Materiaal en energiestromen
Inhoudstafel
1. Materiaalgroepen en hun eigenschappen
1.1 Soorten materiaalgroepen en eigenschappen......................................................... 4
1.2 Oorsprong materiaalgroepen en hun eigenschappen.............................................. 5
● Welke atomen
● Welke binding
● Hoe ordelijk
2. Metalen, roosterdefecten en mechanische eigenschappen
2.1 Metalen ..................................................................................................................10
● Polycrystalline
● Eenheidscel
● Zink
● Theoretische sterkte
2.2 Roosterdefecten ……............................................................................................12
● Dimensie 0: puntdefecten
● Dimensie 1: lijndefecten
● Dimensie 2: vlakdefecten
2.3 Mechanische eigenschappen ……………………................................................ 15
● Ductiel en bros
● Spanning-rek diagram
● Trekproef
● Gauss-curve
3. Legeringen, warmtebehandelingen, ferrometalen en corrosie
3.1 Legeren/doperen …............................................................................................ 22
3.2 Warmtebehandelingen ................................................................................. 24
● Warmwalsen en koudwalsen
● Koudvervorming en annealing
● Ijzer en staal
● invloed legeringen van staal
1
,3.3 Ferrometalen ............................................................................................... 26
● Staal: soorten, toepassingen, productie, geschiedenis en naamgeving
● Warmgewalst (constructiestaal) naamgeving
● gietstaal
● RVS
● weervast staal
● smeedijzer
● gietijzer
3.4 Corrosie en corrosiebescherming ............................................................... 34
● Galvanische corrosie
● Beschermingsmethoden
4. Ashby-diagrammen, non-ferrometalen en aluminium
4.1 herhaling ferrometalen.................................................................................... 36
● RBI-diagramma
4.2 Non-ferrometalen ....................................................................................... 39
● Welke metalen
● Aluminium
○ waarom
○ winning
○ Legering
○ harden
○ oppervlaktebehandeling
● Koper, zink en andere non-ferrometalen
5. Keramische materialen, natuursteen en kunststeen
5.1 Keramische materialen ............................................................................... 50
● Eigenschappen van keramiek
● Silicaten
5.2 Natuursteen ................................................................................................. 56
● Soorten natuursteen:
○ graniet
○ basalt
○ kalksteen
○ arduin/blauwe hardsteen
○ zansteen
○ marmer
○ schalie & natuurleien
2
,5.3 Kunststeen..................................................................... 60
● Bakstenen: productie en verwerking
● Eigenschappen en toepassingen baksteen
● Soorten baksteen
● Vormen van steen
● kalkzandsteen vs cellenbeton
6. Kunststeen - bindmiddelproducten en beton
6.1 Kunsteen ............................................................................ 72
6.2 Bindmiddelproducten ..........................................................73
● hydraulische en niet-hydraulische bindmiddelen
● kalkhoudende bindmiddelen
6.3 Toeslagmateriaal ...............................................................74
● granulaten
● vulstoffen
6.4 Beton ........................................................................................................... 76
● Samenstelling en productie
● specie
● vervaardiging -cement
● Eigenschappen en toepassingen
● gips
● kalk
● mortsel
● soorten beton
7. Polymeren en composieten
7.1 Composieten ................................................................................................... 92
● welke bindingen
● hoe ordelijk
7.2 Polymeren ............................................................................................... 96
● natuurlijke polymeren en kunstmatige polymeren
● polymerisatie
● eigenschappen
● polymeer types
● mechanische eigenschappen
3
,materiaalgroepen en hun eigenschappen
● metalen
● polymeren
● composieten: combinatie van soorten materialen
● keramisch materiaal
Materiaaleigenschappen
1. thermische eigenschappen: fysisch
2. elektrische eigenschappen
3. optische eigenschappen: fysisch
4. chemische eigenschappen
5. milieu impact/duurzaamheid
6. akoestische eigenschappen: fysisch;
a. licht geluid absorberen = reduceren energieniveau in een ruimte: poriën
nodig, door geluidsgolven in gaatjes te laten gaan waar het gaat trillen en
energie verliest.
b. geluidsgolven isoleren tussen ruimtes. Zware materialen presteren akoestisch
qua isolatie beter dan lichte materialen omdat het zwaarder is. iets licht laten
trillen is makkelijker.
