Introduction to Materials Science

(MATS 201)

Introduction to Materials Science

(MATS 201)

อ. ดร. วั�นด� ธรรมจาร�อ . ดร . ชั�ยกานต์� เลี�ยวัหิ�ร�ญ

อ. ดร. วั�นด� ธรรมจาร�อ . ดร . ชั�ยกานต์� เลี�ยวัหิ�ร�ญ

เน��อหิากระบวันวั�ชัาเน��อหิากระบวันวั�ชัา

1. บทน�าเก��ยวัก�บวั�สด�ศาสต์ร�2. วั�ต์ถุ�ด�บแลีะทร�พยากรพลี�งงาน3. ชัน�ดของวั�สด�4. โครงสร(างของวั�สด�4.1 โครงสร(างอะต์อมแลีะการสร(างพ�นธะของอะต์อมในของแข*ง4.2 โครงสร(างผลี,กแลีะควัามบกพร-อง4.3 การเคลี��อนไหิวัของอะต์อมในวั�สด�4.4 โครงสร(างจ�ลีภาคแลีะการควับค�มโครงสร(างจ�ลีภาคของวั�สด�5. สมบ�ต์�ของวั�สด� 5.1 สมบ�ต์�เชั�งกลี

1. บทน�าเก��ยวัก�บวั�สด�ศาสต์ร�2. วั�ต์ถุ�ด�บแลีะทร�พยากรพลี�งงาน3. ชัน�ดของวั�สด�4. โครงสร(างของวั�สด�4.1 โครงสร(างอะต์อมแลีะการสร(างพ�นธะของอะต์อมในของแข*ง4.2 โครงสร(างผลี,กแลีะควัามบกพร-อง4.3 การเคลี��อนไหิวัของอะต์อมในวั�สด�4.4 โครงสร(างจ�ลีภาคแลีะการควับค�มโครงสร(างจ�ลีภาคของวั�สด�5. สมบ�ต์�ของวั�สด� 5.1 สมบ�ต์�เชั�งกลี

ครึ่��งหลั�ง5.2สมบั�ติ เชิ งความรึ่�อน5.3สมบั�ติ เชิ งไฟฟ�า5.4สมบั�ติ เชิ งแสง6 .ความส�มพั�นธ์�รึ่ะหว�างโครึ่งสรึ่�างจุ ลัภาคแลัะสมบั�ติ

ของว�สดุ 7. การึ่ปรึ่ะดุ ษฐ์�ว�สดุ 7.1การึ่ปรึ่ะดุ ษฐ์�โลัหะ เซรึ่าม ก พัอลั เมอรึ่� แลัะว�สดุ ผสม7.2ความส�มพั�นธ์�รึ่ะหว�างสมบั�ติ ของแติ�ลัะชิน ดุของ

กรึ่ะบัวนการึ่ปรึ่ะดุ ษฐ์�ว�สดุ แลัะสมรึ่รึ่ถนะ8. การึ่เลั,อกแลัะออกแบับัว�สดุ

คะแนนท��งหิมด 50 คะแนน

• จ�ต์พ�ส�ย• เข(าหิ(องเร�ยน• ต์��งใจเร�ยน• รายงาน/การบ(าน• สอบม�ดเทอม

บทบทท�� 1

วั�สด�ศาสต์ร�แลีะวั�ศวักรรมวั�ศวักรรมวั�สด�

วั�สด�ศาสต์ร�แลีะวั�ศวักรรมวั�ศวักรรมวั�สด�

บทน�า : ความเก-�ยวข�องก�นรึ่ะหว�างว�สดุ ก�บัมน ษย�

Stone AgesStone Ages• ย�คหิ�นเก-า เคร��องม�อท��ใชั(จะเป็1นเคร��องม�อกะเทาะหิ�นอย-าง

หิยาบๆ หิลี�กฐานท��พบค�อ เคร��องม�อหิ�นกรวัดแม-น��า พบท�� อ. เชั�ยงแสน จ. เชั�ยงราย อ.แม-ทะ จ. ลี�าป็าง มน�ษย�ในย�คน��ด�ารงชั�พด(วัยการลี-าส�ต์วั� ย�งไม-ร5(จ�กการเพาะป็ลี5กหิร�อท�าเคร��องป็6� นด�นเผา

