הנדסת חומרים

הנדסת חומרים (מכונה גם מדע החומרים ותורת החומרים) היא תחום מחקר הנדסי רב תחומי העוסק בגילוי ובעיצוב חומרים חדשים, במיוחד מוצקים. התחום מקשר בין אפיון המיקרו-מבנה של החומר לבין תכונותיהם התרמיות, החשמליות, המכניות והסביבתיות של חומרים שונים. תחום זה משלב ידע מדעי בפיזיקה וכימיה עם עקרונות הנדסה, ולכן לא נלמד עד לשנות ה-40 של המאה ה-20 כתחום אקדמי נפרד, אלא נתפס כתת-תחום של תחומי מדע אחרים. החל משנות ה-40 של המאה ה-20, תחום הנדסת החומרים החל לזכות במעמד עצמאי כתחום לימוד ומחקר מדעי והנדסי, ובתי ספר להנדסה בעולם החלו להציע לימודי תואר בהנדסת חומרים. למהנדסי חומרים תפקיד מרכזי בתעשיות הרכב, התעופה והחלל, חומרי בנייה, חומרים ביו-רפואיים, חומרים אלקטרוניים ועוד.

הנדסת החומרים עוסקת:

1. פיתוח חומרים המיטביים להרכבת מוצרים. התחום מתמקד בשיפור וחקר תכונות חומרי מבנה והתאמת תכונות חומר המבנה לצרכים התעשייתיים, תוך שקלול הגורמים השונים כגון תנאי סביבה, עבודה, עלויות.
2. חקר ותיכּוּן חומרים, טכניקות עיבוד ויצור (יציקה, כבישה, ריתוך, גידול גבישים וכו'), טכניקות אנליטיות (כגון מיקרוסקופיה אלקטרונית, עקיפת קרני x וקלורימטריה) ויחסי גומלין בין עלות לתועלת בייצור תעשייתי של חומרים.

היסטוריה

הנדסת חומרים היא אחת מהצורות העתיקות ביותר של מדע יישומי והנדסה. תקופות קדומות מאופיינות בחומר אשר שימש באותה התקופה, כגון תקופת האבן, תקופת הברונזה ותקופת הברזל. הנדסת החומרים המודרנית התפתחה באופן ישיר מהמטלורגיה, שהיא חקר המתכות. פריצת הדרך בהבנת חומרים התרחשה בסוף המאה ה-19, כאשר המדען האמריקאי וילארד גיבס הציג את התכונות התרמודינמיות הקשורות במבנה האטומי של החומר והמבנה הפיזי שלו.

עד לשנות ה-60 במאה ה-20 רבות מן המחלקות האוניברסיטאיות להנדסת חומרים נקראו מחלקות למטלורגיה, שם המשקף את הדגש שניתן בתחום זה, במאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20, למחקר וללימוד מתכות. מאז התרחב התחום והוא כולל מחקר בכל סוגי החומרים: קרמיים, פולימרים, מוליכים למחצה, חומרים מגנטים, חומרים ביולוגיים, ננו-חומרים, ועוד.

המרוץ לחלל האיץ את התפתחות תחום הנדסת החומרים בתחומים שונים, ביניהם הבנת והנדסת סגסוגות מתכתיות, וחומרים עשויים סיליקה ופחמן. הנדסת החומרים הניעה והונעה על ידי התפתחויות טכנולוגיות מהפכניות כגון פלסטיק, מוליך למחצה, ועוד.

