IM 4 2017 nl

Nummer 4 2017

Zachte, ‘groeiende’ robots Vlasvezelversterkt kunststof brugdek Hoe zeewater Romeins beton sterker Translucent, luchtzuiverend betonmaakt Doorzichtig keramiek voor superharde Paviljoen van genaaide houten ramen segmenten DFAB HOUSE Vuurvast hout Materiaalkunde in een notendop ‘The material formaly known as concrete’ Primeur: betonkano zonder cement

EEN

UITGAVE

VAN

SJP

UITGEVERS

INHOUD Innovatieve Materialen is een vaktijdschrift gericht op de civieltechnische sector en bouw. Het bericht over ontwikkelingen op het gebied van duurzame, innovatieve materialen en/of de toepassing daarvan in bijzondere constructies.

Innovatieve Materialen is een uitgave van Civiele Techniek, onafhankelijk vaktijdschrift voor civieltechnisch ingenieurs werkzaam in de grond-, weg- en waterbouw en verkeerstechniek.

De redactie staat open voor bijdragen van vakgenoten. U kunt daartoe contact opnemen met de redactie.

1 BERICHTEN 6 Zachte, ‘groeiende’ robot

Geïnspireerd door snelgroeiende organismen, zoals druivenranken, paddenstoelen en zenuwcellen, hebben wetenschappers van de Stanford University een ‘groeiende’ robot ontwikkeld.

8 Hoe zeewater Romeins beton sterker maakt

Een onderzoeksteam van het Amerikaanse Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft onderzoek gedaan naar Romeins beton van een oude pier en van antieke golfbrekers. Dat onderzoek leidde tot een nieuwe kijk op 2000 jaar oud beton, zoals dat door de Romeinen werd gemaakt van vulkanische as (puzzolaan) en kalk (het product van gebrande kalksteen) en het effect van zeewater daar op.

10 Doorzichtig keramiek voor superharde ramen Uitgeverij SJP Uitgevers Postbus 861 4200 AW Gorinchem tel. (0183) 66 08 08 e-mail: info@innovatievematerialen.nl www.innovatievematerialen.nl

Redactie: Bureau Schoonebeek vof Hoofdredactie: Gerard van Nifterik

Advertenties Drs. Petra Schoonebeek

Wetenschappers van het Duitse onderzoeksinstituut DESY hebben volgens eigen zeggen een transparant industrieel toepasbaar keramisch materiaal gemaakt.

Het eerste resultaat is een superhard venstertje van kubisch siliciumnitride dat in principe onder extreme omstandigheden kan worden gebruikt.

14 DFAB HOUSE

In de Empa/Eawag NEST-testlocatie in Dübendorf, Zwitserland, werken acht professoren van de ETH Zürich samen met het bedrijfsleven aan de bouw van het zogenaamde DFAB HOUSE. Het gaat om een testlocatie van drie verdiepingen en is volgens de betrokken partijen het eerste gebouw in de wereld dat wordt ontworpen, gepland en gebouwd met overwegend digitale processen.

18 Materiaalkunde in een notendop

Materialen vormen de basis voor alles wat we om ons heen zien. Want waar zouden smartphones, auto’s, gebouwen of zonnecellen zijn zonder de juiste materialen? Materialen zijn zo vanzelfsprekend, dat we bijna vergeten hoe bijzonder ze zijn. Materiaalkunde geeft antwoord op de vragen ‘Waarom is juist dát materiaal geschikt voor die toepassing?’ en ‘Aan welke knoppen moet je draaien om betere materialen te krijgen - mochten de huidige niet voldoen?’

e-mail: ps@innovatievematerialen.nl Een digitaal abonnement in 2017 2016 (6 uitgaven) kost € 39,50 25,00 (excl. BTW) KIVI leden en studenten: Zie ook: www.innovatievematerialen.nl € 25,- (excl. BTW) ZieNiets ook: uit www.innovatievematerialen.nl deze uitgave mag worden verveelvuldigd en of openbaar worden door middel van herdruk, fotokopie, microfilm Nietsofuit opdeze welke uitgave wijze dan magook, worden zonder voorafgaande verveelvuldigdschriftelijke en of openbaar toestemming worden door middelvan vande herdruk, uitgever. fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

2017 volume 3

INNOVATIVE MATERIALS

Innovatieve Materialen International edition

Voor abonnees is er nu ook een gratis Engelstalige versie van deze editie beschikbaar.

3D-printing cellulose World’s first 3D-printed reinforced concrete bridge Materials 2017 Composites improve earthquake resistance in buildings Glass bridge Lina: world’s first bio-based car

I N T E R N A T I O N A L

E D I T I O N

Nog geen abonnee?

Stuur een mailtje naar: info@innovatievematerialen.nl

BERICHTEN

NewBrick

Eerder dit jaar, tijdens de A’17 (AIA Conference on Architecture 2017, Orlando, USA) lanceerde het Amerikaanse bouwbedrijf Dryvit (West Warwick, Rhode Island) een nieuw ‘baksteen’ product onder de naam NewBrick. Het gaat om een lichtgewicht, isolerende steen met een speciale afwerking. De stenen lijken een beetje op steenstrips, maar zijn opgebouwd uit isolatiemateriaal waarop een ‘baksteen’ coating is aangebracht.

De stenen worden met een hechtmiddel op een wand geplakt en vervolgens gevoegd.

Volgens de producent heeft het de uitstraling van traditioneel baksteen, maar

Tapijttegel verlaagt CO2

biedt tegelijk een hele nieuwe manier van bouwen, die simpeler, sneller en kosteneffectiever is dan bouwen met normale bakstenen. NewBricks zorgen voor een esthetische uitstraling van klassieke baksteen, plus de voordelen van flexibiliteit in kleurgebruik, textuur en ontwerp. NewBrick is beschikbaar in zestien standaard kleuren.

Volgens Dryvit zit het grote voordeel in de geringe massa, wat volgens het bedrijf het applicatieproces versimpelt en kostenverlagend werkt. www.dryvit.com>

Eerder dit jaar lanceerde tapijtfabrikant Interface Inc. (Atalanta, USA) een prototype van een wat het bedrijf zelf noemt ‘koolstof negatieve tapijttegel, die ze de naam ‘Proof Positive’tegel hebben gegeven. Volgens Interface toont het prototype aan dat met een andere visie op grondstoffen, materiaalgebruik en productietechnieken het mogelijk is om producten te maken die de opwarming van de aarde tegen gaan.

Nadat er een tegel is gemaakt, zit er volgens het bedrijf namelijk minder CO2 in de atmosfeer dan als ze niet zou zijn gemaakt.

Interface gebruikt koolstof uit planten (planten binden immers CO2 uit de atmosfeer) en maakt daarvan het materiaal voor de Proof Positive tegel. En aan het einde van de levensduur wordt het materiaal gerecyceld via ReEntry, een door het bedrijf zelf ontwikkeld hergebruiksysteem. Zo blijft het materiaal in een gesloten cyclus.

Het prototype zou een effect hebben van minus 2 kg per vierkante meter.

Volgens Interface toont dat aan dat het dus wel degelijk mogelijk is fabricageprocessen te ontwikkelen waarmee koolstof uit de atmosfeer juist in producten wordt opgeslagen, in plaats van dat er meer CO2 bij vrij komt. Het bedrijf denkt dat als deze benadering door de industrie breed wordt toegepast, de opwarming van de aarde zelfs kan worden teruggedraaid.

Interface inc.>

1 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

BERICHTEN heeft tot doel de gezamenlijke visie op duurzaam bouwen en exploiteren waar te maken. Dit gebeurt via een verregaande samenwerkingsovereenkomst, die zich onderscheidt van de gebruikelijke huurovereenkomst. Uitgangspunt is een maximaal resultaat op het gebied van circulariteit, zowel tijdens de ontwikkeling en realisatie als gedurende vijftien jaar exploitatie. De resultaten zijn niet alleen beschikbaar voor de betrokken partijen, maar worden gedeeld.

Green House Afgelopen zomer ondertekenden Strukton, Ballast Nedam, Facilicom en Albron een overeenkomst voor de gezamenlijke ontwikkeling, bouw en exploitatie van het circulair horeca- en ontmoetingspaviljoen ‘the Green House’ in stationsgebied Utrecht. Het paviljoen wordt volgens de betrokken partijen vijftien jaar lang een bron van inspiratie voor een nieuwe circulaire economie. Zo vormt het paviljoen volgens de betrokken partijen een directe meerwaarde voor de omgeving. Het paviljoen moet een breed publiek bereiken en inspireren en zo bijdragen aan een brede maatschappelijke betrokkenheid ten aanzien van circulair denken en handelen. ‘Maximaal resultaat op circulariteit,’ zeggen de betrokken ondernemingen.