• ย�คหิ�นกลีาง ใชั(เคร��องม�อใชั(เคร��องม�อขวัานหิ�นกะเทาะทรงโดมแบบส�บต์�ด เคร��องม�อแบบข5ด คนสม�ยหิ�นกลีางอาศ�ยอย5-ในถุ��า ในป็ระเทศไทยพบท��ถุ��าผ� ถุ��าป็�งฮุ�ง จ.แม-ฮุ-องสอน แลีะถุ��าในภาคใต์( บางแหิลี-งร5(จ�กการเพาะป็ลี5กแลีะท�าเคร��องป็6� นด�นเผา

• ย�คหิ�นใหิม- ใชั(เคร��องม�อหิ�นข�ด แลีะม�การท�าเคร��องป็6� นด�นเผาข,�นมาใชั( ท�าขวัานหิ�นข�ดใชั( พบต์ามแนวัแม-น��าแควัใหิญ- แควัน(อย จ. กาญจนบ�ร� แลีะแหิลี-งโบราณคด�บ(านเชั�ยง จ. อ�ดรธาน� แหิลี-งโบราณคด�บ(านป็ราสาท อ. โนนส5ง จ. นครราชัส�มา

Metal Ages

• ย�คส�าร�ด เป็1นย�คท��ใชั(โลีหิะผสมระหิวั-างทองแดงแลีะด�บ�กเร�ยกวั-าส�าร�ดมาท�าเป็1นเคร��องม�อเคร��องใชั(

•  ย�คเหิลี*ก เป็1นย�คท��ร5(จ�กการถุลี�งเหิลี*ก น�ามาท�าเป็1นเคร��องม�อเคร��องใชั(แบ-งเป็1นแหิลี-งโบราณคด�ซึ่,�งพบเคร��องม�อเคร��องใชั(ท�าด(วัยโลีหิะส�าร�ดฝั6งร-วัมก�บโครงกระด5กในหิลี�มศพ พบท��บ(านเชั�ยง อ�ดรธาน� หิร�อแหิลี-งโบราณคด�บ(านป็ราสาท อ.โนนส5ง จ.นครราชัส�มา ฯลีฯ ส-วันแหิลี-งโบราณคด�ซึ่,�งพบเคร��องม�อเหิลี*กฝั6งร-วัมก�บโครงกระด5กน��น พบบร�เวัณร�มฝั6� งแม-น��าป็=าส�ก อ.ศร�เทพ จ.เพชัรบ5รณ�

Stone AgesStone Ages

http://media-cdn.tripadvisor.com/media/photo-s/01/17/91/af/stone-age-times.jpg8/6/11http://www.art.com/asp/View_HighZoomResPop.asp?apn=14197456&imgloc=29-2936-Z00DRAQN.jpg&imgwidth=894&imgheight=671

8/6/12http://dir.coolclips.com/History/British_History/Medieval_Times/Weapons/stone_age_weapon_CoolClips_wb042562.jpg

8/6/12

Stone Stone AgesAgesStone Stone AgesAges

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

Copper AgesCopper AgesChalcolithic AgeChalcolithic Age

www.oknation.net/blog/print.php?id=277833

Bronze Ages

http://www.dot-domesday.me.uk/bronze_axes.jpg http://www.huntingdonshire.info/history/images/Plate_II.png

http://webprojects.prm.ox.ac.uk/arms-and-armour/600/1884.119.309.jpg

Iron Ages

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

วั�สด�ค�ออะไร

“วั�สด� หิมายถุ,ง สสารท��ท�า”ข,�นหิร�อป็ระกอบข,�นจากบางส��งบางอย-างแลีะอย5-รอบๆ ต์�วัเรา เชั-น ไม( คอนกร�ต์ พลีาสต์�ก ยาง ทองแดง อ�ฐ เหิลี*กกลี(า แก(วั อลี5ม�เน�ยม กระดาษ ฯลีฯ

วั�สด�ศาสต์ร�“วั�สด�ศาสต์ร� ” (Materials Science) เป็1นการศ,กษาเพ��อ

วั�ต์ถุ�ป็ระสงค�ด�งต์-อไป็น��1 .ม�ควัามร5(พ��นฐานเก��ยวัก�บโครงสร(างวั�สด� (structure)

ซึ่,�งเป็1นเหิต์�ผลีส�าค�ญท��ท�าใหิ(วั�สด�น��นม�สมบ�ต์�ท��แต์กต์-างก�น2. สามารถุแบ-งวั�สด�ออกเป็1นชัน�ด ป็ระเภท ต์าม

ลี�กษณะการเก�ด สมบ�ต์�แลีะกรรมวั�ธ�ในการผลี�ต์ได(3.สามารถุม�ข(อพ�จารณาในการเลี�อกใชั(วั�สด�ใหิ(ม�ควัาม