תחומי מחקר עיקריים

• מטלורגיה: מתכות, מתכות כבדות, פלדות, פלדות אל-חלד, סגסוגות אלומיניום, זהב, סגסוגות זיכרון.
• פולימרים: פלסטיק, ניילון, גומי, הזרקת פלסטיק.
• הנדסה קרמית: מלט, בטון, מיקרו-סיליקה, שיש, זכוכית, חרסית.
• חומרים בתעשיית האלקטרוניקה והחשמל: מוליכים, מוליכים למחצה, חומרים מגנטיים, מבודדים, וחומרים לתעשיית המיקרואלקטרוניקה.
• תכונות והתנהגות מכנית של חומרים: חוזק חומרים, קשיות, חקר פני שבר, מאמץ מתיחה, מאמץ כפיפה, אלסטיות של חומרים, מכניקת השבר, שחיקה מכנית, זחילה (דפורמציה), עץ כשל, נקע בחומרים, התעייפות מכנית.
• חומרים מתקדמים: ננו-חומרים, ביו חומרים, חומרים להתקנים אלקטרואופטיים, טכנולוגית אבקות, טכנולוגית שכבות דקות, חומרים חכמים, חומרים מרוכבים, גבישים נוזליים, חומרים ירוקים (ידידותיים לסביבה).
• אפיון חומרים: מיקרוסקופיה אלקטרונית, עקיפת קרני x, קלורימטריה, אנליזה תרמית, בדיקות לא הורסות, ספקטרסקופיה, קריסטלוגרפיה וקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן, מינרלוגיה, מורפולוגיה של גבישים.
• התנהגות תרמית וסביבתית של חומרים: קורוזיה, מוליכות תרמית, התעייפות תרמית, דיאגרמת פאזות, תרמודינמיקה של חומרים.
• תהליכים לייצור חומרים בתעשייה: סינטור, ריתוך, אינוך, עיבוד שבבי, יציקה, אפיטקסיה, ריבוץ, איכול יבש, איכול רטוב, חישול, עיבודים פלסטיים, הזרקת חומרים.
• בטיחות בחומרים: חומרים ריאקטיביים, חומרים בעירים דליקים.

ראו גם

• ננוטכנולוגיה
• סינטור
• קריסטלוגרפיה וקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן
• גביש נוזלי
• מינרלוגיה
• ננו-צינורית פחמן
• היצרות מגנטית
• חומר קרמי

לקריאה נוספת

• Richard A. Flinn, Paul K. Trojan, Engineering Materials and Their Applications, Wiley, 1995, ISBN 978-0-471-12508-2. (באנגלית)
• Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materials: engineering, science, processing and design (1st ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
• Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phulé (2005). The Science & Engineering of Materials (5th ed.). Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-55396-8.
• Callister, Jr., William D. (2000). Materials Science and Engineering – An Introduction (5th ed.). John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-32013-5.
• Eberhart, Mark (2003). Why Things Break: Understanding the World by the Way It Comes Apart. Harmony. ISBN 978-1-4000-4760-4.
• Gaskell, David R. (1995). Introduction to the Thermodynamics of Materials (4th ed.). Taylor and Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
• González-Viñas, W. & Mancini, H.L. (2004). An Introduction to Materials Science. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
• Gordon, James Edward (1984). The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall Through the Floor (eissue ed.). Princeton University Press. ISBN 978-0-691-02380-9.
• D. Hull, T. W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, 1996-08-13, ISBN 978-0-521-38855-9. (באנגלית)
• Mathews, F.L. & Rawlings, R.D. (1999). Composite Materials: Engineering and Science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1.
• Lewis, P.R.; Reynolds, K. & Gagg, C. (2003). Forensic Materials Engineering: Case Studies. Boca Raton: CRC Press. ISBN 9780849311826.
• Wachtman, John B. (1996). Mechanical Properties of Ceramics. New York: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2.
• Walker, P., ed. (1993). Chambers Dictionary of Materials Science and Technology. Chambers Publishing. ISBN 978-0-550-13249-9.
• Mahajan, S. (2015). "The role of materials science in the evolution of microelectronics". MRS Bulletin (באנגלית). 12 (40): 1079–1088. doi:10.1557/mrs.2015.276.

קישורים חיצוניים

• הנדסת חומרים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• Timeline of Materials Science at The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) accessed March 2007