• No results found

Materialen: eigenschappen, selectie en duurzaamheid

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Materialen: eigenschappen, selectie en duurzaamheid"

Copied!
10
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Materialen: eigenschappen, selectie en duurzaamheid

M1. Inleiding & maatschappelijk belang

Systeem perspectief

• Geopolitieke, economische, energie- en milieuaspecten à materiaalselectie Materiaal perspectief

• Materiaaleigenschappen, verwerking, microstructuur à toepassingen

M2. Materiaalfamilies en ontwerpstrategie

Materiaaleigenschappen

• Mechanische eigenschappen o Stijf/slap: E

o Sterk/zwak: σy

o Taai/bros: KIc

o Zwaar/licht: ρ

• Thermische eigenschappen o Gebruikstemperatuur: Tmax

o Thermische expansie: α o Geleidbaarheid: λ o Diffusiviteit: ! ~ %$

&

• Elektrische eigenschappen o Specifieke weerstand: ρe

o Diëlektrische eigenschappen

• Magnetische eigenschappen

• Optische eigenschappen

• Chemische eigenschappen

• Ecologische eigenschappen

functie product

proces

materiaal

vorm marktvraag

specificaties

(2)

Materiaalfamilies

Vormgevingstechnieken Grondstoffen

Primaire vormgeving (gieten, walsen, spuitgieten, additive manufacturing)

Secundaire processen (bewerken, warmtebehandeling, verspanen, boren, …)

Verbindingstechnieken (lassen, lijmen, …) & oppervlaktebehandeling (anodiseren)

Eindproduct Ontwerpstrategie

1. Concept bedenken

2. Materiaal, vorm en proces kiezen Vertaalslag:

o Functie

o Beperkingen à screening o Objectief à ranking o Vrije variabelen 3. Detailleren en optimaliseren

keramische materialen

hybriden metalen

polymeren

elastomeren glasachtigen

o Stijf o Ductiel

o Grote verschillen in dichtheden o Gevoelig voor corrosie

o Vermoeiing o Vezel en deeltjes versterkte composieten

o Sandwich structuren o Schuimen

o Kabels/draden o Laminaten

o Natuurlijke materialen

o Amorf o Hard o Bros

o Gevoelig aan spanningsconcentraties o Corrosiebestendig

o Lage stijfheid o Sterk

o Lage gebruikstemperatuur o Licht

o Corrosiebestendig o Stijf

o Hard o Bros

o Corrosiebestendig

o Goede hoge temperatuur eigenschappen

o Slap o Sterk

o Gebruikt boven

glasovergangstemperatuur

(3)

M3. Grondstoffen, materiaalconsumptie en milieueffecten

Oorsprong van materialen Industrieel metabolisme

Materiaalconsumptie

Materiaalbehoefte stijgt exponentieel!

Grondstoffen schaarste

• Absolute schaarste

o Statische >< dynamische uitputting

o Betere prospectie of beter ontginningstechnologie mogelijk o Armere grondstoffen

• Structurele schaarste

o Metalen enkel als bijproduct van andere metalen

• Economische schaarste

o Geopolitiek – kritieke materialen à Prijzendans van grondstoffen

à Relatieve of absolute ontkoppeling nodig

afval emissies grondstoffen

brandstoffen land

biosfeer

economie/technosfeer Lithosfeer

materialen, energie

verborgen stromen voor geimporteerde materialen geïmporteerde materialen binnenlands gewonnen materialen

verborgen stromen voor binnenlands gewonnen materialen

totalematerialenbehoefte directe materialeninput

input materialen

binnenlands verwerkte output

(output naar biosfeer) export

verborgen stromen export

niet gebruikte binnenlands gewonnen materialen

consumptie materialen output materialen

binnenlands materialenverbruik (DMC)

netto toegevoegd aan materialenstock in de technosfeer

totalematerialenoutput

(ertsen van metalen, mineralen, aardolie, gas, steenkool) (gewassen, dieren, bosbouw, visserij)

(recyclaten)

(4)

Milieu-impact DPSIR framework:

Drivers – Pressures (milieudruk) – State (milieueffect) – Impact – Responses

o Schade aan menselijke gezondheid, ecosysteem, grondstoffen schaarste o Energie-inhoud van materialen als proxy

o Per fase van de levenscyclus:

Mijnbouw

§ Mijnrampen (calamiteit)

§ Mijnafval (veel & toxisch)

§ Meer energie en water nodig door lagere kwaliteit

§ Kwetsbare gebieden Productie

§ Inefficiëntie à afval

§ Impact stijgt met aantal productiestappen

§ Hoge temperatuur Gebruik

§ Degradatie (corrosie, slijtage, verspreiding in milieu)

§ Dynamische versus statische toepassingen

§ Onderhoud

§ Levensduur Afdanking – hiërarchie:

