ในการผลิตชิ้นส่วนทางวิศวกรรมและผลิตภัณฑ์และเทคโนโลยีใหม่ๆในยุคปัจจุบันอาจจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีสมบัติพิเศษหลายอย่างรวมอยู่ด้วยกันซึ่งไม่สามารถหาได้ในวัสดุทั่วไปที่เป็นเนื้อเดียวไม่ว่าจะเป็น เซรามิกส์ โลหะ หรือพอลิเมอร์ สมบัติพิเศษเหล่านี้เช่นวัสดุที่มีความแข็งตึงสูง (high stiffness)แต่ว่ามีความหนาแน่นต่ำซึ่งเป็นความต้องการของการออกแบบ (Design requirements) ของชิ้นส่วนทางวิศวกรรมอากาศยานโดยที่วัสดุทั่วไปอาจไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการออกแบบได้เพราะฉะนั้นวัสดุผสม(Hybrids) จึงเป็นหนึ่งในทางเลือกที่ดีสำหรับความต้องการของการออกแบบที่ต้องการสมบัติหลายอย่างรวมกัน (Multiple constraints) วัสดุผสมเป็นการนำวัสดุต่างประเภทที่มีสมบัติต่างกันมาผสมกันเพื่อให้ได้สมบัติตามที่ต้องการและสามารถตอบสนองต่อความต้องการของการออกแบบได้
วัสดุผสมจัดได้ว่าเป็นวัสดุที่ถูกจงใจสร้างขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการตอบสนองความต้องการของการออกแบบที่ต้องการวัสดุที่ทำหน้าที่หลายอย่างในเวลาเดียวกัน ชนิดของวัสดุผสมที่ได้มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในปัจจุบันคือวัสดุเชิงประกอบ (Composite materials) ซึ่งเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยเฟสสองชนิดคือ เฟสเนื้อพื้น (Matrix) ซึ่งเป็นเฟสที่ต่อเนื่อและล้อมรอบอีกเฟสหนึ่งไว้ ส่วนอีกเฟสหนึ่งคือ
เฟสที่กระจาย (Dispersed phase) หรือ ตัวเสริมแรง (Reinforcement) สมบัติของวัสดุเชิงประกอบที่ได้จากการผสมเฟสเนื้อพื้นและเฟสที่กระจายจะเป็นฟังก์ชันของสมบัติของทั้งเฟสเนื้อพื้นและเฟสที่กระจาย และขึ้นอยู่กับปริมาณของแต่ละเฟสและรูปทรงทางเลขาคณิตของเฟสที่กระจายซึ่งรวมถึงรูปทรง ขนาด การกระจายตัวและการเรียงตัวของเฟสที่กระจาย
 | อนุภาคของเฟสที่กระจายในเนื้อวัสดุในรูปทรงและการวางเรียงต่างกัน
a) ความเข้มข้น
b) ขนาด
c) รูปร่าง
d) การกระจายตัว
e) ทิศทางการเรียงตัว
ซึ่งมีผลต่อสมบัติของวัสดุเชิงประกอบ |
การเลือกใช้วัสดุผสมต้องเริ่มจากการวิเคราะห์ความต้องการของการออกแบบรวมถึงข้อจำกัด (Constraints) ต่างๆไม่ว่าจะเป็นข้อจำกัดด้านสมบัติ (Properties) หรือว่าข้อจำกัดในด้านหน้าที่ (Functions) และหากผลจากการวิเคราะห์และการคัดเลือกวัสดุเบื้องต้นปรากฏว่ามีวัสดุชนิดใดๆก็ตามที่สามารถตอบสนองข้อจำกัดทั้งหมดได้วัสดุชนิดนั้นจะถูกเลือกใช้ แต่หากว่าไม่มีวัสดุชนิดใดชนิดหนึ่งที่สามารถตอบสนองความต้องการและข้อจำกัดของการออกแบบดังนั้นจำเป็นต้องแยกวิเคราะห์หน้าที่และสมบัติแต่ละประการของชิ้นงานที่นำมาทำการคัดเลือกวัสดุและคัดเลือกวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับแต่ละหน้าที่ หลังจากนั้นนำแต่ละตัวเลือกสำหรับแต่ละหน้าที่มาพิจารณาว่าจะสามารถนำมารวมกันเป็นวัสดุผสมได้หรือไม่
