Mijn eerste racefiets had een aluminium frame. Ik heb hier mooie en lange ritten op gemaakt, maar na een tijdje was het klaar: er verscheen een barst in het frame, en niet veel later was het frame gebroken. Hoe heeft zoiets kunnen gebeuren? Het leek zó stevig… Ondertussen heb ik een andere fiets, gemaakt van carbon. Stijver, lichter, en sneller. Maar zal deze langer meegaan?
Dit brengt ons bij een andere tak van engineering: materiaalkunde. Waarom breekt het ene materiaal terwijl het andere topprestaties levert? Wat is materiaalkunde precies, wat kun je er allemaal mee, en waar kom je het tegen?
Wat is materiaalkunde?
Materiaalkunde is het vakgebied dat zich bezighoudt met materialen, en zich bevindt op het snijvlak van natuurkunde, scheikunde en werktuigbouwkunde. Het draait iIn de basis om één vraag: wat is de relatie tussen een materiaal en zijn eigenschappen, zoals sterkte, gewicht, flexibiliteit of geleiding? Als we dat snappen, kunnen we materialen beter toepassen, verbeteren of zelfs helemaal nieuw ontwikkelen.
Materiaalkeuze heeft binnen onze ontwikkeling altijd een enorm rol gespeeld; we hebben het niet voor niets over het Stenen Tijdperk, het Bronzen Tijdperk en het IJzeren Tijdperk. Ook nu zijn materialen cruciaal. De uitdagingen van vandaag, van energietransitie tot medische technologie, vragen om slimme, lichte en duurzame oplossingen. En dus blijft materiaalkunde in beweging.
Wat kun je met materiaalkunde?
Omdat materiaalkunde zich richt op de eigenschappen van alle denkbare materialen (metalen, kunststoffen, keramiek, composieten en meer) zijn de mogelijkheden eindeloos. Maar wat kun je er allemaal mee doen? En wat voor werk doet een materiaalkundige of materiaalspecialist zoal? Enkele voorbeelden hiervan zijn:
Het juiste materiaal kiezen voor de klus
Of je nu een fiets ontwerpt of een wolkenkrabber bouwt, materiaalkundigen helpen bepalen welk materiaal het meest geschikt is, dooreigenschappen en context af te wegen. Moet het materiaal licht en sterk zijn, of juist goedkoop en makkelijk te bewerken? Dit zijn allemaal overwegingen waar een materiaalkundige zich mee bezighoudt. Vaak worden hun keuzes gebaseerd op grafieken vergelijkbaar met de grafiek hieronder: bepaalde materiaaleigenschappen kunnen dan met elkaar vergeleken worden.
In het voorbeeld van de racefiets: kies je voor aluminium, staal of carbon? Aluminium is lichter dan staal en vrij stevig, maar kan na verloop van tijd metaalmoeheid vertonen: barstjes door herhaalde belasting. Carbon is nóg lichter stijver, waardoor je harder kunt fietsen, maar bij een harde impact kan het materiaal ook plots breken, en daarnaast is het duur. Een materiaaldeskundige begrijpt deze trade-offs, en kan helpen met de beste keuze maken.
Onderzoek naar materiaalgedrag en storingen
Als er ergens een materiaal faalt, zoals een gebarsten fietsvork, een gescheurde pijpleiding of een doorgebrande chip, duikt de materiaalkundige erin om uit te zoeken waarom. Dit is natuurlijk erg belangrijk om ongelukken te voorkomen en producten veiliger te maken. Een materiaalkundige zou bijvoorbeeld kunnen analyseren waardoor mijn fietsframe brak (bijvoorbeeld metaalmoeheid of een fabricagefout) en adviseren hoe een volgend ontwerp verbeterd kan worden. Dit kan bijvoorbeeld geanalyseerd worden met stress-strain curves, waarin je kunt zien wat voor gedag een materiaal tijdens vervormen vertoont (tot het faalt).
Nieuwe materialen ontwikkelen
Naast materialen kiezen en onderzoek doen naar materiaalgedrag, houden materiaalkundigen zich ook bezig met het creëren van nieuwe materialen. Ze passen de structuur op microschaal aan om betere eigenschappen te bereiken. Zo worden er bijvoorbeeld nieuwe metaallegeringen ontwikkeld die hittebestendiger zijn (handig voor motoren of straalmotoren) of kunststoffen die biologisch afbreekbaar zijn. Het vakgebied brengt regelmatig innovaties voort: van supergeleidende materialen voor efficiënte energieoverdracht tot extreem sterke maar lichte composieten voor in de auto- en luchtvaartindustrie.
Productieprocessen verbeteren
En tot slot gaat het binnen de materiaalkunde ook over verwerkingstechnieken. Hoe giet je staal zonder haarscheurtjes? Twee verschillende materialen aan elkaar lassen? Kun je een 3D-printer met metaalpoeder een complex onderdeel laten maken? Bij welke temperatuur moet je een metaal behandelen om het zo sterk mogelijk te krijgen? Materiaalkunde helpt om productieprocessen zo in te richten dat materialen hun optimale eigenschappen behouden en er geen onverwachte problemen optreden.
In andere woorden: met materiaalkunde kun je ervoor zorgen dat we de juiste materialen op de juiste manier inzetten. Of het nu in de ontwerpfase is, bij kwaliteitscontrole of in research naar de volgende generatie materialen, de kennis van materiaalkunde is onmisbaar in de techniek.