§ Preventie

§ Hergebruik

§ Recycleren & remanufactering

Vervangt primaire grondstoffen Vraagt ook energie, water, land, … Inzameling nodig

Kwaliteit van recyclage

§ Verbranden (evt. met energierecuperatie)

§ Afval storten Biomassa: impact

• Landgebruik • Vervangt vaak aardolie

• Meststoffen en pesticiden

• Water-intensief

• Energie-intensief

• Extra functionaliteiten (biodegradeerbaar, CO2 neutraal, geluiddempend, …)

• Soms energie-efficiënter

Duurzaamheid: people, profit, planet

• IPAT vergelijking: Impact = P (bevolkingsaantal) * A (welvaart) * T (technologie)

• Kaya vergelijking: emissie van een economie = bevolking * welvaart (bbp) per bevolkingsaantal * energie per bbp * emissie voor die energie

• Principes van Herman Daly: behoud van natuurlijk kapitaal o Gebruik hernieuwbare bronnen < regeneratiesnelheid o Gebruik hernieuwbare bronnen < ontwikkeling substituten o Effluenten in omgeving < capaciteit tot assimilatie

(5)

M4. Stijfheid en dichtheid

• Stijfheid: elasticiteitsmodulus E

• Massa: dichtheid ρ

à Beide niet afhankelijk van microstructuur, maar van atoomgewicht en kristalstructuur Meten van stijfheid en dichtheid

• Dichtheid: wet van Archimedes

• Stijfheid

o Meten van frequentie van trillingen o Trektest

Spanning-rek diagram

Elastische vervorming à lineair verband: wet van Hooke σ = E*ε Spanning

Trek/druk à σ = E*ε

Schuifspanning à ' = ) ∗ + Druk langs alle kanten à p = K * ∆

• Coëfficiënt van Poisson

• Wet van Hooke in 3D

Manipuleren van stijfheid en dichtheid

• Composieten (hybriden)

o Dichtheid via mengregel

o Modulus: boven limiet (parallelle belasting) en onder limiet (serie belasting)

• Schuimen (materiaal met holtes) Elastische

energie

(6)

Fysische achtergrond Atomaire structuur

• Grote bindingsenergie per nucleon à stabiel

• Valentie-elektronen bepalen chemisch karakter

o Elektropositieve atomen geven gemakkelijk e- af (links in tabel) o Elektronegatieve atomen nemen gemakkelijk e- op (rechts in tabel) Atoomvolume: hangt cyclisch samen met aantal valentie-elektronen

• Shielding of screening = opgevulde schillen zwakken aantrekkingskracht nucleus af:

Zeff = Z – S

• Afstoting tussen negatieve valentie-elektronen en schillen Interatomaire bindingen

Cohesieve energie HC = energie nodig om atomen volledig te scheiden

• Metallisch

o Tussen metaalatomen o Elektronenwolk

• Ionisch

o Combinatie sterk elektronegatief en -positief atoom (verschil > 1,7) o Globale lading neutraal

• Covalent

o Gedeelde valentie-elektronen

o Verschil in elektronegativiteit < 1,7 à polaire binding o Verschil in elektronegativiteit < 0,4 à apolaire binding o O.a. koolstof: hybridisatie van orbitalen

• Van der Waals

o Dipool-dipool door beweging of permanent

HC (van der Waals) < HC (metallisch) < HC (covalent) < HC (ionisch) Atoomstapeling

• Kristallijn = geordend gestapelde eenheidscellen (vb. meeste metalen en keramieken) o Dichtste bolstapeling: HDP

o Dichtste bolstapeling: KVG

o KRG

à Hiertussen zitten holtes

(7)

• Amorf = niet-geordend gestapeld (vb. polymeren (of semi-kristallijn), metalen en glazen indien te snel afgekoeld)

Fysische oorsprong van dichtheid

• Atoommassa

• (Atoomvolume)

• (Atoomstapeling)

Fysische oorsprong van E-modulus

• Atoomvolume: kleiner volume = meer bindingen per eenheid volume = stijver o Arbeid om HC te overwinnen à KVm = C*HC à via coëfficiënt van Poisson: E o Energie rond evenwichtstoestand ~ veer à bindingsstijfheid à E

Polymeren

Ruggengraat van covalent gebonden C-atomen & ketens met van der Waals bindingen à lage bindingsstijfheid tussen ketens

à lage E, tenzij cross-links!

