Geplaatst door Eddy Brinkman op 21 juni 2010 onder Keramiek en glas | 
Waardoor kunnen inkjetprinters hun mooie kleuren op papier afdrukken? En wat hebben airbags en de Nintendo Wii met elkaar gemeen? Het geheim: de omschakeling van mechanische beweging in elektrische signalen, of vice versa. Treed binnen in de wereld van de MEMS, de micro-elektromechanische systemen.
Inkjetprinters, wie kent ze niet? De plaatjes en teksten die deze apparaten produceren zijn opgebouwd uit minuscule inktdruppeltjes. Bij sommige van deze inkjetprinters zijn de wanden van de inktkanaaltjes voorzien van een piëzo-elektrisch materiaal. En dit materiaal heeft iets bijzonders: het kan van vorm veranderen – bijvoorbeeld korter of breder worden – door er een elektrische spanning over aan te leggen. Door nu met deze spanning op gezette tijden – wel duizenden malen per seconde – dit materiaal in de richting van het kanaaltje te laten uitzetten neemt de druk in dit kanaaltje zo toe dat de inkt hierin een zetje krijgt en als inktdruppeltje via de spuitmond – de ‘jet’ – met hoge snelheid op het papier gespoten wordt.
Het bekendste piëzo-elektrische materiaal is het keramiek lood-zirkonaat-titanaat (PZT); door de kristalstructuur van dit materiaal is de vervorming recht evenredig met het aangelegde elektrische veld. Maar ook polymeren als polyvinylideenfluoride (PVDF) vertonen piëzo-elektrisch gedrag. Juist vanwege het feit dat piëzo-elektrische materialen heel nauwkeurig (fracties van) micrometers in grootte veranderen na het aanleggen van een elektrisch veld – en voorwerpen zo extreem nauwkeurig kunnen positioneren – vind je ze in een groot aantal toepassingen terug. Naast de inkjetprinter bijvoorbeeld ook in luidsprekers of in de scanning tunneling microscoop (STM) om de naald dicht bij het monster te houden.
Piëzo-elektrische materialen kunnen ook andersom werken: je kunt een elektrische spanning genereren door het materiaal samen te drukken of op een andere manier te vervormen. Zoals in aanstekers waarbij een hoge spanning een vonk genereert, of in geluid-, trilling- en verplaatsingsensoren. Hier is een accelerometer een specifiek type: een sensor die (plotselinge) versnellingen en vertragingen detecteert. Accelerometers – wel of niet voorzien van piëzo-elektrische materialen – vind je terug in airbags en de controller van de Nintendo Wii. In het laatste geval om de bewegingen die je als gebruiker maakt te ‘voelen’, en deze uiteindelijk over te brengen op het televisiescherm.
Trilling of geluid zou je overigens kunnen dempen door twee apparaten met piëzo-elektrische materialen slim aan elkaar te koppelen. Het ene apparaat – de sensor – meet de (geluids)trillingen en zet deze om in een elektrisch signaal dat via elektronica naar het andere apparaat – de actuator – wordt gestuurd, en hier weer omgezet wordt in trillingen. Door deze ‘slimme’ elektronica zo te ontwerpen dat de gegenereerde (geluids)trillingen precies in tegenfase zijn met de oorspronkelijke trillingen – en zo ‘antigeluid’ vormen – kun je uiteindelijk stilte genereren.
Geplaatst door P. Hartgers op 17 januari 2010 onder Laserbewerking |
Onder laserlassen wordt het verbindingsproces bedoeld waarbij een laserbundel materialen onlosmakelijk met elkaar verbindt. In dit korte artikel worden de voor- en nadelen van het proces laserlassen opgesomd en toegelicht. Voor meer informatie over laserlassen of lasertechnologie:
www.lac-online.nl/dfl/
Laserlassen heeft de volgende voordelen:
- Geringe vervorming door een zeer kleine warmtebeïnvloede zone.
- Contactloos bewerken. Dit betekent dat de opspanning eenvoudig kan blijven en er geen krachten op het werkstuk uitgeoefend worden door de bewerking. Verder hoeven er geen bijzondere maatregelen getroffen te worden om beschadiging van het oppervlak te voorkomen.
- Hoge lassnelheid haalbaar (snelheden tot 12 m/min mogelijk) en hoge penetratie.
- Las mogelijk tussen ongelijke materialen.
- Weinig tot geen nabewerking nodig door gelijkmatig lasnaadoppervlak en weinig spetters:
- Geen nabewerking bespaart kosten.
