Materiaalkunde

Materiaalkunde bestudeert de eigenschappen van materie om wetenschappelijke en technische problemen op te lossen. Daarbij wordt gebruik gemaakt van toegepaste natuurkunde en scheikunde. Superkleine nanotechnologie heeft de laatste jaren aandacht gekregen. Er zijn veel uitvindingen van nieuwe materialen. Onderzoek naar de redenen waarom structuren falen of stuk gaan is zeer belangrijk voor de techniek.

Afbeelding van twee "Fullerene Nano-gear" met meerdere tanden.

Simulatie van de buitenkant van de Space Shuttle als deze opwarmt tot meer dan 1.500 °C (2.730 °F) tijdens de terugkeer in de aardatmosfeer.

Geschiedenis

Het belangrijke materiaal van een bepaald tijdperk is vaak bepalend. Voorbeelden zijn de steentijd, de bronstijd en de ijzertijd.

Materiaalkunde bestudeerde oorspronkelijk keramiek en metallurgie. Deze oude ambachten maken materiaalkunde tot een van de oudste vormen van engineering en toegepaste wetenschap. Een belangrijke doorbraak in het begrip van materialen vond plaats aan het eind van de 19e eeuw, toen de Amerikaanse wetenschapper Josiah Willard Gibbs aantoonde dat de fysische eigenschappen van een materiaal verband hielden met de atoomstructuur ervan. Naarmate de fasen veranderden, veranderden ook de fysische eigenschappen van het materiaal.

Belangrijke elementen van de moderne materiaalkunde zijn een product van de ruimtewedloop: het begrip en de engineering van de metaallegeringen, en silicium- en koolstofmaterialen, die worden gebruikt bij de bouw van ruimteverkenningsvoertuigen.

Materiaalkunde is nu verbonden met de ontwikkeling van kunststoffen, halfgeleiders, keramiek, polymeren, magnetische materialen, medische implantaten en biologische materialen.

De materiaalwetenschapper/ingenieur houdt zich ook bezig met de extractie van materialen en de omzetting ervan in nuttige vormen. Het gieten van ingots, giettechnieken, hoogovenextractie en elektrolytische extractie behoren dus allemaal tot de vereiste kennis van een metallurg/ingenieur. Vaak heeft de aanwezigheid, afwezigheid of variatie van minieme hoeveelheden secundaire elementen en verbindingen in een bulkmateriaal een grote invloed op de uiteindelijke eigenschappen van de geproduceerde materialen; zo worden staalsoorten ingedeeld op basis van 1/10 en 1/100 gewichtspercentages koolstof en andere legeringselementen die zij bevatten. De extractie- en zuiveringstechnieken die bij de extractie van ijzer in de hoogoven worden toegepast, zijn dus van invloed op de kwaliteit van het staal dat kan worden geproduceerd.

Oorzaak van storingen

De studie van rampen in de 19e en 20e eeuw leidde tot enkele belangrijke ontdekkingen. A.A. Griffith (1893-1963) ontdekte dat echte materialen nooit in de buurt komen van hun theoretische sterkte. Dit was een baanbrekende ontdekking die leidde tot veranderingen in vele industrieën. Staal bijvoorbeeld krijgt bijna 1/10e van zijn theoretische sterkte, maar de meeste vaste stoffen zijn 100 tot 1000 keer zwakker dan verwacht.

De inzichten van Griffith werden verder ontwikkeld door J.E. Gordon (1913-1998). Gordon zei dat alle eenvoudige vaste stoffen van nature bros zijn. Taaiheid - breukvastheid - moet in materialen worden ingebouwd. De gebruikelijke manier is om ander materiaal aan de zuivere stof toe te voegen. Dat maakt de structuur complexer, en dat maakt de kans op breuk kleiner. Een goed voorbeeld is kogelvrij glas, waar een plastic laag op glas geplakt het vele malen sterker maakt dan beide materialen afzonderlijk zouden zijn. De persoonlijke bepantsering op basis van Kevlar is een ander voorbeeld. Biologische materialen hebben deze eigenschap van nature. Botten buigen een beetje voordat ze het breekpunt bereiken, en boomstammen hebben ook enige "meegevendheid".