7. mechanische/structurele eigenschappen
8. kosten en beschikbaarheid
groepsgerelateerde eigenschappen
- daarin nog groepsgerelateerde eigenschappen
4
,Oorsprong Materiaalgroepen en hun eigenschappen
● Welke atomen?
● Welke bindingen?
● Hoe ordelijk? hoe atomen geordend zijn
1) atomen
● kern (kerndeeltjes (nucleoli) (proton + en neutronen) ( met elektronenwolk
(elektronen -)
- netto-lading bepaald door aantal protonen in verhouding met elektronen.
- elektronen hebben geen massa
- massagetal = aantal kerndeeltjes (protonen + neutronen )
- atoomnummer = aantal elektronen of protonen
- atoommassa is de gemiddelde massa van alle isotopen
= atomen van hetzelfde element met hetzelfde aantal protonen en verschillen
in aantal neutronen.
ionen
= netto-lading is niet 0
negatief geladen = anion
positief geladen = cation
metalen
→ houden elektronen niet hard vast → staan deze makkelijk af
→ elektronegatieve lading
+ niet metallisch element; steelt elektronen.
● aantal schil hangt af van aantal elektronen
● De belangrijkste schil is valentie-elektronen: max 8 (meestal) bepaalt
elektronegatieve lading.
○ buitenste schil wordt minst aangetrokken tot kern dus gaat makkelijkste
binden.
5
,WELKE ATOMEN?
→ bevat alle bekende elementen, kan nog altijd uitgebreid worden.
elementen is iets met hetzelfde atoomnummer: protonen in de kern
gerangschikt volgens atoommassa: gemiddelde massa van alle isotopen van een element.
kolom = groep
=> boven naar onder
→ Atoomnummer neemt toe naar beneden: atomen worden groter
→ Atomen in één groep hebben hetzelfde aantal valentie-elektronen.
rij = periode
= > van links naar rechts
→ atoomnummer loopt op
→ atoom grootte neemt af: omvang kern + schillen (diameter)
→ elektronegativiteit: neiging om elektronen aan te trekken neemt toe
naar rechts
→ Niet-metalen meer naar rechts en materialen die op metaal lijken
en metalen zijn links.
WELKE BINDINGEN?
- materie bestaat uit atomen waarvan enkel de edelgassen apart kunnen voorkomen
(=als zuivere stof)
- alle andere atomen gaan bindingen aan en komen dus in gebonden toestand voor
omdat ze dan in een lagere energietoestand belanden (= stabieler)
6
,Mengsel
= verzameling van verschillende soorten zuivere stoffen (beton: grind, zand, cement water)
destillatie/filtratie
= scheiden van twee vloeistoffen
= afscheiden van vaste stof van andere vaste stof, vloeiend of gas
zuivere stof
= verzameling van één soort stof
= Kenmerkt door ondubbelzinnige samenstelling moleculair of atomair niveau met constante
eigenschappen specifiek voor de binding die daar is gebeurd.
● eenvoudige stof
= bestaat uit 1 atoomsoort (goud)
● samengestelde stof
= bestaat uit meerdere atoomsoorten (zand SIO2)
bindingen
- primaire binding: intramoleculair = sterk (vaak chemisch) = veel energie om te breken
- secundaire binding: intermoleculair = zwak (vaak fysische) = weinig energie om te
breken
7
,primaire binding
1) ionbinding
- binding tussen een negatief en positief geladen ion in de praktijk tussen atomen met
een metaalkarakter en atomen met een niet-metaalkarakter = inherente complexiteit.
- het bindend elektronenpaar wordt volledig overgedragen aan het atoom met de
grootste elektronegatieve waarde = het niet-metaal (hier chloor)
= rooster vorming
= vorming zouten
2) covalente binding
- enkelvoudige of meervoudige bindingen tussen twee niet-metalen waarbij er een
valentie-elektronen paar gemeenschappelijk wordt gesteld.
= moleculen → opnieuw aan elkaar met primaire of secundaire bindingen
3) metaalbinding
- vorming rooster
- elektronen op buitenste schil worden gemeenschappelijk gesteld en kunnen migreren
door structuur
= goede geleiders.
