Materiaalkunde in een notendop

Materialen vormen de basis voor alles wat we om ons heen zien. Want waar zouden smartphones, auto’s, gebouwen of zonnecellen zijn zonder de juiste materialen? Materialen zijn zo vanzelfsprekend, dat we bijna vergeten hoe bijzonder ze zijn.

Materiaalkunde geeft antwoord op de vragen ‘Waarom is juist dát materiaal geschikt voor die toepassing?’ en ‘Aan welke knoppen moet je draaien om betere materialen te krijgen – mochten de huidige niet voldoen?’

Materiaalkunde en materiaaltechnologie hebben een zekere verwantschap. In het Nederlands worden deze termen vaak door elkaar gebruikt, maar in het Engels en Amerikaans spreek je over ‘materials science’ naast ‘materials technology’. Als je dit onderscheid aanhoudt, dan geeft ‘science/kunde‘ antwoord op de ‘waarom’-vraag, en ‘technologie‘ op de ‘hoe’-vraag.
Aan de ene kant wil je weten ‘Waarom is juist dat materiaal geschikt voor die toepassing?’ Dus antwoord krijgen op vragen als ‘waarom zijn bakstenen juist geschikt om huizen van te bouwen’, ‘waarom is glas juist doorzichtig zodat je er ramen en glasvezels voor datatransport van kunt maken’.
Aan de andere kant komt het voor dat je een specifiek materiaal al gebruikt voor een bepaalde toepassing, maar dat het net niet meer voldoet – al dan niet door voortschrijdend inzicht. Stel dat je de hoeveelheid metaal in een auto of vliegtuig kunt reduceren, dan scheelt dat in de brandstof doordat je minder gewicht hoeft mee te dragen. Dat kan betekenen: een ander ontwerp waarbij je minder materiaal nodig hebt – bijvoorbeeld holle buizen in plaats van dichte balken. Maar je kunt het metaal zelf ook sterker maken, waardoor je minder materiaal nodig hebt voor dezelfde sterkte – en dus een lager gewicht. Kortom: je wilt weten aan welke knoppen je moet draaien om betere materialen te krijgen, en daar gaat het om bij materiaaltechnologie.

De essentie van materiaalkunde
Hier komen we aan bij de essentie van de materiaalkunde: de keten maken – structuur – eigenschappen – toepassing en de relaties hiertussen (zie afbeelding 1). Materiaalkunde als werkgebied vertelt welke invloed microstructuur – dus de structuur op de kleinste schaal – heeft op de uiteindelijke eigenschappen van een materiaal, en daardoor op diens toepassingen. Door tijdens het vervaardigen ervan op kleine schaal aan de juiste knoppen te draaien, kun je de gewenste eigenschappen van een materiaal – en dus van een product – tot stand brengen of verbeteren.


Afbeelding 1: De essentie van materiaalkunde

Als je voor een bepaalde toepassing het meest geschikte materiaal wilt kiezen, dan loop je de keten van rechts naar links door. Begin eerst met de eisen die worden gesteld aan de toepassing: moet het materiaal licht zijn, of sterk, of flexibel, of corrosiebestendig, moet het juist wel of geen stroom geleiden, wat is de maximale gebruikstemperatuur, noem maar op. Liefst met de belangrijkste eis voorop. Zorg vervolgens dat deze eisen overeenkomen met materiaaleigenschappen, en hier volgt het gewenste materiaal uit. Voldoet het nog niet helemaal, dan moet je het maakproces aanpassen.

Structuren van materialen
Laten we eens een paar onderdelen van de keten maken – structuur – eigenschappen – toepassing onder de loupe nemen. Letterlijk, door er op atoom- of molecuulschaal op in te zoomen (zie afbeelding 2), en dan kom je de volgende ‘micro’structuren tegen:
Kristallijn materiaal: vrijwel perfecte, regelmatige, in drie richtingen zich herhalende rangschikking van atomen. Het is in feite één groot kristal. Diamant is daar een goed voorbeeld van, maar ook saffier zoals in lenzen voor camera’s in smartphones, of silicium als basis voor computerchips.
Polykristallijn materiaal: een groot aantal korreltjes, die elk op zich kristallijn zijn. Naast ‘echt’ materiaal heb je hier ook te maken met korrelgrenzen. Keramiek en metaal zijn doorgaans polykristallijn.
Amorf materiaal: geen regelmatige rangschikking van atomen, ze zitten los door elkaar heen. Vergelijk het maar met een vloeistof waarvan de deeltjes als het ware op hun plek bevroren zijn. Glas bijvoorbeeld van, maar ook sommige kunststoffen.


