M A T E R I A L E N
Hoofdstuk 1: Inleiding
1. Probleemstelling
1. HOE GEBEURT MATERIAALKEUZE?
- Ervaring met soortgelijke constructie(onderdelen)
- Gewoonte
- eigenschappen of criteria
- Wat is voorradig bij de leverancier?
Kennis: beste manier om technisch + economisch verantwoord te zijn, tip: ga ook verder dan het klassieke
- Opkomst van eisen en voorschrift of aansprakelijkheid
Definieer eisen; bouwkundige eisen, primaire eisen (gebouw blijft staan), secundaire
eisen(milieuvriendelijk, recyclebaar, etc.)
- Groot materiaalaanbod
2. Materiaalgroepen
ALGEMEEN
- Groepen gebasseerd op:
o chemische samenstelling
o atoomstructuur
- 3 grote groepen, met 2 randgevallen
o Metalen
o Polymeren (kunststof en rubber)
o Keramieken
o Composieten en biomaterialen
- Alternatieve indeling
o Basis van bezwijkingsgedrag => bros vs taai
o Basis van temperatuursbestendigheid
o Treksterkte
o Richtingsafhankelijk => isotroop anisotroop, orthotroop
o Ruimtelijke verdeling => heterogeen of homogeen
1. METALEN
- Hoofdcomponent = atomen in metaalrooster (zwaar, groot atomen)
o Heel geordend: kubisch ruimtelijk gecentreerd (aluminium), kubische vlakken gecenterd, hexagonaal
(magnesium of titanium) => rooster bepaalt plastisch vervormingscapaciteit
Vb: aluminium: ferritische structuur
o Metaalbinding: zeeeer sterk
o Vrije elektronen (= niet gebonden elektronen) => korrelstructuur
o Stollingskernen overgang smelt/vaste stof
- ! door dichte structuur wordt het een zwaar materiaal => soortelijk gewicht van metaal = +- 8000kg/m3, aluminium,
titanium en magnesium (lichtgewichten) = +-2700kg/m 3
A:
elastische zone 1: proportionaliteitsgrens
B: vloeien 2: elasticiteitsgrens = bovenste vloeigrens
3: onderste vloeigrens
1
4: maximale treksterkte
,C: versteviging
D: insnoering
- Eigenschappen:
o Goede geleidbaarheid warmte en elektriciteit door vrije elektronen
o Sterk door metaalbinding
o Permanent/plastisch vervormbaar zonder verlies van sterkte door vorming roosterglijvlakken
o Corrosiegevoelig door onbezette buitenste schil atomen
o Onbeperkt recyclebaar
- Voorbeelden
o Koper
Daken
Vormt dichte beschermlaag tegen corrosie
o Zink
Gevelbekleding en daken
Vormt dichte beschermlaag tegen corrosie
o Aluminium
Grotere constructies
Gevelbekleding en daken
Vaak met extra platteer/beschermlaag (zink en aluminium)
- Nadelen
o 1,9 ton CO2-uitstoot/ton geproduceerd staal startend van ijzererts. Staalindustrie verantwoordelijk voor 15%
van industriële CO2-uitstoot. Schroot: de grondstof van de toekomst. Enorme energievraag, nu cokes.
Toekomst: aardgas, waterstof ??