Nu is er nog niets te zien, maar vanaf september verrijst in drie maanden tijd een herbruikbaar paviljoen. Voorjaar 2018 opent ‘the Green House’ haar deuren al. Deze snelle bouw is mogelijk, omdat enerzijds volledig remontabel wordt gebouwd. Er wordt gebruik gemaakt van geprefabriceerde elementen en zoveel mogelijk materialen worden hergebruikt (de gevelplaten komen bijvoorbeeld uit de oude Knoopkazerne die naast ‘the Green House’ staat). Na vijftien jaar kan het paviljoen ergens anders geplaatst

2 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

worden en de vrijgekomen grond op een andere manier gebruikt. Zo zijn de grond en het gebouw toekomstbestendig.

De samenwerking tussen Strukton, Ballast Nedam, Facilicom en Albron

Het circulaire paviljoen bevindt zich op een centrale locatie binnen het sterk in ontwikkeling zijnde stationsgebied van Utrecht en grenst aan belangrijke verkeersaders als de Croeselaan, het in aanbouw zijnde Forum en de Moreelsebrug die het stationsgebied met de historische binnenstad verbindt.

Ballast Nedam>

Video

BERICHTEN

Keramische coating brengt hypersonisch transport dichterbij

Foto: University of Manchester/NASA

Onderzoekers aan de Universiteit van Manchester hebben in samenwerking met Central South University (CSU), China, een nieuwe keramische coating ontwikkeld die volgens de onderzoekers een belangrijke doorbraak kan betekenen voor hypersonische reizen en voor de lucht- en ruimtevaart.

Hypersonisch reizen betekent dat een snelheid moet worden gehaald van Mach vijf of hoger, minstens vijf keer sneller dan het geluid. Bij dergelijke snelheden is de warmte die ontstaat door wrijving met de lucht door lucht extreem. Die hoge temperaturen kunnen ernstige gevolgen hebben voor de structurele stabiliteit van een vliegtuig. De temperatuur kan oplopen van 2000 tot 3000 °C en dat levert aan de oppervlakte problemen op in termen van oxidatie en ablatie.

Om het probleem tegen te gaan, zijn inmiddels speciale keramische materialen ontwikkeld, zogenaamd ultra hoge-temperatuur keramiek (UHTC’s).

Zulke materialen worden gebruikt in vliegtuigmotoren en hypersonische voertuigen zoals raketten en re-entry ruimtetuigen. Maar zelfs conventionele UHTC’s kunnen op dit moment niet aan de eisen voldoen om te kunen reizen bij zulke extreme snelheden en

temperaturen. Onderzoekers aan de Universiteit van Manchester en het Royce Institute, in samenwerking met de Central South University of China, zeggen nu een nieuwe, betere carbide coating te hebben ontwikkeld die veel sterker is in vergelijking met bestaande UHTC’s en temperaturen kan weerstaan tot 3.000 °C. Uit onderzoek blijkt nu dat de zirconiumcarbide (ZrC) carbide coating die is ontwikkeld door teams in zowel de Universiteit van Manchester als de University of Central University, inderdaad veel beter is dan de conventionele UHTC. ZrC is een extreem hard vuurvast keramisch materiaal dat commercieel wordt gebruikt in snijgereedschappen. De betere prestaties van de coating zitten vooral in de hittebestendigheid en sterk verbeterde oxidatiebestendigheid. Veel bestaande UHTC’s hebben weliswaar een zeer hoog smeltpunt, maar zijn onbruikbaar voor hittebestendige toepassingen omdat ze gevoelig zijn voor oxidatie.

Het materiaal is vervaardigd bij het Powder Metallurgy Institute, Central South University en onderzocht door de Universiteit van Manchester, School of Materials.

Wat deze coating volgens de onderzoekers bijzonder maakt, is de korte productietijd en het feit dat het materiaal is versterkt met koolstofkoolstofcomposiet (C/C composiet). Dat maakt het niet alleen sterk maar ook extreem bestand tegen oppervlakteerosie.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature Communications, juni 2017, onder de titel ‘Ablatiebestendige carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 voor oxiderende omgevingen tot 3000 ° C’, Yi Zeng, Dini Wang, Xiang Xiong, Xun Zhang, Philip J. Withers, Wei Sun, Matthew Smith, Mingwen Bai & Ping Xiao Artikelnummer: 15836 (2017) doi: 10.1038 / ncomms15836 Het artikel online> University of Manchester>

Video over het materiaalonderzoek van de The University of Manchester (Engels)>

3 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

BERICHTEN

People’s Pavilion

Tijdens de Dutch Design Week (DDW) is het zogenaamde People's Pavilion op Ketelhuisplein een tijdelijk paviljoen ‘van en voor mensen’. Het is ontworpen door twee ontwerpbureaus, Overtreders W en bureau SLA, als een testcase voor gemeenschappelijk toekomstig ontwerp.

Het People's Pavilion is 100 procent circulair, geheel van hergebruikt materiaal.

Tijdens DDW zal het People's Pavilion worden gebruikt voor bijeenkomsten, lezingen, openingen, optredens en concerten.

Vanaf half september werken meer dan 400 vrijwilligers samen met designers van Overtreders W en Bureau SLA om het tijdelijk paviljoen op Ketelhuisplein te bouwen. Eén van de blikvangers is de

gevel van gerecycled plastic. De gevel wordt gemaakt van materialen die door de bewoners zelf worden ingezameld en verwerkt, volgens een door Overtreders W en Bureau SLA ontwikkelde methode.

Dutch Design Week: 21 - 29 oktober 2017, Eindhoven>

Symposium Circulair Bouwen Op 26 oktober organiseert KIVI Bouw haar najaarssymposium 2017 onder de titel Circulair Bouwen.

Dit in aansluiting op het jaarthema ‘Circulaire Economie’ van KIVI als geheel.

evenzoveel invalshoeken, zoals de politiek, de architectuur, de toeleveringsindustrie, de afvalverwerking, enzovoort.

De organisatie van het symposium ligt in handen van KIVI Bouw. KIVI Industrieel Ontwerpen en Stichting MaterialDesign.

Circulariteit steeds meer wordt gezien als een noodzaak en de vraag is of dat terecht is. Wellicht wel want, de grondstoffen worden te duur en/of raken op, de kosten voor afvalverwerking worden te hoog en de ongelijkheid groeit tussen zij die zich wel, en zij die zich niet een flinke milieu-footprint kunnen permitteren. Een interessante vraag is voorts of we ons moeten beperken tot circulariteit van de toekomstige bouw, of dat men de gehele bouwvoorraad als grondstof voor toekomstige bouw dient te beschouwen.

Diverse sprekers lichten hun visie op het onderwerp toe vanuit

Het Symposium Circulair Bouwen wordt gehouden op 26 oktober in het KIVI-gebouw Prinsessegracht 23, 2514 AP Den Haag.

4 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Meer info op de website van KIVI>

Hét expertisecentrum voor materiaalkarakterisering.

Integer, onafhankelijk, objectief onderzoek en advies. ISO 17025 geaccrediteerd.

Wij helpen u graag verder met onderzoek en analyse van uw innovatieve materialen.

Bel ons op 026 3845600 of mail info@tcki.nl www.tcki.nl

TCKI adv A5 [ZS-185x124] Chemische analyse 14.indd 1

09-05-17 13:19

DÉ TAPE VOOR MOEILIJKE 0PPERVLAKKEN tesa® ACXplus 709x LSE Performer

• Deze innovatieve schuimtape in acryl hecht op een blijvende manier en zonder primer aan low-surface-energy (LSE) materialen zoals kunststof, materialen met poedercoating, etc.

• Kan gebruikt worden bij temperaturen dicht bij het vriespunt.

tesa.nl

BERICHTEN

Zachte, groeiende robots

Geïnspireerd door snelgroeiende organismen, zoals druivenranken, paddenstoelen en zenuwcellen, hebben wetenschappers van de Stanford University een ‘groeiende’ robot ontwikkeld.

Het is een eenvoudig idee. Basis is een buis van zacht materiaal die binnenstebuiten is gevouwen, zoals een sok.

De robotstructuur verandert van vorm (groeit) wanneer de punt op een of andere manier uit de buis wordt geduwd Ze neemt dan een andere, grotere vorm aan. De prototypes die de medewerkers van Stanford hebben gemaakt, bestonden uit dunne, goedkope kunststof. De ‘robot’ werd binnenstebuiten gekeerd door er lucht in te blazen. In andere versies werd vloeistof in plaats van perslucht gebruikt.

Om te kijken wat zo’n robot kan, hebben de onderzoekers de robots ze allerlei hindernissen laten nemen, ze op een bepaald doel afgestuurd of zichzelf tot een vrijstaande structuur laten omvormen.