Afbeelding 2: Microstructuur van materialen

Als je deze microstructuren in groepen onderbrengt, dan kom je op drie hoofdgroepen uit: kunststoffen, metalen en keramiek. Kunststof is vooral populair omdat je de producten ervan in één stap kunt vormgeven – vandaar ook de alternatieve naam ‘plastics’ als uiting van de plastische vormgeving. Rubber kun je hier ook onder vatten – doorgaans een hele elastische kunststof – zij het dat natuurrubber van oorsprong een natuurlijk materiaal is en geen ‘kunst’stof.
Ook metalen danken hun populariteit aan de relatieve eenvoud waarmee je ze tot producten kunt vormgeven. Vanuit mechanisch oogpunt zijn het ideale materialen: stijf en taai.
Keramiek is een heel stabiel materiaal – doorgaans sterk tot op hoge temperatuur, en populair vanwege het veelvuldig voorkomen in de natuur van keramische grondstoffen, met klei als letterlijke ‘grond’stof. Glas is het doorzichtige broertje van keramiek: ook hard, elektrisch isolerend en goed bestand tegen chemische aantasting.
Naast deze drie hoofdgroepen bestaan er ook composieten: combinaties van twee of meer materialen, ‘best of both worlds’, in de hoop dat de eigenschappen van de oorspronkelijke materialen elkaar versterken. Gewapend beton is een composietmateriaal waarbij beton de drukbelasting opvangt; de metalen wapening (in de vorm van staven) kan de trekbelasting aan. Maar denk ook aan glasvezelversterkte kunststoffen: licht en sterk in één materiaal verenigd. Inspiratie voor composieten komt uit de natuur, met hout en bot als voorbeelden.

Het maakproces bestaat uit een veelvoud aan stappen, en is materiaalafhankelijk. Als je een product ‘van nul af aan’ uit grondstoffen wilt gaan maken, dan krijg je met een aantal vervaardigingsstappen te maken. Zo moet je eerst de grondstoffen winnen en in een werkbaar materiaal omzetten, dat je vervolgens in één of meer stappen de juiste vorm geeft en nabewerkt voordat je het uiteindelijke voorwerp hebt.
Wanneer je bezig bent om een (nieuw) materiaal te ontwikkelen, dan weet je pas of het materiaal voldoet nadat je het getest hebt – en zo nodig nog moet aanpassen. Karakteriseren en testen is onderdeel van materiaalontwikkeling. Verbindingstechnieken zijn belangrijk omdat producten meer en meer uit verschillende materialen bestaan, en de afzonderlijke componenten degelijk aan elkaar vast moeten zitten om het product als geheel te laten functioneren. Daarnaast kan het buitenoppervlak van een materiaal een behandeling ondergaan om het materiaal tegen de ‘boze buitenwereld’ te beschermen – harder of slijtvaster te maken, of meer bestand tegen corrosie – of om het uiterlijk mooier te maken met een verflaag.

Eigenschappen
Een volgend onderdeel van de keten maken – structuur – eigenschappen – toepassing is het geheel van materiaaleigenschappen. Verschillende materialen hebben verschillende eigenschappen, die kenmerkend voor hen zijn. Een eigenschap geeft aan hoe een materiaal op invloeden van buitenaf reageert. Zo kan een materiaal buigen of barsten – of hoegenaamd niets doen – als je er een voldoende grote mechanische belasting (krachten) op los laat. Materialen kunnen een elektrische stroom geleiden of juist tegenhouden. Een materiaal kan licht absorberen, doorlaten, weerkaatsen of inwendig verstrooien. Een materiaal kan warmte in hoge of geringe mate geleiden of vasthouden, en goed of slecht bestand zijn tegen hoge temperaturen. In dit overzicht (zie afbeelding 3) zie je hoe deze drie hoofdgroepen het ‘doen’, als je enkele van hun eigenschappen vergelijkt.


