Technische Materialen: Classificatie en Selectiegids

Materiaal is niets anders dan een stof gebruikt om een bepaald ding te creëren. Technische materialen zijn de materialen gebruikt voor de toepassing van technische werken. Gebaseerd op mechanische, fysieke, chemische en productie-eigenschappen worden materialen geselecteerd volgens de toepassing.

Mechanische eigenschappen van materialen zijn sterkte (druk of trek), zwaarte, stijfheid, elasticiteit, plasticiteit, duktiliteit, brosheid en hardheid. Fysieke eigenschappen van materialen zijn dichtheid, geleiding (thermisch of elektrisch), akoestisch (geluidsoverdracht of absorptie), optisch, brandbaarheid. Chemische eigenschappen van materialen zijn samenstelling (oxide of verbinding), zuurgraad of alkaligheid, weerstand tegen verwittering/corrosie.

Productie-eigenschappen van materialen zijn gietbaarheid, bewerkbaarheidscijfer, bewerkingsnelheden en voedingen en voor dimensioneringsdoeleinden vorm en afmeting.

De selectie van materiaal voor de vereiste functionele toepassing is gebaseerd op enkele van de volgende factoren:

1. Spanningen waaraan het werkstuk of component blootgesteld zal zijn.
2. Corrosieweerstand.
3. Temperatuur, slijtage en slijtweerstand.
4. Flexibiliteit en rigiditeit.
5. Gemak van het productieproces.
6. Kosteneffectiviteit voor productontwikkeling.
7. Beschikbaarheid van het materiaal.

Classificatie van Technisch Materiaal:

Afhankelijk van de aard van de stof worden materialen geclassificeerd als:

1. Metalen en legeringen
2. Ferroe metalen
3. Non-ferroe metalen
4. Non-metalen
5. Keramieken
6. Polymeren
7. Composieten
8. Halfgeleiders
9. Biomaterialen

1. METALEN EN LEGERINGEN:

Metallische materialen zijn combinaties van metallische elementen. De meest uitsprekende eigenschap van metalen is dat elektronen niet-gelokaliseerd zijn; in de atomaire ordening behoren de buitenste valentie-elektronen niet tot individuele atomen, maar tot de hele bulkmassa. Niet-gelokaliseerde elektronen zijn vrij om lading te dragen om elektriciteit te geleiden. Daarom zijn ze goede geleiders voor elektrische en thermische lading. Metalen hebben een glanzende uitstraling. Bij normale temperatuur zijn de meeste materialen in vaste toestand, maar sommige metalen zoals kwik liggen in vloeibare toestand. Gebaseerd op de aanwezigheid van ijzerinhoud worden metalen genoemd als:

1. Ferroe metalen
2. Non-ferroe metalen

Ferroe metalen: De primaire inhoud van ferroe metalen is ijzer en koolstof. Ferroe metalen zijn magnetisch en vatbaar voor roest bij blootstelling aan vocht. Smijtijzer roest niet door zuiverheid en roestvrij staal door aanwezigheid van chroom. Voorbeelden: ijzer, staal, etc. Vanwege hun magnetische eigenschap worden ferroe metalen gebruikt in motoren en elektrische toepassingen.

Non-Ferroe Metalen: IJzer is niet de primaire inhoud. Vanwege de afwezigheid van ijzer hebben deze metalen hoge weerstand tegen roest en corrosie en zijn ze niet-magnetisch. Voorbeelden: koper, messing, aluminium, wolfram, lood, zink, goud, etc.

Legering: Een legering is een combinatie van twee of meer metalen. Het wordt genoemd op basis van metallische bindingskarakter. Het is van twee typen: ferro metaallegering en non-ferro metaallegering. Gietijzer is een legering gemaakt van ijzer, koolstof en silicium. Messing is een legering van koper en zink.

Toepassingen:

1. Vanwege hun zwaarte en mogelijkheid om bij hoge temperaturen te steriliseren, worden metalen gebruikt als naalden, chirurgische mesjes.
2. Vanwege hun sterkte en vermogen om zware gewichten te dragen, worden metalen zoals ijzer en staal gebruikt in bouw.
3. Metalen zoals goud, zilver, platina, etc. worden gebruikt in juwelen.
4. Metalen worden gebruikt in machines en auto's omdat ze hoge temperatuur, druk en werklast kunnen weerstaan.
5. Aluminium en titanium spelen een belangrijke rol in de lichtgewicht categorie voor vliegtuiglegeringen.
6. Wolfram wordt gebruikt in hoge-temperatuur toepassingen.

2. KERAMIEKEN:

Een deeltje of vezel dat gebruikt wordt in termen van het maken van keramische producten. Keramieken hebben een regelmatige atomaire structuur en kristalstructuur. Keramieken zijn hoofdzakelijk oxiden, nitriden en carbiden. Ze zijn niet-geleidende materialen; vanwege hun isolerende eigenschap worden ze als isolatoren gebruikt. Ze zijn zeer hard en bros van aard. Voorbeelden: alumina, silica, siliciumcarbide, diamant, bakstenen, etc.