Wat het robotdesign volgens de onderzoekers zo interessant maakt, is dat het ontwerp zich vertaalt in alleen een beweging van de top, en niet van de hele robot. In de tests hebben de

6 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

onderzoekers onder meer onderzocht wat er gebeurt als zo’n robot van de ene naar een andere plaats moet, en dat dan op verschillende manieren. In andere

experimenten liet men een robot een gewicht van 100 kilo optillen, stuurde het onder een deur door via een nauw en liet het zichzelf opwinden tot een vrij-

Studenten Joseph Greer, links en Laura Blumenschein, rechts, werkten samen met Elliot Hawkes, assistent (gast)professor van de University of California, Santa Barbara, aan een prototype van de zogenaamde vinebot (Foto: L.A. Cicero)

BERICHTEN staande spiraal die ook nog een radiosignaal uitzond.

Sommige van deze robots waren uitgerust met een controlesysteem dat het lichaam op verschillende wijze opblies, waardoor de robot naar rechts of links ging. De onderzoekers ontwikkelden verder software die op basis van informatie van een camera aan de punt van de robot, zelfstandig beslissingen kan nemen over de te nemen richting.

Volgens Stanford zit het voordeel van zulke robots in het feit dat ze veiliger zijn, dan ‘harde’ robots, en dat overigens niet alleen omdat ze zacht zijn, maar ook vanwege het geringe gewicht. Een ander voordeel is dat de flexibele robots een gecompliceerd parcours kunnen afleggen.

De wetenschappers bouwden het prototype zelf en met de hand en vooralsnog wordt de robot aangedreven met pers-

lucht. Ze verwachten dat zulke robots in de toekomst geautomatiseerd kunnen worde gemaakt. Toekomstige versies zullen wellicht worden aangedreven met vloeistof. Verder onderzoek zal zich richten op andere materialen zoals nylon en/of kevlar.

De onderzoekers zeggen ook te gaan experimenteren met veel grotere en kleinere versies. Ze hebben al een 1,8 mmversie, en verwachten dat zeer kleine, groeiende robots interessant kunnen zijn voor medische doeleinden.

Stanford>

7 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

BERICHTEN

Hoe zeewater Romeins beton sterker maakt

Een onderzoeksteam van het Amerikaanse Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft onderzoek gedaan naar Romeins beton van een oude pier en van antieke golfbrekers. Dat onderzoek leidde tot een nieuwe kijk op 2000 jaar oud beton, zoals dat door de Romeinen werd gemaakt van vulkanische as (puzzolaan) en kalk (het product van gebrande kalksteen) en het effect van zeewater daar op. De bevindingen geven wellicht nieuwe aanwijzingen over de chemische pro-

8 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

cessen die het kennelijk mogelijk hebben gemaakt dat de antieke havenstructuren er na 2000 jaar nog zijn. Bovendien lijkt het onderzoek een zoektocht op gang te hebben gebracht naar het oorspronkelijke Romeinse betonrecept. Daar zouden moderne betonfabrikanten hun voordeel mee kunnen doen.

Tobermoriet

Eerder hadden wetenschappers van Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) ontdekt dat kristallen van het mineraal

tobermoriet, een sleutelrol speelden bij het versterken van het beton. De nieuwe studie, die onlangs werd gepubliceerd in The American Mineralogist, lijkt te verklaren hoe en waar dit mineraal tijdens de lange geschiedenis van de betonnen bouwwerken is gevormd.

Zeewater

Blijkbaar kenden de Romeinen het fenomeen. Ze leten te weten dat hun betonmengsel reageerde met zeewater tot een nieuw, sterker cement. Soms

BERICHTEN gebeurt dat overigens in de natuur ook, en wel bij onderzeese vulkanen, zoals bij IJsland, waar de dezelfde mineralen worden gevonden die ook in het Romeinse beton voorkomen.

Vezels

Het recente onderzoek van Berkeley suggereert dat het puzzolaan chemische reacties op gang bracht waardoor een nieuwe minerale opbouw begon, met tobermoriet als basis. Daardoor werd het materiaal dus sterker.

De vorming van tobermoriet wordt vaak geassocieerd met phillipsiet, een ander mineraal. Beide materialen vormen fijne vezels en structuren die het beton meer veerkracht geven en minder gevoelig maken voor breuk. Eigenlijk wordt er

dus een soort composietmateriaal gevormd, dat sterker is dan gewoon beton.

Volgens Berkeley zou dat ook verklaren waarom de Romeinse wetenschapper Plinius de Oudere vaststelde dat ‘het beton zodra het in contact komt met de golven van de zee, een dichte steenmassa wordt, onneembaar voor de Golven en elke dag sterker wordt.’

Beter beton

Het belang van het onderzoek gaat volgens de onderzoekers verder dan nieuwschierigheid naar historische betonrecepten alleen. Volgens Berkeley kan het onderzoek uiteindelijk leiden tot betere hedendaagse fabricagetechnieken voor beton, met minder schadelijke milieueffecten dan processen die zijn gebaseerd

op Portland cement. Voor de productie van cement is veel energie nodig, waardoor de cement- en betonindustrie een belangrijk aandeel heeft in de industriële kooldioxide-uitstoot en daarmee behoorlijk bijdraagt aan de opbouw van broeikasgassen in de atmosfeer.

De onderzoekers verwachten bovendien dat het achterhalen van het oude Romeinse betonrecept, interessant kan zijn voor hedendaagse toepassingen, met name in maritieme constructies.

Berkeley Lab> Het volledige artikel online>

‘Lignine kan alle fenol in lijm vervangen’ Een studie van Mojgan Nejad, assistent professor Green Bioproducts van de Michigan State University (MSU) heeft aangetoond dat lignine volledig fenol in lijmen kan vervangen. Lignine is een bijproduct van onder andere de papierfabricage en bioethanolproductie. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de Mississippi State University en de University of Toronto. Volgens de betrokken partijen hebben hun bevindingen direct invloed op de bouwindustrie, die nu lijmen met op aardolie gebaseerd fenol kunnen vervangen door volledig biobased lijmen met lignine.

Afgelopen dertig jaar hebben wetenschappers regelmatig geprobeerd fenol te vervangen, maar ze kwamen nooit verder dan vijftig procent. Het onderzoek van Mojgan Nejad zou voor het eerst aantonen dat lignine voor 100 procent fenol kan vervangen. Vervolgens hebben de betrokken wetenschappers een ligninelijm ontwikkeld en die getest op mul-

tiplex. In vergelijking met commerciële, op aardoie gebaseerde lijmen bleek de ligninevariant even goed te presteren, zowel onder droge als natte condities.

Fenol-formaldehyde lijmen worden gewoonlijk toegepast in houtmaterialen zoals multiplex en gefineerd timmerhout. Nadeel van fenol-formaldehyde is dat het uit aardolie wordt gemaakt en de prijs variëert met die van aardolie.

Bovendien kan langdurige blootstelling aan fenol gezondheidsrisico’s met zich meebrengen voor de mensen die ermee moeten werken. Lignine daarentegen is volgens MSU een ideaal alternatief.

Het is een van de meest voorkomende natuurlijke polymeren en komt in de industrie vaak vrij als bijproduct dat anders als zodanig zou worden verbrand.

Michigan State University> Lees het hele artikel in the Journal of Applied Polymer Science>

Mojgan Nejad, assistent professor Green Bioproducts van de Michigan State University (MSU)

9 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

BERICHTEN

Doorzichtig keramiek voor superharde ramen Wetenschappers van het Duitse onderzoeksinstituut DESY hebben volgens eigen zeggen een transparant industrieel toepasbaar keramisch materiaal gemaakt. Het eerste resultaat is een superhard venstertje van kubisch siliciumnitride dat in principe onder extreme omstandigheden kan worden gebruikt.

Het onderzoek werd uitgevoerd door een Japans-Duits team dat de resultaten eerder publiceerde in het tijdschrift Scientific Reports. Kubisch siliciumnitride (c-Si3N4) wordt gevormd onder hoge druk en is het tweede hardste transparante nanokeramiek na diamant. Het kan echter aanzienlijk hogere temperaturen weerstaan.

Siliciumnitride is een veel toegepast keramisch materiaal in de industrie. Het wordt voornamelijk gebruikt voor kogellagers, snijgereedschappen en motoronderdelen in de auto- en vliegtuigindustrie. Het materiaal is erg stabiel, omdat de silicium stikstofbinding bijzonder sterk is. Bij omgevingsdruk heeft siliciumnitride een hexagonale kristalstructuur en gesinterd keramiek van deze fase is ondoorzichtig. (Sinteren is een proces waarbij materiaalpoeder (onder druk)

Een monster van transparant polykristallijne kubisch siliciumnitride, gesynthetiseerd bij DESY (Foto: Norimasa Nishiyama, DESY / Tokyo Tech)

Een transmissie elektronenmicroscoop opname van kubisch siliciumnitride. De gemiddelde korrelgrootte is ongeveer 150 nanometer (Foto: Norimasa Nishiyama, DESY / Tokyo Tech)

10 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

wordt verhit, maar waarbij het materiaal net niet smelt en waarbij een hechte macroscopische structuur ontstaat. De techniek wordt veel gebruikt in de industrie voor een breed scala aan producten van keramische lagers tot kunsttanden.)