= theoretisch één element nodig.
8
,secundaire bindingen
= fysische bindingen, die te maken hebben met afstand tussen moleculen
→ zijn er soms en soms niet doordat moleculen bewegen waardoor ze zwak zijn.
= Van Der Waals bindingen
HOE ORDELIJK?
1) crystalline-structuur
→ mooi geordende structuur.
= sterk
2) amorphe-structuur
→ elementen liggen in een spaghetti door elkaar = bv. glas
3) semi-crystalline-structuur
= sommige deeltjes crystalline zijn die aan elkaar hangen met deeltjes die amorphe
zijn.
bv. polymeren
= > kristallijn
- moleculen
- metaalrooster
- ionrooster
9
, ionbinding
= hoog smeltpunt, harde/ brosse materialen, oplosbaar in water, geleiden.
covalent
= hoog smelt en kookpunt, geleiden niet goed.
metalen
= geleiden warmte en elektriciteit, hoog smeltpunt, zwaar want bolletjes zitten dicht op elkaar
door simpele structuur.
Metalen, roosterdefecten en mechanische
eigenschappen
Metalen
→ Valentie-elektronen zitten los, dus staan ze makkelijk af.
→ Valentie-elektronen zitten als een soort zee tussen de positieve kernen.
→ eenvoudig rooster (crystalline karakter)
= > bolletjes glijden makkelijk over elkaar waardoor het goed geleid
- Metalen zijn zwaar omdat structuur eenvoudig is en elementen dicht op elkaar
kunnen zitten (doordat buitenste schil gemeenschappelijk is) = compact
- Metalen hebben niet de grootste diameter zeker in architectuur omdat = compact
= > compact + eenvoudig = dense structuur
Polycrystalline
—> korrel structuur
In korrels mono-crystalline, maar tussen de korrels kan de oriëntatie veranderen.
Korrelgrens
= crystalline zone dat wordt onderbroken
—> plaats met lage densiteit = > minder chemisch stabiel
—> corrosie zit op de korrelgrens; daar zijn elektronen die vrij zijn.
10
Inhoudstafel
1. Materiaalgroepen en hun eigenschappen
1.1 Soorten materiaalgroepen en eigenschappen......................................................... 4
1.2 Oorsprong materiaalgroepen en hun eigenschappen.............................................. 5
● Welke atomen
● Welke binding
● Hoe ordelijk
2. Metalen, roosterdefecten en mechanische eigenschappen
2.1 Metalen ..................................................................................................................10
● Polycrystalline
● Eenheidscel
● Zink
● Theoretische sterkte
2.2 Roosterdefecten ……............................................................................................12
● Dimensie 0: puntdefecten
● Dimensie 1: lijndefecten
● Dimensie 2: vlakdefecten
2.3 Mechanische eigenschappen ……………………................................................ 15
● Ductiel en bros
● Spanning-rek diagram
● Trekproef
● Gauss-curve
3. Legeringen, warmtebehandelingen, ferrometalen en corrosie
3.1 Legeren/doperen …............................................................................................ 22
3.2 Warmtebehandelingen ................................................................................. 24
● Warmwalsen en koudwalsen
● Koudvervorming en annealing
● Ijzer en staal
● invloed legeringen van staal
1
,3.3 Ferrometalen ............................................................................................... 26
● Staal: soorten, toepassingen, productie, geschiedenis en naamgeving
● Warmgewalst (constructiestaal) naamgeving
● gietstaal
● RVS
● weervast staal
● smeedijzer
● gietijzer
3.4 Corrosie en corrosiebescherming ............................................................... 34
● Galvanische corrosie
● Beschermingsmethoden
4. Ashby-diagrammen, non-ferrometalen en aluminium
4.1 herhaling ferrometalen.................................................................................... 36
● RBI-diagramma
4.2 Non-ferrometalen ....................................................................................... 39
● Welke metalen
● Aluminium
○ waarom
○ winning
○ Legering
○ harden
○ oppervlaktebehandeling
● Koper, zink en andere non-ferrometalen
5. Keramische materialen, natuursteen en kunststeen
5.1 Keramische materialen ............................................................................... 50
● Eigenschappen van keramiek
● Silicaten
