7.4 Functionele materialen

De behuizing van een smartphone heeft andere eigenschappen dan het scherm. Een smartphone bevat sensoren die licht en druk omzetten in elektrische signalen. Welke soorten materialen zijn er, en hoe kies je een materiaal bij de gewenste functie?

Figuur 7.26

Materiaalkunde

Al sinds de oertijd gebruiken mensen materialen, bijvoorbeeld voor gebouwen, gebruiksvoorwerpen en sieraden. In de steentijd zijn dat materialen die je in de natuur vindt: stenen en hout.

Daarna volgt brons, dat je maakt door gesmolten koper en tin te mengen. Met de ontdekking van deze techniek begint de bronstijd. Vloeibaar brons kun je in allerlei vormen gieten, waardoor het eenvoudig is om er voorwerpen van te maken.

IJzer komt in de natuur in grote hoeveelheid voor in de vorm van ijzererts. Om daaruit ijzer te winnen, waren nieuwe technieken nodig. Als die worden uitgevonden, breekt de ijzertijd aan.

In de eeuwen daarna leert de mens vele nieuwe materialen te maken en bewerken. Vaak is daarvoor nieuwe kennis nodig. De nieuwe materialen leiden op hun beurt weer tot nieuwe mogelijkheden voor technologie en wetenschap. Nu is materiaalkunde een belangrijke tak binnen de natuurwetenschap. Wereldwijd werken natuurkundigen en scheikundigen samen aan het uitvinden en verbeteren van materialen.

De eigenschappen van een materiaal hangen samen met de eigenschappen van de deeltjes waaruit het materiaal is opgebouwd. Op grond van hun bouw kun je materialen verdelen in vier groepen: metalen, keramische materialen, polymeren en composieten. Daarnaast zijn er nieuwe materialen, waaronder de smart materials.

Metalen

Zuivere metalen hebben vaak een glimmend uiterlijk. Het zijn goede geleiders voor warmte en elektriciteit. Metalen kun je gemakkelijk vervormen. Dat gaat nog beter als je ze verwarmt. In de materiaalkunde noem je een materiaal met die eigenschappen taai en buigzaam. Voeg je aan een gesmolten metaal andere stoffen toe, dan ontstaat een legering met andere eigenschappen. Zuiver ijzer is breekbaar. Door aan gesmolten ijzer een hoeveelheid koolstof toe te voegen, ontstaat staal. Staal is sterker en buigzamer dan ijzer. Daardoor is het beter geschikt als constructiemateriaal, bijvoorbeeld voor bruggen. Zie figuur 7.27. Figuur 7.27

Keramische materialen

Voorbeelden van keramische materialen zijn glas, aardewerk en bakstenen. Deze materialen zijn goed bestand tegen hitte en inwerking van chemicaliën, maar geleiden warmte en elektriciteit slecht. Keramische materialen zijn vaak hard en daardoor slijtvast. Maar ze zijn ook bros: ze breken eerder dan dat ze buigen.

Keramiek en glas worden al sinds de oudheid gebruikt, maar er zijn ook moderne toepassingen. Keramische tegels worden gebruikt als hitteschild op ruimtevaartuigen. Glasvezels kom je tegen in de telecommunicatie. Zie figuur 7.28.

Figuur 7.28

Polymeren

In de natuur komen veel polymeren voor. Rubber, cellulose, zetmeel, eiwitten en DNA zijn polymeren. Sinds de vroege negentiende eeuw is de chemische industrie in staat om polymeren te maken: plastics, nylon en kunstvezels. Zie BINAS tabel 67A1. Voor de meeste polymeren is aardolie de grondstof. Polymeren zijn slechte geleiders voor warmte en elektriciteit. Ze zijn goed bestand tegen chemicaliën. De meeste polymeren hebben een kleine dichtheid. De molecuulstructuur van het polymeer bepaalt het gedrag bij verwarmen.

Plastics zijn goedkoop te produceren. Ze worden daarom vaak gebruikt voor wegwerpmaterialen. Een groot nadeel is dat plastics nauwelijks afbreekbaar zijn in de natuur. Natuurlijke en kunstmatige vezels worden geweven tot textiel. De industrie heeft supersterke kunststofvezels ontwikkeld, die bekend zijn onder namen als Kevlar, Twaron en Dyneema.

Composieten

Composiet betekent letterlijk: samengesteld materiaal. Het is meestal een kunststof waarin vezels gemengd zijn. De kunststof houdt het materiaal bij elkaar, de vezels zorgen dat het materiaal grote krachten kan weerstaan, terwijl de dichtheid toch klein blijft. Met glasvezel versterkte kunststoffen worden gebruikt in de vliegtuig- en scheepsbouw. Bij fietsen en formule 1-auto’s worden koolstofvezels verwerkt in lichte, maar toch harde frames en kuipdelen. Kogelwerende vesten zijn gemaakt van composieten met supersterke kunststofvezels.

