חומרים מרוכבים
מדע החומרים מציג בפנינו מגוון רחב של חומרים לשימושים שונים. חומרים אילו פותחו בכדי לענות על צרכים שונים שהופיעו בתעשיות שונות כתוצאה מדרישה לשיפור בביצועים של חומרים שהיו או נמצאים בשימוש. ישנן תופעות כגון קורוזיה ועייפות החומר שפוגעות בחוזק של מתכות וחומרים אחרים. דבר זה העלה את הצורך למצוא או לפתח חומרים שיהיו עמידים יותר בפני תופעות אילו ושיוכלו לשאת בעומסים גדולים לאורך זמן.
 
הדבר הוביל לפיתוח חומרים שידועים בשם חומרים מרוכבים. פיתוח של חומרים מסוג זה החל בסוף מלחמת העולם ה-II ונמשך עד ימינו. ישנו מגוון רחב של חומרים מרוכבים. במאמר זה ניתן הגדרה לחומר מרוכב, נסביר על ההרכב של חומרים אילו וניתן דוגמאות למוצרים שיוצרו באמצעות חומרים מרוכבים וכך נעמוד על יתרונותיהם.
חומר מרוכב מוגדר כשילוב מיקרוסקופי של שני חומרים נפרדים או יותר אשר ניתן להבחין ביניהם. עם זאת, מכיוון שבחומרים מרוכבים נעשה שימוש לפי התכונות המבניות שלהם, ניתן לצמצם את ההגדרה רק לחומרים המכילים חומר מחזק כגון סיבים או חלקיקים הנתמך ע"י חומר מקשר (אשר מכונה גם "מטריצה").
 
המטריצה מחזיקה את הסיבים, מעבירה את העומס ביניהם ומגנה עליהם מפני הסביבה ומפני בלאי. כמו-כן, הנה נושאת בחלק מהעומסים שמופעלים על החומר המרוכב. הסיבים מספקים את החוזק והקשיחות.
 
חומר נקרא חומר מרוכב רק כאשר החומרים שמרכיבים אותו הם בעלות תכונות פיזיקאליות השונות באופן משמעותי אחת מהשנייה, ועל-כן תכונות החומר המרוכב שונות באופן מובהק מתכונות המרכיבים. חומרים מרוכבים הם בד"כ בעלי פאזה בלתי רציפה של סיבים או חלקיקים אשר הנה קשה וחזקה יותר מפאזת המטריצה הרציפה (במדע החומרים, "פאזה" היא חומר יציב מבחינה תרמודינמית, שכל תכונותיו אחידות: אותו מבנה מרחבי, אותה דרגת קושי, אותו קיבול חום וכו'...)
 
ברוב המקרים, חומרים מרוכבים מכילים סיבים או חלקיקים אחרים שהם בעלי רמת חוזק וקשיחות גבוהים. ישנם מספר סוגים של סיבים שנעשה בהם שימוש כאשר הנפוצים שבהם הם סיבי זכוכית וסיבי פחמן.
 
סיבי הזכוכית הם גמישים, קלי משקל, קלים לייצור, עמידים בפני קורוזיה ומחירם לא גבוה. נעשה בהם שימוש במגוון יישומים כגון פנלים במטוסים, מנועי טילים ועוד...
 
סיבי הפחמן הם חזקים וקלי משקל ונמצאים בשימוש נרחב מאוד בתעשיית החלל. עם זאת, הם יקרים יותר מסיבי הזכוכית, דבר שמגביל לעיתים את השימוש בהם.
חומר מרוכב מחוזק עם סיבי פחמן

Cfk heli slw.jpg

By User:Larsen25 - Own work, CC BY-SA 3.0, Link

חומרים מרוכבים פותחו בתחילה עבור עולם התעופה שם היה צורך בחומרים שיוכלו לעמוד בעומסים גבוהים. הפיתוחים הראשונים נעשו כבר בסוף מלחמת העולם השנייה ובשנות החמישים השתמשו בארצות הברית בחומרים פלסטיים שבהם נעשה שימוש בסיבי זכוכית לחיזוק. במשך שנים סגסוגות אלומיניום היו החומר העיקרי בתעשיית התעופה – הן היו בעלות חוזק סביר במשקל נמוך יחסית. עם זאת, בעיות קורוזיה ועייפות החומר העלו את הצורך בחומרים חדשים שיספקו מענה לבעיות  אלה ואפילו יציגו ביצועים משופרים.
 