Bij druk boven 130 duizend keer de atmosferische druk verandert siliciumnitride in een kristalstructuur met kubische symmetrie: het zogenaamde spinell-type, genoemd naar de spinelstruktuur van edelstenen. Kunstmatige spinel (MgAl2O4) wordt gebruikt als transparante keramiek in de industrie.

De kubische fase van siliciumnitride werd in 1999 eerst door een onderzoeksgroep aan de Technische Universiteit van Darmstadt gesynthetiseerd, maar kennis over het materiaal is zeer beperkt. Het team van dr. Norimasa Nishiyama van

BERICHTEN DESY (nu universitair hoofddocent bij het Tokyo Institute of Technology) heeft onderzoek gedaan naar hexagonaal siliciumnitride onder hoge druk en temperatuur. Bij ongeveer 15,6 gigapascal en een temperatuur van 1800 °C werd een doorzichtig stukje kubisch siliciumnitride gevormd met een diameter van ongeveer twee millimeter. Volgens Nishiyama is het de eerste transparante monster van dit materiaal in zijn soort.

Analyse van de kristalstructuur zou hebben aangetoond dat het siliciumnitride volledig in de kubische fase was omgezet. Volgens Nishiyama is kubisch siliciumnitride het derde hardste keramische, na diamant en kubisch boriumnitride.

Maar boorverbindingen zijn niet transparant en diamant is alleen stabiel tot ongeveer 750 °C. Kubisch siliciumnitride daarentegen is transparant en stabiel tot 1400 °C. De betrokken wetenschappers verwachten dat er diverse industriële toepassingen voor hun superharde, doorzichtige keramiek zijn.

Door de enorme druk die nodig is om transparant kubisch siliciumnitride te synthetiseren, is de mogelijke venstergrootte vooralsnog (om praktische redenen) beperkt.

DESY>

Het onderzoek is uitgevoerd door DESY (DESY staat voor Deutsches Elektronen Synchroton) in samenwerking met Tokyo Institute of Technology, Ehime University, University of Bayreuth, Japans Nationaal Instituut voor Materiaalkunde en Hirosaki University.

Het werd gepubliceerd in Scientific Reports, 2017, onder de titel Transparent polycrystalline cubic silicon nitride; Norimasa Nishiyama et al .; DOI: 10.1038 / srep44755 Het complete artikel online>

Espressomachine van beton De wereld van de koffie heeft de afgelopen decennia veel veranderingen ondergaan. Maar ondanks al die industriële innovaties is er niet zoveel gebeurd met het uiterlijk van espresso-apparaten.

San Francisco Bay Area design studio Montaag wilde daarom iets nieuws en ontwikkelde het AnZa espresso apparaat, verrassend genoeg uitgevoerd in beton.

Het idee was natuurlijk om een materiaal te gebruiken dat normaal gesproken niet in de keuken wordt toegepast, en al helemaal niet in keukenapparatuur. Volgens Montaag zorgt het apparaat voor ‘… life to any kitchen, and an unparalleled conversation piece.’

Naast de betonnen uitvoering wordt hetzelfde model ook geleverd in corian. http://montaag.com>

11 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

N401 krijgt zonnepanelen als wegdek zonnecellenmat leidt tot minder onderhoud aan het asfalt en de mogelijkheid om in de toekomst met de opgewekte energie de weg energieneutraal te verwarmen, zodat gladheidsbestrijding niet meer nodig is of kan worden beperkt.

Als de pilot leidt tot een positieve uitkomst, dan kan dit product volgens de betrokken partijen een belangrijke bijdrage leveren aan de reductie van het gebruik van fossiele brandstoffen en het verduurzamen van onze provinciale infrastructuur.

Wattway zonnepanelenmat

De provinciale weg N410 bij Kockengen wordt over de hele breedte en een afstand van twintig meter voorzien van zonnepanelen. Het wordt het eerste stuk wegdek in Nederland dat over zonnepanelen zal beschikken. De pilot duurt

twee jaar en in die tijd willen de betrokken partijen - BAM Infra en de Provincie Utrecht - onderzoeken hoe efficiënt de zogenaamde Wattway-zonnepanelen zijn en hoe ze zich houden onder verkeersbelasting. Ook wordt onderzocht of de

De planning is om in het najaar van 2017 te beginnen met het plaatsen van de panelen. De voorbereidende werkzaamheden zijn juli jongstleden gestart.

BAMInfra>

Wattway Wattway is ontwikkeld door het Franse bedrijf Colas en l’Institut National de Solaire (INES), het Franse onderzoeksinstituut voor zonne-energie. Er is meer dan vijf jaar aan gewerkt en heeft inmiddels een gepatenteerd concept opgeleverd, gebaseerd op robuuste wegpanelen van kristallijn silicium onder een beschermlaag van siliconen. De panelen zijn niet veel meer dan een halve centimeter dik.

Op 22 december 2016 opende de Franse minister van Milieu Ségolène Royal een zonnepaneel weg van een kilometer lang in het dorp Tourouvre-au-Perche, Normandië, Frankrijk. Het gaat om de RD5, tussen Tourouvre Zuid en een kruispunt met de N12 bij le Gué-à-Pont.

Het traject in Normandië bevat 2880 zonnepanelen die volgens een persbericht van Colas jaarlijks 280 MWh moeten opleveren. De dagelijkse output wisselt uiteraard en is afhankelijk van de weersgesteldheid, maar het bedrijf verwacht dat de gemiddelde dagelijkse

12 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

22 december 2016. De Franse minister van Milieu Ségolène Royal opent een zonnepaneelweg van een kilometer lang in het dorp Tourouvre-au-Perche, Normandië, Frankrijk (Foto: COLAS-Yves Soulabaille)

energieproductie op 767 kWh zal uitkomen, met uitschieters tot 1.500 kWh per dag in de zomer.

De Wattway zonnepanelen worden momenteel op pre-industriële schaal gefabriceerd in verschillende formaten en zijn geschikt voor ieder wegtype, als het maar is geasfalteerd. Het Franse bedrijf

schat de levensduur van de panelen op tien tot twintig jaar, afhankelijk van de verkeersintensiteit. www.wattwaybycolas.com Zie ook Innovatieve Materialen nummer 1 2017

Vakbeurs & congres

Kunststoffen 2017 27 en 28 september 2017 NH Conference Centre Koningshof, Veldhoven Ervaar alles op het gebied van: • Slimme materialen • Duurzaamheid en recycling • Kostprijs-besparing • Innovatieve productiemethodes • Productontwikkeling • ‘Smart Industry’ in de kunststoffenbranche

www.kunststoffenbeurs.nl 13 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

DFAB HOUSE In de Empa/Eawag NEST-testlocatie in Dübendorf, Zwitserland, werken acht professoren van de ETH Zürich samen met het bedrijfsleven aan de bouw van het zogenaamde DFAB HOUSE. Het gaat om een testlocatie van drie verdiepingen en is volgens de betrokken partijen het eerste gebouw in de wereld dat wordt ontworpen, gepland en gebouwd met overwegend digitale processen.

Digitale fabricage heeft zich in de afgelopen jaren snel ontwikkeld binnen de bouw en architectuur. Als onderdeel van het Nationale Centrum voor Competentie in Onderzoek (NCCR) Digital Fabrication werken architecten, robotica-specialisten, materiaalwetenschappers, constructeurs en duurzaamheidsdeskundigen van ETH Zürich samen met de industrie om verschillende nieuwe digitale bouwtechnologieën in de praktijk te testen. Dat gebeurt met de bouw van het DFAB HOUSE van NEST. NEST is modulair opgezette onderzoeks- en demonstratieplatform voor geavanceer-

14 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

de en innovatieve bouwtechnologieën in het hart van de Empa-Eawag campus in Dübendorf. (Empa is een gezaghebbend Zwitsers instituut voor materiaalwetenschappen en technologie.) NEST werd in 2016 opgericht om het innovatieproces in de bouwsector te versnellen.

DFAB HOUSE

Het DFAB HOUSE is bijzonder omdat het niet alleen digitaal is ontworpen, maar ook wordt gebouwd met overwegend digitale processen. Met het proefproject wil ETH onderzoeken hoe digitale technologie de constructie duurzamer

en efficiënter kan maken en of het de ontwerpmogelijkheden vergroot. De afzonderlijke componenten worden rechtstreeks uit digitale gegevens vervaardigd, waardoor de conventionele planningsfase niet meer nodig is. Vanaf de zomer 2018 zal het drie verdiepingen tellende gebouw, met een vloeroppervlakte van 200 m2, klaar zijn. Het wordt een gastenverblijf.