- Nabewerkingen kunnen een nadelige invloed hebben op de corrosieweerstand van roestvast staal. Geen nabewerking kan dus ook voor zorgen dat de corrosieweerstand niet verminderd wordt.
- Mogelijkheid tot gewichtsreductie.
- Gunstige constructiemogelijkheden:
- Grotere stevigheid bij gering naadvolume
- Slanke naadgeometrie met grote breedte/diepte verhouding
- Lassen op moeilijk toegankelijke plaatsen
- Las hoeft slechts van 1 kant toegankelijk te zijn (i.t.t. bijvoorbeeld weerstandspuntlassen waar las van 2 kanten toegankelijk moet zijn)
- Laserlassen levert een sterke verbinding met een hoge vermoeiingsweerstand.
- Materialen hoeven niet electrisch geleidend te zijn om met behulp van de laser gelast te kunnen worden.
- Vloeistof- en gasdichte verbindingen kunnen gerealiseerd worden zonder toevoegingen van bijvoorbeeld kit.
- Proces is goed te automatiseren vanwege de goede regelbaarheid van de laserstraal.
en de volgende nadelen:
- Relatief hoge investering vereist in vergelijking met andere technologieën.
- Kleine toleranties van te lassen producten en de opspanning vereist.
Laserlassen wordt met name daar toegepast waar conventionele lasmethoden te veel nadelen hebben of een onoverkomelijk knelpunt hebben. Tevoren moet de proceskeuze goed gemaakt worden en mogelijk moet het product herontworpen worden om optimaal te kunnen laserlassen
Geplaatst door Eddy Brinkman op 9 januari 2010 onder Keramiek en glas, Metalen |
Take home message:
Door metalen turbineschoepen van vliegtuigmotoren te bedekken met een dun laagje keramiek kunnen ze tegen aanzienlijk hogere temperaturen.
Turbines in vliegtuigmotoren krijgen heel wat voor hun kiezen. Zo kunnen in een vliegtuigmotor gemakkelijk temperaturen van meer dan duizend graden voorkomen, terwijl dezelfde motor ook tegen de vrieskou moet kunnen als het vliegtuig in Alaska aan de grond staat. Lukt dat allemaal met conventionele materialen?
Veel processen in de transport- en energiesector leveren pas een hoog rendement bij hoge temperaturen. Naast gasturbines voor de voortstuwing van een vliegtuig – beter bekend als straalmotoren – geldt dit ook bijvoorbeeld voor turbines om elektriciteit op te wekken in energiecentrales. Dat houdt in dat we materialen moeten gebruiken die deze temperaturen lange tijd kunnen weerstaan.
Superlegeringen op basis van nikkel of kobalt vormen de basis van hedendaagse turbineschoepen in vliegtuigmotoren, maar de wenselijke procestemperaturen in de turbine zijn bijna net zo hoog als – of soms nog hoger dan – de smelttemperaturen van deze materialen. Tijd voor een slimme oplossing. En die is gevonden door enerzijds de binnenkant van de schoepen te koelen met lucht die door kleine koelkanaaltjes binnen in de schoep stroomt, en door anderzijds de buitenkant van de schoepen te bedekken met zogenaamde thermal barrier coatings.
Deze thermal barrier coatings vormen een kwalitatief hoogwaardig samenspel van drie onderdelen. Direct op de metalen schoep is een verbindingslaag van Ni-Co-Cr-Al-Y-legering aangebracht. Deze eerste laag zorgt ervoor dat de volgende laag, van aluminiumoxide, goed aan de schoep hecht. Aluminiumoxide dient hier als barrière tegen diffusie van zuurstof, en beschermt het schoepmateriaal tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperatuur. De derde en buitenste laag – die direct met hete gassen in aanraking komt – bestaat in de regel uit zirkoonoxide waarvan de kristalstructuur met yttriumoxide is gestabiliseerd. Dit materiaal is stabiel bij de procestemperaturen in de turbine, en heeft een hele lage thermische geleidbaarheid zodat ondergelegen lagen de hoge temperaturen van de hete gassen niet voelen. Als een turbineschoep zonder thermal barrier coating een temperatuur van 1100 °C kan verdragen, dan kan deze met zo’n coating wel 1250 °C aan.
