הכתבה פורסמה במגזין אוטו בגיליון 222.
כבר אבותינו במצרים ידעו להתלונן בפני קלגסיהם המצרים כי ^חומר אין נותנים לעבדיך ולבנים אומרים לנו עשו^. כבר הם השתמשו בחומר מרוכב: סיבים טבעיים (קש), בתוך מטריצה של טיט. ומאז, כל חומר גלם לייצור מכונה ^חומר^. החומרים המעניינים אותנו הם כמובן אלה המשמשים לייצור המרכב - החלק הנראה לעין, שעל פיו נקבע הרושם הראשוני. פרט לעיצוב המרכב בתצורות רבות ומגוונות, עליהן נדון בכתבה הבאה, כבר למדנו כי למרכב חשיבות רבה לקשיחות המבנית של הרכב, וכפועל יוצא מכך להתנהגות הדינמית ולבטיחות. לאורך היסטוריית הרכב הקצרה, נעשה שימוש בחומרים רבים ומגוונים, שתכליתם הייתה שונה בכל תקופה. מרחב השיקולים שהשפיעו על בחירת החומרים למרכב נע בין כלכליות, ליכולת ייצור, עמידות, קשיחות ותדמית, ולאחרונה גם יכולת מיחזור. לאורך השנים נעשו ניסיונות רבים לפתח חומרים חדשים, ואלה קיבלו תנופה בעיקר בשני העשורים האחרונים.
מרכבות הפלדה
לא לחינם הייתה תקופת הברזל נקודת מפנה בהיסטוריה האנושית: החומר החדש התגלה כבעל תכונות יוצאות מן הכלל לעיבוד, בצד חוזק ואלסטיות. חישולו בחום איפשר לייצר חומר קשה, אף כי לא קשה דיו לצורכי ייצור מכונות. במחצית המאה ה-19, גילה ממציא בריטי כי חימום של ברזל לטמפרטורה גבוהה של כ-800 מעלות, באווירה רוויה בפחמן, גורמת לפחמן להיספג בתוך המבנה הפנימי של הברזל. לחומר שנוצר היו תכונות חיוביות רבות: קושי גבוה יותר, אלסטיות המונעת שברים וסדקים וחוזק גבוה יותר למאמצים. היישום המיידי היה למסילות ברזל, שסבלו עד אז ממעוותים ושברים.
בהמשך אומצה הפלדה לבניית אוניות והחל מ-1910 גם כשלד לגורדי שחקים. מאז ועד היום לא הופסק פיתוח הפלדה, עד כדי מצב בו יש כיום מאות סוגים של פלדות לצרכים שונים, אותם ניתן לסווג לפי המבנה הפנימי שלהן או לפי תכונותיהם המכניות. פלדות מכונות ככאלה, אם מדובר בברזל כחומר הבסיס, ואליו מוספים חומרים שונים, באחוזים קטנים מאד, של פחמן, מנגן, סיליקון, כרום, ניקל, מוליבדן, נחושת וטונגסטן. לצורך ההמחשה, כמות קטנה מדברת על 0.15 אחוז פחמן בפלדת פחמן פשוטה. הפלדות המכילות את הכרום, הניקל והמוליבדן מכונות ^סגסוגות פלדה^.
פלדה רגילה רגישה לנוכחות חמצן, הגורם לה להחליד, או בשפה המקצועית: קורוזיה. גם פלדות מתקדמות יותר, המכונות ^פלדות בלתי מחלידות^, המוכרות יותר בשם ^נירוסטה^, עוברות תהליך התחמצנות. כאשר הנירוסטה פועלת באווירה לחה בלבד, היא עומדת בפני התקפת החמצן, אך כאשר מצטרפים לתהליך חומרים מאכְּלים, כמו חומצות, גם נירוסטה עלולה להיפגם, בפרט אם יש בה פגמים שנוצרו בתהליך הייצור. אחת ההגנות הנפוצות כיום על פלדה, למניעת קורוזיה בעיקר בשלדה, הינה גילוון השלדה.
תהליך זה, הקרוי על שמו של המדען האיטלקי לואיג'י גלוואני, כולל ציפוי פלדה וברזל במעטה של אבץ חם, למניעת קורוזיה. אבץ יוצר עם חמצן תחמוצת שנראית כמעין אבקה לבנה על פני החומר המגולוון. תחמוצת זו מגינה על החומר ואינה תוקפת אותו. תהליך הגילוון מתבצע בתום כל הקידוחים הנדרשים בשלדה, על מנת שכל פני שטח הקידוח, כולל הדפנות, יצופה באבץ. תהליך זה, שנראה כה טריוויאלי, לא היה נפוץ בתעשיית הרכב, משיקולי עלות וזמן. גילוון השלדה דורש זמן נוסף בייצור, להתגבשות האבץ, בטרם ניתן להמשיך בייצור. אך הגילוון אינו מהווה תעודת ביטוח כנגד חלודה, משתי סיבות: אם הציפוי אינו מושלם, ונשארו חורים שאינם מצופים, אלה עלולים לגרום לתופעה המכונה ^גימום^ - מלשון ^גומה^: תהליך הקורוזיה יתחיל בה, יחדור מיד לעומק החומר ויתקדם מהר יותר מאשר לו לא היה החומר מגולוון כלל. החיסרון השני נובע מכך שבתום גלוון השלדה, עדיין נדרש לרתך אליה את חלקי המרכב, ותהליך הריתוך פוגע בציפוי האבץ. הפתרון האולטימטיבי הינו, כמובן, לטבול את המכונית כולה באבץ, אך זאת ניתן לעשות רק כאשר הרכב בנוי על שלדה אחודה (מונוקוק), בגמר הריתוך.