Afbeelding 3: Eigenschappen van metaal (groen), keramiek (blauw) en kunststof (rood) in vogelvlucht

Laten we eens een paar concrete voorbeelden nemen om de onderdelen structuur – eigenschappen – toepassing te verduidelijken. Hoe bepaalt de microstructuur nu de eigenschappen van een materiaal, en daarmee de toepassingen? Hoe gedragen diverse materialen zich als ze in aanraking komen met warmte, licht, elektriciteit en mechanische belasting?

Licht of zwaar?
Waarom zijn sommige materialen licht, en anderen daarentegen zwaar? Als je materialen onderling wilt vergelijken, dan kun je beter spreken van de dichtheid, dus de massa per volume-eenheid. Het verschil licht/zwaar komt vooral door de massa van de atomen waaruit ze zijn samengesteld, en veel minder door het volume. Kunststoffen bestaan vooral uit de lichte atomen koolstof, waterstof en zuurstof. Metalen bestaan uit zware metaalatomen. Keramiek is doorgaans een verbinding van een zwaar metaal-atoom met een licht niet-metaal-atoom, en de dichtheid zit tussen die van kunststoffen en metalen in. Denk je dat een baksteen zwaar is: een goudstaaf van dezelfde afmetingen weegt bijna 10x zoveel! (dichtheid baksteen ~ 2 kg/liter, goud ~ 20 kg/liter). Overigens is dit licht/zwaar-onderscheid van de hoofdgroepen kunststof, metaal en keramiek niet absoluut: immers, aluminium en magnesium heten niet voor niets ‘lichtmetalen’.
Lichte materialen kom je vooral tegen in dynamische toepassingen – denk aan aluminium voor fietsen, auto’s of vliegtuigen – terwijl je zware materialen vooral terugvindt in stationaire toepassingen. Spelen met de dichtheid doe je vooral door verschillende materialen met elkaar te mengen (zoals in composieten), of met ‘niets’ te mengen – dus door porositeit in te voeren.

Vrije elektronen in metalen
Van metalen is bekend dat ze goede elektrische geleiders zijn – denk maar aan koperen stroomdraden – doordat sommige elektronen zo zwak aan de atomen gekoppeld zijn, dat ze er gemakkelijk van kunnen worden vrijgemaakt, en zo als een ‘zee van elektronen’ door het metaal heen zwalken. Ze kunnen gemakkelijk van de ene plaats naar de ander stromen, en deze mobiele ladingsdragers vormen de ‘elektrische stroom’.
Maar deze vrije elektronen doen nog meer: ze geven ook warmte door. Metalen zijn niet alleen goede elektrische geleiders, maar ook goede warmtegeleiders vanwege deze vrije elektronen. Als de temperatuur hoger wordt, dan gaat de elektrische en warmtegeleiding omlaag. Wat gebeurt er namelijk? Bij hogere temperaturen gaan de metaalatomen meer rondom hun plaats trillen, en belemmeren dan de vrije elektronen in hun voortgang, waardoor ze langzamer zullen stromen.
Metalen reflecteren licht; denk maar aan spiegels – een laagje aluminium achterop glas. Als op het metaal licht valt, dan nemen de vele vrije elektronen de energie van het licht korte tijd in zich op. Maar zo’n elektron voelt zich niet prettig bij dit hoge energieniveau, en wil het liefst terug naar zijn oorspronkelijke toestand – waarbij de energie van het ingevangen licht weer vrijkomt. Het invallende licht is gereflecteerd, en dit verklaart het spiegelende oppervlak van metalen. Omgekeerd geldt: in het algemeen kun je zeggen dat een materiaal licht doorlaat als het materiaal en het invallende licht geen wisselwerking vertonen. Optische doorlaatbaarheid en elektrische geleidbaarheid werken doorgaans als water en vuur op elkaar in.
Vrije elektronen in metalen doen nóg meer. Omdat deze elektronen niet meer aan één plaats zijn gebonden, kunnen de overblijvende rijen metaalionen gemakkelijk langs elkaar glijden. En dit is de basis voor de plastische vervorming van metalen als er een grote kracht op wordt uitgeoefend. Ze breken niet direct, maar vervormen eerst, en nemen zo een grote hoeveelheid energie in zich op.

