Materiaalkunde
Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
en Prof. Dr. ir. Herman Terryn
,Samenvatting materiaalkunde - Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
Introductie
Materiaalkunde is niet gebonden aan 1 sector, ze worden overal gebruikt. Ze spelen
een belangrijke rol in elke nieuwe ontwikkeling. We vinden hiervan voorbeelden in de nieuwe
generatie Intel chips, de lucht- en ruimtevaart, biomedische en audiovisuele sector, ...
We kunnen alle materialen indelen in vier types (3 basis en 1 gecombineerd).
Metalen vb. Ijzer, aluminium, goud, zilver, koper, titanium, ...
Keramische materialen vb. glas, keramiek, ...
Polymeren vb. PET, nylon, kevlar, teflon, ...
Composieten vb. Koolstofvezelversterkt polymeer, ...
We vinden ook een evolutie in materialen:
Natuurlijk beschikbare materialen: vb. hout, steen, klei, huiden, botten, ...
Door de mens vervaardigde materialen: vb. metalen en legeringen, glas, polymeren, ...
De maatschappijevolutie is onlosmakelijk gekoppeld aan de ontdekking en ontwikkeling van
materialen. Steeds nieuwe en betere materialen worden vervaardigd vie
materiaalprocessing en engineering. Met de structuur wijzigt men ook de eigenschappen
van een materiaal. Sinds de 20e eeuw heeft men inzicht in deze relatie. Dit resulteerd in
high-tech geavanceerde materialen.
De structuur van een materiaal houdt in:
Aard van de atomen
Aantal elektronen, protonen, neutronen, orbitalen, ...
Aard van de interatomaire bindingen
Primaire en secondaire bindingen; Interatomaire bindingen houden het materiaal
bijeen, ...
Stapeling en ordening van de atomen
Kristalstructuur, amorf, ...
Hieruit kan men de materiaaleigenschappen bepalen. Materiaaleigenschappen zullen
bepalen hoe een materiaal reageert op externe stimulansen.
2
,Samenvatting materiaalkunde - Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
Mechanische eigenschappen
= respons op fysische kracht
vb. sterkte, vervormbaarheid, elastisch-plastisch gedrag, ...
Toep. mixed staal-aluminium koetswerk van een auto
Functionele eigenschappen
= alle eigenschappen die geen mechanische eigenschappen zijn
vb. elektrische, thermische, optische, magnetische toepassingen, corrosie,
degradatie, ...
Een essentiële vraag in deze cursus: waarom zijn eigenschappen zo verschillend bij
verschillende materialen?
Verschil in aard van de atomen en verschil in interatomaire bindingen en verschil in
geometrische atomaire stapeling, microscopische structuur!
Waarom en?
Om dit te illustreren maken we een vergelijking tussen diamant en grafiet. Diamant is het
hardste materiaal ter wereld, grafiet een uiterst zacht materiaal. Beiden bestaan ze uit
koolstofatomen, maar ze verschillen in eigenschappen door andere interatomaire bindingen
en atomaire stapeling.
Om een milieuvriendelijke materiaalcyclus te bekomen worden maatregelen getroffen om
de vervuiling te verminderen:
Ecologisch verantwoorde materiaalkeuzes
Ecologische reflex aankweken
Energie-efficiënte machines ontwikkelen (inclusief auto)
Alternatieve en nieuwe energiebronnen
Doorgedreven sortering en recyclage
...
De hedendaagse technologie ondervindt beperkingen en botst tegen grenzen ten gevolge
van het al dan niet beschikbaar zijn van de juiste materialen. Reële implementaties van
nieuwe concepten vereisen nieuwe materialen en technologie. De « homo tecnologicus »
heeft het milieu zwaar belast, maar is nu verantwoordelijk voor de correcties. Wij als
toekomstige ingenieurs hebben een zware verantwoordelijkheid te dragen!
