Materiaalkunde

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Naar navigatie springen Naar zoeken springen
De materiaalkunde-tetraëder, soms aangetroffen met "karakterisering" in het midden
Twee vormen van doteren van halfgeleiders: n-type (boven) en p-type (onder).

Materiaalkunde is een interdisciplinair natuurwetenschappelijk vakgebied, dat zich bezighoudt met het verband tussen samenstelling en structuur van materialen aan de ene kant, en hun eigenschappen aan de andere. In het verlengde daarvan behoort ook de ontwikkeling van nieuwe materialen voor andere vakgebieden, ten behoeve van bijvoorbeeld de ruimtevaart of voor kunstorganen, tot haar taken. Iemand die de studie materiaalkunde heeft volbracht wordt een materiaalkundige of materiaalkundig ingenieur genoemd.

Opeenvolgende technologische tijdperken[bewerken | brontekst bewerken]

De ontwikkeling van de mensheid is altijd direct verbonden geweest met de op enig moment beschikbare technische kennis. In de prehistorie ging het daarbij vooral om het bewerken van materialen tot gereedschap. Daarom worden eerdere menselijke beschavingen (steentijd, bronstijd, ijzertijd) aangeduid met de namen van de gereedschapsmaterialen die achtereenvolgens voor deze beschavingen bepalend waren. Met de toenemende kennis van de eigenschappen van bestaande materialen komt de mogelijkheid nieuwe materiaal te ontdekken en ontwikkelen, hierdoor breekt op een gegeven moment een nieuw technologisch tijdperk aan. Na de Tweede Wereldoorlog wordt daarom een nieuw interdisciplinair vakgebied ontwikkeld, die de natuurwetenschappelijke vakgebieden van de natuurkunde en scheikunde met de toegepaste technologie en werktuigbouw moet verbinden. Hieruit ontstaat rond 1940 tot 1950 het vakgebied der materiaalkunde. Waar de ontwikkeling van materialen voor technologie en constructie centraal staan. In de twintigste eeuw was de productie van zonnecellen en andere geavanceerde elektronica niet mogelijk geweest zonder de halfgeleidertechnologie, die was ontwikkeld door de materiaalkundige aan het eind van de eeuw daarvoor.

Deze Google Ngram Viewer-diagram geeft de zoektermen weer voor het gebruik van de terminologie voor onderzoek naar complexe materie (1940-2018). Groen: “materiaalkunde”,rood: “fysica van de gecondenseerde materie” en blauw: “vastestoffysica”.

Vastestofleer[bewerken | brontekst bewerken]

De materiaalkunde kwam rond dezelfde tijd als de vastestoffysica in opkomst, rond 1940 tot 1950. Na de ontdekkingen en interesse in meer gecondenseerde aggregatietoestanden werd rond 1975 de term fysica van de gecondenseerde materie geprefereerd over de vastestoffysica in het natuurkundige veld. In tegenstelling tot de twee natuurkundige termen en takken van het onderzoek naar de fysische eigenschappen van de complexe materie bleek de materiaalkunde een aantal goede lobbyisten te hebben, die in de Koude Oorlog bijna geheel de financiering en fondsen voor het wetenschappelijke onderzoek hebben ingenomen, zie de overgang rond 1975 in het diagram hiernaast.[1] Dit is de reden dat tegenwoordig nog steeds het onderzoek dat van oudsher viel onder de vastestoffysica valt onder de materiaalkunde, met enkele onderzoeksinstituten als uitzondering waar het valt onder de fysica van de gecondenseerde materie of het een op zichzelf staande afdeling is.

Materiaalfocus[bewerken | brontekst bewerken]

Zie het artikel materiaal voor structuur en eigenschappen van materialen
Een vergelijkingsdiagram van de verschillende typen materialen voor de sterkte (y-as) vs. dichtheid (x-as). Metalen (grijs), keramische materialen (paars en roze), polymeren (rood) en composieten (bruin).

Hoofdklassen[bewerken | brontekst bewerken]

De klassieke materiaalkunde omvat de technologische en technisch-wetenschappelijke studie van de volgende vier hoofdklassen van materialen, ingedeeld op basis van hun structuur:[2][3]

Deze vier materiaalklassen hebben ieder hun eigen karakteristieke materiaaleigenschappen, zoals warmtegeleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid en sterkte.

Moderne materialen[bewerken | brontekst bewerken]

De voortschrijdende technologie heeft daarnaast nieuwe groepen van materialen in de materiaalkunde opgeleverd met synthetisch verkregen eigenschappen (denk hierbij aan optische, kristallijne, magnetische of elektrotechnische eigenschappen), zoals:

Materialen buiten de scope[bewerken | brontekst bewerken]

Er kan worden opgemerkt dat er veel soorten materialen ontbreken tussen de bovengenoemden. Er bestaan dan ook veel materialen die, ondanks dat de naam wel doet verwachten, niet bij de materiaal-kunde horen. Denk hierbij aan veel organische en niet-technische materialen, zoals:

Over het algemeen vallen ook de materialen, die zich in de vloeibare of gas fasen bevinden, buiten de scope van de materiaalkunde. In tegenstelling tot de scheikundigen, die zich juist focussen op de reacties tussen stoffen in de vloeibare en gas fasen. Er zijn natuurlijk uitzonderingen te vinden op deze regel, maar over het algemeen wordt een materiaalkundige opgeleid tot het beheersen van de kennis en toepassing van technische, anorganische en kristallijne materialen in de vaste toestand.