เมื่อได้ทำการพิจารณาสมบัติของวัสดุสองชนิดที่มีสมบัติเหมาะสมและสามารถตอบสนองต่อข้อจำกัดจากการออกแบบแล้วโดยเลือกวัสดุชนิดหนึ่งให้เป็นวัสดุเนื้อพื้นและวัสดุอีกชนิดเป็นเฟสกระที่กระจายโดยทำการเลือกโครงสร้างของวัสดุผสมที่เหมาะสมกับหน้าที่ของชิ้นงานนั้นๆ จากนั้นทำการเลือกสัดส่วนปริมาตร (Volume fraction) ที่เหมาะสมเพื่อให้ได้สมบัติที่ต้องการซึ่งต้องอยู่ถายในขอบเขตบนและขอบเขตล่างของสมบัติของวัสดุผสม (Upper and lower bounds) และต้องพิจารณาและวิเคราะห์ถึง Criterion of excellence ซึ่งเป็นไปตามดัชนีวัสดุ (Material index)แล้วพลอตเส้นต่างๆเหล่านี้ในชาร์ตการเลือกวัสดุ (Material selection chart) และหากวัสดุผสมมีค่าต่างๆเหล่านี้สูงกว่าวัสดุเนื้อเดียวและสูงกว่า Criterion of excellence วัสดุผสมชนิดนี้สามารถใช้เป็นวัสดุในการผลิตชิ้นงานนี้ได้
เมื่อมีการนำวัสดุสองชนิดที่มีสมบัติต่างกันมารวมกันเพื่อสร้างวัสดุผสมหรือวัสดุเชิงประกอบนั้นสมบัติของวัสดุผสมนั้นๆจะเป็นพังก์ชันของสมบัติของวัสดุตั้งต้นทั้งสองชนิดโดยที่สมบัติของวัสดุที่ได้นั้นสามารถเป็นได้ได้ 4 กรณีดังนี้
กรณี A ถือได้ว่าเป็นกรณีที่รวมข้อดีของสมบัติของวัสดุตั้งต้นทั้งสองชนิดซึ่งกรณีนี้เป็นกรณีอุดมคติ โดยทั่วไปวัสดุผสมจะมีสมบัติที่เป็นไปตามกรณีนี้เมื่อมีการนำสมบัติทั่วไปของวัสดุชนิดหนึ่งมารวมกับสมบัติของพิ้นผิวที่ดีของวัสดุอีกชนิดหนึ่งเช่นการการชุบเหล็กกล้าด้วยสังกะสี (Galvanised steel) เป็นการรวมสมบัติทางกลที่ดีของเหล็กกล้าผสมกับสมบัติของผิวที่ดีของสังกะสีโดยเฉพาะความต้านทานการกัดกร่อน
กรณี B เป็นกรณีที่สมบัติของวัสดุผสมเป็นไปตามกฎการผสม (Rule of mixture) โดยที่สมบัติของวัสดุผสมเป็นผลลัพธ์ของสมบัติของวัสดุเริ่มต้นทั้งสองชนิดที่รวมกันและเฉลี่ยกันทางพีชคณิตโดยมีการถ่วงน้ำหนักในอัตราส่วนของปริมาตร (Volume fraction)
กรณี C เป็นกรณีที่สมบัติของวัสดุที่ได้เป็นค่าเฉลี่ยแบบฮาร์โมนิก (Harmonic mean) ของวัสดุตั้งต้นแต่ว่ายังมีสมบัติที่รวมกันแล้วดีกว่าวัสดุตั้งต้นชนิดใดชนิดหนึ่งเดี่ยวๆซึ่งในบางกรณีวัสดุผสมนี้สามารถนำมาใช้งานได้เหมือนกัน
กรณี D เรียกว่า "the worst of both" เป็นกรณีที่วัสดุรวมเอาสมบัติที่ไม่ดีของวัสดุที่เริ่มต้นทั้งสองชนิดไว้ด้วยกันซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้เช่นระบบน้ำดับเพลิงตามอาคารที่เป็นวัสดุผสมของโลหะและขี้ผึ้งโดยที่ชิ้นส่วนโลหะถูกออกแบบให้เกิดการวิบัติเมื่อขี้ผึ้งละลายไปเมื่ออุณหภูมิภายนอกสูงกว่าจุดหลอมเหลวของขี้ผึ้งและเมื่อชิ้นส่วนโลหะหักออกน้ำจะถูกปล่อยออกมาเพื่อดับเพลิง
การจำแนกประเภทของวัสดุผสม
วัสดุผสมสามารถที่ถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆได้โดยใช้องค์ประกอบเป็นเกณฑ์ซึ่งแบ่งได้เป็น4ประเภทหลักๆ ดังนี้
- วัสดุเชิงประกอบ (Composite) เป็นวัสดุผสมที่มีใช้แพร่หลายที่สุด ประกอบด้วยสองเฟสหลักคือเฟสเนื้อพื้นและเฟสที่กระจายซึ่งเป็นเฟสเสริมแรงโดยที่เฟสที่กระจายสามารถเป็นเม็ดผง เส้นใยสั้น หรือ เส้นใยยาวก็ได้และสมบัติของวัสดุเชิงประกอบมีค่าเป็นค่าเฉลี่ยระหว่างสมบัติของวัสดุเนื้อพื้นและเฟสที่กระจาย