Thermal barrier coatings zijn voor een deel zelfherstellend, en dat is bevorderlijk voor de tijdsduur tussen onderhoudsbeurten van de straalmotoren. Het blijkt namelijk dat defecten in de laag aluminiumoxide – die kunnen optreden doordat de turbine vaak opwarmt en afkoelt – zichzelf tijdens de werking van de turbine kunnen herstellen met zuurstof uit de omgeving en aluminium afkomstig uit de ondergelegen verbindingslaag van Ni-Co-Cr-Al-Y-legering. De tussenlaag van aluminiumoxide wordt daarom wel een thermisch gegroeide oxidelaag genoemd. De toplaag van gestabiliseerd zirkoonoxide heeft echter (nog) niet zulke zelfherstellende eigenschappen. Er loopt wel onderzoek om ook deze laag een langere levensduur te geven, bijvoorbeeld door deeltjes met molybdeen of wolfraam, tezamen met een element dat stabiele oxiden vormt, aan de toplaag toe te voegen.
Geplaatst door Eddy Brinkman op 9 januari 2010 onder Kunststoffen |
Take home message:
Vloeibaar kristallijne fasen hebben de eigenschap dat ze op een opmerkelijke manier licht kunnen doorlaten, en LCD-schermen maken hier gebruik van.
LCD-schermen zijn gemeengoed geworden in laptops, monitoren, TV’s en displays van mobiele telefoons. En vroeger al in rekenmachines en digitale horloges. Maar waarom kun je met een laptop wel in het donker werken, en met een doorsnee rekenmachine niet?
LCD staat voor liquid crystal display. Een ‘vloeibaar kristal’ lijkt een contradictio in terminis. Want dat zou betekenen dat dit materiaal tegelijk uit een ongeordende vloeistoffase en uit een geordende vaste fase bestaat. Feitelijk is dit ook zo, want we hebben hier te maken met moleculen die in één richting afwijken van de andere richtingen: ze zijn bijvoorbeeld schijfvormig of langwerpig. En juist door deze vorm kunnen ze net als in een vloeistof door elkaar heen bewegen, maar zich ook – als in een vaste stof – eenvoudig op of naast elkaar ordenen, afhankelijk van wat energetisch gezien gunstiger is.
Vloeibaar kristallijne fasen hebben de eigenschap dat ze op een opmerkelijke manier licht kunnen doorlaten. LCD’s maken hier gebruik van. Deze displays bestaan uit twee parallelle polarisatiefilters waarvan de polarisatierichtingen loodrecht op elkaar staan, met hier tussenin twee doorzichtige elektroden en daar weer tussen een laagje vloeibaar kristal. Zonder het vloeibare kristal zou je niet door het geheel heen kunnen kijken, vanwege de gekruiste polarisatiefilters die totaal geen licht doorlaten. Maar door een truc kun je er toch doorheen kijken.
De elektroden zijn namelijk aan de zijde van het vloeibare kristal bedekt met een structuur die zorgt voor uitlijning van de (langwerpige) moleculen in het dunne laagje vloeibaar kristal. De uitlijnrichtingen van beide elektroden staan loodrecht op elkaar, waardoor de langwerpige moleculen in het vloeibare kristal in rusttoestand netjes als treden van een wenteltrap onder een hoek van 90 ° gedraaid (‘twisted’) zitten en invallend licht als het ware langs deze wenteltrap meenemen.
Laten we nu eens de baan van het licht volgen. Licht dat door het eerste polarisatiefilter is gegaan, en waarvan maar één polarisatierichting wordt doorgelaten, draait nu in de laag vloeibaar kristal via de wenteltrap onder een hoek van 90 ° naar het tweede filter, waar het nu wel doorheen kan. In deze toestand is het display transparant. Wanneer er via de elektroden een spanning over de vloeibaar kristallijne laag wordt gezet, dan oriënteren de langwerpige moleculen zich parallel aan elkaar in de richting van het elektrische veld, en verdwijnt de wenteltrap. Het beeld staat nu op ‘zwart’. Als je dit principe toepast op losse punten – bijvoorbeeld pixels – in een display, die allemaal afzonderlijk worden aangestuurd, kun je een beeld maken.
Overigens: bij een laptop zit er een lichtbron achter het display, terwijl bij een rekenmachine een spiegel achter het display zit die invallend licht kan terugkaatsen. In het laatste geval heb je dus een lamp of zonlicht nodig om te kunnen rekenen, anders zie je niets.