Smart materials

Een categorie nieuwe materialen zijn smart materials: materialen waarvan de eigenschappen veranderen als grootheden in de omgeving veranderen. Voorbeelden zijn piëzo-elektrisch materiaal en thermochroom materiaal. Piëzo-elektrische materialen veranderen van vorm als je er een elektrische spanning over zet. Het omgekeerde geldt ook: als het materiaal van vorm verandert, ontstaat een spanning over het materiaal. Dit principe wordt toegepast bij een elektrische aansteker. Wanneer je het handvat van de aansteker indrukt, ontstaat een spanning die een vonk veroorzaakt. Thermochrome materialen veranderen van kleur als de temperatuur verandert. De kleur van de mokken in figuur 7.29 hangt af van de temperatuur van de vloeistof in de mokken.

Figuur 7.29

Duurzaamheid

Lange tijd werd de keuze voor een materiaal enkel bepaald door eigenschappen zoals dichtheid, geleidbaarheid, elasticiteit, treksterkte. Tegenwoordig spelen ook milieueisen mee, bijvoorbeeld bij smartphones.

Het ‘leven’ van een smartphone bestaat uit drie fasen: ▪ Productiefase

In een smartphone zitten materialen, zoals indium, lithium en tantaal, die schaars of moeilijk te winnen zijn. De massa van een smartphone ligt tussen de 100 en 200 gram. Maar voor het produceren ervan zijn tientallen kilogrammen aan materiaal nodig, in processen die veel energie gebruiken. ▪ Gebruiksfase

Een smartphone gebruikt energie. Ook voor de accessoires, zoals het hoesje en de oplader, zijn energie en grondstoffen nodig. ▪ Afdankfase

Als een smartphone wordt afgedankt, verdwijnen vele, vaak nog functionerende onderdelen als afval.

Om een product duurzamer te maken, moet je de milieubelasting in elke fase zo klein mogelijk maken. Al bij het ontwerpen van een product houd je daar rekening mee. Een vergaand voorbeeld van duurzaam ontwerpen is het cradle-to-cradleprincipe. Dit houdt in dat alle materialen van een product kunnen worden hergebruikt, bijvoorbeeld als materiaal in een nieuw product of als voedingsstof in de natuur.

Opgaven

▶ tekenblad 20 De eigenschappen die een voorwerp moet hebben, bepalen de keuze voor het materiaal. In tabel 7.3 staat een aantal voorwerpen uit de keuken en het materiaal waarvan ze gemaakt zijn.

Noteer in tabel 7.3 in de derde kolom de stofeigenschap die de keuze voor dit materiaal bepaalt.

Voorwerp Pan Ovenschaal Bewaardoos Mes Ovenwant

Tabel 7.3

Materiaal metaal

keramiek

plastic metaal

natuurlijke polymeer Stofeigenschap

21 Bij de bouw van vliegtuigen wordt veel meer gebruik gemaakt van aluminium dan van staal. a Waardoor is aluminium meer geschikt dan ijzer?

Koper geleidt elektriciteit goed, maar zilver geleidt nog beter. Toch wordt meestal koper gebruikt. b Leg uit waardoor vaker koper wordt toegepast dan zilver.

22 Het is mogelijk een huis te bouwen van stro. Het stro wordt bedekt met leem of klei. a Leg uit waarom je stro met leem een composiet kunt noemen.

Gewapend beton is beton waarin staaldraden zijn verwerkt. b Leg uit waardoor de staaldraden het beton betere eigenschappen geven. c Leg uit waarom een kogelwerend vest van een composiet is gemaakt.

Gewone fietsframes zijn gemaakt van metaal. Professionele wielrenners rijden op een fiets gemaakt van een composiet van koolstofvezels en epoxyhars. d Wat is het voordeel van het composiet boven een metaal?

23 Een smartphone is een ingewikkeld apparaat met vele aspecten.

Voer een onderzoekje uit naar een van de volgende onderdelen. a De behuizing van een smartphone. Aan welke eisen moet deze voldoen? Welke oplossingen kiezen verschillende fabrikanten daarvoor? b Het scherm van een smartphone. Aan welke eisen moet dit voldoen? Welke oplossingen kiezen verschillende fabrikanten daarvoor? c Smart materials in een smartphone. Een smartphone heeft verschillende sensoren. Welke smart materials zou je kunnen verwerken in een smartphone?

24 Maak een presentatie bij een van de volgende soorten materialen. Zoek uit wat voor materiaal het is en bespreek een toepassing ervan. a Thermo-elektrische materialen b Geheugenmaterialen c Fotomechanische materialen d Elektrochrome materialen e Fotochrome materialen f Zelfherstellende materialen