- แซนด์วิช (Sandwich) เป็นวัสดุผสมที่วัสดุชนิดหนึ่งเป็นผิวด้านนอกและมีแกนด้านในซึ่งปกติเป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำและทำให้วัสดุแซนด์วิชมีสมบัติทางกลที่ดีโดยเฉพาะมีความสามารถในการต้านทานการบิดงอที่ดีและดีกว่าวัสดุแต่ละชนิดที่นำมาประกอบเป็นผิวและแกนกลาง
- โครงร่างแลตทิซ (Lattice) เป็นโครงสร้างที่ผสมกันระหว่างวัสดุและช่องว่าง โครงร่างแลตทิซแบ่งได้เป็นสองชนิดหลักๆคือโครงสร้างที่รับแรงแบบบิดงอ (Bending dominated structure) และโครงสร้างที่รับแรงดึง (Stretch dominated structure)
- โครงสร้างแบบชิ้น (Segment) แบ่งได้เป็นแบบ 1D 2D และ 3D และเพราะว่ามีโครงสร้างเป็นชิ้นๆแยกกันอยู่และนำมาต่อกันทำให้วัสดุผสมแบบนี้มีความต้านทานความเสียหายที่ดี
วัสดุเชิงประกอบ (Composite materials) สามารถที่ถูกจำแนกเป็นประเภทต่างๆได้โดยใช้เฟสที่กระจายเป็นเกณฑ์ในการจำแนกและโดยใช้เฟสเนื้อพื้นเป็นเกณฑ์ในการจำแนก
หากใช้เฟสที่กระจายเป็นเกณฑ์ในการจำแนกประเภท วัสดุเชิงประกอบสามารถที่ถูกจำแนกได้เป็น
วัสดุเชิงประกอบเสริมแรงโดยเม็ดผง (Particle-reinforced composites) ประกอบด้วยเนื้อพื้นที่เป็นเนื้อเดียวต่อเนื่องกันและมีการเสริมแรงและเพิ่มสมบัติให้กับเนื้อพื้นด้วยการเติมสารเสริมแรงแบบเม็ดผง อย่างเช่น เหล็กกล้าสเฟียรอยไดต์ซึ่งมีเนื้อพื้นเป็นแฟรไรต์ที่เป็นเหล็กมีความเหนีวสูงแต่ความแข็งและความแข็งแรงต่ำแต่ว่ามีเม็ดผงของซีเมนไตท์ซึ่งมีความแข็งสูงแต่เพราะมาเสริมแรงทำให้เหล็กกล้าสเฟีรอยไดต์มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับแฟรไรต์
ในบางกรณีสมบัติที่ต้องการนำมาใช้เป็นสมบัติของตัวเสริมแรงโดยเฟสเนื้อพื้นมีหน้าที่ยึดติดเฟสที่กระจายไว้ด้วยกันเช่นวัสดุเชิงกระกอบของทังสเตนคาร์ไบด์กับโคบอลต์ ทังสเตนคาร์ไบด์มีความแข็งสูงซึ่งเหมาะสำหรับทำเครื่องมือสำหรับตัดเหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็งแล้วแต่ว่าทังสเตนคาร์ไบด์มีความเพราะสูงและแตกหักง่ายแต่มีมีนำมาผสมกับโคบอลต์ในอัตราส่วนปริมาตรของโคบอลต์ประมาณ 10 – 15%ทำให้ได้วัสดุที่ยังมีความแข็งสูงแต่ว่ามีความต้านทานการแตกหักที่ดีขึ้นเพราะมีเนื้อพื้นโคบอลต์ที่มีความเหนียวและคอยดูดซับพลังงาน
อีกตัวอย่างของวัสดุเชิงประกอบเสริมแรงด้วยเม็ดผงคือยางล้อรถยนต์ที่มีเนื้อพื้นเป็นยางและมีการผสมคาร์บอนแบล็กหลังจากการยางได้ผ่านกระบวนการวัลคาร์ไนเซชั่นแล้วเพื่อเป็นการเพิ่มความแข็งแรง ความแกร่งและความต้านทานการสึกกร่อน
วัสดุเชิงประกอบเสริมแรงโดยเส้นใย (Fibre-reinforced composites)
