Meer kennis nanokristallen leidt tot betere kwaliteit aluminium

‘Door meer te weten over nanokristallen, kunnen we een betere hardheid van aluminium bewerkstelligen.’ Dat zegt wetenschapper Marijn van Huis. Het gaat om projecten die grotendeels zijn uitgevoerd aan de Technische Universiteit Delft, in de groep van prof. Henny Zandbergen. De projecten werden gefinancierd in samenwerking met de industrie binnen de organisatie M2i (Material Innovation Institute).

Marijn van Huis is wetenschapper aan de Universiteit Utrecht. Eerder was hij verbonden aan de TU Delft. Hij heeft veel gewerkt met aluminium en staal. Vooral Tata Steel (voorheen Corus en daarvoor nog Hoogovens) is daarbij de voornaamste opdrachtgever. De aluminium-tak is inmiddels verkocht aan het bedrijf Aleris, hoewel het onderzoek nog bij R&D Tata Steel plaatsvindt. ‘Zij leveren altijd nog samples aan, dus we meten echt aan industriële materialen.’
 

Probleem

 
Aan Van Huis de vraag wat het probleem is bij aluminium. ‘We gaan voor de maximale performance. We willen materialen voor vliegtuigen en auto’s die zo sterk mogelijk zijn, terwijl we er niet te veel materiaal in willen stoppen. Kijk, gewoon aluminium kun je bijvoorbeeld tien keer zo dik maken. Dan is het sterk genoeg om een botsing te weerstaan. Maar je wilt eigenlijk zo min mogelijk gewicht meezeulen, dat kost meer geld aan brandstof en het is ook duur aan grondstoffen. Bij vliegtuigen geldt het allemaal nog veel sterker. Je wilt zeker voor de te bouwen voertuigen een maximale hardheid en optimale mechanische eigenschappen, terwijl je zo min mogelijk materialen gebruikt. We proberen die nanokristallen zo te ontwikkelen, dat gewoon de beste eigenschappen ontstaan.’
Wat hij vooral doet is Transmissie Elektronenmicroscopie (TEM), waarmee je nanokristallen (precipitaten) kunt waarnemen binnen grotere kristallen zoals aluminium of ferriet korrels. Daarmee werkt de wetenschapper in plaats van een lichtmicroscoop met een elektronenmicroscoop. ‘Die kan in feite inzoomen totdat je inderdaad de atoomrijen kunt zien zitten’, zegt Van Huis. ‘Daarbij kijken we met name naar de kleine nanokristallen in aluminium of staal die eigenlijk de hardheid geven aan het materiaal. Dat noemen we “precipitation strengthening”. Deze precipitaten zijn 2 tot 50 nanometer groot (een nanometer is een miljoenste van een millimeter) en die zorgen ervoor dat het materiaal harder wordt. Nu zijn dat vaak hele gekke kristalletjes, in die zin dat ze soms voorkomen in een chemische samenstelling, terwijl dat niet het geval is in groot materiaal (in de bulkfase). Verder komen ze ook voor in bijzondere kristalstructuren. Eigenlijk willen we dan weten hoe die kristallen ontstaan. Waarom juist die kristallen ontstaan en hoe de kristalstructuur zich verhoudt tot de grotere aluminium- en staalkorrels daaromheen. Wat de structurele eigenschappen zijn die ervoor zorgen dat er materiaal ook harder wordt, want dat hangt heel erg af van die kristaleigenschappen. Aanvullend doe ik quantummechanische berekeningen en gaan we bijvoorbeeld kijken of die kristalstructuur stabiel is. Hoe stabiel is die ten opzichte van andere kristalmaterialen? Heeft het iets te maken met het feit dat ze zijn ingebed in het aluminium of het ijzer? En wat is de optimale chemische samenstelling? Af en toe komen we daarbij vreemde dingen tegen. Vaak is ook de vraag of de atomen in die materialen geordend zijn of niet.’
Heeft Van Huis al iets bereikt met het onderzoek door middel van Transmissie Elektronenmicroscopie en quantummechanische berekeningen? ‘Ja, kijk, één van de problemen die bij toentertijd Corus speelde was dat de kwaliteit van aluminium, dat wordt gefabriceerd in de aluminiumfabriek, na verloop van tijd achteruit gaat’, zegt Van Huis. ‘Het wordt getransporteerd naar de autofabriek en daar pas worden er bijvoorbeeld autopanelen van gemaakt.
Dan wordt het materiaal gesneden en wordt de juiste vorm erin gebracht. Na het inbrengen van de vorm, worden de panelen geverfd en afgebakken. Dat heet ‘paint bake hardening’. Pas bij de verhitting ontstaan die precipitaten die de hardheid geven. Probleem was eigenlijk dat er twee maanden tijd kan zitten tussen het moment van de productie in de aluminiumfabriek en het moment dat ze worden gebakken in de autofabriek. En in die twee maanden gebeurt er iets waardoor de hardheid na afbakken slechter wordt. Men wist niet wat het was. Vervolgens hebben wij gekeken naar welke minuscule kristalletjes er in de tussentijd ontstaan.
Wat blijkt: als je het gewoon op kamertemperatuur houdt, na de productie in de aluminiumfabriek, ontstaan er allemaal ‘slechte’ kleine kristalletjes die belemmeren dat later die grotere hardeningskristallen ontstaan. Als remedie daartegen worden nu in de fabriek de platen helemaal afgekoeld tot kamertemperatuur, waarna ze een voorbakbehandeling krijgen. Dan worden ze op tachtig graden verhit gedurende enkele minuten en vervolgens gaat het weer terug naar kamertemperatuur en wordt het opgeslagen en vervoerd.’ Kortom: door toedoen van Van Huis en de andere onderzoekers in de groep is er een nieuwe temperatuurbehandeling toegepast. ’We begrijpen wat voor soort kristalletjes er ontstaan.’
Is het onderzoek afgerond? ‘Eigenlijk is het nooit klaar, want er worden steeds nieuwe staalsoorten en aluminiumsoorten ontwikkeld. Eigenlijk sta je daar verbaasd van welke elementen ze er nu weer instoppen. En dat verandert nog steeds. Kijk, aluminum is meer een kwestie van chemische samenstelling en temperatuur. Maar bij staal is het allemaal nog veel ingewikkelder, daar speelt ook de microstructuur een belangrijke rol. Dan hoef je soms maar één op de miljoen atomen te vervangen door een ander atoom.
Dan worden opeens de kristalkorrels veel kleiner en dat geeft ook weer andere eigenschappen. Dus zeker bij staal, hoef je maar iets te veranderen aan de temperatuur, de chemie of de volgorde waarin het materiaal wordt bewerkt, en de eigenschappen veranderen drastisch.’ Is dat minder het geval bij aluminium? ‘Bij aluminium is dat iets minder ingewikkeld. Bij aluminium heb je feitelijk alleen de aluminiumfase en daarnaast die kristalletjes, die een rol spelen en de korrelgegevens.’