In 2019: 24% staalproductie
In 2020: 4% staalproductie
2. POLYMEREN (= rubbers en kunststoffen)
- Organische verbinding van koolstof, waterstof en niet metallische verbindingen
- Koolstofruggegraat
o Lange moleculaire structuren
o Primaire covalente bindingen in ketens / secondaire bindingen tussen ketens
o Al dan niet met crosslinks
- Eigenschappen
o Lage dichtheid
o Weinig stijf, lage sterkte
o Zeer vervormbaar
o Lage thermische en elektrische geleidbaarheid
o Mechanisch gedrag sterk beïnvloed door temperatuur/thermoplasten <-> thermoharders
o Beperkt tot niet recycleerbaar
- Ethyleen-tetrafluorethyleen -ETFE
o Hoge transparantie
o Laag soortelijk gewicht
o Hoge treksterkte
o Hoge impactweerstand
o Hoog isolerend vermogen (deels structureel)
o Gebruikt als membraanalternatief voor glas
- Nadelen:
o Recyclage beperkt: storten, verbranden,
mechanisch, chemisch
2
, 3. KERAMIEKEN
- Mengsel van metallische en niet-metallische elementen
o Moleculair opgebouwd
o Hoofdzakelijk ionische bindingen tussen elementen met covalent karakter
o (mogelijks: oxides, nitrides en carbides)
o Geordende opbouw, mits uitzonderingen
- Eigenschappen
o Bestand tegen hoge temperaturen en agressieve milieus
o Dichtheid tussen kunststoffen en metalen
o Relatief stijf, sterk in druk
o Slechte geleidbaarheid van warmte en elektriciteit
o Zeer hard en bros ! (mechanische eig)
- Voorbeelden:
o museum MARTA hertford, arch. O’ gehry
o zwembad van Eyck, arch: Berteloot
- vaak oppervlaktelagen
- anti-graffiti
- corrosiebestendig
- bedrukking met zeefdruktechniek
4. COMPOSIETEN
- Materialen samengesteld uit meerdere materialen
- vb: vezelversterkte kunststoffen
o Combinatie van eigenschappen samenstellende elementen
o Eigenschappen op maat
- Voorbeeld: studentenwoning in hardschuim en glasvezel
o Nadeel is slechte akoestiek
- Voorbeeld: geprinte betonwoningen – intrinsiek composiet
- Nadelig
o Niet tot uiterst beperkt recyclebaar
5. BIOMATERIALEN
- Gebruikt voor implantaten in het menselijke lichaam, let op:
o Niet-toxisch
o compatibel met menselijk weefsel
- Nadelig:
o Uiterst beperkte recycleerbaarheid
o Evenwel vooruitgang
!
3. materiaalkeuze
- vooraf bepalen !
o eisen waaraan eindproduct moet voldoen (exact beschreven)
primaire eisen: sterkte en stijfheid via Ashby-diagrammen
secundaire eisen: omgeving, veiligheid, verbindingstechnieken, oppervlaktebehandelingen,
energiebesparing, kwaliteit, aard van het materiaal
- veel literatuur beschikbaar
- verbinden eisen en eigenschappen
- ook belangrijk
o esthetica en oppervlakteafwerking is van belang
o verandering van fysische en mechanische eigenschappen bij milieucondities
3
, Hoofdstuk 2: Keramische Materialen
Zie ook HS 1: inleiding
1. Inleiding
- Anorganische, niet-metallische materialen
o Vormgeving bij lage temperatuur
o Eigenschappen bekomen bij hoge temperatuur
Let op: bij uitbakken verandert het vochtgehalte => kans op scheuren
1. TRADITIONELE OF GROFKERAMIEK
o Basis = natuurlijke grondstof op basis van silicaat (in de natuur als zand, klei, ..)
o Voorbeelden : baksteen, glas, cement etc.
o toepassingen: mok, wc pot, tafelservies etc.
2. HOOGWAARDIGE TECHNISCHE KERAMIEK
- Opbouw
o Uit nieuwe, uiterst zuivere grondstoffen
o Poeders zijn het resultaat van scheikundige synthese die zuiverheid, korrelgrootte en verdeling
nauwkeurig bepaalt
o Samengesteld uit: silicaten, oxiden, carbiden, nitriden, sulfiden en boriden
o Bekende technisch keramische materialen: SiC en SI3N4
- Gebruikt voor
o Keramische deklagen
Corrosiebestendig
Bestand tegen pollutie, zout, ruwe weersomstandigheden
Abrasie-en krasbestendig
Verdraagt temperaturen van -60°C tot +450°C
Graffiti makkelijk verwijderbaar => toch wel wat moeite voordoen
Baksteen is poreus en gaat de verf capillair opzuigen
Behoud kleur en glans, zelfs onder inwerking UV
Beprint-en kleurbaar
o Massief onderdeel door persen of sinteren van poeder
Sinteren = uitbakken op temperatuur onder smeltpunt met als gevolg porositeit
- 2 belangrijke karakteristieke gemeenschappelijk met de traditionele keramieken
o Hoog smeltpunt
Via sinterproces vervaardigd (gieten is niet mogelijk)
Sinteren: samengeperst poeder omgezet door onder het smeltpunt te verhitten evt.
uitoefenen druk, vaak met bindmiddelen
Juiste vorm = groene vorm
o Brosheid (= geringe capaciteit voor plastische vervorming)
mechanische energie gebruikt voor vergroten van scheuren => breuk na geringe plastische
vervorming
gedrag is sterk afhankelijk van micro-structurele fouten(poriën, insluitsels, krassen
nabewerking), spanningsconcentraties vermijden !!
massaproductie verhinderd door probleem van reproduceerbaarheid door willekeurigheid
van fouten => daarom toepassing in gasturbines of dieselmotoren nog onmogelijk
- voornaamste problemen van technische keramieken
o brosse karakter
4
Hoofdstuk 1: Inleiding
1. Probleemstelling
1. HOE GEBEURT MATERIAALKEUZE?
- Ervaring met soortgelijke constructie(onderdelen)
- Gewoonte
- eigenschappen of criteria
- Wat is voorradig bij de leverancier?