เหิมาะสมก�บลี�กษณะของงาน โดยค�าน,งถุ,งป็6จจ�ยด(านควัามสะดวัก ป็ลีอดภ�ย ป็ระหิย�ดแลีะม�ควัามคงทนเป็1นส�าค�ญ

4.สามาถุวั�น�จฉั�ยหิร�อพ�ส5จน�ทราบได(วั-า ชั��นงานน��นๆ ท�ามาจากวั�สด�อะไร เพ��อป็ระโยชัน�ในการซึ่-อมบ�าร�งหิร�อพ�ฒนางานต์-อไป็

วั�สด�วั�ศวักรรม (Materials Engineering)

เป็1นศาสต์ร�ท��เก��ยวัข(องอย-างเป็1นด(านหิลี�กของการใชั(หิลี�กการพ��นฐานแลีะการป็ระย�กต์�ควัามร5(ของวั�สด� เพ��อป็ร�บป็ร�งสมบ�ต์�แลี(วัน�ามาผลี�ต์เป็1นผลี�ต์ภ�ณฑ์�ท��ต์(องการได( หิร�อใหิ(เป็1นไป็ต์ามควัามต์(องการของต์ลีาดหิร�อส�งคม

เป็1นการศ,กษาเร��องของวั�สด�ในลี�กษณะการส�ารวัจ การวั�จ�ย การป็ร�บป็ร�ง พ�ฒนาเพ��อใหิ(ได(มาซึ่,�งวั�สด�ท��ม�สมบ�ต์�ด�ย��งข,�น แลีะเป็1นการแก(ไขข(อด(อยของวั�สด�ชัน�ดต์-างๆ เชั-น

ท�าอย-างไรชั��นงานจ,งจะม�น��าหิน�กน(อยลีงท�าอย-างไรวั�สด�ท��ใชั(จ,งจะทนต์-อการก�ดกร-อน เส�ยดส�

ทนควัามร(อนได(ด�กวั-าเด�มท�าอย-างไร วั�สด�ท��ใชั(จ,งจะม�ลี�กษณะเป็1นต์�วัน�า / ต์�วั

ต์(านทานไฟฟBา (ควัามร(อน) ได(ด� ฯลีฯ

• materials science and engineering น-/จุ�งไดุ�มาจุากการึ่รึ่วมก�นของทั้�/ง materials science แลัะ materials engineering ว�สดุ ศาสติรึ่�เป2นความรึ่3 �พั,/นฐ์านทั้�/งหมดุของว�สดุ แลัะว�สดุ ว ศวกรึ่รึ่มเป2นการึ่ปรึ่ะย กติ�ความรึ่3 �ทั้� /งหมดุให�เป2นปรึ่ะโยชิน�ดุ�/งน�/นว ชิาทั้�/งสองน-/จุ�งไม�ม-เส�นแบั�งขอบัเขติอย�างชิ�ดุเจุน

•

สร�ป็

• วั�สด�ศาสต์ร� เป็1นการศ,กษาควัามส�มพ�นธ�ระหิวั-างโครงสร(าง แลีะสมบ�ต์�ของวั�สด� รวัมถุ,งกระบวันการผลี�ต์

• วั�สด�วั�ศวักรรม เป็1นการศ,กษาการออกแบบแลีะค�านวัณทางวั�ศวักรรมเก��ยวัก�บโครงสร(างของวั�สด�หิน,�งๆ เพ��อใหิ(ได(มาซึ่,�งสมบ�ต์�ท��ได(ก�าหินดไวั(ก-อนแลี(วั โดยม�พ��นฐานอย5-บนควัามร5(เก��ยวัก�บควัามส�มพ�นธ�ของโครงสร(างแลีะสมบ�ต์�ของวั�สด�

www.answers.com/topic/materials-science

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

โครงสร(าง ของวั�สด�เก��ยวัก�บการจ�ดเร�ยงองค�ป็ระกอบภายในวั�สด� ซึ่,�งโครงสร(างในระด�บท��เลี*กกวั-าอะต์อมจะป็ระกอบด(วัยอ�เลี*กต์รอนก�บน�วัเคลี�ยส ท��อย5-ในแต์-ลีะอะต์อมน��น ซึ่,�งถุ(ากลี-าวัถุ,งในระด�บอะต์อม

โครงสร(าง ค�อ การจ�ดกลี�-มของอะต์อม หิร�อ โมเลีก�ลีเข(าด(วัยก�น เม��ออะต์อมมารวัมต์�วัก�นในระด�บท��โต์ข,�น โครงสร(างน��นจะอย5-ในระด�บจ�ลีภาค (micro scale) แลีะถุ(าโต์ข,�นจนกระท��งสามารถุมองได(ด(วัยต์าเป็ลี-าเร�ยกวั-า ระด�บมหิภาค (macro scale)