Materiaalkunde overal om ons heen
Materialen zijn alomtegenwoordig in ons dagelijks leven. Dat klinkt natuurlijk vrij logisch, maar bij bijna elk materiaal dat je om je heen ziet is goed nagedacht over diens toepassing. Het vakgebied speelt daarom in vrijwel elke industrie een rol, en enkele voorbeelden zijn:
Vervoer en constructies
Van het frame van je fiets tot de vleugel van een vliegtuig, en van auto’s tot treinrails: overal is nagedacht over de materiaalkeuze. Dankzij materiaalkunde zijn auto’s en vliegtuigen de afgelopen decennia steeds lichter en sterker geworden. In moderne vliegtuigen wordt bijvoorbeeld veel gebruikgemaakt van carbon-composieten in plaats van aluminium, zodat ze minder brandstof verbruiken doordat ze lichter zijn.
Bruggen, wolkenkrabbers en windmolens zijn andere voorbeelden: zonder metallurgische vindingen zoals staalconstructies of nieuwe betonvormen zouden deze bouwwerken niet zo hoog of stevig kunnen zijn.
Elektronica en high-tech
Ook de elektronica in je hand of op je bureau bestaat dankzij materiaalkunde. Denk aan de halfgeleiders in computerchips (gemaakt van zuiver silicium met zorgvuldig toegevoegde stoffen) of het scherm van je smartphone (valbestendig Gorilla Glass). De prestaties van harde schijven en chips zijn sterk verbeterd door steeds slimmere materiaalkeuzes. Maar ook werken ze aan bijvoorbeeld betere accu’s voor elektrische auto’s, zodat die langer mee kunnen gaan.
Een mooi voorbeeld is natuurlijk ASML; hun chipmachines gebruiken extreem ultraviolet licht (EUV) om structuren op nanoschaal te maken. Daarvoor zijn materialen nodig die op atomaire schaal extreem zuiver, hittebestendig en stabiel zijn. Zonder materiaalkunde zouden die machines niet kunnen bestaan.
Gezondheid en medische toepassingen
In de geneeskunde is materiaalkunde van levensbelang. Een kunstheup wordt bijvoorbeeld vaak gemaakt van titaniumlegeringen, omdat die niet alleen sterk en licht, maar ook nog eens lichaamsvriendelijk zijn. Kunstgewrichten, protheses, tandimplantaten moeten jarenlang mee kunnen in een zwaar belaste omgeving (je lichaam), zónder te slijten of door het lichaam verstoten te worden. Ook instrumenten zoals stents (uitbreidbare buisjes voor bloedvaten) en medische apparaten vragen om slim materiaalontwerp. En daar houdt het niet op; materiaalkundigen hebben ook oplosbare hechtingen gemaakt, en coatings op implantanten die de aangroei van nieuwe cellen bevorderen. Zonder materiaalkunde zouden deze moderne medische wonderen niet mogelijk zijn.
Energie en milieu
En dan één van de belangrijkste toepassingen: de overgang naar duurzame energie. Hier zijn nieuwe materialen ook hard nodig. Zonnecellen zijn verbeterd dankzij materiaalkundig onderzoek naar halfgeleidermaterialen die licht efficiënter omzetten in stroom, en de wieken van windmolens worden gemaakt van composietmateriaal waardoor ze superlang en toch licht zijn. Voor waterstoftechnologie worden nieuwe materialen ontwikkeld die waterstof veilig kunnen opslaan of brandstofcellen efficiënter maken (denk hierbij ook aan studententeams zoals Forze, die zich hiermee bezighouden!). Maar ook kernenergie komt voort uit de materiaalkunde.
Daarnaast wordt gezocht naar duurzame materialen om milieuproblemen aan te pakken. Zo wordt er om het plasticprobleem aan te pakken gewerkt aan biologisch afbreekbaar plastic en betere recyclingmethoden. Materiaalkundigen spelen een rol in het ontwerp van materialen die minder schaars zijn of die volledig circulair gebruikt kunnen worden, zodat we zuiniger omgaan met grondstoffen.
Materiaalkunde is dus overal, omdat materialen de prestaties, recyclebaarheid, look-and-feel en nog veel meer van producten bepalen. Het vormt vaak de basis voor nieuwe technologische ontwikkelingen. Innovaties als de elektrische auto, smartphones, of de nieuwste medische behandelingen zouden zonder materiaalinnovaties niet mogelijk zijn.
Conclusie
Een gebroken fietsframe kan balen zijn, maar het laat ons ook beseffen hoe cruciaal de juiste materiaalkeuze is. Materiaalkunde zorgt ervoor dat we begrijpen waarom een materiaal faalt en hoe we het kunnen verbeteren. Dankzij dit vakgebied hebben we tegenwoordig ongelooflijk sterke én lichte materialen tot onze beschikking, van carbon racefietsen tot innovatieve medische implantaten. De volgende keer dat je op je racefiets stapt of je telefoon gebruikt, weet je dus dat materiaalkundigen keihard hebben gewerkt om dit mogelijk te maken!
Robert Dilber
Bronnen:
- De Ingenieur – Afbeelding ASML Chipmachine
- Zorg voor Beweging – Afbeelding Heupprothese
- Simscale – Afbeelding stress-strain curve
- SciendeDirect – Afbeelding Ashby Plot
- Accoshop – Materiaalkunde
- In de Kopgroep – “Dit zijn de verschillen tussen carbon en aluminium”
- Betase – “Materiaalkunde in een notendop”