החיסרון השני נעוץ בתכונת היסוד של הברזל: המשקל הסגולי של הברזל הוא פי 7.85 ממים, וזהו משקל הפלדה בכל סוג שהוא, לא משנה מה הרכבה. אלא שככל שהפלדה חזקה יותר, ניתן להשתמש בפחות ממנה ובכך להקטין את המשקל. משום שהפלדה הייתה חומר גלם זמין ביותר בתחילת דרכה של המכונית, ולמרות שכמעט כל המכוניות שיוצרו שתחילת המאה העשרים היו מכוניות פתוחות, בכל זאת היו כבדות מאד. לדוגמא, ה- מכונית של תקופה זו, פורד מודל טי, שהייתה מכונית קטנה, שקלה 545 ק^ג, ^בזכות^ היותה עשויה מפלדה. המלחמה להפחתת המשקל החלה.
מרכיבים חומרים
חומרים מרוּכָּבים (ולא מורכבים, כפי שנהוג לשגות), הם חומרים הבאים לנצל תכונות מכניות שונות של חומרים, על-מנת לקבל תוצר הטוב מסכום מרכיביו. הדוגמא הקלאסית לחומר מרוכב בסיסי הוא בטון מזוין. הבטון, שהוא חומר קשה ובלתי גמיש לחלוטין, מתוגבר במוטות ברזל מצולע. לברזל גמישות טובה וחוזק לכפיפה, וכאשר הבטון נוצק לתוך שלד הברזל, מתקבל חומר חזק, שאינו נסדק תחת עומס. תשתית החומר נקראת ^מטריצה^ והחיזוק מושג באמצעות ^סיבים^.
הרעיון הבסיסי בחומרים מרוכבים טוען כי על-מנת לחלק את העומס, יש צורך בשני מרכיבים: שלד החומר והדבק. הדבק שומר על מיקום השלד, ודואג לחלוקת העומס בין כל מרכיביו. מרכיבי השלד מכונים ^סיבים^, בעוד הדבק מכונה ^שרף^. לתכונות החומר המרוכב ארבעה גורמים: התכונות המכניות של הסיב עצמו, אופי המגע בין הסיב לשרף, כמות הסיבים בחומר וכיוונם. בהנחה כי התכונות המכניות של הסיב הן נתונות לחומר מסוים, אופי המגע נשלט בתהליך ייצור הסיבים: חספוס פני השטח מאפשר יתר מגע בין השרף לסיב. לכיוון הסיבים חשיבות רבה, כיוון שהוא מגדיר באיזה כיוון יהיה חוזק החומר הגבוה ביותר. הסיבים מתוכננים לשאת עומס בכיוונם האורכי בלבד, ולכן לאופן שיכובם בחומר משמעות רבה. בתחילת הדרך, לכיווניות לא הוקדשה מחשבה רבה.
החומר המרוכב הראשון בו נעשה שימוש בתעשיית הרכב היה הפיברגלאס. זה, שהיה נושא לבדיחות לא מעטות על הסוסיתות הקשישות שנאכלו על ידי גמלים בנגב, עבר שנים רבות עד שהובנה חשיבותו ואובחנו תכונותיו לשימוש בתעשיית המטוסים, הרכב והסירות. אמנם, כבר במחצית המאה ה-19 יוצרו סיבי זכוכית, אך הם שימשו לבידוד בלבד. בדומה להמצאות רבות אחרות, תהליך ייצור סיבי הזכוכית התגלה בטעות, בעת ניסוי שנערך בקורנינג, בירת הזכוכית של ארה^ב ב-1935, כשאויר בלחץ שפגע בזכוכית מותכת, פיזר אלפי סיבי זכוכית. במקביל, פותח על ידי דו-פון שרף פוליאסטר, שהיה החומר המתאים להדבקת סיבי הזכוכית. החומר החדש היה גם מקור לפרשיית ריגול במהלך מלחמת העולם השניה, כאשר מרגלים בריטיים הצליחו לגנוב מהגרמנים את הנוסחה לשרף פוליאסטר חדש, והנוסחה הועברה לאמריקאים, שכבר ב-1942 הצליחו לייצר את הפיברגלאס המוכר לנו היום.
