Metallische materialen zijn een belangrijk studiegebied in de materiaalkunde vanwege hun lange geschiedenis en diverse fysieke eigenschappen. Ze hebben ook een groot potentieel voor moderne toepassingen, zoals het vinden van manieren om metalen harder en duurzamer te maken, en het ontwikkelen van nieuwe materialen met behulp van nanotechnologie. Het begrijpen van de eigenschappen en toepassingen van deze metalen materialen kan een breed scala aan technische problemen helpen oplossen.
Het Department of Materials Science and Engineering categoriseert materialen in drie gebieden: metalen, polymeren en keramiek. Metalen worden vertegenwoordigd door materialen zoals goud, zilver en ijzer; polymeren zijn plastic materialen die vaak om ons heen voorkomen; en keramiek wordt vertegenwoordigd door materialen zoals keramiek en glas. De studie van de fysische en chemische eigenschappen van deze materialen en hun toepassingen in real-world engineering is wat het Department of Materials Science and Engineering doet. Van de drie materiaalklassen zijn metalen mijn favoriet. Metalen worden al sinds de vroegste tijden door mensen gebruikt en er zijn veel onderzoeksvoorbeelden, waardoor het gemakkelijk wordt om technische problemen op basis daarvan logisch te benaderen. Bovendien hebben metalen vanwege hun structurele kenmerken een breed scala aan fysieke eigenschappen, die kunnen worden aangepast voor verschillende toepassingen.
Metalen hebben door de geschiedenis heen ook een belangrijke rol gespeeld. De komst van de ijzertijd markeerde bijvoorbeeld een grote verschuiving in de menselijke beschaving, en in de moderne tijd zijn legeringen zoals staal en aluminium belangrijke materialen in alle industrieën. Vooral ijzer is vanwege zijn sterkte en duurzaamheid een essentieel materiaal geworden in de bouw-, automobiel- en ruimtevaartindustrie. Als u de eigenschappen van deze metalen begrijpt, kunt u technische problemen oplossen.
Laten we eens kijken naar een voorbeeld van metalen materialen. Een van de favoriete scènes in historische drama's is die van een smid, half gekleed in een gewaad, die op een blok ijzer hamert. De smid trekt het ijzer uit het vuur, hamert erop om het plat te maken, legt het terug in het vuur, trekt het eruit en slaat er opnieuw op om een harder zwaard te maken. We hebben dit allemaal op tv gezien sinds we kinderen waren, en hoewel we denken dat 'het hameren van staal het moeilijker maakt', weten maar weinigen van ons echt waarom. Er zit een eenvoudig materiaalwetenschappelijk principe achter.
Als je metalen materialen zoals ijzer of goud onder een microscoop bekijkt, zie je dat de atomen waaruit het metaal bestaat, in een schaakbordachtig patroon zijn gerangschikt. De atomen zijn echter niet altijd gelijkmatig verdeeld van begin tot eind, en het kan zijn dat een rij metaalatomen niet is waar hij zou moeten zijn, of dat hij zich op de verkeerde plaats bevindt tussen andere metaalatomen. In de materiaalkunde staat dit bekend als dislocatie, en de meeste mechanische eigenschappen van metallische materialen worden bepaald door deze dislocatie. Denk aan een blaar aan de onderkant van je voet: als je erop drukt, worden de luchtbellen binnenin naar buiten geduwd, waardoor de blaar samendrukt. Als je op een ander deel van de blister drukt, bewegen de belletjes weer, waardoor deze in een andere richting wordt gedrukt. Hetzelfde gebeurt met metaal. Wanneer er van buitenaf een kracht op een metaal wordt uitgeoefend, bewegen dislocaties zich in het metaal, waardoor het gemakkelijk vervormt. De sleutel tot het hard maken van een metaal is voorkomen dat deze dislocaties vrij naar binnen kunnen bewegen. De handeling van de smid, waarbij hij met een hamer op het ijzer slaat, is één manier om dit te bereiken. Door op het ijzer te hameren, bewegen de dislocaties die verspreid zijn door het ijzer geleidelijk en komen samen. En zodra de dislocaties, die worden veroorzaakt door de verwarde rangschikking van metaalatomen, zich op één plek bevinden, raken ze weer verstrikt en kunnen ze niet meer bewegen. Bovendien, wanneer het ijzer in het vuur wordt geplaatst, worden de metaalatomen rond de dislocaties van energie voorzien door de hitte en vinden ze de lege ruimtes en vullen ze stevig. De smid herhaalt dit proces keer op keer totdat er uit het geharde ijzer een stevig zwaard ontstaat.
Het begrijpen van metalen materialen kan beginnen met eenvoudige principes als deze. Met een paar van dit soort concepten is het gemakkelijk om de basiseigenschappen van metalen te begrijpen. Metalen zijn al langer onderzocht dan andere materialen, omdat ze relatief gemakkelijk te manipuleren zijn sinds mensen vuur begonnen te gebruiken. Ze zijn ook universeel in hun mechanisch gedrag, waardoor ze gemakkelijk met gezond verstand te benaderen zijn. Het begrijpen van metalen materialen kan daarom een goede technische probleemoplossende oefening zijn voor iedereen die de principes van verschillende technische disciplines wil begrijpen, niet alleen van materialen.
Laten we tot slot eens kijken naar de nieuwste onderzoekstrends op het gebied van metalen materialen. Met de vooruitgang van de nanotechnologie wordt er veel onderzoek gedaan naar het manipuleren van de nanostructuur van metalen om nieuwe materialen met betere eigenschappen te ontwikkelen. Metaallegeringen die gebruik maken van nanodeeltjes kunnen bijvoorbeeld sterker en lichter worden gemaakt dan traditionele metalen. Onderzoekers werken ook aan het aanbrengen van nanocoatings op metalen oppervlakken om de duurzaamheid en hittebestendigheid te maximaliseren. Deze onderzoeken zullen het toepassingsgebied van metallische materialen verder uitbreiden en nieuwe mogelijkheden openen voor toekomstige technische toepassingen.
Concluderend kunnen metallische materialen een van de kernonderzoeksgebieden van de afdeling Materials Science and Engineering zijn, en hun belang en toepassingspotentieel zijn enorm. Door de basisprincipes van metallische materialen te begrijpen en daarop gebaseerd onderzoek uit te voeren, zullen we meer innovatieve technische oplossingen kunnen vinden.