วัสดุเชิงประกอบเสริมแรงโดยเส้นใยยาวและเรียงตัวเป็นระเบียบ (Aligned continuous fibre-reinforced composites) เป็นการผสมเส้นใยให้กระจายตัวอยู่ในเนื้อพื้นเช่นการผสมเส้นใยของซิลิกอนคาร์ไบด์ในเนื้อพื้นของแก้วเพื่อเพิ่มความแกร่ง (Fracture toughness) หรือการใช้เทคนิคทางการเย็นตัวเพื่อให้เกิดเฟสที่ต่อเนื่องกันในโลหะผสมเช่นกันการเย็นตัวแบบยูเทกติกในโลหะผสมของโมลิบดินั่มนิกเกิลและอลูมิเนียมเพื่อให้เกิดเนื้อพื้นที่เป็นแอลฟ่าโมลิบดินั่มที่มีความเหนียวและมี "เส้นใย"ที่เป็นเฟสแกมม่าไพรม์ซึ่งเป็นสารประกอบระหว่างโลหะของสิกเกิลและอลูมีเนียม(Ni3Al)ซึ่งมีความเปราะสูง วัสดุเชิงประกอบที่ได้มีสมบัติทางกลที่ดีและมีความต้านทานความคืบที่ดีขึ้นมากเมื่อเทียบกับวัสดุตั้งต้น
วัสดุเชิงประกอบเสริมแรงโดยเส้นใยสั้น (Short fibre-reinforced composites)ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทดังนี้
วัสดุเชิงประกอบเสริมแรงโดยเส้นใยสั้นเรียงตัวเป็นระเบียบ (Aligned discontinuous fibre-reinforced composites) ซึ่งมีสมบัติทางกลที่ดีขึ้นเมื่อต้องรับโหลดในทิศทางเดียวกับทิศทางการจัดเรียงตัวของเส้นใยทำให้วัสดุเชิงประกอบชนิดนี้มีสมบัติแบบ Anisotropy
วัสดุเชิงประกอบเสริมแรงโดยเส้นใยสั้นเรียงตัวแบบสุ่ม (Randomly oriented discontinuous fibre-reinforced composites)เนื่องจากเส้นใยที่ใช้เป็นเฟสที่กระจายจัดเรียงตัวแบบสุ่มและไม่มีการจัดเรียงตัวในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเป็นพิเศษทำให้วัสดุชนิดมีสมบัติที่เท่ากันในทุกทิศทาง (Isotropy) ไม่ว่าจะรับโหลดในทิศทางใดก็ตาม
ตัวอย่างของวัสดุเชิงประกอบเสริมแรงโดยเส้นใยสั้นคือ วัสดุเชิงประกอบคาร์บอน-คาร์บอนโดยมีเส้นใยสั้นคาร์บอนที่มีความแข็งแรงและความแกร่งสูงผสมอยู่ในเนื้อพื้นที่เป็นคาร์บอนซึ่งทำหน้าที่ยึดติดเส้นใยคาร์บอนไว้ด้วยกันทำให้ได้วัสดุเชิงประกอบที่สามารถขึ้นรูปซับซ้อนได้โดยที่มีสมบัติทางกลที่ดีของเส้นใยคาร์บอน
วัสดุเชิงประกอบแบบโครงสร้าง (Structural composites) เช่นเซนด์วิชและลามิเนตเป็นวัสดุเชิงประกอบที่ถูกออกแบบให้มีน้ำหนักเบาแต่มีความแข็งแรง (Strength) และความแข็งตึง (Stiffness) สูง
หากใช้เฟสเนื้อพื้นเป็นเกณฑ์ในการจำแนกชนิด วัสดุเชิงประกอบสามารถที่ถูกจำแนกได้เป็นสามประเภทคือ
วัสดุเชิงประกอบเนื้อพื้นพอลิเมอร์ (Polymer matrix composites, PMC) มีเนื้อพื้นเป็นพอลิเมอร์และเฟสที่กระจายหรือเฟสเสริมแรงที่เป็นได้ทั้งพอลิเมอร์ โลหะ และเซรามิกส์โดยที่เส้นใยเสริมแรงได้ถูกเลือกให้เพิ่มสมบัติบางประการให้กับเนื้อพื้นเช่นเพิ่มมอดูลัสยึดหยุ่น (Modulus of elasticity, E) เพิ่มความแข็งแรง (Tensile strength) เพิ่มความเค้นจุดคราก (Yield strength, σy) และความต้านทานความคืบ (Creep resistance) เป็นต้น
วัสดุเชิงประกอบเนื้อพื้นโลหะ (Metal matrix composites, MMC) ส่วนมากมีเฟสกระจายตัวที่เป็นโลหะหรือเซรามิกส์เพื่อเพิ่มความแข็ง (Hardness) ความแข็งแรง (Tensile strength) และความต้านทานความคืบ (Creep resistance) ให้กับเนื้อพี้นที่เป็นโลหะเป็นต้น
วัสดุเชิงประกอบเนื้อพื้นเซรามิกส์ (Ceremic matrix composites, CMC) เนื่องจากเนื้อพื้น เซรามิกส์มีความเพราะสูงเพราะฉะนั้นเฟสกระจายตัวที่เลือกมาผสมกับเนื้อพื้นต้องเพิ่มความแกร่ง (Fracture toughness, Kc) ให้กับเนื้อพื้น