כבר באותה שנה, שימשה ההמצאה החדשה את מכונת המלחמה, כאשר חלקי מטוסים יוצרו מהפיברגלאס, שהתגלה כחומר קל משקל יחסית לחוזקו. עם זה, השימוש בו הוגבל ללוחות גוף שאינם נושאים עומסים. בתום מלחמת העולם השנייה, וכרוב הטכנולוגיות שפותחו במהלכה, אומץ החומר בחום על-ידי תעשיית הרכב. הדבקים המשמשים לייצורו שופרו מאז רבות, וכיום הם כוללים גם דבקים פנוליים ואפוקסיים, המשפרים את עמידות החומר. גם היום מיוצרות מכוניות סדרתיות לא מעטות מפיברגלאס, חלקים רבים למכוניות אחרות וכל הקיטים להרכבה של רפליקות למכוניות ספורטיביות.
אקזוטיקה במיטבה
טכנולוגיית החומרים המרוכבים התפתחה לכיוונים חדשים. לאחר שהמהנדסים נוכחו לדעת כי הפיברגלאס חוסך משקל, הוחל בחיפוש אחרי חומר קל יותר וחזק יותר. הפתרון נמצא בדמותו של סיב חדש שפותח ביוזמה פרטית של מהנדסת בחברת דו-פון, בשם סטפני קוולאק. הסיב, המבוסס על משפחת הניילון, נקרא בשמו המוכר ^קֶוולָאר^, על-שם המהנדסת, ששמה האמיתי לא נחשב אטרקטיבי מספיק. במבחן מקובל, גם אם תיאורטי, של הרמת סיב על ידי מסוק, עד לקריעתו מכובד משקלו העצמי, התקבל כי סיב קוולאר חזק פי 9(!) מחוט פלדה בעובי דומה. כאשר חוזק זה בא במשקל סגולי של 1.44 (לעומת 7.85 של פלדה), ברור יתרונו האדיר. את סיבי הקוולאר אורגים כמו בד, וככל שצפיפות הסיבים גדולה יותר, כך גם חוזקו. הקוולאר משמש היום במכוניות-על בעיקר, בשל מחירו, ומייצרים ממנו חלקי גוף, מצמדים ודסקיות בלם.
אך ההתפתחות לא נעצרה בקוולאר, אלא המשיכה דרך חומר היסוד לכל חי: פחמן, או בצורתו הטהורה, גרפיט. הגרפיט הוא מעין ^סדין^ של אטומי פחמן המסודרים בדומה לחלת דבש - צורת האריזה הקומפקטית ביותר בטבע, המשושה. כתוצאה מכך, לגרפיט חוזק גבוה בכיוון מישור ה^סדין^. סדיני הגרפיט מודבקים ביחד באמצעות שרף אפוקסי, שכאן המקום להסביר מהו.
אפוקסי הוא שרשרת ארוכה של מולקולות המורכבות מפחמן, מימן וחמצן. בשני קצות השרשרת יש מולקולה ספציפית, המכונה ^הקבוצה האפוקסית^, שלה תכונות היקשרות טובות מאד מול מולקולות אחרות. נשמע מסובך? אולי, אך מה שצריך לעניין אותנו, הוא שהאפוקסי מחזיק את סדיני הגרפיט המסודרים בצורה מאד ספציפית, לקבלת חומר בעל חוזק הדומה לפלדה, אך קל ממנה פי כמה. כמה? המשקל הסגולי של סיבי פחמן הוא 1.75, פחות מרבע מהפלדה, בעוד שהחוזק למתיחה גדול כמעט פי שלושה מפלדה בחוזק גבוה. גם היכולת האלסטית של סיבי הפחמן גבוהה יותר משל הפלדה, אם כי כאן ההפרש הוא ^רק^ 10%. סיבי הפחמן משמשים במכוניות פורמולה 1 ובמכוניות על, בלוחות גוף, דסקיות בלם, מצמדים ואפילו בתור מארזים למכללים אוטומוטיביים - תיבות הילוכים, כדוגמא.
והמחיר?
על אף שכמעט בלתי אפשרי להשוות בין מחירי החומרים, שכן בשל התכונות השונות קשה להגדיר מחיר ליחידת משקל או אורך, ננסה בכל זאת להבהיר את המשמעויות, שבגינן פלדה בכל זאת היא עדיין החומר המוביל בתעשיית הרכב, בעיקר בתחום המרכבים, שם שטח החומר הוא הגדול ביותר.
קילוגרם אחד של פלדת שריון, שכמובן יקר בהרבה מפלדה פשוטה בה נעשה שימוש למרכב, עולה בין שלושה לשישה דולר. עבור משקל זהה של קוולאר, ישולם סך שינוע בין 40 ל-80 דולר, ועבור סיבי פחמן, באיכות סבירה, נשקול לידי המוכר החל מ-150 דולר לק^ג. כעת אפשר להבין מדוע רק מכוניות פורמולה 1 עשויות מחומרים אלה. חומר אקזוטי נוסף, הטיטניום, יטופל בכתבה הבאה.
