Samenvatting Materiaaltechnologie 2023

MATTECH H2 (en beetje H20, H19): ATOMAIRE BINDINGEN
Bio-mimicry
 =zaken vanuit natuur nabootsen
Atomaire structuur & interatomaire bindingen
 Geometrische schikking van atomen + interacties tussen atomen en/of moleculen
materiaaleigenschappen
 Herhaling chemie
o Atoom= kern p+ + n0, omcirkeld door elektronen
o Atoomgetal Z= #p+
o Atoommassa A= #p+ + n0 (+ e-, maar verwaarloosbaar)
o Isotopen= gelijk aantal protonen, verschillend aantal neutronen
o Amu (atomic mass unit)= 1/12 C12
o Atoomgewicht= gewogen gemiddelde atoommassa s natuurlijke isotopen
 Geen gehele getallen, zeker omdat door gemiddelde van de
atoommassa s van de isotopen
o 1 mol materiaal= 6,02.1023 atomen (getal Avogadro)
 Atoommodellen & elektronenconfiguraties
o Klassieke mechanica ontoereikend voor gedrag e- in
materiaalquantummechanica
1) Bohr
a. Elektronen rond kern op orbitalen (=waarschijnlijkheidsfuncties
positie e-)
b. e- kunnen veranderen van (toegelaten) energieniveaus (voorgesteld
door kwantumgetallen) door naar hogere/lagere schil te springen
i. Hogere energie=absorptie energie
ii. Lagere energie=emissie energie
c. Model beperkt golf/deeltje dualiteit als aanvulling
2) Uitsluitingsprincipe Pauli: max 2 e-/orbitaal, tegengestelde spin
3) Atoom in grondtoestand: alle elektronen in laagste energietoestand
4) Edelgas: volledig opgevulde schil
5) Tabel van Mendeljev/periodiek systeem
a. Elektronegativiteit ↑ v.l.n.r. & v.o.n.b.
b. Elektropositief: neemt e- op en wordt anion
c. Elektronegatief: staat e- af en wordt kation
 Atomaire binding & bindingsenergie
o Chemische eigenschappen (interatomaire krachten) verklaring
materiaaleigenschappen
o 2 atomen naderen
 Kracht
 Aantrekking atomen Afstoting elektronenwolken
 Evenwicht wanneer de krachten elkaar compenseren: FN=0

,  Potentiële energie
o Bindingsenergie= minimumenergie= cohesieve energie= E0
o Materialen streven naar een toestand van minimale energie:
Vorm curve & E0 bepalen macroscopische eigenschappen




Macroscopische eigenschappen (bepaald door kromme E-/F- t.o.v. r)
 Smeltpunt & kookpunt: diepere potentiaalpunt=hoge E0 (E-grafiek) hoger smelt- of
kookpunt
 Stijfheid
o =weerstand tegen elastische vervorming
o Raaklijn aan kromme F-grafiek door nulpunt: helling raaklijn= maat stijfheid
 Steil: stijf, vlakker: minder stijf
o E= elasticiteitsmodulus (rico raaklijn), [MPa]
o = rek= veroorzaakt door bepaalde spanning, evenredig met spanning, [MPa]
o 𝜎= (trek)spanning= E.
Thermische eigenschappen
 =reactie van materiaal bij toevoeging warmte
 Isoleren met materialen met lage thermische geleidbaarheid
 Verbinden verschillende metalen: liefst gelijke thermische expansie coëfficiënt
o Bv. Thermische uitzettingsvoegen bij bruggen als oplossing
 Materiaal wordt opgewarmd: absorptie energie dimensies veranderen
eventueel warmtetransport smelten
 Warmtecapaciteit
o Stijging temperatuurmateriaal absorbeert energie
o =vermogen van materiaal om warmte te absorberen= C
o C=dQ/dT
o Hoeveelheid warmte om 1 mol/gewichtseenheid materiaal 1°C op te warmen
 Respectievelijk [J/molK of J/kgK]
o Cv, Cp; constant volume, constante druk
 Warmtetransport in een materiaal
o ↑T ↑trillingsenergie van atomen (ook door interactie met naburen)
 Atomen in materialen trillen constant met hoge frequenties en kleine
amplitudes
o Elastische trillingen: migreren door materiaal via energiepakketjes : fononen
 Thermische expansie
o ∆T∆l