Materiaaldefecten
Niet alleen elektronen spelen een grote rol binnen materialen, ook onvolkomenheden op atomaire schaal, met een mooie naam ‘defecten’ vormen de basis voor veel materiaaleigenschappen. Soms zijn deze defecten bewust ingebracht. Denk eens aan een zuurstofsensor, of een hoge-temperatuur-brandstofcel. In beide gevallen hebben we te maken met keramiek, zirkoonoxide, waar in de roosterstructuur bewust een paar zuurstof-plekken leeg zijn gelaten. Als de temperatuur maar voldoende hoog is, dan kunnen naburige zuurstofatomen (of eigenlijk ionen) naar deze lege plekken toespringen, en op hun oorspronkelijke plaats een lege plek achterhouden, waar weer een ander zuurstofion naar toe kan bewegen.
In afbeelding 4 zie je een computersimulatie over langere tijd, waarbij je kunt zien dat zuurstof (in rood) naar andere ‘T-plekken’ in het rooster beweegt. Zo krijg je transport van zuurstof door het rooster. In een zuurstofsensor – zoals een lambda-sensor in de auto die het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen meet en dit terugkoppelt naar de motor om de verbranding te optimaliseren – is de transportsnelheid van zuurstof door het keramiek een maat voor het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen.


Afbeelding 4: Diffusie via puntdefecten van een zuurstofionengeleider

Iets vergelijkbaars geldt voor computerchips, die voor een aanzienlijk deel uit silicium bestaan. Nu is silicium in pure vorm een elektrische isolator. Alle blauwe elektronen die je in afbeelding 5 ziet, zitten vast in de binding tussen een silicium-atoom en z’n buren, en kunnen niet vrij door het rooster bewegen. Maar als je er een beetje fosfor (P) aan toevoegt zoals in dit plaatje, dan wordt het materiaal zogenaamd halfgeleidend (tussen isolator en echte geleider in). Dit fosfor heeft een extra elektron bij zich – hier in rood weergegeven – dat geen onderdeel van de bindingen vormt, en dat wel door het materiaal kan ‘hoppen’, en zo voldoende elektrische geleiding kan geven.


Afbeelding 5: Bewuste defecten – silicium als halfgeleider

Eerder hadden we het al over de rijen metaalionen die gemakkelijk langs elkaar kunnen glijden, en zo de basis vormen voor het mechanische gedrag van metalen met plastische vervorming. Als metalen perfecte materialen zouden zijn, dan zouden ze 10 tot 100 keer sterker zijn dan ze in werkelijkheid zijn. Maar metalen zijn niet perfect – ook pure metalen niet. Ze bevatten defecten die dislocaties heten, en die metalen veel zwakker maken dan hun theoretische sterkte. Dit zijn in afbeelding 6 de randen van de halve roostervlakken. Deze halve vlakken zijn in het rooster gekomen door ‘ongelukjes’ tijdens de groei van het kristalrooster, of door mechanische spanningen in het rooster. Juist de beweging van dislocaties zorgt voor plastische vervorming van metalen – en lage sterktes. Duw maar eens tegen de zijkant: het halve vlak schuift als het ware steeds door in de duwrichting, hoewel de atomen vrijwel op hun plaats blijven. Vervorming die relatief weinig energie kost.


