Materiaalkunde
Materiaalkunde is een interdisciplinair natuurwetenschappelijk vakgebied, dat zich bezighoudt met het verband tussen samenstelling en structuur van materialen aan de ene kant, en hun eigenschappen aan de andere. In het verlengde daarvan behoort ook de ontwikkeling van nieuwe materialen voor andere vakgebieden, ten behoeve van bijvoorbeeld de ruimtevaart of voor kunstorganen, tot haar taken. Iemand die de studie materiaalkunde heeft volbracht wordt een materiaalkundige of materiaalkundig ingenieur genoemd.
Opeenvolgende technologische tijdperkenBewerken
De ontwikkeling van de mensheid is altijd direct verbonden geweest met de op enig moment beschikbare technische kennis. In de prehistorie ging het daarbij vooral om het bewerken van materialen tot gereedschap. Daarom worden eerdere menselijke beschavingen (steentijd, bronstijd, ijzertijd) aangeduid met de namen van de gereedschapsmaterialen die achtereenvolgens voor deze beschavingen bepalend waren. Met de toenemende kennis van de eigenschappen van bestaande materialen komt de mogelijkheid nieuwe materiaal te ontdekken en ontwikkelen, hierdoor breekt op een gegeven moment een nieuw technologisch tijdperk aan. Na de Tweede Wereldoorlog wordt daarom een nieuw interdisciplinair vakgebied ontwikkeld, die de natuurwetenschappelijke vakgebieden van de natuurkunde en scheikunde met de toegepaste technologie en werktuigbouw moet verbinden. Hieruit ontstaat rond 1940 tot 1950 het vakgebied der materiaalkunde. Waar de ontwikkeling van materialen voor technologie en constructie centraal staan. In de twintigste eeuw was de productie van zonnecellen en andere geavanceerde elektronica niet mogelijk geweest zonder de halfgeleidertechnologie, die was ontwikkeld door de materiaalkundige aan het eind van de eeuw daarvoor.
VastestofleerBewerken
De materiaalkunde kwam rond dezelfde tijd als de vastestoffysica in opkomst, rond 1940 tot 1950. Na de ontdekkingen en interesse in meer gecondenseerde aggregatietoestanden werd rond 1975 de term fysica van de gecondenseerde materie geprefereerd over de vastestoffysica in het natuurkundige veld. In tegenstelling tot de twee natuurkundige termen en takken van het onderzoek naar de fysische eigenschappen van de complexe materie bleek de materiaalkunde een aantal goede lobbyisten te hebben, die in de Koude Oorlog bijna geheel de financiering en fondsen voor het wetenschappelijke onderzoek hebben ingenomen, zie de overgang rond 1975 in het diagram hiernaast.[1] Dit is de reden dat tegenwoordig nog steeds het onderzoek dat van oudsher viel onder de vastestoffysica valt onder de materiaalkunde, met enkele onderzoeksinstituten als uitzondering waar het valt onder de fysica van de gecondenseerde materie of het een op zichzelf staande afdeling is.
MateriaalfocusBewerken
HoofdklassenBewerken
De klassieke materiaalkunde omvat de technologische en technisch-wetenschappelijke studie van de volgende vier hoofdklassen van materialen, ingedeeld op basis van hun structuur:[2][3]
- metalen (zie ook metallurgie),
- technische keramieken en glas,
- kunststoffen (polymeren) en elastomeren,
- composieten (samenstelling van meerdere materiaalsoorten).
Deze vier materiaalklassen hebben ieder hun eigen karakteristieke materiaaleigenschappen, zoals warmtegeleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid en sterkte.
Moderne materialenBewerken
De voortschrijdende technologie heeft daarnaast nieuwe groepen van materialen in de materiaalkunde opgeleverd met synthetisch verkregen eigenschappen (denk hierbij aan optische, kristallijne, magnetische of elektrotechnische eigenschappen), zoals:
- halfgeleiders en supergeleiders,
- vloeibare kristallen,
- biomaterialen voor biomedische toepassingen,
- slimme materialen of smart materials.
Materialen buiten de scopeBewerken
Er kan worden opgemerkt dat er veel soorten materialen ontbreken tussen de bovengenoemden. Er bestaan dan ook veel materialen die, ondanks dat de naam wel doet verwachten, niet bij de materiaal-kunde horen. Denk hierbij aan veel organische en niet-technische materialen, zoals:
- klassieke keramieken,
- natuurproducten:
- biochemische en biologische materialen.
Over het algemeen vallen ook de materialen, die zich in de vloeibare of gas fasen bevinden, buiten de scope van de materiaalkunde. In tegenstelling tot de scheikundigen, die zich juist focussen op de reacties tussen stoffen in de vloeibare en gas fasen. Er zijn natuurlijk uitzonderingen te vinden op deze regel, maar over het algemeen wordt een materiaalkundige opgeleid tot het beheersen van de kennis en toepassing van technische, anorganische en kristallijne materialen in de vaste toestand.