Geplaatst door Eddy Brinkman op 29 november 2009 onder Materialen |
Take home message:
Microstructuur is van grote invloed op de uiteindelijke eigenschappen van een materiaal – en dus van een product. Door op kleine schaal aan de juiste knoppen te draaien, kun je de eigenschappen van het product verbeteren of een goedkopere vervaardigingsroute vinden.
Materialen hebben altijd al een grote invloed op de maatschappij gehad. De steentijd, de bronstijd en de ijzertijd heten immers niet voor niets zo. En ook in het tijdperk waarin we nu leven spreken we bij computersimulaties van experimenten in silico – een verwijzing naar het materiaal silicium waarvan computerchips gemaakt zijn.
De maatschappij ontwikkelt en vernieuwt zich steeds weer, en nieuwe materialen met wenselijke eigenschappen en toepassingen blijven daarbij nodig. Denk maar aan materialen voor de opwekking en opslag van duurzame energie, materialen voor langere gebruiksduur van installaties, constructies en infrastructuur, of materialen die gemakkelijk(er) te recyclen zijn. Onderzoek van academische materiaalkundigen staat vaak aan de oorsprong van zulke materialen, en producten die hiervan gemaakt zijn.
Materiaalkundigen weten welke invloed de microstructuur heeft op de uiteindelijke eigenschappen van een materiaal – en dus van een product dat daarvan is gemaakt. Door op kleine schaal aan de juiste knoppen te draaien, kun je de eigenschappen van het product verbeteren of een goedkopere vervaardigingsroute vinden.
Rond de jaarwisseling van 2008 op 2009 is een boekje verschenen dat een kijkje in de keuken geeft van het materialenonderzoek dat bij Delft Centre for Materials (DCMat) aan de Technische Universiteit Delft plaatsvindt. Simpelweg door beelden uit het alledaagse leven van Delft en omgeving te koppelen aan de fascinerende wereld van techniek, materialen en onderzoek bij DCMat die hierachter schuilgaat. Om de verborgen kracht van materialen nadrukkelijk naar voren te laten komen. Materialen zijn immers overal om ons heen – en van alle tijd.
Meer lezen?
“Delft in materialen – Materialenonderzoek in ons alledaagse leven“, samenstelling Eddy Brinkman, Betase BV, ISBN 978-90-79926-01-5, december 2008 (PDF-document, omvang ca. 7 MB). Diverse bijdragen op deze website zijn terug te vinden in dit boekje.
Geplaatst door Eddy Brinkman op 26 november 2009 onder Corrosie, Metalen |
Take home message:
RVS of roestvast staal ‘roest’ wel degelijk – om zichzelf te beschermen.
Metalen houden niet van een vochtige omgeving. Of van gassen bij hoge temperaturen. En zeker niet van gesmolten of opgeloste zouten. Want dat kan leiden tot een – eventueel plaatselijke – onwenselijke elektrochemische aantasting van het metaaloppervlak, oftewel corrosie. De roodbruine kleur van roest (een poreus laagje van met name ijzeroxide) op ijzer is hiervan het bekendste voorbeeld.
Bestrijding van corrosie richt zich onder meer op de afscherming van het metaal tegen de omgeving – bijvoorbeeld door een metalen, keramische of organische coating op het metaal aan te brengen. Of een combinatie hiervan.
Roestvast staal is een zichzelf herstellend of self healing materiaal door de aanwezigheid van minimaal 12 massaprocent chroom in de legering. Vrijwel direct nadat het chroom in aanraking komt met zuurstof uit de lucht – bijvoorbeeld door een kras op het oppervlak – reageert het met elkaar tot een dun en ondoordringbaar huidje van chroomoxide (Cr2O3). Roestvast staal ‘roest’ dus wel degelijk – om zichzelf te beschermen.
Geplaatst door Eddy Brinkman op 7 november 2009 onder Verbindingen |
Take home message:
Verbindingen zijn voor een product net zo belangrijk als de materialen waaruit het product is samengesteld.
Bij de ontwikkeling van een product is verbindingstechnologie minstens zo belangrijk als de optimalisatie van de materialen waaruit het product gemaakt wordt. Het maakt hierbij niet uit of het een computer, een fiets of een vliegtuig is. Een product ‘doet’ het pas goed als deze materialen, of de afzonderlijke onderdelen, onderling goed samenwerken.
Hier speelt het grensvlak tussen deze materialen – de verbinding – een doorslaggevende rol. Lijmen, solderen, lassen, schroeven, klemmen … er zijn legio manieren te bedenken om een materiaal aan de rest van de wereld te verbinden. Je moet de verbinding uiteraard zo kiezen dat deze niet ‘de zwakste schakel’ is voor de werking van een product.