Vier nieuwe methoden

Met de constructie van het DFAB HOUSE worden vier bouwmethoden voor het eerst in de praktijk getest. De bouw be-

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017 gint met het inzetten van de zogenaamde Mesh Mold-technologie, een techniek waarvan de ontwikkelaars denken dat ze in de toekomst het construeren met beton fundamenteel kan veranderen.

Mesh Mould werd ontwikkeld door een interdisciplinair team van de ETH ZĂźrich.

De techniek kreeg die eind 2016 de Zwitserse Technology Award.

Centrale rol bij de constructie is weggelegd voor een twee meter hoge bouwrobot: de In situ Fabricator. Ze opereert autonoom op rupsbanden, zelfs in een voortdurend veranderende omgeving.

De robot bouwt wanden van staalgaas die als bekisting dienen en een rol als wapening spelen. Dankzij de fijnmazige structuur van het stalen gaas en de speciale compositie van de betonmix, blijft het beton binnen het stalen raster zonder uit te lopen. Het resultaat is een dubbelgekromde, dragende muur op de begane grond.

Een andere nieuwe techniek, Smart Dynamic Casting, wordt gebruikt voor de gevel op de begane grond. Het gaat om een geautomatiseerd robot slip-vormingsproces waarmee op maat betonge-

velposten kunnen worden gemaakt.

De prefab-constructie elementen van de twee bovenste verdiepingen, met verschillende ruimten, zijn van hout en worden door robots samengesteld in de fabriek van ETH ZĂźrich.

Alle bouwmethoden die in het DFAB HOUSE worde toegepast, zijn in de afge-

lopen jaren ontwikkeld door de onderzoekers van de ETH die betrokken zijn bij het NCCR Digital Fabrication. Dat die nieuwe technieken nu zo snel hun weg naar de bouwplaats hebben gevonden, is volgens de betrokken partijen het gevolg van zowel intensieve samenwerking tussen de verschillende wetenschappelijke disciplines als van succesvolle

15 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017 samenwerkingsverbanden tussen onderzoeksinstellingen en de industrie.

Digitale technologieën zullen volgens EMPA ook worden gebruikt nadat het DFAB HOUSE vanaf de zomer 2018 is opgeleverd. Onder leiding van DigitalSTROM AG en in samenwerking met diverse andere Zwitserse bedrijven zullen nieuwe slimme ‘thuisoplossingen’

en Internet of things-technologieën worden getest. Daarbij moet worden gedacht aan apparaten en systemen die intelligent met elkaar communiceren en kunnen leren en die daarmee zowel energie-efficiëntie als comfort van het gebouw verbeteren.

Video

EMPA>

Mesh Mould Elk betonnen gebouw wordt eigenlijk twee keer gebouwd: als bekisting dat het vloeibare beton bij elkaar moet houden en uiteindelijk als de uitgeharde constructie zelf. Vooral bij afzonderlijke gebouwen kan de bekisting vaak maar één keer worden gebruikt. Daarna wordt het als afval afgevoerd. Dit zorgt voor materiaalafval en kosten. Norman Hack, projectleider van ‘Mesh Mold’ en zijn vijfpersoons team van het ETH Zürich hebben de afgelopen jaren aan een oplossing voor dit probleem gewerkt. Dat gebeurde in het kader van het Zwitserse National Centre of Competence in Research (NCCR) Digital Fabrication. In nauwe interdisciplinaire samenwerking ontwikkelde hij volgens eigen zeggen ‘s werelds eerste technologie die de twee functies van bekisting en wapening combineert binnen een digitaal fabricageproces.

Het proces begint met een lasactuator die op een mobiele robot is gemonteerd. Daarmee wordt op basis van een computermodel een fijnmazige stalen gaaswand gemaakt. Zo ontstaat een soort bekisting in de vorm van een stalen kooi.

In de volgende stap wordt beton in de kooi gegoten. Door de dichte maasstructuur en het specifieke betonmengsel loopt het beton niet weg. Terwijl andere digitale bouwtechnologieën, zoals 3D-printen van beton, nog steeds moeite hebben om een oplossing te vinden voor wapening, kunnen de stalen mazen die met Mesh Moulding zijn gemaakt de functies van zowel bekisting als wapening vervullen. Volgens ETH Zürich heeft deze technologie grote voordelen voor zowel op maat gemaakte als gestandaardiseerde betonconstructies.

Het voordeel voor maatwerkconstructies zit vooral in het feit dat er geen dure, eenmalig te gebruiken hulpmaterialen als bekistingen nodig zijn.

Voordeel voor gestandaardiseerde betonconstructies is dat ze structureel kunnen worden geoptimaliseerd. Terwijl wanden nu nog met een gelijke dikte over hun gehele lengte moeten worden gebouwd, kan met ‘Mesh Mould’ de wanddikte variëren, afhankelijk van de vereiste draagkracht van de specifieke delen. Daardoor kan niet alleen op bekisting worden bespaard, maar ook op beton.

De Mesh Mould technologie heeft kreeg in 2016 de Zwitserse Technology Award.

Gramazio Kohler Research ETHZ>

16 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Video Het project werd uitgevoerd in het kader van het National Centre of Competence in Research (NCCR) Digital Fabrication Projectleider: Norman Hack Team: Kathrin Dörfler, Dr. Jaime Mata Falcón, Dr. Nitish Kumar, Alexander Nikolas Walzer, Dr. Tim Wangler In samenwerking met: Gramazio Kohler Research, Institute for Technology in Architecture, ETH Zurich; Agile & Dexterous Robotics Lab, Institute for Robotics and Intelligent Systems, ETH Zurich; Physical Chemistry of Building Materials Group, Institute for Building Materials, ETH Zurich; Concrete Structures and Bridge Design, Institute of Structural Engineering, ETH Zurich Industry partners: Sika Technology AG, Noe Schaltechnik GmbH

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Smart Dynamic Casting Smart Dynamic Casting (SDC) is een nieuw gerobotiseerd glijbekistingsproces, van ETH Zürich. Het werd ontwikkeld als efficiënte prefabtechniek ten behoeve van standaard en niet-standaard betonconstructies. En dat zonderzonder gebruik te maken van een grote bekisting.

Gedurende de twintigste eeuw heeft construeren met betonconstructies veel vernieuwingen ondergaan zowel met betrekking tot het materiaal, als de techniek en het ontwerp. Al die ontwikkelingen hebben de manier waarop gebouwen worden ontworpen nogal veranderd. Deze innovaties vergrootten de mogelijkheden voor architecten en constructeurs om meer complexe

bouwconstructies te bedenken. Vooral de komst van nieuwe Computer-Aided-Design en Computer-Aided Manufacturing (CAD/CAM) technieken hebben de mogelijkheden tot het ontwerpen van complexe vormen enorm vergroot. De ontwerpen worden echter vaak beperkt door de beschikbare productiemethoden. Complexe betonstructuren vragen om op maat gemaakte bekistingen voor ieder individueel onderdeel. Dat is vaak duur en niet duurzaam.

Smart Dynamic Casting is bedoeld om individueel vervaardigde bekisting voor complexe betonconstructies overbodig te maken.

EHT>

Video Gramazio Kohler Research, ETH Zurich, in samenwerking met: prof dr. Robert J. Flatt (PI), Amir R. Shahab (PhD), prof. Hans Hermann; Linus Mettler (PhD), Department of Civil, Environmental and Geomatic Engineering (D-BAUG), Institute for Building Materials (IfB) ETH Zurich; prof. Peter Fischer, Department of Health Sciences and Technology (D-HEST) Institute of Food, Nutrition and Health (IFNH), ETH Zurich.

Onderzoekers: Ena Lloret Kristensen (projectleider), Andreas Thoma, Ralph Bärtschi, Thomas Cadalbert, Beat Lüdi, Orkun Kasap, Maryam Tayebani

17 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Op woensdag 31 mei 2017 gaf Eddy Brinkman tijdens de vakbeurs Materials 2017 de lezing ‘Materiaalkunde in een notendop’ - gebaseerd op zijn boek ‘Kennismaken met materialen’

Materiaalkunde in een notendop Materialen vormen de basis voor alles wat we om ons heen zien. Want waar zouden smartphones, auto’s, gebouwen of zonnecellen zijn zonder de juiste materialen? Materialen zijn zo vanzelfsprekend, dat we bijna vergeten hoe bijzonder ze zijn. Materiaalkunde geeft antwoord op de vragen ‘Waarom is juist dát materiaal geschikt voor die toepassing?’ en ‘Aan welke knoppen moet je draaien om betere materialen te krijgen - mochten de huidige niet voldoen?’