5.2 Natuursteen ................................................................................................. 56
● Soorten natuursteen:
○ graniet
○ basalt
○ kalksteen
○ arduin/blauwe hardsteen
○ zansteen
○ marmer
○ schalie & natuurleien
2
,5.3 Kunststeen..................................................................... 60
● Bakstenen: productie en verwerking
● Eigenschappen en toepassingen baksteen
● Soorten baksteen
● Vormen van steen
● kalkzandsteen vs cellenbeton
6. Kunststeen - bindmiddelproducten en beton
6.1 Kunsteen ............................................................................ 72
6.2 Bindmiddelproducten ..........................................................73
● hydraulische en niet-hydraulische bindmiddelen
● kalkhoudende bindmiddelen
6.3 Toeslagmateriaal ...............................................................74
● granulaten
● vulstoffen
6.4 Beton ........................................................................................................... 76
● Samenstelling en productie
● specie
● vervaardiging -cement
● Eigenschappen en toepassingen
● gips
● kalk
● mortsel
● soorten beton
7. Polymeren en composieten
7.1 Composieten ................................................................................................... 92
● welke bindingen
● hoe ordelijk
7.2 Polymeren ............................................................................................... 96
● natuurlijke polymeren en kunstmatige polymeren
● polymerisatie
● eigenschappen
● polymeer types
● mechanische eigenschappen
3
,materiaalgroepen en hun eigenschappen
● metalen
● polymeren
● composieten: combinatie van soorten materialen
● keramisch materiaal
Materiaaleigenschappen
1. thermische eigenschappen: fysisch
2. elektrische eigenschappen
3. optische eigenschappen: fysisch
4. chemische eigenschappen
5. milieu impact/duurzaamheid
6. akoestische eigenschappen: fysisch;
a. licht geluid absorberen = reduceren energieniveau in een ruimte: poriën
nodig, door geluidsgolven in gaatjes te laten gaan waar het gaat trillen en
energie verliest.
b. geluidsgolven isoleren tussen ruimtes. Zware materialen presteren akoestisch
qua isolatie beter dan lichte materialen omdat het zwaarder is. iets licht laten
trillen is makkelijker.
7. mechanische/structurele eigenschappen
8. kosten en beschikbaarheid
groepsgerelateerde eigenschappen
- daarin nog groepsgerelateerde eigenschappen
4
,Oorsprong Materiaalgroepen en hun eigenschappen
● Welke atomen?
● Welke bindingen?
● Hoe ordelijk? hoe atomen geordend zijn
1) atomen
● kern (kerndeeltjes (nucleoli) (proton + en neutronen) ( met elektronenwolk
(elektronen -)
- netto-lading bepaald door aantal protonen in verhouding met elektronen.
- elektronen hebben geen massa
- massagetal = aantal kerndeeltjes (protonen + neutronen )
- atoomnummer = aantal elektronen of protonen
- atoommassa is de gemiddelde massa van alle isotopen
= atomen van hetzelfde element met hetzelfde aantal protonen en verschillen
in aantal neutronen.
ionen
= netto-lading is niet 0
negatief geladen = anion
positief geladen = cation
metalen
→ houden elektronen niet hard vast → staan deze makkelijk af
→ elektronegatieve lading
+ niet metallisch element; steelt elektronen.
● aantal schil hangt af van aantal elektronen
● De belangrijkste schil is valentie-elektronen: max 8 (meestal) bepaalt
elektronegatieve lading.
○ buitenste schil wordt minst aangetrokken tot kern dus gaat makkelijkste
binden.
5
,WELKE ATOMEN?
→ bevat alle bekende elementen, kan nog altijd uitgebreid worden.
elementen is iets met hetzelfde atoomnummer: protonen in de kern
gerangschikt volgens atoommassa: gemiddelde massa van alle isotopen van een element.
kolom = groep
=> boven naar onder
→ Atoomnummer neemt toe naar beneden: atomen worden groter
→ Atomen in één groep hebben hetzelfde aantal valentie-elektronen.
rij = periode
= > van links naar rechts
→ atoomnummer loopt op
→ atoom grootte neemt af: omvang kern + schillen (diameter)
→ elektronegativiteit: neiging om elektronen aan te trekken neemt toe
naar rechts
→ Niet-metalen meer naar rechts en materialen die op metaal lijken
en metalen zijn links.
WELKE BINDINGEN?
- materie bestaat uit atomen waarvan enkel de edelgassen apart kunnen voorkomen
(=als zuivere stof)
- alle andere atomen gaan bindingen aan en komen dus in gebonden toestand voor
omdat ze dan in een lagere energietoestand belanden (= stabieler)
6
,Mengsel
= verzameling van verschillende soorten zuivere stoffen (beton: grind, zand, cement water)
destillatie/filtratie
= scheiden van twee vloeistoffen
= afscheiden van vaste stof van andere vaste stof, vloeiend of gas
zuivere stof
= verzameling van één soort stof
= Kenmerkt door ondubbelzinnige samenstelling moleculair of atomair niveau met constante
eigenschappen specifiek voor de binding die daar is gebeurd.
● eenvoudige stof
= bestaat uit 1 atoomsoort (goud)
● samengestelde stof
= bestaat uit meerdere atoomsoorten (zand SIO2)
bindingen
- primaire binding: intramoleculair = sterk (vaak chemisch) = veel energie om te breken
- secundaire binding: intermoleculair = zwak (vaak fysische) = weinig energie om te
breken
7
,primaire binding
1) ionbinding
- binding tussen een negatief en positief geladen ion in de praktijk tussen atomen met
een metaalkarakter en atomen met een niet-metaalkarakter = inherente complexiteit.
- het bindend elektronenpaar wordt volledig overgedragen aan het atoom met de
grootste elektronegatieve waarde = het niet-metaal (hier chloor)
= rooster vorming
= vorming zouten
2) covalente binding
- enkelvoudige of meervoudige bindingen tussen twee niet-metalen waarbij er een
valentie-elektronen paar gemeenschappelijk wordt gesteld.
= moleculen → opnieuw aan elkaar met primaire of secundaire bindingen
3) metaalbinding
- vorming rooster
- elektronen op buitenste schil worden gemeenschappelijk gesteld en kunnen migreren
door structuur
= goede geleiders.
= theoretisch één element nodig.
8
,secundaire bindingen
= fysische bindingen, die te maken hebben met afstand tussen moleculen
→ zijn er soms en soms niet doordat moleculen bewegen waardoor ze zwak zijn.
= Van Der Waals bindingen
HOE ORDELIJK?
1) crystalline-structuur
→ mooi geordende structuur.
= sterk
2) amorphe-structuur
→ elementen liggen in een spaghetti door elkaar = bv. glas
3) semi-crystalline-structuur
= sommige deeltjes crystalline zijn die aan elkaar hangen met deeltjes die amorphe
zijn.
bv. polymeren
= > kristallijn
- moleculen
- metaalrooster
- ionrooster
9
, ionbinding
= hoog smeltpunt, harde/ brosse materialen, oplosbaar in water, geleiden.
covalent
= hoog smelt en kookpunt, geleiden niet goed.
metalen
= geleiden warmte en elektriciteit, hoog smeltpunt, zwaar want bolletjes zitten dicht op elkaar
door simpele structuur.
Metalen, roosterdefecten en mechanische
eigenschappen
Metalen
→ Valentie-elektronen zitten los, dus staan ze makkelijk af.
→ Valentie-elektronen zitten als een soort zee tussen de positieve kernen.
→ eenvoudig rooster (crystalline karakter)
= > bolletjes glijden makkelijk over elkaar waardoor het goed geleid
- Metalen zijn zwaar omdat structuur eenvoudig is en elementen dicht op elkaar
kunnen zitten (doordat buitenste schil gemeenschappelijk is) = compact
- Metalen hebben niet de grootste diameter zeker in architectuur omdat = compact
= > compact + eenvoudig = dense structuur
Polycrystalline
—> korrel structuur
In korrels mono-crystalline, maar tussen de korrels kan de oriëntatie veranderen.
Korrelgrens
= crystalline zone dat wordt onderbroken
—> plaats met lage densiteit = > minder chemisch stabiel
—> corrosie zit op de korrelgrens; daar zijn elektronen die vrij zijn.
10