Afbeelding 6: (On)bewuste defecten – dislocaties in metalen

Doorzichtigheid afhankelijk van microstructuur
Afbeelding 7 geeft een voorbeeld van optische eigenschappen van een materiaal, en hoe dit samenhangt met de microstructuur. Hier het keramiek aluminiumoxide dat helemaal transparant, doorschijnend en ondoorzichtig is – afhankelijk van de structuur, en daardoor van het maakproces. Lichtverstrooiing is hier het sleutelwoord.
We gaan even van rechts naar links. Technische keramiek, waar aluminiumoxide onder valt, wordt onder meer gemaakt door poederdeeltjes samen te persen en deze aan elkaar te bakken (‘sinteren’) waardoor je een sterk geheel krijgt. De meeste producten van aluminiumoxide worden niet 100% dichtgesinterd. Grenzen tussen de oorspronkelijke poederkorrels en overblijvende poriën tussen de korrels, beide in dezelfde ordegrootte als de golflengte van het licht, zijn bronnen voor lichtverstrooiing voor deze producten, waardoor ze niet doorzichtig zijn.
Als je het aluminiumoxide nog verder dichtsintert – en daar ook magnesiumoxide als sinterhulpmiddel bij gebruikt – dan verdwijnen vrijwel alle poriën tussen de korrels. Er blijven toch enkele korrelgrenzen tussen de aluminiumoxidekorrels zitten – zie het middelste plaatje – die voor enige verstrooiing zorgen, waardoor het materiaal niet ‘doorzichtig’ maar ‘doorschijnend’ is. Dit materiaal kom je tegen in de bekende oranjekleurige hogedruk-natriumlampen langs de snelweg. Aluminiumoxide is doorschijnend en bestendig genoeg om de corrosieve eigenschappen van het natrium en de hoge druk te kunnen weerstaan.
Het linker plaatje is eenkristallijn aluminiumoxide – ook wel saffier genaamd – dat één zuiver kristal is zonder bronnen van verstrooiing als korrelgrenzen of poriën. Zo’n kristal wordt gemaakt door een heel klein kiemkristalletje te nemen, en deze onder te dompelen in gesmolten aluminiumoxide. Trek dit kiemkristal voorzichtig omhoog, en het gesmolten aluminiumoxide koelt af en kristalliseert uit in dezelfde structuur als het kiemkristal. Toepassing hiervan is de cameralens in smartphones.


Afbeelding 7: Diverse soorten doorzichtigheid van aluminiumoxide

Waardoor isoleert piepschuim?
Van licht gaan we naar warmte. Piepschuim is een materiaal dat als warmte-isolator wordt gebruikt – en warmte dus zeer slecht geleidt. Hoe gebeurt dit? Warmte kan zich verplaatsen door stroming (denk maar aan warme lucht boven een radiator), door straling (zonnestraling) of door geleiding (denk aan het overdragende metaal van warmtewisselaars in de industrie). Voor toepassingen zoals huisisolatie is de omgevingstemperatuur te laag voor warmtestraling om een rol te spelen. Bovendien is de structuur van piepschuim zodanig dat stroming en geleiding nauwelijks optreedt: door de afgesloten holtes in piepschuim kan geen stroming van gas plaatsvinden, en warmte geleidt slecht door het gas/lucht binnen in de holtes.

Mechanische belasting
We hebben nu een paar voorbeelden gezien hoe materialen zich gedragen in de aanwezigheid van elektrische prikkels, licht en warmte. Maar hoe zit het met mechanische belasting, als je aan een materiaal trekt of het buigt?
Binnen de materiaalkunde wordt een ‘trek-rek-diagram’ veel gebruikt, en daarvan zie je in afbeelding 8 een weergave voor een metaal. Een teststukje materiaal wordt mechanisch belast op een zodanige manier dat er aan wordt getrokken (dat zie je op de verticale as), en op de horizontale as zie je de uitrekking die daarvan het gevolg is. Zo’n trek-rek-diagram bestaat voor de meeste materialen uit een elastisch deel (waarbij ‘trek’ evenredig aan ‘rek’ is) en een plastisch deel. In het elastische deel geldt dat, als je de belasting wegneemt, het materiaal weer ‘terugveert’ naar zijn oorspronkelijke toestand, vandaar de naam ‘elastisch’. Het einde van dit elastische regime heet de ‘rekgrens’. Belast je het voorwerp nog verder, dan kom je in het plastische regime waarin het materiaal een blijvende vervorming ondergaat, en als de belasting maar groot genoeg is dan kan het materiaal uiteindelijk breken.


