------------------------------------------------------