วั�สด�ได(ถุ5กแบ-งออกได(เป็1น

โลีหิะ (Metal)

http://www.thaisecondhand.com/view/productpic/p6090685n1.jpghttp://www.annefriday.com/images/uploads/design/070812plat0101.jpg

โลีหิะ (Metal)เป็1นอน�นทร�ยสารท��ม�ธาต์�โลีหิะป็ระกอบอย5-อย-างน(อยหิน,�งธาต์� แลีะบางคร��งอาจม�ธาต์�ท��ไม-ใชั-โลีหิะบางชัน�ดเจ�อป็นด(วัย ต์�วัอย-างธาต์�โลีหิะ เชั-น เหิลี*ก ทองแดง อลี5ม�เน�ยม น�กเก�ลีแลีะไทเทเน�ยม เป็1นต์(น โครงสร(างของโลีหิะม�การจ�ดเร�ยงต์�วัอย-างเป็1นระเบ�ยบ โดยโลีหิะน��ม�อ�เลี*กต์รอนท��ไม-จ�าก�ดเฉัพาะท��อย5-มากมาย น��นค�อ อ�เลี*กต์รอนน��ไม-ได(เป็1นของอะต์อมใดโดยเฉัพาะ ท�าใหิ(โลีหิะเป็1นต์�วัน�าไฟฟBาแลีะควัามร(อนท��ด�มาก แลีะไม-โป็ร-งใส ผ�วัของโลีหิะท��ข�ดเร�ยบด�แลี(วัจะม�ควัามเป็1นม�นวัาวั ม�ควัามแข*งแรงพอสมควัร

เซึ่ราม�ก (Ceramics)

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

เซึ่ราม�ก (Ceramics)เป็1นอน�นทร�ยสารท��ม�เป็1นสารป็ระกอบระหิวั-างธาต์�โลีหิะก�บอโลีหิะย,ดก�นด(วัยพ�นธะเคม� โดยมากอย5-ในร5ป็ของออกไซึ่ด� (oxide) ไนไต์รด� (nitride) แลีะ คาร�ไบด� (carbide) วั�สด�ป็ระเภทน��จะรวัมถุ,งเซึ่ราม�กท��ป็ระกอบด(วัยด�นเหิน�ยวั ซึ่�เมนต์� แลีะแก(วั

เซึ่ราม�กส-วันใหิญ-ม�ควัามแข*งแรงส5งแลีะคงควัามแข*งแรงแม(ท��อ�ณหิภ5ม�ส5งได(ด� แต์-ม�กจะเป็ราะ นอกจากน��ย�งเป็1นฉันวันต์-อการส-งผ-านไฟฟBาแลีะควัามร(อน ทนต์-ออ�ณหิภ5ม�ส5งแลีะการข�ดส�ได(ด� ทนต์-อสภาพแวัดลี(อมท��ร�นแรงได(ด�กวั-าโลีหิะแลีะพอลี�เมอร�

พอลี�เมอร� (Polymer)

www.geocities.com/eeeve.sari/p6plastic.htmlwww.sema.go.th/.../k4/0043/web/page/page7.htm

พอลี�เมอร� (Polymer)

เป็1นอ�นทร�ยสาร ซึ่,�งม�พ��นฐานทางเคม�มาจากคาร�บอน ไฮุโดรเจน แลีะธาต์�อโลีหิะอ��นๆ ม�โครงสร(างโมเลีก�ลีท��ใหิญ-มาก โมเลีก�ลีจะเป็1นลี5กโซึ่-ยาวัหิร�อร-างแหิ โดยส-วันใหิญ-จะไม-ม�ร5ป็ผลี,ก (อส�ณฐาน) สามารถุร�บแรงได(มาก ม�ควัามหินาแน-นต์��า อ-อนต์�วัได(มาก น�าไฟฟBาได(ไม-ด� จ,งน�ยมน�ามาใชั(ท�าฉันวันไฟฟBาแลีะใชั(ป็ระโยชัน�ทางการป็Cดร��วัของไฟฟBา เชั-น พลีาสต์�ก ยาง ฟองน��า โฟม อ�พ*อกซึ่� พ�วั�ซึ่� เป็1นต์(น

วั�สด�ผสม (Composites)

http://www.hvtechnologies.com/images/products/emc%20products/plane.gifhttp://img339.imageshack.us/img339/3416/ccxtechchassiszw7.jpg