Materiaalkunde en materiaaltechnologie hebben een zekere verwantschap. In het Nederlands worden deze termen vaak door elkaar gebruikt, maar in het Engels en Amerikaans spreek je over 'materials science' naast 'materials technology'.

Als je dit onderscheid aanhoudt, dan geeft 'science/kunde' antwoord op de 'waarom'-vraag, en 'technologie' op de 'hoe'-vraag.

Aan de ene kant wil je weten 'Waarom is juist dat materiaal geschikt voor die toepassing?' Dus antwoord krijgen op vragen als 'waarom zijn bakstenen juist geschikt om huizen van te bouwen', 'waarom is glas juist doorzichtig zodat je er ramen en glasvezels voor datatransport van kunt maken'.

Aan de andere kant komt het voor dat je een specifiek materiaal al gebruikt voor een bepaalde toepassing, maar dat

18 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

het net niet meer voldoet - al dan niet door voortschrijdend inzicht. Stel dat je de hoeveelheid metaal in een auto of vliegtuig kunt reduceren, dan scheelt dat in de brandstof doordat je minder gewicht hoeft mee te dragen. Dat kan betekenen: een ander ontwerp waarbij je minder materiaal nodig hebt. Maar je kunt het metaal zelf ook sterker maken, waardoor je minder materiaal nodig hebt voor dezelfde sterkte - en dus een lager gewicht. Kortom: je wilt weten aan welke knoppen je moet draaien om betere materialen te krijgen, en daar gaat het om bij materiaaltechnologie.

De essentie van materiaalkunde Hier komen we aan bij de essentie van de materiaalkunde: de keten maken structuur - eigenschappen - toepassing

en de relaties hiertussen (zie figuur 1).

Materiaalkunde als werkgebied vertelt welke invloed microstructuur - dus de structuur op de kleinste schaal - heeft op de uiteindelijke eigenschappen van een materiaal, en daardoor op diens toepassingen. Door tijdens het vervaardigen ervan op kleine schaal aan de juiste knoppen te draaien, kun je de gewenste eigenschappen van een materiaal - en dus van een product - tot stand brengen of verbeteren.

Eisen

Als je voor een bepaalde toepassing het meest geschikte materiaal wilt kiezen, dan loop je de keten van rechts naar links door. Begin eerst met de eisen die worden gesteld aan de toepassing: moet het materiaal licht zijn, of sterk, of

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Figuur 1. De essentie van materiaalkunde

flexibel, of corrosiebestendig, moet het juist wel of geen stroom geleiden, wat is de maximale gebruikstemperatuur, noem maar op. Liefst met de belangrijkste eis voorop. Zorg vervolgens dat deze eisen overeenkomen met materiaaleigenschappen, en hier volgt het gewenste materiaal uit. Voldoet het nog niet

door elkaar heen. Vergelijk het maar met een vloeistof waarvan de deeltjes als het ware op hun plek bevroren zijn.

Glas is hier een voorbeeld van, maar ook bepaalde kunststoffen.

Als je deze 'micro'structuren in groepen onderbrengt, dan kom je op drie

Figuur 2. Microstructuur van materialen: kristallijn, polykristallijn en amorf (van links naar rechts)

hoofdgroepen uit: kunststoffen, metalen en keramiek. Kunststof is vooral populair omdat je de producten ervan in één stap kunt vormgeven - vandaar ook de alternatieve naam 'plastics' als uiting van de plastische vormgeving. Rubber kun je hier ook onder vatten - doorgaans een hele elastische kunststof - zij het dat natuurrubber van oorsprong een natuurlijk materiaal is en geen 'kunst'stof.

Ook metalen danken hun populariteit aan de relatieve eenvoud waarmee je ze tot producten kunt vormgeven. Vanuit mechanisch oogpunt zijn het ideale materialen: stijf en taai.

Keramiek is een heel stabiel materiaal - doorgaans sterk tot op hoge temperatuur, en populair vanwege het veelvuldig voorkomen in de natuur van keramische grondstoffen, met klei als letterlijke 'grond'stof. Glas is het doorzichtige broertje van keramiek: ook hard, elektrisch isolerend en goed bestand tegen chemische aantasting.

Naast deze drie hoofdgroepen bestaan er ook composieten: combinaties van twee of meer materialen, 'best of both worlds', in de hoop dat de eigenschappen van de oorspronkelijke materialen elkaar versterken. Gewapend beton is een composietmateriaal waarbij beton de drukbelasting opvangt; de metalen

helemaal, dan moet je het maakproces aanpassen.

Structuren van materialen

Laten we eens een paar onderdelen van de keten maken - structuur - eigenschappen - toepassing onder de loupe nemen. Letterlijk, door er op atoom- of molecuulschaal op in te zoomen (zie figuur 2).

Kristallijn materiaal: vrijwel perfecte, regelmatige, in drie richtingen zich herhalende rangschikking van atomen.

Het is in feite één groot kristal. Diamant is daar een goed voorbeeld van, maar ook saffier zoals in lenzen voor camera's in smartphones, of silicium als basis voor computerchips.

Polykristallijn materiaal: een groot aantal korreltjes, die elk op zich kristallijn zijn. Naast 'echt' materiaal heb je hier ook te maken met korrelgrenzen.

Keramiek en metaal zijn doorgaans polykristallijn.

Amorf materiaal: geen regelmatige rangschikking van atomen, ze zitten los

Glazen gevel Crystal house, Amsterdam

19 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017 genschappen. Verschillende materialen hebben verschillende eigenschappen, die kenmerkend voor hen zijn. Een eigenschap geeft aan hoe een materiaal op invloeden van buitenaf reageert. Zo kan een materiaal buigen of barsten - of hoegenaamd niets doen - als je er een voldoende grote mechanische belasting (krachten) op los laat. Materialen kunnen een elektrische stroom geleiden of juist tegenhouden. Een materiaal kan licht absorberen, doorlaten, weerkaatsen of inwendig verstrooien. Een materiaal kan warmte in hoge of geringe mate geleiden of vasthouden, en goed of slecht bestand zijn tegen hoge temperaturen. In dit overzicht (zie figuur 3) zie je hoe deze drie hoofdgroepen het 'doen', als je enkele van hun eigenschappen vergelijkt.

Keramische membranen (Foto: Fraunhofer IKTS)

wapening (in de vorm van staven) kan de trekbelasting aan. Maar denk ook aan glasvezelversterkte kunststoffen: licht en sterk in één materiaal verenigd. Inspiratie voor composieten komt uit de natuur, met hout en bot als voorbeelden.

Het maakproces bestaat uit een veelvoud aan stappen, en is materiaalafhankelijk. Als je een product 'van nul af aan' uit grondstoffen wilt gaan maken, dan krijg je met een aantal vervaardigingsstappen te maken. Zo moet je eerst de grondstoffen winnen en in een werkbaar materiaal omzetten, dat je vervolgens in één of meer stappen de juiste vorm geeft en nabewerkt voordat je het uiteindelijke voorwerp hebt.

Wanneer je bezig bent om een (nieuw) materiaal te ontwikkelen, dan weet je pas of het materiaal voldoet nadat je

het getest hebt - en zo nodig nog moet aanpassen. Karakteriseren en testen is onderdeel van materiaalontwikkeling.

Verbindingstechnieken zijn belangrijk omdat producten meer en meer uit verschillende materialen bestaan, en de afzonderlijke componenten degelijk aan elkaar vast moeten zitten om het product als geheel te laten functioneren.

Daarnaast kan het buitenoppervlak van een materiaal een behandeling ondergaan om het materiaal tegen de ‘boze buitenwereld’ te beschermen - harder of slijtvaster te maken, of meer bestand tegen corrosie - of om het uiterlijk mooier te maken met een verflaag.

Eigenschappen

Een volgend onderdeel van de keten maken - structuur - eigenschappen toepassing is het geheel van materiaalei-

Figuur 3. Eigenschappen van metaal (groen), keramiek (blauw) en kunststof (rood) in vogelvlucht

20 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Laten we eens een paar concrete voorbeelden nemen om de onderdelen structuur - eigenschappen - toepassing te verduidelijken. Hoe bepaalt de microstructuur nu de eigenschappen van een materiaal, en daarmee de toepassingen?

Hoe gedragen diverse materialen zich als ze in aanraking komen met warmte, licht, elektriciteit en mechanische belasting?

Licht of zwaar?

Waarom zijn sommige materialen licht, en anderen daarentegen zwaar? Als je materialen onderling wilt vergelijken, dan kun je beter spreken van de dichtheid, dus de massa per volume-eenheid.