Kennis: beste manier om technisch + economisch verantwoord te zijn, tip: ga ook verder dan het klassieke
- Opkomst van eisen en voorschrift of aansprakelijkheid
Definieer eisen; bouwkundige eisen, primaire eisen (gebouw blijft staan), secundaire
eisen(milieuvriendelijk, recyclebaar, etc.)
- Groot materiaalaanbod
2. Materiaalgroepen
ALGEMEEN
- Groepen gebasseerd op:
o chemische samenstelling
o atoomstructuur
- 3 grote groepen, met 2 randgevallen
o Metalen
o Polymeren (kunststof en rubber)
o Keramieken
o Composieten en biomaterialen
- Alternatieve indeling
o Basis van bezwijkingsgedrag => bros vs taai
o Basis van temperatuursbestendigheid
o Treksterkte
o Richtingsafhankelijk => isotroop anisotroop, orthotroop
o Ruimtelijke verdeling => heterogeen of homogeen
1. METALEN
- Hoofdcomponent = atomen in metaalrooster (zwaar, groot atomen)
o Heel geordend: kubisch ruimtelijk gecentreerd (aluminium), kubische vlakken gecenterd, hexagonaal
(magnesium of titanium) => rooster bepaalt plastisch vervormingscapaciteit
Vb: aluminium: ferritische structuur
o Metaalbinding: zeeeer sterk
o Vrije elektronen (= niet gebonden elektronen) => korrelstructuur
o Stollingskernen overgang smelt/vaste stof
- ! door dichte structuur wordt het een zwaar materiaal => soortelijk gewicht van metaal = +- 8000kg/m3, aluminium,
titanium en magnesium (lichtgewichten) = +-2700kg/m 3
A:
elastische zone 1: proportionaliteitsgrens
B: vloeien 2: elasticiteitsgrens = bovenste vloeigrens
3: onderste vloeigrens
1
4: maximale treksterkte
,C: versteviging
D: insnoering
- Eigenschappen:
o Goede geleidbaarheid warmte en elektriciteit door vrije elektronen
o Sterk door metaalbinding
o Permanent/plastisch vervormbaar zonder verlies van sterkte door vorming roosterglijvlakken
o Corrosiegevoelig door onbezette buitenste schil atomen
o Onbeperkt recyclebaar
- Voorbeelden
o Koper
Daken
Vormt dichte beschermlaag tegen corrosie
o Zink
Gevelbekleding en daken
Vormt dichte beschermlaag tegen corrosie
o Aluminium
Grotere constructies
Gevelbekleding en daken
Vaak met extra platteer/beschermlaag (zink en aluminium)
- Nadelen
o 1,9 ton CO2-uitstoot/ton geproduceerd staal startend van ijzererts. Staalindustrie verantwoordelijk voor 15%
van industriële CO2-uitstoot. Schroot: de grondstof van de toekomst. Enorme energievraag, nu cokes.
Toekomst: aardgas, waterstof ??
In 2019: 24% staalproductie
In 2020: 4% staalproductie
2. POLYMEREN (= rubbers en kunststoffen)
- Organische verbinding van koolstof, waterstof en niet metallische verbindingen
- Koolstofruggegraat
o Lange moleculaire structuren
o Primaire covalente bindingen in ketens / secondaire bindingen tussen ketens
o Al dan niet met crosslinks
- Eigenschappen
o Lage dichtheid
o Weinig stijf, lage sterkte
o Zeer vervormbaar
o Lage thermische en elektrische geleidbaarheid
o Mechanisch gedrag sterk beïnvloed door temperatuur/thermoplasten <-> thermoharders
o Beperkt tot niet recycleerbaar
- Ethyleen-tetrafluorethyleen -ETFE
o Hoge transparantie
o Laag soortelijk gewicht
o Hoge treksterkte
o Hoge impactweerstand
o Hoog isolerend vermogen (deels structureel)
o Gebruikt als membraanalternatief voor glas
- Nadelen:
o Recyclage beperkt: storten, verbranden,
mechanisch, chemisch
2
, 3. KERAMIEKEN
- Mengsel van metallische en niet-metallische elementen
o Moleculair opgebouwd
o Hoofdzakelijk ionische bindingen tussen elementen met covalent karakter
o (mogelijks: oxides, nitrides en carbides)
o Geordende opbouw, mits uitzonderingen
- Eigenschappen
o Bestand tegen hoge temperaturen en agressieve milieus
o Dichtheid tussen kunststoffen en metalen
o Relatief stijf, sterk in druk
o Slechte geleidbaarheid van warmte en elektriciteit
o Zeer hard en bros ! (mechanische eig)
- Voorbeelden:
o museum MARTA hertford, arch. O’ gehry
o zwembad van Eyck, arch: Berteloot
- vaak oppervlaktelagen
- anti-graffiti
- corrosiebestendig
- bedrukking met zeefdruktechniek
4. COMPOSIETEN
- Materialen samengesteld uit meerdere materialen
- vb: vezelversterkte kunststoffen
o Combinatie van eigenschappen samenstellende elementen
o Eigenschappen op maat
- Voorbeeld: studentenwoning in hardschuim en glasvezel
o Nadeel is slechte akoestiek
- Voorbeeld: geprinte betonwoningen – intrinsiek composiet
- Nadelig
o Niet tot uiterst beperkt recyclebaar
5. BIOMATERIALEN
- Gebruikt voor implantaten in het menselijke lichaam, let op:
o Niet-toxisch
o compatibel met menselijk weefsel
- Nadelig:
o Uiterst beperkte recycleerbaarheid
o Evenwel vooruitgang
!
3. materiaalkeuze
- vooraf bepalen !
o eisen waaraan eindproduct moet voldoen (exact beschreven)
primaire eisen: sterkte en stijfheid via Ashby-diagrammen
secundaire eisen: omgeving, veiligheid, verbindingstechnieken, oppervlaktebehandelingen,
energiebesparing, kwaliteit, aard van het materiaal
- veel literatuur beschikbaar
- verbinden eisen en eigenschappen
- ook belangrijk
o esthetica en oppervlakteafwerking is van belang
o verandering van fysische en mechanische eigenschappen bij milieucondities
3
, Hoofdstuk 2: Keramische Materialen
Zie ook HS 1: inleiding
1. Inleiding
- Anorganische, niet-metallische materialen
o Vormgeving bij lage temperatuur
o Eigenschappen bekomen bij hoge temperatuur
Let op: bij uitbakken verandert het vochtgehalte => kans op scheuren
1. TRADITIONELE OF GROFKERAMIEK
o Basis = natuurlijke grondstof op basis van silicaat (in de natuur als zand, klei, ..)
o Voorbeelden : baksteen, glas, cement etc.
o toepassingen: mok, wc pot, tafelservies etc.
2. HOOGWAARDIGE TECHNISCHE KERAMIEK
- Opbouw
o Uit nieuwe, uiterst zuivere grondstoffen
o Poeders zijn het resultaat van scheikundige synthese die zuiverheid, korrelgrootte en verdeling
nauwkeurig bepaalt
o Samengesteld uit: silicaten, oxiden, carbiden, nitriden, sulfiden en boriden
o Bekende technisch keramische materialen: SiC en SI3N4
- Gebruikt voor
o Keramische deklagen
Corrosiebestendig
Bestand tegen pollutie, zout, ruwe weersomstandigheden
Abrasie-en krasbestendig
Verdraagt temperaturen van -60°C tot +450°C
Graffiti makkelijk verwijderbaar => toch wel wat moeite voordoen
Baksteen is poreus en gaat de verf capillair opzuigen
Behoud kleur en glans, zelfs onder inwerking UV
Beprint-en kleurbaar
o Massief onderdeel door persen of sinteren van poeder
Sinteren = uitbakken op temperatuur onder smeltpunt met als gevolg porositeit
- 2 belangrijke karakteristieke gemeenschappelijk met de traditionele keramieken
o Hoog smeltpunt
Via sinterproces vervaardigd (gieten is niet mogelijk)
Sinteren: samengeperst poeder omgezet door onder het smeltpunt te verhitten evt.
uitoefenen druk, vaak met bindmiddelen
Juiste vorm = groene vorm
o Brosheid (= geringe capaciteit voor plastische vervorming)
mechanische energie gebruikt voor vergroten van scheuren => breuk na geringe plastische
vervorming
gedrag is sterk afhankelijk van micro-structurele fouten(poriën, insluitsels, krassen
nabewerking), spanningsconcentraties vermijden !!
massaproductie verhinderd door probleem van reproduceerbaarheid door willekeurigheid
van fouten => daarom toepassing in gasturbines of dieselmotoren nog onmogelijk
- voornaamste problemen van technische keramieken
o brosse karakter
4