Toepassingen:

1. Vanwege de druksterkte worden bakstenen gebruikt in bouw.
2. Vanwege hun goede thermische isolatie worden keramische tegels in ovens gebruikt.
3. Sommige keramieken zijn transparant voor radar en andere elektromagnetische golven; gebruikt in radomen en zenders.
4. Glaskeramieken hebben hoge-temperatuur mogelijkheden; gebruikt in optische apparatuur en vezelisolatie.
5. Alumina, silica, siliciumcarbide worden gebruikt in het maken van gereedschappen.
6. Diamant wordt gebruikt in sieraden en snijgereedschaps-toepassingen.

3. POLYMEREN:

Polymeren hebben een ketenmolecuulstructuur met koolstof als ruggengraat atomen. Ze zijn hoofdzakelijk gemaakt van zware organische materialen. Ze zijn lage dichtheid materialen en ook flexibel. In sommige gevallen zijn polymeren niet flexibel. Polymeren worden niet alleen gebruikt als structurele materialen; ze kunnen als vezels en harsen in de matrix van composietmaterialen worden gebruikt. Voorbeelden: polyester als vezels, fenolen en epoxiden als harsen. Elastomeer zijn ook polymeren maar worden apart beschouwd vanwege hun specifieke ontwerp voor bepaalde doeleinden zoals schok- en trillingsabsorptie. Natuurlijke polymeren: wol, zijde, DNA, cellulose, eiwitten, etc. Synthetische polymeren: thermoplasten, thermohardende kunststoffen. Voorbeelden: nylon, polyethyleen, polyester, teflon, epoxy, bakeliet, etc.

Toepassingen:

1. Polyethyleen wordt gebruikt voor draagtassen.
2. Polypropyleen wordt gebruikt voor hoge-temperatuur weerstand producten zoals voederflesjes.
3. Polyether ether ketone en polyethyleen ketone worden gebruikt in mineralwaterfles concept.
4. Polycarbonaat wordt gebruikt om hoge-prestatie polymeren te maken zoals transparante polymeren.
5. Polyaniline is een geleidende polymere.
6. Bakeliet gebruikt voor het maken van isolerende materialen.

4. COMPOSIET:

Composietmateriaal is de samenstelling van twee of meer constitutieve materialen met verschillende fysieke en chemische eigenschappen om een ander karakteristiek materiaal te produceren. Composietmateriaal kan zowel metalen zijn of metaal en keramiek of metaal en polymere, afhankelijk van de toepassingsvereiste wordt de combinatie gemaakt. Voorbeelden: hout, beton, vezelglas, CFRP (koolstofvezel versterkte kunststof), GFRP (glasvezel versterkte kunststof), etc.

Toepassingen:

1. CFRP en GFRP worden gebruikt voor auto-carrosserieonderdelen.
2. CRPF en honingraatcomposieten worden gebruikt voor chassis.
3. Somme brandstoftanks zijn gemaakt van Kevlar versterkt vezel.
4. Versterkte thermoharders worden gebruikt in veren en bumper systemen.
5. Vezelglas versterkte kunststof is gebruikt voor bootrompen, visstokken, tennisrackets, helmen, bogen en pijlen.

5. HALFGELEIDERS:

Halfgeleider is een intermediair geleidend materiaal. Hun geleiding is niet zo hoog als metalen en niet zo laag als isolerende keramische materialen. In deze materialen neemt de weerstand af naarmate de temperatuur toeneemt. De unieke atomaire structuur stelt in staat om de geleiding te controleren. Voorbeelden: silicium, germanium, galliumarsenide, selenium, etc.

Toepassingen:

1. Galliumarsenide wordt breed gebruikt in lage-ruis, hoge-versterking en zwak-signaal versterkers.
2. Een halfgeleiderapparaat kan de functie van een buis vervullen met honderden keer zijn volume.

6. BIOMATERIALEN:

Biomaterialen zijn niet-levensvatbare materialen. Voorbeelden: alumina, zirconium, titanium, tantalum, niobium, koolstof, etc.

Toepassingen:

1. Metalen worden in geneeskunde gebruikt om micronutriënt metaal tekort ziekten bij mens en dier te genezen, zoals ijzer deel is van haemoglobine, een biomolecuul dat als ferrozuurfaat kan worden gebruikt om sommige vormen van anemie te genezen.
2. Implantaten in het lichaam om beschadigd weefsel te herstellen of te vervangen.

LET OP:

In composietmaterialen geeft de naam zelf aan: composiet => samenstelling, het is de samenstelling van twee of meer materialen. In halfgeleiders geeft de naam aan: semi (half) en geleider (geleidend). Het verschil tussen een legering en composiet is dat het composiet een versterking van ander materiaal is. Terwijl legering een combinatie (mengsel) is van beide of vereiste aantal materialen in de vereiste hoeveelheid per noodzakelijk product. Zowel halfgeleiders als biomaterialen zijn substituten in metalen, keramieken en polymeren op de vereiste plekken.