Geplaatst door Eddy Brinkman op 7 november 2009 onder Keramiek en glas |
Take home message:
Door keramische vezels in te bedden in het materiaal kun je een taaier soort keramiek maken dat niet zo snel in één keer kapot gaat.
Keramiek, dat breekt toch gemakkelijk? Waarom zou je dit materiaal dan in turbines willen gebruiken, en hoe zou dat kunnen?
Vanwege de bestendigheid tegen hoge temperaturen en de doorgaans lagere dichtheid ten opzichte van metaallegeringen zou technische keramiek een ideaal materiaal zijn om schoepen in gasturbines van te maken. Geen ingewikkelde koelkanaaltjes en geen hogetemperatuurbestendige – eveneens keramische – thermal barrier coatings meer.
Het brosse karakter van keramiek – waardoor een component zonder waarschuwing in één keer kan breken – gooit hier echter roet in het eten, vooral bij hoogbelaste onderdelen in turbines. Om dit aan te pakken worden taaiere keramieksoorten ontwikkeld, en zogenaamde keramische matrixcomposieten zijn hierbij veelbelovende materialen. Deze keramische tegenhangers van ‘kunststof’ composieten bestaan uit lange keramische vezels die ingebed zijn in een eveneens keramische matrix. Voor de motor van de Joint Strike Fighter wordt gekeken of het gebruik van keramische matrixcomposieten een optie is.
Geplaatst door Eddy Brinkman op 7 november 2009 onder Keramiek en glas |
Take home message:
Voorwerpen van technische keramiek kun je hun vorm geven door keramiekpoeder met een polymere binder tot een plastische massa te mengen, en dit mengsel te extruderen.
Kunststof, metaal, zelfs hagelslag. Veel materialen kun je met extrusie vormgeven. De basis hiervoor is simpel: verwarm het materiaal tot het enigszins kan vervormen, en pers dit materiaal onder hoge druk door een opening met de gewenste dwarsdoorsnede en (eventueel complexe) vorm.
Technische keramiek lijkt hier een vreemde eend in de bijt. Immers, hoe kun je dit materiaal – bijvoorbeeld aluminiumoxide – kneedbaar maken zonder naar hele hoge temperaturen te hoeven gaan? Ook hier is de uitvoering weer simpel: extrudeer niet het pure keramiek, maar meng keramiekpoeder met een polymere binder tot een plastische massa, en extrudeer dit mengsel. Daarna volgt een warmtebehandeling, tot ruim boven de 1000 °C, waarbij de polymere binder letterlijk verdampt en de keramiekdeeltjes aan elkaar bakken tot het eindproduct.
Houd er bij de extrusie wel rekening mee dat de extrusie-opening groter is dan de maat van het eindproduct, omdat het geëxtrudeerde mengsel tijdens de warmtebehandeling krimpt. Maar je kunt vooraf berekenen hoeveel die krimp is, en de oorspronkelijke extrusie-opening daarop aanpassen.
Geplaatst door Eddy Brinkman op 7 november 2009 onder Keramiek en glas, Reologie |
Take home message:
Het is een fabeltje dat ramen van middeleeuwse kerkgebouwen onderaan dikker zijn dan boven doordat het glas door de zwaartekracht langzaam naar beneden is gestroomd.
Glas verkeert in een identiteitscrisis. Het materiaal heeft zowel vloeibare kenmerken (de ongeordende moleculaire rangschikking) als vaste kenmerken (waaronder het brosse breukgedrag). Het is een mythe dat ramen van middeleeuwse kerkgebouwen onderaan een beetje dikker zijn dan bovenaan omdat het glas onder invloed van de zwaartekracht langzaam naar beneden zou zijn gestroomd. In dat geval zou het kerkglas namelijk veel minder viskeus moeten zijn (en dus sneller moeten stromen), om dit dikteverschil op deze tijdschaal te kunnen zien. Bovendien ‘stroomt’ glaswerk uit de Romeinse of Egyptische tijd niet, terwijl dat toch veel ouder is.
Het dikteverschil in de kerkramen komt door het niet-optimale middeleeuwse fabricageproces waarbij de glasrand aan de buitenkant dikker is dan binnenin. En vanwege de stabiliteit was het gewoon handiger om het raam met de dikke zijde onderaan in de kerk te plaatsen.