VENI-beurs

In 2006 ontving Van Huis een zogenoemde VENI-beurs voor een bepaalde studie. ‘In dat onderzoek heb ik gevonden dat er niet maar één soort nanokristal ontstaat in aluminium, maar vele’, zegt Van Huis. ‘Er ontstaan er een heleboel, die op het eerste oog totaal verschillend zijn, maar het blijkt dat de ene soort in de andere kan overgaan. Er zijn allerlei transformaties en die heb ik in kaart gebracht, zodat je begrijpt hoe je van de ene fase naar de andere kunt gaan. Bijvoorbeeld als een bepaalde soort precipitaat ongewenst is en de andere juist wel gewenst. Dan is het handig om te weten bij welke verhitting die deeltjes stabiel zijn. Je kunt bij de warmtebehandeling slechte deeltjes overslaan door meteen na een hogere temperatuur over te gaan en bij die hogere kun je precipitaten maken die op het eerste gezicht niet nuttig zijn, maar bij de overgang veranderen in echte harde precipitaten. Dan weet je dat dit de juiste voorlopers zijn. Het gaat erom dat je in de aluminiumfabriek de juiste voorlopers maakt voor de uiteindelijke hardening die in de autofabriek zal ontstaan.’Van Huis heeft ook recent nog een onderzoek afgerond. ‘We hebben tegenwoordig toegang tot elektronenmicroscopen die niet alleen informatie leveren over de kristalstructuur maar ook heel gedetailleerde info leveren over de chemische samenstelling: chemical mapping. Zo ontstaan echt plaatjes waarin je precies kunt zien waar welke soorten precipitaten zitten en wat de precieze samenstelling is. We zijn nu bezig om verhittingsexperimenten uit te voeren onder de elektronenmicroscoop, waarbij je dus echt die kristallen ziet groeien. En je bij nóg hogere temperatuur ze ook weer kunt oplossen. Dan zie je dus als functie van de temparuur hoe de samenstelling van die nanokristallen verandert. Dat is echt spectaculair en we zijn nu bezig om dat in een artikel te beschrijven.’Overigens heeft de universiteit Utrecht nog geen dergelijke microscoop. ‘Die microscoop met die geavanceerde chemische mapping, die willen we heel graag hebben, maar is er nog niet. Tot nu toe hebben we experimenten uitgevoerd bij de producent van elektronenmicroscopen FEI en bij een groep in Krakau die met ons samenwerkt.’ Wanneer weet je daarover meer? ‘Dat is altijd een heel zakelijk en politiek spel met de industrie en de Nederlandse overheid.’

Open vizier

Van Huis vertelt dat als hij met de industrie gaat praten, hij dat doet met een open vizier, maar hij probeert altijd wel de wetenschappelijke kant erbij te betrekken. ‘Ik vraag altijd eerst wat hun interesses zijn. Op die manier zoek ik de overlap van wat voor de industrie interessant is en wat wetenschappelijk interessant is. Het spannendst is natuurlijk om materialen te analyseren die in ontwikkeling zijn, maar die nog niet op de markt zijn verschenen. Een enkele keer kunnen we in het wetenschappelijke artikel geen precieze details geven over de chemische samenstelling of over de precieze temperatuurbehandeling, omdat die patentaanvragen nog in behandeling zijn.’”Kijk, waar het wat ons betreft om gaat is dat we graag willen begrijpen wat er gebeurt’, concludeert Van Huis. ‘Maar voor de industrie geldt uiteindelijk het eindresultaat, ze willen gewoon het beste materiaal hebben. We doen zelf experimenten om er achter te komen welk mechanisme er achter zit. De industrie is daar ook zeker in geïnteresseerd, maar zal altijd optimalisaties in de ontwikkeling nodig hebben. Ze proberen bijvoorbeeld twintig verschillende samenstellingen en gaan dan kijken welke de beste is. Wel is het zo dat deze materialen slimmer ontwikkeld kunnen worden als je de natuurkunde achter alle veranderingen begrijpt‘. Er is nog ruimte voor aanvullend aluminiumonderzoek. ‘Waar we nu bijvoorbeeld naar kijken is corrosie van aluminium, dat is een onderwerp dat altijd speelt.’ Over enige tijd kan Van Huis daar meer over vertellen.