Metaallegeringen

De industriële studie van metaallegeringen is een belangrijk onderdeel van de materiaalkunde. Van alle metaallegeringen die tegenwoordig in gebruik zijn, vormen de ijzerlegeringen (staal, roestvrij staal, gietijzer, gereedschapsstaal, gelegeerd staal) zowel qua hoeveelheid als qua handelswaarde het grootste deel. IJzer gelegeerd met verschillende percentages koolstof levert laag-, midden- en hoogkoolstofstaal op. Een ijzer-koolstoflegering wordt alleen als staal beschouwd als het koolstofgehalte tussen 0,01% en 2,00% ligt. De hardheid en de treksterkte van het staal zijn gerelateerd aan de hoeveelheid aanwezige koolstof. Een hoger koolstofgehalte leidt tot een lagere ductiliteit en taaiheid. Warmtebehandelingsprocessen zoals afschrikken en ontlaten kunnen deze eigenschappen echter aanzienlijk veranderen. Gietijzer wordt gedefinieerd als een ijzer-koolstoflegering met meer dan 2,00% maar minder dan 6,67% koolstof. Roestvrij staal wordt gedefinieerd als een gewone staallegering met meer dan 10 gewichtspercenten chroom als legeringselement. Nikkel en molybdeen komen ook voor in roestvrij staal.

Andere belangrijke metaallegeringen zijn die van aluminium, titanium, koper en magnesium. Koperlegeringen zijn al lang bekend (sinds de bronstijd), terwijl de legeringen van de andere drie metalen relatief recent zijn ontwikkeld. Vanwege de chemische reactiviteit van deze metalen zijn de vereiste elektrolytische extractieprocessen pas vrij recent ontwikkeld. De legeringen van aluminium, titanium en magnesium zijn ook bekend en gewaardeerd om hun hoge sterkte-gewichtsverhouding en, in het geval van magnesium, hun vermogen om elektromagnetische afscherming te bieden. Deze materialen zijn ideaal voor situaties waarin een hoge sterkte-gewichtsverhouding belangrijker is dan de bulkprijs, zoals in de luchtvaartindustrie en bepaalde toepassingen in de automobielsector.

Polymeren

Polymeren zijn ook een belangrijk onderdeel van de materiaalkunde. Het zijn de grondstoffen voor wat wij gewoonlijk kunststoffen noemen. Kunststoffen zijn eigenlijk het eindproduct. Ze worden gemaakt wanneer tijdens de verwerking polymeren of additieven zijn toegevoegd aan een hars. Het mengsel wordt dan in een definitieve vorm gegoten. Gangbare polymeren zijn onder meer polyethyleen, polypropyleen, PVC, polystyreen, nylons, polyesters, acrylaten, polyurethanen en polycarbonaten.

PVC (polyvinylchloride) wordt veel gebruikt, is goedkoop en de jaarlijkse productiehoeveelheden zijn groot. Het leent zich voor een ongelooflijke reeks toepassingen, van kunstleer tot elektrische isolatie en bekabeling, verpakkingen en containers. Het is eenvoudig te maken. Het accepteert een breed scala aan weekmakers en andere additieven, die het verschillende eigenschappen geven.

Huishoudelijke artikelen van verschillende soorten plastic.

Keramiek en glas

Een andere toepassing van de materiaalwetenschappen zijn de structuren van glas en keramiek, die doorgaans worden geassocieerd met de meest brosse materialen. Keramiek en glas gebruiken covalente bindingen en ionisch-covalente bindingen met SiO₂ , silica of zand, als fundamentele bouwsteen. Keramiek is zo zacht als klei en zo hard als steen en beton. Meestal zijn ze kristallijn van vorm. De meeste glazen bevatten een metaaloxide dat met silica is versmolten. Bij de hoge temperaturen waarmee glas wordt bereid, is het materiaal een viskeuze vloeistof. Bij afkoeling vormt glas een amorfe structuur. Ramen en brillen zijn hiervan belangrijke voorbeelden. Er bestaan ook glasvezels. Diamant en koolstof in grafietvorm worden beschouwd als keramiek.