3
, Samenvatting materiaalkunde - Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
H2 Atoomstructuur en interatomaire bindingen
Inhoud
Atoomstructuur
Elektronenconfuguratie
Periodieke tabel
Interatomaire bindingen: primaire en secondaire
Moleculen
Atoomstructuur
Atoom = kern van protonen (+) en neutronen, omcirkeld door elektronen (-).
Lading proton of elektron = 1.60.10-19 C
Massa proton of neutron = 1.67.10-27 kg
Massa elektron = 9.11.10-31 kg
Atoomgetal Z = aantal protonen in de kern, waarbij Z=1 voor H en 92 voor U.
Atoommassa A = massa van protonen en neutronen
Isotoop = atoom met een zelfde hoeveelheid protonen, maar meer/minder
neutronen
Atoomgewicht = gemiddelde massa van de isotopen
1 mol van een materiaal = 6.023.1023 atomen of moleculen (Getal van Avogadro)
Atoommodellen
Atoommodel van Bohr
Eenvoudig model met rond de kern elektronschillen met discrete energieniveaus.
Elektronen op welbepaalde posities.
Quantummechanisch model
Elektron enerzijds als deeltje en anderzijds met golfkarakter. Elektron heeft
probabiliteit om ergens rond de kern aanwezig te zijn (elektronenwolk). Bohr
energieniveaus worden hier opgesplitst in subschillen: quantumgetallen.
Elektronenposities beschreven door waarschijnlijkheidsfuncties.
Quantumgetallen en orbitalen
4 quantumgetallen
(duiden op de grootte, vorm en ruimtelijke oriëntatie van de probabiliteit van een elektron)
Hoofdquantumgetal = energieschil zoals in Bohr model: n 1, 2, 3, 4, 5, ...
Hoe kleiner, hoe dichter bij de kern
2e quantumgetal = subschil s, p, d of f
Gerelateerd met de vorm van het orbitaal
3e quantumgetal = aantal energieniveaus per subschil
S 1, p 3, d 5 en f 7 energieniveaus per orbitaal
4e quantumgetal = spinmoment van het elektron
+ ½ en –½
4
Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
en Prof. Dr. ir. Herman Terryn
,Samenvatting materiaalkunde - Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
Introductie
Materiaalkunde is niet gebonden aan 1 sector, ze worden overal gebruikt. Ze spelen
een belangrijke rol in elke nieuwe ontwikkeling. We vinden hiervan voorbeelden in de nieuwe
generatie Intel chips, de lucht- en ruimtevaart, biomedische en audiovisuele sector, ...
We kunnen alle materialen indelen in vier types (3 basis en 1 gecombineerd).
Metalen vb. Ijzer, aluminium, goud, zilver, koper, titanium, ...
Keramische materialen vb. glas, keramiek, ...
Polymeren vb. PET, nylon, kevlar, teflon, ...
Composieten vb. Koolstofvezelversterkt polymeer, ...
We vinden ook een evolutie in materialen:
Natuurlijk beschikbare materialen: vb. hout, steen, klei, huiden, botten, ...
Door de mens vervaardigde materialen: vb. metalen en legeringen, glas, polymeren, ...
De maatschappijevolutie is onlosmakelijk gekoppeld aan de ontdekking en ontwikkeling van
materialen. Steeds nieuwe en betere materialen worden vervaardigd vie
materiaalprocessing en engineering. Met de structuur wijzigt men ook de eigenschappen
van een materiaal. Sinds de 20e eeuw heeft men inzicht in deze relatie. Dit resulteerd in
high-tech geavanceerde materialen.
De structuur van een materiaal houdt in:
Aard van de atomen
Aantal elektronen, protonen, neutronen, orbitalen, ...
Aard van de interatomaire bindingen
Primaire en secondaire bindingen; Interatomaire bindingen houden het materiaal
bijeen, ...
Stapeling en ordening van de atomen
Kristalstructuur, amorf, ...
Hieruit kan men de materiaaleigenschappen bepalen. Materiaaleigenschappen zullen
bepalen hoe een materiaal reageert op externe stimulansen.
