Je kunt op verschillende manieren kennismaken met materialen: vanuit hun eigenschappen, vanuit hun toepassingen en vanuit de materialen zelf. Het boek ‘Kennismaken met materialen’ is opgebouwd uit verschillende onderdelen, elk vanuit hun eigen aanvliegroute.
Overzicht van de onderdelen
Omschrijving van de onderdelen
Eigenschappen
Materialen als zodanig
Materialen vormen de bouwstenen van alles wat we om ons heen zien. Want waar zouden smartphones, auto’s, gebouwen of zonnecellen zijn zonder de juiste materialen? De microstructuur van materialen – dus de structuur op kleine schaal – bepaalt voor een groot deel de uiteindelijke eigenschappen van een materiaal en dus van een product. Door op kleine schaal aan de juiste knoppen te draaien, kun je de eigenschappen van het product verbeteren of een goedkopere vervaardigingsroute vinden. De rangschikking van atomen in een materiaal speelt een belangrijke rol bij de uiteindelijke eigenschappen.
Licht en materialen
Als materialen met licht in aanraking komen, dan kunnen ze het licht weerkaatsen (spiegel), doorlaten (vensterglas) of in zich opnemen en bijvoorbeeld omzetten in warmte. De wisselwerking tussen het licht en (vrije) elektronen in het materiaal is hier belangrijk: om doorzichtig te zijn mag een materiaal niet elektrisch geleiden. Materialen kunnen zelf ook licht geven, bijvoorbeeld door er een sterke elektrische stroom doorheen te jagen zoals bij de gloeilamp. Spaarlampen zetten ‘onzichtbare’ straling om in zichtbaar licht, en in LED-lampen stralen zogenaamde halfgeleiders licht uit als je er een elektrische spanning overheen zet.
Temperatuur en materialen
Waarom geleiden sommige materialen warmte goed, en anderen veel minder? En hoe komt het dat het binnenste van een bitterbal nog gloeiend heet is, terwijl de krokante buitenkant een stuk koeler aanvoelt? Materialen gaan heel verschillend met een hoge temperatuur om. Zo kun je keramische materialen nog gebruiken bij temperaturen waarbij metalen en kunststoffen het al lang hebben opgegeven. En door staal de juiste warmtebehandeling te geven kun je het van een zacht en goed bewerkbaar materiaal omzetten in een uitermate hard en sterk materiaal.
Elektriciteit en materialen
Er kunnen verschillende dingen gebeuren als je ‘elektriciteit’ op een materiaal loslaat. Zo gaan in een elektrische geleider zoals in koper en andere metalen de beweeglijke geladen deeltjes stromen. Bij een elektrische isolator ontbreekt het aan deze beweeglijke geladen deeltjes – bijvoorbeeld omdat ze te sterk aan hun plaats gebonden zijn om vrij te zijn. En dat komt goed van pas als je zo’n materiaal wilt gebruiken om tegen een elektrische schok te isoleren, zoals bij plastic omhulsels van stroomdraden. Maar toch zijn er isolatoren die wel ‘iets doen’ als je er een elektrisch veld op loslaat – bijvoorbeeld piëzo-elektrische materialen, die als reactie van vorm kunnen veranderen.
Materialen onder mechanische belasting
Producten – en ook de materialen waaruit ze zijn samengesteld – krijgen tijdens hun leven heel wat voor hun kiezen. Is het niet tijdens hun ‘geboorte’, het productieproces, dan is het wel tijdens gebruik. Duwen, trekken, buigen, stoten, vallen, trillen … de materialen ondergaan veel mechanische belastingen. En verschillende materialen reageren daar op een verschillende manier op. Soms geeft het materiaal mee, soms gebeurt er (schijnbaar) niets, en soms breekt het materiaal. Waar een stenen kopje doorgaans kapot valt als je ‘m op de vloer laat vallen, stuitert een rubberen stuiterbal juist terug.
Materialen van begin tot eind (en verder)
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 – bijvoorbeeld voorziet van een beschermende coating – voordat je het uiteindelijke voorwerp hebt. En voor producten die uit meerdere materialen bestaan komen hier ook samenvoegings- of verbindingsstappen bij. Vroeg of laat komt er een moment dat materialen niet meer praktisch bruikbaar zijn, als ze door slijtage, aantasting (zoals corrosie) of breuk aan hun einde zijn gekomen. Je kunt de levensduur verlengen door het materiaal sterker of zelfherstellend te maken, of een gebruikt materiaal een tweede leven geven door het te recyclen.