Vakgebied der materiaalkunde[bewerken | brontekst bewerken]

Tweesplitsing[bewerken | brontekst bewerken]

Het vakgebied der materiaalkunde onderscheidt zich ruwweg in een theoretisch en een praktisch deel, oftewel de materiaalkunde als "natuurwetenschap" en "technische wetenschap" (in het Engels respectievelijk: 'materials science' en 'materials engineering'). De theoretische tak onderzoekt de structuur van een bepaald materiaal en de eigenschappen die daaruit voortvloeien; de praktische tak past deze kennis vervolgens zodanig toe dat het bewerkte materiaal de gewenste eigenschappen krijgt voor een gebruiksproduct. Naast structuur en eigenschappen van materialen, houdt materiaalkunde zich ook bezig met hun productie, en met het evalueren van hun prestaties op de werkplaats.

Deze tweesplitsing komt ook naar voren als het gaat om de ontwikkeling van nieuwe materialen. Traditioneel worden nieuwe materialen uitgevonden tijdens onderzoeken op nano- of microscopische schaal, waarin materialen worden bestudeerd om vervolgens nieuwe eigenschappen te verkrijgen op grotere schaal, ook wel science-led genoemd. Deze valt op veel plekken samen met studie van de vastestoffysica. Daartegenover staat de ontwikkeling van nieuwe materialen voor een van tevoren bekende specifieke toepassing waar nieuwe materialen voor worden ontwikkeld of verbeterd, ook wel design-led genoemd.[2]

Tussen beide disciplines zit veel overlap en de onderzoeken van de subdisciplines van beiden worden vaak door dezelfde materiaalkundige uitgevoerd, echter is de tweesplitsing duidelijk aanwezig.

De vaste materiaalstructuur van twee voorwerpen op macroscopische, microscopische en nanoscopische schaal van (boven) een geordende kristallijn metaal en (onder) een geordende semikristallijne polymeer
Kikuchi-lijnen in een diffractiepatroon
Fasediagram en microstructuren van koolstofstaal en gietijzer

Fundamentele disciplines[bewerken | brontekst bewerken]

Er zijn vier fundamentele subdisciplines te vinden op basis van de verschillende materialen:

De metallurgie en de studie naar keramieken hebben reeds een lange geschiedenis, aangezien de basisprincipes en technieken van elk van deze gebieden gelijk zijn vormen zij beiden het fundament van het vakgebied der materiaalkunde. Met name staal heeft een prominente plaats binnen het vakgebied. Van oudsher valt de productie en ontwikkeling van polymeren onder de (petro)chemie. De technische toepassingen, mechanische eigenschappen en verwerking tot composieten vallen wel weer onder de composiet- en kunststoftechnologie binnen de materiaalkunde.

Theoretische discipline[bewerken | brontekst bewerken]

De theoretische kant van de materiaalkunde omvat de volgende natuurwetenschappelijke subdisciplines, die de materiaalstructuur (kristalstructuur en microstructuur) onderzoeken en de eigenschappen die daaruit voortkomen:

Toegepaste discipline[bewerken | brontekst bewerken]

De technische materiaalwetenschappen richt zich vooral op onderzoek naar de toepassing van materialen, dus de studie naar materiaaleigenschappen bij industriële productieprocessen en materiaalontwikkeling voor een van te voren bekende toepassing:[2]

Moderne disciplines[bewerken | brontekst bewerken]

Door de loop van de jaren heen zijn er naast de klassieke domeinen van het begin van de materiaalkunde (rond 1950) ook nieuwe onderzoeks- en toepassingsvelden onder het vakgebied komen te vallen:[2]

Interdisciplinair en verwant onderzoek[bewerken | brontekst bewerken]

Door de grote vraag vanuit de technologische ontwikkeling is er in veel vakgebieden vraag naar een meer specifieke materiaalkennis. Dit resulteert in een aantal interdisciplinaire en verwante onderzoeks- en toepassingsvelden:[2]

Zie ook[bewerken | brontekst bewerken]

Op andere Wikimedia-projecten

Externe links[bewerken | brontekst bewerken]

Materiaalkunde aan de Nederlandse en Vlaamse universiteiten:

Literatuur[bewerken | brontekst bewerken]

  • Materials Science and Engineering - Its evolution, practice and prospects, Kranzberg, Stanley Smith, Claassen and Chynoweth, 1975