2
,Samenvatting materiaalkunde - Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
Mechanische eigenschappen
= respons op fysische kracht
vb. sterkte, vervormbaarheid, elastisch-plastisch gedrag, ...
Toep. mixed staal-aluminium koetswerk van een auto
Functionele eigenschappen
= alle eigenschappen die geen mechanische eigenschappen zijn
vb. elektrische, thermische, optische, magnetische toepassingen, corrosie,
degradatie, ...
Een essentiële vraag in deze cursus: waarom zijn eigenschappen zo verschillend bij
verschillende materialen?
Verschil in aard van de atomen en verschil in interatomaire bindingen en verschil in
geometrische atomaire stapeling, microscopische structuur!
Waarom en?
Om dit te illustreren maken we een vergelijking tussen diamant en grafiet. Diamant is het
hardste materiaal ter wereld, grafiet een uiterst zacht materiaal. Beiden bestaan ze uit
koolstofatomen, maar ze verschillen in eigenschappen door andere interatomaire bindingen
en atomaire stapeling.
Om een milieuvriendelijke materiaalcyclus te bekomen worden maatregelen getroffen om
de vervuiling te verminderen:
Ecologisch verantwoorde materiaalkeuzes
Ecologische reflex aankweken
Energie-efficiënte machines ontwikkelen (inclusief auto)
Alternatieve en nieuwe energiebronnen
Doorgedreven sortering en recyclage
...
De hedendaagse technologie ondervindt beperkingen en botst tegen grenzen ten gevolge
van het al dan niet beschikbaar zijn van de juiste materialen. Reële implementaties van
nieuwe concepten vereisen nieuwe materialen en technologie. De « homo tecnologicus »
heeft het milieu zwaar belast, maar is nu verantwoordelijk voor de correcties. Wij als
toekomstige ingenieurs hebben een zware verantwoordelijkheid te dragen!
3
, Samenvatting materiaalkunde - Prof. Dr. ir. Iris De Graeve
H2 Atoomstructuur en interatomaire bindingen
Inhoud
Atoomstructuur
Elektronenconfuguratie
Periodieke tabel
Interatomaire bindingen: primaire en secondaire
Moleculen
Atoomstructuur
Atoom = kern van protonen (+) en neutronen, omcirkeld door elektronen (-).
Lading proton of elektron = 1.60.10-19 C
Massa proton of neutron = 1.67.10-27 kg
Massa elektron = 9.11.10-31 kg
Atoomgetal Z = aantal protonen in de kern, waarbij Z=1 voor H en 92 voor U.
Atoommassa A = massa van protonen en neutronen
Isotoop = atoom met een zelfde hoeveelheid protonen, maar meer/minder
neutronen
Atoomgewicht = gemiddelde massa van de isotopen
1 mol van een materiaal = 6.023.1023 atomen of moleculen (Getal van Avogadro)
Atoommodellen
Atoommodel van Bohr
Eenvoudig model met rond de kern elektronschillen met discrete energieniveaus.
Elektronen op welbepaalde posities.
Quantummechanisch model
Elektron enerzijds als deeltje en anderzijds met golfkarakter. Elektron heeft
probabiliteit om ergens rond de kern aanwezig te zijn (elektronenwolk). Bohr
energieniveaus worden hier opgesplitst in subschillen: quantumgetallen.
Elektronenposities beschreven door waarschijnlijkheidsfuncties.
Quantumgetallen en orbitalen
4 quantumgetallen
(duiden op de grootte, vorm en ruimtelijke oriëntatie van de probabiliteit van een elektron)
Hoofdquantumgetal = energieschil zoals in Bohr model: n 1, 2, 3, 4, 5, ...
Hoe kleiner, hoe dichter bij de kern
2e quantumgetal = subschil s, p, d of f
Gerelateerd met de vorm van het orbitaal
3e quantumgetal = aantal energieniveaus per subschil
S 1, p 3, d 5 en f 7 energieniveaus per orbitaal
4e quantumgetal = spinmoment van het elektron
+ ½ en –½
4