כיום, נעשה שימוש בחומרים מרוכבים במגוון גדול של תחומים. הם משמשים בבניית מכוניות, חלקי מטוסים, מתקני משחק לילדים, משטחי שיש מלאכותי ועוד מגוון רחב של מוצרים.

הסרטון שלפניכם מראה את השימוש שנעשה בחומרים מרוכבים בתעשיית התעופה ואת היתרונות שלהם לעומת החומרים המסורתיים שהיו בשימוש בתחום לאורך השנים.
מטוס החמקן (F-117) פותח בשנות ה-80 והיה עשוי מחומרים מרוכבים. החומר ממנו יוצר המטוס היה יקר מאוד (כ-30 דולר לגרם חומר!) אבל הוא אפשר לשמור על משקל נמוך של המטוס מה שאפשר לו להגיע למהירויות גבוהות של כ-1,000 קמ"ש ולטוס לטווחים של 11,000 ק"מ. עם זאת, מחיר הפיתוח של המטוס נאמד בכ-23 מיליארד דולר.
 
גם בעולם התעופה האזרחית מקומם של החומרים המרוכבים לא נפקד. מטוס הבואינג 787 (Dreamliner) נחשב למטוס המרוכב הראשון. חלקים גדולים מהמטוס מיוצרים מחומרים מרוכבים במקום החומרים המסורתיים של תעשיית התעופה שמבוססים בעיקר על מתכות.
 
את המטוס מייצרים כיחידה אחת דבר שחוסך את השימוש בכ-1,500 חתיכות אלומיניום ובעוד כ-40,000 עד 50,000 מסמרים שדרושים כדי לחבר את היחידות האלה אחת לשנייה.
 
אבל כאן לא מסתכמים כל היתרונות שיש לחומרים האלה להציע. במטוסים שבנויים ממתכת יש צורך לייבש את האוויר במטוס וזאת על מנת להגן על חלקי המתכת מפני קורוזיה. ב-Dreamliner אין בכך צורך דבר שיוצר סביבה נעימה יותר לצוות ולנוסעים. בנוסף, אין צורך לשנות את לחץ האוויר בתוך המטוס כדי להתאים אותו ללחץ האוויר החיצוני. זאת מאחר והחומרים מהם עשוי המטוס חזקים מספיק כדי לעמוד בשינויי הלחץ שמתרחשים בזמן הטיסה.

בסרטון שלפניכם ישנו הסבר על החומרים המרוכבים מהם נבנה מטוס הבואינג 787, על היתרונות שהחומרים האלה מקנים למטוס ועל תהליכי העבודה הייחודיים שנעשה בהם שימוש בבניית המטוס.
כפי שראינו, לחומרים המרוכבים יש יתרונות רבים. פיתוח החומרים הללו עדיין ממשיך ונדמה שלא הגענו עדיין למיצוי מלא של האפשרויות מחומרים מופלאים אלה. נראה שהעתיד צופן בחובו חומרים מרוכבים טובים עוד יותר וזאת עקב שימוש בטכנולוגיות שמאפשרות פיתוח של חומרים ברמה המיקרוסקופית. סביר להניח שבשנים הקרובות נהיה עדים לחומרים חדשים, חזקים יותר ועמידים יותר בפני לחצים ועומסים.
 
ניתן לשלוח שרטוטי עיבוד שבבי לתמחור ישירות לדוא"ל: info@hitechm.co.il

היי-טק מכניקה, מפעל עיבוד שבבי. רחב חרשי הברזל 6, ירושלים. טל': 02-6793368 או 052-7507776 דוא"ל: info@hitechm.co.il
© 2018. כל הזכויות שמורות להיי-טק מכניקה בע"מ - מפעל עיבוד שבבי.