วั�สด�ผสม (Composites)

เป็1นวั�สด�ท��ม�วั�สด� 2 ชัน�ดข,�นไป็เป็1นองค�ป็ระกอบ วั�สด�ผสมส-วันใหิญ-ป็ระกอบด(วัยสารเต์�มท��เหิมาะสมหิร�อวั�สด�เสร�มแรงก�บสารเชั��อมป็ระสานพวักเรซึ่�น ซึ่,�งวั�สด�ผสมจะได(ลี�กษณะเฉัพาะท��เป็1นสมบ�ต์�ต์ามต์(องการ ซึ่,�งโดยส-วันใหิญ- วั�สด�ผสมจะถุ5กออกแบบใหิ(รวัมลี�กษณะเฉัพาะท��ด�ท��ส�ดของวั�สด�ท��เป็1นองค�ป็ระกอบเข(าด(วัยก�น เชั-น เส(นใยแก(วั-อ�พ*อกซึ่� กราไฟต์�-อ�พ*อกซึ่� เป็1นต์(น

สมบ�ต์�แลีะการเลี�อกใชั(วั�สด� 1. สมบ�ต์�ทางเคม� (Chemical properties) เป็1นสมบ�ต์�ท��ส�าค�ญ

ของวั�สด�ซึ่,�งจะบอกลี�กษณะเฉัพาะต์�วัท��เก��ยวัก�บโครงสร(างแลีะองค�ป็ระกอบของธาต์�ต์-างๆ ท��เป็1นวั�สด�น��น โดยสมบ�ต์�น��สามารถุหิาได(จากการใชั(วั�ธ�การวั�เคราะหิ�แบบท�าลีายหิร�อไม-ท�าลีายต์�วัอย-าง

      2. สมบ�ต์�ทางกายภาพ (Physical properties) เป็1นสมบ�ต์�เฉัพาะของวั�สด�ท��เก��ยวัก�บการเก�ดอ�นต์รก�ร�ยาของวั�สด�น��นก�บพลี�งงานในร5ป็ต์-างๆก�น เชั-น ลี�กษณะของส� ควัามหินาแน-น การหิลีอมเหิลีวั ป็รากฏการท��เก�ดเก��ยวัก�บสนามแม-เหิลี*กหิร�อสนามไฟฟBา เป็1นต์(น การทดสอบสมบ�ต์�น��จะไม-ม�การท�าใหิ(วั�สด�น��นเก�ดการเป็ลี��ยนแป็ลีงทางเคม�หิร�อถุ5กท�าลีาย

3. สมบ�ต์�เชั�งกลี (Mechanical properties) เป็1นสมบ�ต์�เฉัพาะต์�วัของวั�สด�ท��ถุ5กกระท�าด(วัยแรง โดยท��วัไป็จะเก��ยวัก�บการย�ดแลีะหิดต์�วัของวั�สด� ควัามแข*ง ควัามสามารถุในการร�บน��าหิน�ก ควัามส,กหิรอ แลีะการด5ดกลี�นพลี�งงาน เป็1นต์(น

      4.สมบ�ต์�เชั�งม�ต์� (Dimensional properties) เป็1นสมบ�ต์�ท��ส�าค�ญอ�กอย-างหิน,�งท��จะต์(องพ�จารณาในการเลี�อกใชั(วั�สด� เชั-น ขนาด ร5ป็ร-าง ควัามคงทน ต์ลีอดจนลี�กษณะของผ�วัวั-าหิยาบ ลีะเอ�ยด หิร�อเร�ยบ เป็1นต์(น

วั�สด�ส�าหิร�บอนาคต์

ว�สดุ ฉลัาดุ (Smart materials)

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

วั�สด�ฉัลีาด (Smart materials)

วั�สด�เหิลี-าน��สามารถุ ร�บร5( การเป็ลี��ยนแป็ลีง“ ”ของสภาพแวัดลี(อมได(แลีะต์อบสนองต์-อการเป็ลี��ยนแป็ลีงเหิลี-าน��นต์ามร5ป็แบบท��ได(ม�การก�าหินดเอาไวั(ลี-วังหิน(าได( (เป็1นพฤต์�กรรมท��พบในส��งม�ชั�วั�ต์) ต์�วัอย-างเชั-น Sensors, Actuators

www.fiat.co.uk/showroom/?id=9665

ai.jpl.nasa.gov/public/projects/sensorweb/

: www.societyofrobots.com/sensors.shtml

การึ่บั�านค�นคว�าเพั �มเติ มNanomaterialsBiomaterialsUltracapacitor