Technische keramiek staat bekend om zijn stijfheid, hoge temperatuur en stabiliteit bij compressie en elektrische spanning. Aluminiumoxide, siliciumcarbide en wolfraamcarbide worden gemaakt van een fijn poeder van hun bestanddelen in een proces van sinteren met een bindmiddel. Heet persen levert materiaal met een hogere dichtheid op. Chemische dampafzetting kan een film van keramiek op een ander materiaal aanbrengen. Cermets zijn keramische deeltjes die enkele metalen bevatten. De slijtvastheid van gereedschappen is afgeleid van gecementeerde carbiden, waaraan de metaalfase van kobalt en nikkel is toegevoegd om de eigenschappen te wijzigen.

Si3 N4 keramische lageronderdelen

Samengestelde materialen

Een andere toepassing van materiaalkunde in de industrie is het maken van composietmaterialen. Composietmaterialen zijn gestructureerde materialen die bestaan uit twee of meer macroscopische fasen. Toepassingen variëren van structurele elementen zoals staalgewapend beton, tot de thermisch isolerende tegels die een belangrijke en integrale rol spelen in het systeem voor thermische bescherming van de Space Shuttle van de National Aeronautics and Space Administration (NASA), dat wordt gebruikt om het oppervlak van de shuttle te beschermen tegen de hitte van de terugkeer in de aardatmosfeer. Een voorbeeld is Reinforced Carbon-Carbon (RCC), het lichtgrijze materiaal dat bestand is tegen temperaturen tot 1510 °C (2750 °F) bij terugkeer in de dampkring en dat de vleugelvoorranden en de neuskap van het ruimteveer beschermt. RCC is een gelamineerd composietmateriaal gemaakt van grafiet rayon doek en geïmpregneerd met een fenolische hars. Na uitharding bij hoge temperatuur in een autoclaaf wordt het laminaat gepyroliseerd om de hars om te zetten in koolstof, geïmpregneerd met furfural alcohol in een vacuümkamer, en uitgehard/pyroliseerd om de furfural alcohol om te zetten in koolstof. Met het oog op de oxidatiebestendigheid voor hergebruik worden de buitenste lagen van de RCC omgezet in siliciumcarbide.

Andere voorbeelden zijn de "plastic" omhulsels van televisietoestellen, mobiele telefoons en soortgelijke voorwerpen. Deze kunststofbehuizingen zijn meestal een composietmateriaal. Het is een thermoplastische matrix zoals acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) waaraan calciumcarbonaatkrijt, talk, glasvezels of koolstofvezels zijn toegevoegd voor extra sterkte, bulk of elektrostatische dispersie. Deze toevoegingen kunnen worden aangeduid als versterkende vezels of dispergeermiddelen, afhankelijk van hun doel.

Nieuw magnetisch materiaal

Er is een nieuw magnetisch materiaal ontdekt. Het zou harde schijven van computers en energieopslagapparaten kunnen transformeren.

Een zeer gevoelige metaalbilaag heeft slechts een kleine temperatuursverandering nodig om zijn magnetisme drastisch te veranderen. Dit is een zeer nuttige eigenschap in de elektronica. "Geen enkel ander bekend materiaal kan dit. Het is een enorm effect. En we kunnen het ontwikkelen", aldus Ivan Schuller, van de Universiteit van Californië, San Diego.

Het materiaal combineert dunne lagen nikkel- en vanadiumoxide. Deze structuur reageert verrassend goed op warmte. "We kunnen het magnetisme controleren in een klein temperatuurbereik - zonder een magnetisch veld toe te passen. En in principe zouden we het ook met spanning of stroom kunnen regelen", aldus prof. Schuller.

Een doek van geweven koolstofvezelfilamenten wordt gewoonlijk gebruikt ter versterking van composietmaterialen.

Klassen van materialen

Materiaalkunde omvat verschillende klassen van materialen, die elk een afzonderlijk gebied kunnen vormen. Materialen worden soms ingedeeld naar het type binding tussen de atomen: