מה זה חומר מרוכב?

מטוס הדרימליינר החדש עתיר חידושים מדעיים וטכנולוגיים. ניצלנו את העובדה שהוא הגיע לארץ כדי לצלם בו ובמעבדה סדרה של סרטונים על כמה מהחידושים המגניבים ביותר. והפעם – החומר שממנו מורכב גוף המטוס:

חומרים מרוכבים – גם וגם וגם

נניח שאתם מעוניינים לבנות מוצר חדש, ומסיבות שונות אתם צריכים שהוא יהיה גם קל משקל, גם דק, גם גמיש, גם עמיד בפני קורוזיה גם עמיד במתיחה וגם עמיד בלחץ – סביר להניח שלא תצליחו למצוא חומר טהור שיצליח לענות לכם על כל הדרישות הללו יחד.  מהסיבה הזו המציאו מהנדסי החומרים את החומרים המרוכבים (באנגלית Composite Material).

חומר מרוכב זה חומר שבנוי משני חומרים טהורים (או יותר), בעלי תכונות כימיות ופיזיקליות שונות, המאוחדים יחד ליצירת חומר 'חדש' שתכונותיו שונות מכל אחד מהחומרים בנפרד – התכונות שלו הן בעצם איחוד של חלק מהתכונות של כל אחד מהחומרים המרכיבים אותו. בחומר המרוכב הרכיבים אמנם 'מעורבבים' יחד, אבל בצורה גסה / מאקרוסקופית, כך שכאשר מסתכלים על החומר המוגמר אפשר לראות בו את הרכיבים שמהם הוא בנוי.

חומרים מרוכבים הם לא באמת המצאה חדשה – אפשר להגיד כי בקתות בוץ, אשר בנויות מתערובת של אדמת טיט, חול, וצואת בעלי חיים, שמטוייחים על שלד של קש ארוג הם סוג של חומר מרוכב שעולה בתכונותיו על פני טיט טהור, או חול טהור או קש טהור. מעריכים זה למעשה החומר המרוכב הראשון מעשה ידי אדם.

סביר להניח שהחומר המרוכב הנפוץ ביותר הוא בטון – שמכיל תערובת של מלט (שמשמש מעין דבק לתערובת), חול, חצץ ורשת ברזל (אם מדובר בבטון 'מזוין'). תכונות הבטון הן שילוב ולכן גם עולות על תכונות כל אחד מהחומרים המרכיבים אותו בנפרד.

מרצפת בטון – תערובת של אבנים חול וחומרי מליטה. חומר מרוכב | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

אבל לא רק האדם ייצר חומרים מרוכבים – גם הטבע. למעשה עץ הוא חומר מרוכב. העץ הוא לא חומר 'אחיד' אלא מורכב בעיקר משני רכיבים עיקריים – סיבים ארוכים וחזקים של חומר הנקרא תאית, שמחוברים יחד, מודבקים יחד באמצעות חומר שנקרא ליגנין (שמתפקד כמעין דבק / פלסטיק). התוצאה היא חומר שהוא גם חזק מאוד בפני מתיחה, וגם בעל גמישות כתכונות הסיבים, וגם חזק מאוד בפני לחץ – כתכונות הליגנין.

עצים שונים – חומר מרוכב מהטבע | מקור: ויקיפדיה, יוצר: Anonimski

חומרים מרוכבים מודרניים

העץ הוא דוגמא טובה לרוב החומרים המרוכבים המודרניים – שילוב של סיב כלשהו עם חומר דבק כלשהו.

סיבים – הם חומר בעל גמישות רבה, וחומרים בעלי עמידות רבה בפני מתיחה (תחשבו על חבל או כבל). אבל לא עמידים כלל בפני לחץ.

חומר דבק כלשהו – לרוב קשיח, לא עמיד כל כך בפני מתיחה, אבל לרוב עמיד בפני לחץ.

שילוב של שני סוגי חומרים כאלה יוצר חומר שהוא עמיד גם בפני לחץ, וגם בפני מתיחה, והוא גם גמיש. כיוון שאפשר להשתמש בכמות קטנה של סיבים המצופים בכמות קטנה של דבק החומר המתקבל הוא גם קל משקל.

השוני בין רוב החומרים המרוכבים המודרניים השוני הוא בסוג הסיבים שבהם משתמשים וסוג הדבק שמאגד אותם.

הסיבים הנפוצים ביותר לשימוש בחומרים מרוכבים הם סיבי זכוכית – פיברגלס. השימוש בפיברגלס נפוץ היום בכל תחומי החיים: מגלשות לילדים, מכוניות, גלשנים, סירות ואפילו יאכטות קטנות מיוצרים היום מסיבי זכוכית המצופים בדבק פלסטי כלשהו. סיבי זכוכית קטנים עמידים בפני מתיחה ובעלי גמישות, וציפוי הפלסטיק מקשה אותם ומגן עליהם.

המכונית הישראלית סוסיתא "קובייה", דגם 1963 – מרכב המכונית היה עשוי פיברגלס | מקור: ויקיפדיה, יוצר: Almog

סיבי פחמן

החומר החדשני ביותר שמשמש כסיב בחומר מרוכב הוא יריעות פחמן או סיבי פחמן. אלו סיבים דקים בקוטר של כמאית המילימטר המכילים בעיקר אטומי פחמן. מיצרים אותם על ידי פיחמון סיבים של חומר אורגני אחר, כמו חוטים או בדים של משי או פוליאסטר על ידי חימומם בסביבה נטולת חמצן. דומה לתהליך שבו מייצרים פחמים ל'מנגל''–שם מחממים חתיכות של עץ ללא נוכחות אוויר, והעץ עובר תהליכי פירוק עד שהופך לפחם.

יריעות הפחמן מצטיינות במשקל קל ובחוזק מתיחה רב (יחסית למשקלם) ומשמשות בבניית מוצרים הדורשים משקל קל וחוזק מתיחה רב, כמו כנפיים של מטוסים, אופנועי ואופני מירוץ, חכות דייג וכדומה. כאשר הסיב נמצא ללא תוספות אפשר לכופף אותו בקלות, אבל הספגתו בפולימר כמו דבק אפוקסי, יוצרת חומר קשה עמיד ודק.

יריעת פחמן ליד שלדת אופניים הבנויה מחומר מרוכב המבוסס על סיבי פחמן | צילום מסך מתוך הסרטון

סיבי הפחמן מהווים מעין שלד חזק בחומר – כמו תפקיד רשת הברזל שנמצאת בתוך בטון מזויין שמשמש לבניית מקלטים וממ"דים. תחילה מעצבים את הצורה הדרושה מיריעות הפחמן, כמו תפירה של בגד, למשל צינור שישמש כחכת דייג, או צורה אליפטית שיוצרת כנף-מטוס, אחר-כך 'מלבישים' את הבד על תבנית בצורה הרצוייה ולבסוף מספיגים אותו בפולימר המקשה.

בנוסף לתכונות המכניות הטובות של גוף מטוס שבנוי מסיבי פחמן, בהשוואה לגופים הבנויים אלומיניום (חומר הבנייה הנפוץ של מטוסי הנוסעים הקודמים) הוא גם קל יותר – וגם לא נפגע מקורוזיה, כך שלא מצריך צביעת הגנה, מה שנותן לו עוד יתרון של משקל ותחזוקה ברבות השנים בהשוואה לחומר הבנייה הקודם. משקל קל יותר מאפשר חסכון בדלק.

בסרטון הבא בסדרה נראה כיצד גוף המטוס החזק מתרגם לעמידות גבוהה יותר מפני לחצים – ומה המשמעות של זה.