Het verschil licht/zwaar komt vooral door de massa van de atomen waaruit ze zijn samengesteld, en veel minder door het volume. Kunststoffen bestaan vooral uit de lichte atomen koolstof, waterstof en zuurstof. Metalen bestaan uit zware metaalatomen. Keramiek is doorgaans een verbinding van een zwaar metaal-atoom met een licht niet-metaalatoom, en de dichtheid zit tussen die van kunststoffen en metalen in. Denk je dat een baksteen zwaar is: een goudstaaf van dezelfde afmetingen weegt bijna 10x zoveel. (dichtheid baksteen ~ 2 kg/liter, goud ~ 20 kg/liter). Overigens is dit licht/ zwaar-onderscheid van de hoofdgroepen kunststof, metaal en keramiek niet absoluut: immers, aluminium en magnesium heten niet voor niets 'lichtmetalen'.

Lichte materialen kom je vooral tegen in dynamische toepassingen - denk aan aluminium voor fietsen, auto's of

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017 Materiaaldefecten

Figuur 4. Diffusie via puntdefecten van een zuurstofionengeleider

vliegtuigen - terwijl je zware materialen vooral terugvindt in stationaire toepassingen. Spelen met de dichtheid doe je vooral door verschillende materialen met elkaar te mengen (zoals in composieten), of met 'niets' te mengen - dus door porositeit in te voeren.

Vrije elektronen in metalen

Van metalen is bekend dat ze goede elektrische geleiders zijn - denk maar aan koperen stroomdraden - doordat sommige elektronen zo zwak aan de atomen gekoppeld zijn, dat ze er gemakkelijk van kunnen worden vrijgemaakt, en zo als een 'zee van elektronen' door het metaal heen zwalken. Ze kunnen gemakkelijk van de ene plaats naar de andere stromen, en deze mobiele ladingsdragers vormen de 'elektrische stroom'.

Maar deze vrije elektronen doen nog meer: ze geven ook warmte door. Metalen zijn niet alleen goede elektrische geleiders, maar ook goede warmtegeleiders vanwege deze vrije elektronen.

Als de temperatuur hoger wordt, dan gaat de elektrische en warmtegeleiding omlaag. Wat gebeurt er namelijk? Bij hogere temperaturen gaan de metaalatomen meer rondom hun plaats trillen, en belemmeren dan de vrije elektronen in hun voortgang, waardoor ze langzamer zullen stromen.

Metalen reflecteren licht; denk maar aan spiegels - een laagje aluminium achterop glas. Als op het metaal licht valt, dan nemen de vele vrije elektronen de energie van het licht korte tijd in zich op. Maar zo'n elektron voelt zich niet prettig bij dit hoge energieniveau, en wil het liefst terug naar zijn oorspronkelijke toestand - waarbij de energie van het ingevangen licht weer vrijkomt. Het invallende licht is gereflecteerd, en dit verklaart het spiegelende oppervlak van metalen. Omgekeerd geldt: in het algemeen kun je

zeggen dat een materiaal licht doorlaat als het materiaal en het invallende licht geen wisselwerking vertonen. Optische doorlaatbaarheid en elektrische geleidbaarheid werken doorgaans als water en vuur op elkaar in.

Vrije elektronen in materialen doen nóg meer. Omdat deze elektronen niet meer aan één plaats zijn gebonden, kunnen de overblijvende rijen metaalionen gemakkelijk langs elkaar glijden. En dit is de basis voor de plastische vervorming van metalen als er een grote kracht op wordt uitgeoefend. Ze breken niet direct, maar vervormen eerst, en nemen zo een grote hoeveelheid energie in zich op.

Niet alleen elektronen spelen een grote rol binnen materialen, ook onvolkomenheden op atomaire schaal, met een mooie naam 'defecten' vormen de basis voor veel materiaaleigenschappen. Soms zijn deze defecten bewust ingebracht.

Denk eens aan een zuurstofsensor, of een hoge-temperatuur-brandstofcel.

In beide gevallen hebben we te maken met keramiek, zirkoonoxide, waar in de roosterstructuur bewust een paar zuurstof-plekken leeg zijn gelaten. Als de temperatuur maar voldoende hoog is, dan kunnen naburige zuurstofatomen (of eigenlijk ionen) naar deze lege plekken toespringen, en op hun oorspronkelijke plaats een lege plek achterhouden, waar weer een ander zuurstofion naar toe kan bewegen.

In figuur 4 zie je een computersimulatie over langere tijd, waarbij je kunt zien dat zuurstof (in rood) naar andere 'T-plekken' in het rooster beweegt. Zo krijg je transport van zuurstof door het rooster. In een zuurstofsensor - zoals een lambda-sensor in de auto die het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen meet

Figuur 5. Bewuste defecten - silicium als halfgeleider

21 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Figuur 6. (On)bewuste defecten - dislocaties in metalen

en dit terugkoppelt naar de motor om de verbranding te optimaliseren - is de transportsnelheid van zuurstof door het keramiek een maat voor het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen.

Iets vergelijkbaars geldt voor computerchips, die voor een aanzienlijk deel uit silicium bestaan. Nu is silicium in pure vorm een elektrische isolator. Alle blauwe elektronen die je in figuur 5 ziet, zitten vast in de binding tussen een silicium-atoom en z'n buren, en kunnen niet vrij door het rooster bewegen.

Maar als je er een beetje fosfor (P) aan toevoegt zoals in dit plaatje, dan wordt het materiaal zogenaamd halfgeleidend (tussen isolator en echte geleider in). Dit fosfor heeft een extra elektron bij zich - hier in rood weergegeven - dat geen onderdeel van de bindingen vormt, en dat wel door het materiaal kan 'hoppen', en zo voldoende elektrische geleiding kan geven.

Eerder benoemden we al de rijen metaalionen die gemakkelijk langs elkaar kunnen glijden, en zo de basis vormen

voor het mechanische gedrag van metalen met plastische vervorming. Als metalen perfecte materialen zouden zijn, dan zouden ze 10 tot 100 keer sterker zijn dan ze in werkelijkheid zijn. Maar metalen zijn niet perfect - ook pure metalen niet. Ze bevatten defecten die dislocaties heten, en die metalen veel zwakker maken dan hun theoretische sterkte. Dit zijn in figuur 6 de randen van de halve roostervlakken. Deze halve vlakken zijn in het rooster gekomen door 'ongelukjes' tijdens het de groei van het kristalrooster, of door mechanische spanningen in het rooster. Juist de beweging van dislocaties zorgt voor plastische vervorming van metalen - en lage sterktes. Duw maar eens tegen de zijkant: het halve vlak schuift als het ware steeds door in de duwrichting, hoewel de atomen vrijwel op hun plaats blijven. Vervorming die relatief weinig energie kost.

Doorzichtigheid afhankelijk van microstructuur

Figuur 7 geeft een voorbeeld van optische eigenschappen van een materiaal, en hoe dit samenhangt met de microstructuur. Hier het keramiek aluminiumoxide dat helemaal transparant, doorschijnend en ondoorzichtig is afhankelijk van de structuur, en daardoor van het maakproces. Lichtverstrooiing is hier het sleutelwoord.

We gaan even van rechts naar links.

Technische keramiek, waar aluminiumoxide onder valt, wordt onder meer gemaakt door poederdeeltjes samen te persen en deze aan elkaar te bakken ('sinteren') waardoor je een sterk geheel krijgt. De meeste producten van aluminiumoxide worden niet 100 procent

Figuur 7. Diverse soorten doorzichtigheid van aluminiumoxide

22 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

dichtgesinterd. Grenzen tussen de oorspronkelijke poederkorrels en overblijvende poriën tussen de korrels, beide in dezelfde ordegrootte als de golflengte van het licht, zijn bronnen voor lichtverstrooiing voor deze producten, waardoor ze niet doorzichtig zijn.

Als je het aluminiumoxide nog verder dichtsintert - en daar ook magnesiumoxide als sinterhulpmiddel bij gebruikt - dan verdwijnen vrijwel alle poriën tussen de korrels. Er blijven toch enkele korrelgrenzen tussen de aluminiumoxidekorrels zitten - zie het middelste plaatje - die voor enige verstrooiing zorgen, waardoor het materiaal niet 'doorzichtig' maar 'doorschijnend' is. Dit materiaal kom je tegen in de bekende oranjekleurige hogedruk-natriumlampen langs de snelweg. Aluminiumoxide is doorschijnend en bestendig genoeg om de corrosieve eigenschappen van het natrium en de hoge druk te kunnen weerstaan.

Het linker plaatje is eenkristallijn aluminiumoxide - ook wel saffier genaamd - dat één zuiver kristal is zonder bronnen van verstrooiing als korrelgrenzen of poriën. Zo'n kristal wordt gemaakt door een heel klein kiemkristalletje te nemen, en deze onder te dompelen in gesmolten aluminiumoxide. Trek dit kiemkristal voorzichtig omhoog, en het gesmolten aluminiumoxide koelt af en kristalliseert uit in dezelfde structuur als het kiemkristal. Toepassing hiervan is de cameralens in smartphones.