E-modulus afhankelijk van temperatuur:

o Amorfe polymeren: thermoplasten

§ Geleidelijke overgang

§ Bij Tg smelten van der Waals bindingen, maar haken eerst nog vast

§ Goed recycleerbaar

o Semi-kristallijne polymeren: thermoplasten

§ Omwille van kristallijne zones langere rubberachtige fase

§ Smelten uiteindelijk à goed recycleerbaar o Amorfe polymeren met cross-links: thermoharders

§ Smelten niet bij Tg door cross-links

§ Degraderen /branden uiteindelijk

o Amorfe polymeren met enkel cross-links: elastomeren

§ Heel lage Tg: viskeus bij kamertemperatuur

§ Smelten niet door cross-links, maar degraderen/branden

(8)

M5. Ontwerpen met stijfheid

• Elastische verlenging -

a) - = . /0 = 1 24 53 b) Stijfheid S

• Elastische doorbuiging

a) Kromming 6

b) Moment dM = dF*y = 7 dA*y = E . dA*y = E

(R+y) dθ−R dθ

R dθ dA*y = E A@ dA*y à M = E BAFGGHIJKFK yD dA = E I 6 met I = traagheidsmoment in buiging c) Buigstijfheid E I

d) Maximale doorbuiging S

afhankelijk van verdeling externe belasting en soort bevestiging

• Torsie '

a) Torsie veroorzaakt een verdraaiing per lengte-eenheid: LM = NO= P QM = P R2 met K = traagheidsmoment in torsie

b) Torsie stijfheid G K

• Knik (elastisch)

• Trillingen Materiaalindices

Vertaalslag: functie – beperkingen – objectief – vrije variabelen

Performantie = f (functionele vereisten, geometrische parameters, materiaaleigenschappen) Ranking: max. performantie = max. materiaalindex

à optimale materiaalkeuze voor alle functionele vereisten en geometrische parameters!

Vormfactor ϕ =T T

UVWXYZ[\ = BDT]^ indien equivalente oppervlakte A

(9)

M6. Plasticiteit

Plastische vervorming vanaf vloeispanning 7y

Sterkte

• Spannings-rek curve: metaal

• Spannings-rek curve: polymeer Afhankelijk van temperatuur!

vervormingsversteviging

nekvorming vloeispanning

treksterkte

breukrek

<< Tg: bros

< Tg: plastische zone

=Tg: grote plastische vervorming

>> Tg: viskeus breukrek vloeispanning

Plastische arbeid

(10)

• Spannings-rek curve: keramiek Druk >< trek

• Alternatief: hardheid als maat voor sterkte Reële spanning en rek

• Nominale spanning 7_ = 41

3= 14 `223a wegens behoud van volume A L = A0 L0

• Nominale rek ._ = `2b 22 3

3 a = `22

3a − 1 à Reële spanning 7d =14= 7_`22

3a = 7_ (1 + ._) à Reële rek .d = ∫22 e22

3 = fg `22

3a = fg(1 + ._)

• Reële spanning en rek kunnen opgeteld worden bij verschillende vervormingen Oorsprong van sterkte en ductiliteit

• Ideale sterkte

o Kracht waarbij atomen los komen Fmaxi jB03 o Ideale spanning 7keljjm = 1nopj

3^B0 ji

3 =B05 à wordt in realiteit niet behaald

• Kristalroosterfouten o Puntdefecten

§ Vacatures

§ Substitutionele vaste oplossing (vervangingsatomen)

§ Interstitiële vaste oplossing (extra vreemde atomen) o Oppervlaktedefecten

§ Korrelgrenzen

§ Precipitaten o Lijndefecten: dislocaties

§ Randdislocatie >< schroefdislocatie

§ Microscopisch vele dislocaties à macroscopische vervorming

§ Arbeid afschuifspanning W = ' /B /D q

§ Arbeid tegen weerstand W = r /B /D

§ Lijnspanning T

r = ' q

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

270 g bloem, 1 snufje zout, 1 theelepel bakpoeder, 200 g bruine rietsuiker, 200 gram zachte boter, 2 grote eieren, 400 g pure chocolade,.. siliconen

Dit logboek bevat belangrijke informatie over de waterbehandeling van cv-water voor warmteproducenten (hierna cv-toestel genoemd) met een warmtewisselaar van aluminium

EQUITONE is een in de massa gekleurd gevelmateriaal ontworpen voor en door architecten.. Ons bedrijf produceert deze gevelpanelen sinds 1950 onder

Bij warmtestraling vindt het transport plaats door de uitwisseling van straling (‘energiepakket- jes’) tussen ‘warme’ en ‘koude’ plek. Doordat de warme plek meer energie

In samenspraak met de beheerder kunnen bijkomende materialen bekomen worden.. Keukenmaterialen

Naast de gigantische lijst aan materialen die je kunt bewerken met een lasermachine van BRM, zijn er helaas ook een paar materialen die je niet kunt bewerken.. Daar is gelukkig

From the alignment scores it is evident that the protein sequences encoded by glnA1 and glnA2 are most similar (32.4% – 32.7%, Table 1), while the sequence encoded by glnA3 shows

In deze module worden aanvullend enkele andere aspecten van vocht in en transport door materialen behandeld.. Het gaat daarbij om: • hygroscopisch vocht; •