Uitgebreide Gids tot Materiaalclassificatie in de Techniek

In dit artikel bespreken we de Classificatie van Materialen in de techniek. Alles wat we gebruiken is gemaakt van een bepaald materiaal. Gebaseerd op bepaalde eigenschappen worden ze gegroepeerd. Laten we de classificatie duidelijk begrijpen.

Classificatie van Materialen

Vaste materialen zijn handig ingedeeld in drie basiscategorieën: metalen, keramieken, en polymers. Deze indeling is primair gebaseerd op chemische samenstelling en atoomsstructuur, en de meeste materialen vallen in één duidelijke groep, hoewel er tussenvormen bestaan.

Daarnaast zijn er drie andere belangrijke groepen ingenieursmaterialen: composieten, halfgeleiders, en biomaterialen.

Composieten bestaan uit combinaties van twee of meer verschillende materialen, terwijl halfgeleiders gebruikt worden vanwege hun bijzondere elektrische eigenschappen; biomaterialen worden in het menselijk lichaam geïmplanteerd. Een korte uitleg van de materiaaltypen en representatieve kenmerken volgt.

Classificatie van Materialen met Omschrijving

1. Metalen

Metallische materialen zijn normaliter combinaties van metallische elementen. Ze hebben grote aantallen niet-gelokaliseerde elektronen; deze elektronen zijn niet gebonden aan specifieke atomen. Veel eigenschappen van metalen zijn direct toe te schrijven aan deze elektronen. Metalen zijn uitstekende geleiders van elektriciteit en warmte en zijn niet doorzichtig voor zichtbaar licht; een gepolijst metaaloppervlak heeft een glanzende uitstraling. Verder zijn metalen tamelijk sterk, toch vervormbaar, wat hun uitgebreide gebruik in structurele toepassingen verklaart.

2. Keramieken

Keramieken zijn verbindingen tussen metallische en niet-metallische elementen; ze zijn meestal oxiden, nitriden en carbiden. De brede reeks materialen in deze classificatie omvat keramieken samengesteld uit kleimineralen, cement, en glas. Deze materialen zijn typisch isolerend voor elektriciteit en warmte, en bestendiger tegen hoge temperaturen en harde omstandigheden dan metalen en polymeren. Wat mechanisch gedrag betreft: keramieken zijn hard maar zeer bros.

3. Polymers

Een andere classificatie zijn polymers. Polymers omvatten de bekende kunststoffen en rubbermaterialen. Vele zijn organische verbindingen chemisch gebaseerd op koolstof, waterstof en andere niet-metallische elementen; bovendien hebben ze zeer grote moleculaire structuren. Deze materialen hebben typisch lage dichtheden en kunnen extreem flexibel zijn.

4. Composieten

Een aantal composietmaterialen is ontworpen die uit meer dan één materiaaltype bestaan. Glasvezel is een bekend voorbeeld, waarin glasvezel in een polymermatrix ingesloten zit. Een composiet is ontworpen om een combinatie van de beste eigenschappen van elk component te tonen. Glasvezel verkrijgt sterkte van het glas en flexibiliteit van het polymere. Veel recente materiaalontwikkelingen betreffen composietmaterialen.

5. Halfgeleiders (Semiconductors)

Halfgeleiders hebben elektrische eigenschappen die tussen geleiders en isolatoren liggen. Bovendien zijn de elektrische kenmerken van deze materialen extreem gevoelig voor de aanwezigheid van minieme concentraties onzuiverheden, welke concentraties over zeer kleine ruimtelijke gebieden gecontroleerd kunnen worden. Halfgeleiders hebben de opkomst van geïntegreerde schakelingen mogelijk gemaakt, wat de elektronica- en computerindustrie (en ons leven) de afgelopen twee decennia volledig heeft gerevolutioneerd.

6. Biomaterialen

Biomaterialen worden toegepast in componenten geïmplanteerd in het menselijk lichaam voor vervanging van ziekte of beschadigde lichaamsdelen. Deze materialen mogen geen giftige stoffen produceren en moeten compatibel zijn met lichaamsweefsels (d.w.z. geen nadelige biologische reacties veroorzaken). Alle bovenstaande materialen—metalen, keramieken, polymeren, composieten, en halfgeleiders—kunnen als biomaterialen dienen.

Toekomstige Materialen (Future Materials)

Dit is een aanvulling op de classificatie van materialen in de techniek, aangezien wetenschap en technologie voortdurend evolueren.

Slimme (of intelligente) materialen zijn een klasse high-tech materialen die momenteel ontwikkeld worden en een grote impact zullen hebben op veel van onze technologieën. Het woord "slim" suggereert dat deze materialen veranderingen in hun omgeving kunnen detecteren en op vooringestelde manieren reageren—kenmerken die ook in levende wezens voorkomen. Verder wordt het "slimme" concept toegepast op complexere systemen die slimme en traditionele materialen combineren.

Enkele typen sensoren (die een invoersignaal detecteren) en actuatoren zijn componenten van een slim materiaal (of systeem) (die een responsieve en adaptieve functie uitvoert).

In reactie op veranderingen in temperatuur, elektrische velden en/of magnetische velden, kunnen actuatoren gevraagd worden om vorm, positie, eigenfrequentie of mechanische eigenschappen te veranderen. Vormgeheugenlegeringen, piezoelektrische keramieken, magnetostrictieve materialen, en electro-/magnetoreologische vloeistoffen zijn de meest voorkomende materialen in actuatoren.

Vormgeheugenlegeringen zijn metalen die, bij temperatuurverandering, na vervorming terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm. Piezoelektrische keramieken zwellen en krimpen in reactie op een toegepast elektrisch veld (spanning); naarmate hun afmetingen veranderen, genereren ze ook een elektrisch veld.

Conclusie

Dit waren de typen materialen die we in ons dagelijks leven vinden en gebruiken. Op basis van deze classificatie van materialen proberen onderzoekers de kwaliteit te verbeteren of het bestuderen ervan makkelijker te maken.