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017 Waardoor isoleert piepschuim?

Van licht gaan we naar warmte. Piepschuim is een materiaal dat als warmte-isolator wordt gebruikt - en warmte dus zeer slecht geleidt. Hoe gebeurt dit?

Warmte kan zich verplaatsen door stroming (denk maar aan warme lucht boven een radiator), door straling (zonnestraling) of door geleiding (denk aan het overdragende metaal van warmtewisselaars in de industrie). Nu is de structuur van piepschuim zodanig dat stroming en geleiding nauwelijks optreedt: door de afgesloten holtes in piepschuim kan geen stroming van gas plaatsvinden, en warmte geleidt slecht door het gas/lucht binnen in de holtes.

Figuur 8. Mechanische eigenschappen: trek-rek-diagram voor een metaal

Figuur 9. Metalen versterken door dislocaties tegen te werken

Mechanische belasting

We hebben nu een paar voorbeelden gezien hoe materialen zich gedragen in de aanwezigheid van elektrische prikkels, licht en warmte. Maar hoe zit het met mechanische belasting, als je aan een materiaal trekt of het buigt?

Binnen de materiaalkunde wordt een 'trek-rek-diagram' veel gebruikt, en daarvan zie je in figuur 8 een weergave voor een metaal. Een teststukje materiaal wordt mechanisch belast op een zodanige manier dat er aan wordt getrokken (dat zie je op de verticale as), en op de horizontale as zie je de uitrekking die daarvan het gevolg is. Zo'n trek-rek-diagram bestaat voor de meeste materialen uit een elastisch deel (waarbij 'trek' evenredig aan 'rek' is) en een plastisch deel. In het elastische deel geldt dat, als je de belasting wegneemt, het materiaal weer 'terugveert' naar zijn oorspronkelijke toestand, vandaar de naam 'elastisch'.

Het einde van dit elastische regime heet de 'rekgrens'. Belast je het voorwerp nog verder, dan kom je in het plastische regime waarin het materiaal een blijvende vervorming ondergaat, en als de belasting maar groot genoeg is dan kan het materiaal uiteindelijk breken.

Als gebruiker van een materiaal ben je vooral geĂŻnteresseerd in het elastische regime; de rekgrens bepaalt de maximaal toegestane belasting, en die wil je het liefst zo hoog mogelijk hebben.

Als fabrikant van een materiaal is het gebied boven de rekgrens juist interessant, want hier kun je de verschijnselen rondom de plastische vervorming juist gebruiken om het materiaal nog sterker te maken. Door te spelen in het gebied tussen de 'praktische sterkte',

23 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

Figuur 10. Eenheidscel van het piëzomateriaal PZT

de rekgrens, en de 'ultieme sterkte', de treksterkte, kun je een materiaal nog verder versterken. We nemen hierbij een metaal als voorbeeld in het onderstaande stuk.

Zoals al eerder gezegd bepaalt de beweging van dislocaties de sterkte van een metaal. Hoe maak je een metaal sterker?

Simpel: zorg dat de dislocaties moeilijker kunnen bewegen, door er hindernissen voor op te werpen, zoals je in figuur 9 ziet.

- Bijvoorbeeld door een metaallegering te maken door vreemde atomen in het metaal op te nemen. Brons of messing

24 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

zijn legeringen van koper.

- Of door grote vreemde deeltjes in het metaal te stoppen, bijvoorbeeld aluminium met siliciumcarbide, of zoals gebeurt met superlegeringen in gasturbines.

- Of door materialen met kleine korrels te maken, waardoor er veel korrelgrenzen zijn die de beweging van dislocaties tegenhouden. Kleine korrels zorgen dus voor sterkere materialen.

- Of door het materiaal expres boven z'n rekgrens te belasten, waardoor er door plastische vervorming steeds meer dislocaties bijkomen die elkaar hinderen (werkversteviging). Denk hierbij aan een smid die met een hamer op een roodgloeiend stuk metaal slaat.

de kristalstructuur getekend. Hoewel het materiaal in z'n geheel neutraal is evenveel positieve als negatieve lading - is er wel een ladingsverdeling binnen deze cel, doordat het positief geladen 'gele' ion niet precies in het centrum zit maar iets erboven. Als je een elektrische spanning over zo'n cel aanlegt (van onder naar boven), dan duw je de positieve ionen in de richting van dat veld, en de negatieve ionen in tegengestelde richting. Zo verandert de afstand tussen de tegengesteld geladen ionen, en daarmee de vorm van de eenheidcel. Als je dus een heleboel van deze cellen naast/boven/onder elkaar hebt, dan is het hele materiaal vervormd.

Slimme piëzomaterialen

Dr. ir. Eddy Brinkman, Betase BV

Tot slot nog een type materiaal dat eigenlijk een systeem op zich is: piëzo-materialen, waar elektrische en mechanische eigenschappen aan elkaar gekoppeld zijn. Het materiaal kan van vorm veranderen door er een elektrische spanning over aan te leggen, of omgekeerd: je drukt erop, en het materiaal genereert een elektrische spanning. Zo is een gasaansteker vaak op piëzo-materialen gebaseerd, maar ook de achteruitrijdsensor van je auto. Of je komt het materiaal tegen in de echoscopie.

Als je naar de microstructuur van een piëzo-materiaal kijkt - in dit geval het keramiek lood-zirkonaat-titanaat, kortweg PZT - dan kun je z'n werking verklaren.

In figuur 10 hebben we een stukje van

Over de auteur: Eddy Brinkman schrijft technische achtergrondverhalen op chemisch, materiaalkundig en ICT-gebied.

Op woensdag 31 mei 2017 gaf hij tijdens de vakbeurs Materials 2017 de lezing ‘Materiaalkunde in een notendop’ - gebaseerd op zijn boek ‘Kennismaken met materialen’ (ISBN 978-90-79926-00-8) dat in 2016 is verschenen.

BERICHTEN

INNOVATIEVE MATERIALEN 1 2017

Voeg informatie toe aan de Kennisbank Biobased Bouwen De Biobased Economy speelt een belangrijke rol in de duurzame ontwikkeling van Nederland en biedt nieuwe kansen voor het bedrijfsleven. Via de kennisbank kunt u kennis vergaren en delen over de beschikbaarheid en toepassingsmogelijkheden van biobased materialen, producten en bouwconcepten. Samen versterken we zo de biobased economie.

Ruim dertig partijen in de bouwsector ondertekenden de green deal biobased bouwen. Deze producenten, architecten, adviseurs en kennisinstellingen delen hun kennis rond kansrijke mogelijkheden van biobased bouwen. Ook de ministeries van Binnenlandse Zaken (Wonen en Rijksdienst), Economische Zaken, en Infrastructuur en Milieu ondersteunen de green deal.

Bouw ook mee aan de biobased economie en voeg uw project- of productbeschrijvingen toe aan deze kennisbank.

Kijk op www.biobasedbouwen.nl voor meer informatie>

25 | INNOVATIEVE MATERIALEN 4 2017

INNOVATIEVE MATERIALEN Innovatieve Materialen Innovatieve Materialen is een interactief, digitaal vakblad over nieuwe en/of innovatief toegepaste materialen in de civieltechnische sector, bouw, architectuur en design. Kerngedachte achter het blad is dat de materialensector tot dusver was ‘verzuild’ op basis van materiaalsoorten, waardoor veel kennis en kansen niet worden benut. Daar wil Innovatieve Materialen iets aan doen.

Innovatieve Materialen verschijnt in digitale vorm zes keer per jaar. Abonnees ontvangen een bladerbare versie plus een downloadable pdf-editie. Beide versies zijn interactief, en bevatten hyperlinks en video’s. Uitgever: SJP Uitgevers: Postbus 861, 4200 AW Gorinchem. Tel. 0183 66 08 08 Vraag een gratis digitaal proefnummer aan: info@innovatievematerialen.nl

SJP Uitgevers

Digitaal

Innovatieve Materialen is een digitaal vakblad, wat logischerwijs de mogelijkheid geeft om meer informatie toe te voegen dan in een conventio­neel papieren vakblad gebruikelijk is.

Vaak wordt er bij de artikelen een koppeling gemaakt met een relevante website, achterliggende informatie, rapporten, videomateriaal en/of eerder verschenen artikelen.

Postbus 861 4200 AW Gorinchem tel. (0183) 66 08 08 e-mail: info@innovatievematerialen.nl Een digitaal abonnement in 2017 (6 uitgaven) kost € 39,50 (excl. BTW) www.innovatievematerialen.nl