,  𝛼 thermische expansie coëfficient/uitzettingscoëfficiënt
 = mate waarmee materiaal uitzet bij opwarmen
 𝛼l lineaire, 𝛼 v volumetrische
 Kleinere thermische expansie coëfficiënt=hogere Tm
o Opwarmen/afkoelen materiaalverandering van alle dimensies;
volumetrisch
o Isotroop: materiaal expandeert in elke richting even ver: 𝛼v=3 𝛼l
o Anisotroop: niet in alle richtingen gelijk (meestal bij thermische expansie)
o 0K: materiaal op vaste positie r0 opwarmen naar bepaalde energieniveaus
Ei gaat gepaard met verschillende breedten van de curve ri
 Asymmetrische potentiaalput hoge thermische expansie (ri
verschuift) (links)




 Diepe, symmetrische potentiaalput lage thermische expansie
(rechts)
 Thermische geleidbaarheid
o Warmtegeleiding (gevolg van T-gradiënt)
o q=warmte flux: warmte toevoer/unit, [W/m2]
o k= warmtegeleidingscoëfficiënt, [W/mK]




 uitdrukking voor situaties waar warmtetoevoer niet verandert
 -:temperatuur gaat van warm naar koud
 analogie met wet van Fick
o Fononen & vrije elektronen beide verantwoordelijk (een van de twee
domineert wel) voor thermische geleidbaarheid: k=kl + ke
 kl voor Ǯlattice vibrationsǯ
 Meer invloed ke bij aanwezigheid meer vrije e-
 Keramieken
o Thermische expansiecoëfficiënt klein
o Kubische & amorfe keramische stoffen: (𝛼l) isotrope expansie, andere
gevallen: anisotroop

, o Bros gedrag: thermische expansie moet klein & isotroop blijven bij
temperatuurveranderingen, anders thermische schok: breken door niet-
uniforme veranderingen van dimensie
o Speciale keramieken met negatieve thermische expansie: krimpen bij
opwarmen
o Beperkte thermische geleidbaarheid; weinig vrij elektronen, goeie isolator
 Polymeren
o Vrij grote thermische expansie, vooral bij lineaire & vertakte polymeren
(weinig cross linking)
o Crosslinking ↑ thermische expansie coëfficiënt ↓
o Slechte warmtegeleider, goede isolator: poreuze polymeren isoleren best
o Kristallijn =hoge densiteit
 Metalen
o Thermische expansie coëfficiënt
 Tussen polymeren & keramieken
o Thermische geleidbaarheid
 Zowel thermisch als elektrisch goeie geleiders: vooral de elektronen
verantwoordelijk (grootste invloed)
 ! Metalen mengeneigenschappen zuiver metaal kloppen niet meer
 Bv. Cu + Zn: geleidbaarheid vermindert
 Schuim
o Materiaal + kleine luchtbelletjes die vastzittenzeer goeie thermische
isolator, slechte warmtegeleider
Drie verschillende primaire/chemische binding: ionair, covalent, metallisch
Ionair (vaak keramieken)
 Coulomb type aantrekking °binding
 Elementen geven e- af (kation) en nemen e- op (anion) stabiele edelgasconfiguratie
o Alle dichtste buren van anion zijn kationen & omgekeerd stabiel
 Binding niet ruimtelijk gericht
o Sterkte binding in alle richtingen gelijk
 Keramieken: meestal ionair bepaalde eigenschappen
 Sterke binding (hoge bindingsenergie)hoge smelttemperatuur (meestal)
Covalent (vaak polymeren)
 Delen e- edelgasconfiguratie
 Gerichte binding, bepaald door positie van atomen die e- delen
Bindingen zelden zuiver covalent/ionair, gemengde binding in functie van verschil in
elektronegativiteit
Metallische binding (vaak metalen)
 Positieve kern omring door valentie-e-; elektronenzee met positieve ionen-kernen
 Atomen kleven samen door vrije elektronen
 Hoge elektrische & thermische geleidbaarheid
 Binding niet gericht
Secundaire atoombindingen (vaak moleculaire vaste stoffen)
 =Van der Waals (=aantrekkingskracht tussen dipolen) of fysische bindingen door
aantrekkingskracht tussen dipolen
o Dipool ontstaat door bepaalde invloed: geïnduceerde dipolen, niet gericht
o Eigen aan atoom/molecule: permanente dipool, gericht (polaire molecule)
 Sterkere binding tussen permanente dipolen