Toepassingen
Materialen en ICT
Zelfs bij draadloze communicatie zijn materialen onmisbaar. De trend om steeds mobieler te zijn vraagt om lichte, compacte apparaten als notebooks, tablets en smartphones – waarvan je de batterij niet weggooit, maar die iedere avond weer wordt opgeladen. Magnetische materialen vormen de ruggengraat van harde schijven, en halfgeleiders het hart van elke microprocessor. Transport van licht door glasvezels wordt als communicatiemiddel gebruikt. Gegevens kun je digitaal de vezel insturen door een LED of een laser bliksemsnel in en uit te schakelen, om zo bitjes (‘eentjes’ en ‘nulletjes’) te genereren – de morsecode van de 21ste eeuw.
Materialen en energie
De skyline in Nederland is niet meer wat het vroeger was. Toen had je windmolens en nu, behalve hoogbouw … weer windmolens! Maar met een ander doel: voor de productie van elektriciteit. Zonnecellen zetten energie uit het zonlicht om in nuttige elektrische energie – het omgekeerde van een LED-lamp. En in brandstofcellen treedt een gecontroleerde chemische reactie op met als opbrengst elektriciteit – in zekere zin een moderne versie van de verbrandingsmotor.
Materialen en transport
Om het brandstofverbruik te drukken wil je dat een voertuig zo licht mogelijk is. Dat kun je uiteraard bereiken door een slim ontwerp te kiezen – bijvoorbeeld holle in plaats van massieve buizen. Maar ook lichte metalen als magnesium en aluminium hebben steeds meer voet aan de grond gekregen – of in de lucht, zoals bij het gebruik in vliegtuigen. Poreus ZOAB zorgt op de snelweg voor een snelle afvoer van regenwater – een verademing voor de auto’s die er overheen razen. En wat is eigenlijk het verschil tussen een zomer- en een winterband?
Materialen in en om het huis
Klei is letterlijk de voornaamste ‘grond’stof voor traditionele keramiek zoals bakstenen, dakpannen, sanitair en serviesgoed. Het kan geen toeval zijn dat huizen en andere gebouwen grotendeels op keramische materialen als beton, bakstenen en dakpannen zijn gebaseerd. In en om het huis heb je met talloze materialen te maken. Zo heeft piepschuim een uitstekende warmte-isolatie, en kunnen de kleren die je draagt zowel van natuurlijke als kunstmatige oorsprong zijn. Een paar vragen vanuit de keuken: is aluminium of staal nu het meest ideale materiaal voor een pan? En hoe komt het dat de glazen, het metalen bestek en de keramische borden al droog zijn als je de vaatwasser na het draaien opent, terwijl plastic bekers vaak nog nat zijn?
Materialen
Metaal
Naast hun uitstekende elektrisch geleidende eigenschappen – denk aan koper als stroomdraad – zijn metalen ook vanuit mechanisch oogpunt ideale materialen: stijf en taai. Ze danken hun populariteit aan de relatieve eenvoud waarmee je ze tot producten kunt vormgeven. Ook zijn metalen met diverse processen sterk(er) te maken. Metaal moet je doorgaans wel goed beschermen tegen corrosie (‘roest’).
Keramiek en glas
Keramiek is goed bestand tegen drukbelasting, en daarnaast is het materiaal slijtvast, hard en stijf. Waar traditionele keramiek op klei is gebaseerd, vormen zuivere, kwalitatief hoogwaardige poeders de basis voor technische keramiek. De achilleshiel van keramiek – en van z’n doorzichtige broertje glas – is het brosse breukgedrag. Denk maar aan de onweerstaanbare aantrekkingskracht die glas uitoefent op voetballende jeugd …
Kunststoffen
Kunststoffen zijn vooral populair omdat je producten ervan doorgaans in één stap kunt vormgeven, zonder ze na te bewerken. Ze zijn licht en relatief flexibel – en soms elastisch zoals bij rubbers. Vanuit de historie geleiden kunststoffen geen elektriciteit, zodat ze bijvoorbeeld goed geschikt zijn als omhulsel van wel geleidende stroomdraden. De laatste jaren zijn geleidende kunststoffen echter in opmars, vooral binnen de consumentenelektronica.
Composieten
Een elegante manier om nog betere materialen te krijgen is door twee bestaande materialen te combineren, met als idee dat de eigenschappen van de oorspronkelijke materialen elkaar versterken. Bekende composieten zijn gewapend beton en glasvezelversterkte kunststoffen. Inspiratie voor composieten komt uit de natuur, met hout en bot als voorbeelden.