Vakgebied der materiaalkundeBewerken
TweesplitsingBewerken
Het vakgebied der materiaalkunde onderscheidt zich ruwweg in een theoretisch en een praktisch deel, oftewel de materiaalkunde als "natuurwetenschap" en "technische wetenschap" (in het Engels respectievelijk: 'materials science' en 'materials engineering'). De theoretische tak onderzoekt de structuur van een bepaald materiaal en de eigenschappen die daaruit voortvloeien; de praktische tak past deze kennis vervolgens zodanig toe dat het bewerkte materiaal de gewenste eigenschappen krijgt voor een gebruiksproduct. Naast structuur en eigenschappen van materialen, houdt materiaalkunde zich ook bezig met hun productie, en met het evalueren van hun prestaties op de werkplaats.
Deze tweesplitsing komt ook naar voren als het gaat om de ontwikkeling van nieuwe materialen. Traditioneel worden nieuwe materialen uitgevonden tijdens onderzoeken op nano- of microscopische schaal, waarin materialen worden bestudeerd om vervolgens nieuwe eigenschappen te verkrijgen op grotere schaal, ook wel science-led genoemd. Deze valt op veel plekken samen met studie van de vastestoffysica. Daartegenover staat de ontwikkeling van nieuwe materialen voor een van tevoren bekende specifieke toepassing waar nieuwe materialen voor worden ontwikkeld of verbeterd, ook wel design-led genoemd.[2]
Tussen beide disciplines zit veel overlap en de onderzoeken van de subdisciplines van beiden worden vaak door dezelfde materiaalkundige uitgevoerd, echter is de tweesplitsing duidelijk aanwezig.
Fundamentele disciplinesBewerken
Er zijn vier fundamentele subdisciplines te vinden op basis van de verschillende materialen:
- metallurgie (metaalonderzoek),
- technisch keramiek,
- kunststoftechnologie,
- composiettechnologie.[4]
De metallurgie en de studie naar keramieken hebben reeds een lange geschiedenis, aangezien de basisprincipes en technieken van elk van deze gebieden gelijk zijn vormen zij beiden het fundament van het vakgebied der materiaalkunde. Met name staal heeft een prominente plaats binnen het vakgebied. Van oudsher valt de productie en ontwikkeling van polymeren onder de (petro)chemie. De technische toepassingen, mechanische eigenschappen en verwerking tot composieten vallen wel weer onder de composiet- en kunststoftechnologie binnen de materiaalkunde.
Theoretische disciplineBewerken
De theoretische kant van de materiaalkunde omvat de volgende natuurwetenschappelijke subdisciplines, die de materiaalstructuur (kristalstructuur en microstructuur) onderzoeken en de eigenschappen die daaruit voortkomen:
- kristallografie:
- bestudering van de effecten van roosterdefecten (onzuiverheden en dislocaties)
- diffractie, spectroscopie en microscopie voor het identificeren van fasen
- materiaalkarakterisering en -analyse (microscopie, diffractie, calorimetrie, spectroscopie):
- materiaalontwikkeling
- thermodynamica, kinetica en fysische transportverschijnselen
- statica, dynamica en mechanica
Toegepaste disciplineBewerken
De technische materiaalwetenschappen richt zich vooral op onderzoek naar de toepassing van materialen, dus de studie naar materiaaleigenschappen bij industriële productieprocessen en materiaalontwikkeling voor een van te voren bekende toepassing:[2]
- bewerkingsprocessen:
- warmtebehandelingen:
- thin films (dunne lagen) en coatings[5]
- lijmen, verbindingstechnieken en additive manufacturing [6]
- mechanisch gedrag van materialen (statica, dynamica en mechanica):[7]
- onderzoek naar corrosie,[8] breuk en ander vormen van materiaaldegradatie
- breukmechanica en -leer
- oppervlakwetenschap:[9]
- tribologie
- ander onderzoek naar oppervlakken en fasegrenzen
Moderne disciplinesBewerken
Door de loop van de jaren heen zijn er naast de klassieke domeinen van het begin van de materiaalkunde (rond 1950) ook nieuwe onderzoeks- en toepassingsvelden onder het vakgebied komen te vallen:[2]
- computationele materiaalkunde:[10]
- computersimulaties, numerieke modellen en andere voorspellende modellen[11]
- materiaalkeuze en materiaalinformatica
- ontwikkeling van materialen in de micro-elektronica en het grootste deel van de vastestofleer:[1][14]
- onderzoek en ontwikkeling van geleiding door materialen, zoals halfgeleiders, supergeleiding of magneten
- onderzoek in kunstwerken en archeologie[15]
- recycling, duurzaamheid en materiaalschaarste[16]
Interdisciplinair en verwant onderzoekBewerken
Door de grote vraag vanuit de technologische ontwikkeling is er in veel vakgebieden vraag naar een meer specifieke materiaalkennis. Dit resulteert in een aantal interdisciplinaire en verwante onderzoeks- en toepassingsvelden:[2]
Zie ookBewerken
Externe linksBewerken
Materiaalkunde aan de Nederlandse en Vlaamse universiteiten:
LiteratuurBewerken
- Materials Science and Engineering - Its evolution, practice and prospects, Kranzberg, Stanley Smith, Claassen and Chynoweth, 1975
Bronnen, noten en/of referenties
|