Afbeelding 8: Mechanische eigenschappen: trek-rek-diagram voor een metaal

Als gebruiker van een materiaal ben je vooral geïnteresseerd in het elastische regime; de rekgrens bepaalt de maximaal toegestane belasting, en die wil je het liefst zo hoog mogelijk hebben.
Als fabrikant van een materiaal is het gebied boven de rekgrens juist interessant, want hier kun je de verschijnselen rondom de plastische vervorming juist gebruiken om het materiaal nog sterker te maken. Door te spelen in het gebied tussen de praktische sterkte (de rekgrens) en de ultieme sterkte (de treksterkte) kun je een materiaal nog verder versterken. We nemen hierbij een metaal als voorbeeld in het onderstaande stuk.

Zoals al eerder gezegd bepaalt de beweging van dislocaties de sterkte van een metaal. Hoe maak je een metaal sterker? Simpel: zorg dat de dislocaties moeilijker kunnen bewegen, door er hindernissen voor op te werpen, zoals je in afbeelding 9 ziet.
– Bijvoorbeeld door een metaallegering te maken door vreemde atomen in het metaal op te nemen. Brons of messing zijn legeringen van koper.
– Of door grote vreemde deeltjes in het metaal te stoppen, bijvoorbeeld aluminium met siliciumcarbide, of zoals gebeurt met superlegeringen in gasturbines.
– Of door materialen met kleine korrels te maken, waardoor er veel korrelgrenzen zijn die de beweging van dislocaties tegenhouden. Kleine korrels zorgen dus voor sterkere materialen.
– Of door het materiaal expres boven z’n rekgrens te belasten, waardoor er door plastische vervorming steeds meer dislocaties bijkomen die elkaar hinderen (werkversteviging). Denk hierbij aan een smid die met een hamer op een roodgloeiend stuk metaal slaat.


Afbeelding 9: Metalen versterken door dislocaties tegen te werken

Slimme piëzomaterialen
Tot slot nog een type materiaal dat eigenlijk een systeem op zich is: piëzo-materialen, waar elektrische en mechanische eigenschappen aan elkaar gekoppeld zijn. Het materiaal kan van vorm veranderen door er een elektrische spanning over aan te leggen, of omgekeerd: je drukt erop, en het materiaal genereert een elektrische spanning. Zo is een gasaansteker vaak op piëzo-materialen gebaseerd, maar ook de achteruitrijdsensor van je auto. Of je komt het materiaal tegen in de echoscopie.

Als je naar de microstructuur van een piëzo-materiaal kijkt – in dit geval het keramiek lood-zirkonaat-titanaat, kortweg PZT – dan kun je z’n werking verklaren. In afbeelding 10 hebben we een stukje van de kristalstructuur getekend. Hoewel het materiaal in z’n geheel neutraal is – evenveel positieve als negatieve lading – is er wel een ladingsverdeling binnen deze cel, doordat het positief geladen ‘gele’ ion niet precies in het centrum zit maar iets erboven. Als je een elektrische spanning over zo’n cel aanlegt (van onder naar boven), dan duw je de positieve ionen in de richting van dat veld, en de negatieve ionen in tegengestelde richting. Zo verandert de afstand tussen de tegengesteld geladen ionen, en daarmee de vorm van de eenheidcel. Als je dus een heleboel van deze cellen naast/boven/onder elkaar hebt, dan is het hele materiaal vervormd.


Afbeelding 10: Eenheidscel van het piëzomateriaal PZT

Eddy Brinkman schrijft technische achtergrondverhalen op chemisch, materiaalkundig en ICT-gebied. Op woensdag 31 mei 2017 gaf hij tijdens de vakbeurs Materials 2017 de lezing ‘Materiaalkunde in een notendop’ – gebaseerd op zijn boek ‘Kennismaken met materialen’ (ISBN 978-90-79926-00-8) dat in 2016 is verschenen. U kunt dit boek hier bestellen.

© 2017 Eddy Brinkman / Betase BV