Miniaturisatie is een niet te stoppen trend. We maken steeds meer dingen steeds kleiner. En dat heeft invloed op de sterkte van het materiaal van die onderdelen: naarmate ze kleiner worden beginnen er andere factoren een rol te spelen, zogenoemde ‘schaaleffecten’. Bij metalen bijvoorbeeld, zoals aluminium. Dat is opgebouwd uit kleine, gestapelde ‘korrels’. Wat nu als aluminium onderdelen een dikte hebben van slechts enkele van die korrels? De invloed van zwakke korrels op de totale sterkte van het onderdeel wordt dan heel groot, door het principe ‘een ketting is zo sterk als de zwakste schakel’. Dit is een voorbeeld van een schaaleffect.
Ook de interne structuur van de individuele korrels wordt steeds belangrijker bij kleinere afmetingen. Binnen aluminiumkorrels zitten de atomen vast in een kristalstructuur. Maar die roosterstructuur bevat fouten, ook wel dislocaties genoemd. Dat zijn bijvoorbeeld extra stroken atomen die eigenlijk niet in het rooster passen. Als je aluminium belast, dan deformeert het, doordat delen van de korrel ten opzichte van elkaar verschuiven, over die dislocaties. Slip in het rooster, heet dat. De verschuiving stopt doordat het verschuivende deel ergens tegenaan botst; meestal tegen een korrelgrens of een andere dislocatie. Zo zijn dislocaties dus mede bepalend voor het mechanische gedrag van aluminium.
Er is een handvol schaaleffecten, en samen kunnen ze ervoor zorgen dat kleinere onderdelen relatief sterker zijn. Maar wat de individuele schaaleffecten doen, geïsoleerd van de andere, dat was nog onbekend. Ir. Peter Janssen ging vier jaar geleden aan het werk om de schaaleffecten te isoleren.
Een van die effecten wilde hij eigenlijk buiten beschouwing laten: de verhoging van de sterkte die in het buitenste laagje ontstaat door bewerkingen uit het productieproces. Bijvoorbeeld door lasersnijden of ponsen. Doordat het effect optreedt in een dun laagje en de teststukken van Janssen relatief groot waren (strookjes met een minimale dikte van 0,3 millimeter en een breedte van 2 millimeter) dacht hij dat dit effect verwaarloosbaar zou zijn.
Dat bleek gaandeweg echter niet het geval. “We waren verbaasd dat de randinvloed al bij dit soort afmetingen zo groot is”, vertelt de onderzoeker. De versterkte zone bleek minstens een korrel breed, en dus zeer van invloed bij teststukken van slechts enkele korrels dik of breed.
Om de invloed van de andere schaaleffecten te meten moest Janssen dus eigenlijk onbewerkte proefstukken hebben. Maar dat is bijna een ‘contradictio in terminis’.
Zijn oplossing hiervoor was: proefstukken maken door ze heel langzaam op maat te schuren. Dit omdat schuren een bewerking is met een veel kleiner effect op de sterkte. Om zelfs dat kleine effect te verwijderen, stopte hij de stukken in de oven, om met een warmtebehandeling de oude kristalstructuur te herstellen. Een bijkomende moeilijkheid: Janssen kon de stukken niet kleiner schuren dan twee millimeter, je hebt immers ruimte nodig om de stukken vast te klemmen. Omdat hij proefstukken wilde onderzoeken van een aluminiumkorrel dik en breed, moesten de korrels in de materiaalstructuur dus ook een millimeter of twee groot worden. Met andere woorden: het bereiden van de ‘preparaten’ was heel veel werk. “Monnikenwerk”, zegt hij achteraf.
Deze preparaten zonder versterkte randen bleken in de minitrekbank van promovendus Janssen zwakker dan grotere uitvoeringen. Het adagium ‘kleiner is sterker’ blijkt dus niet op te gaan. “Intrinsiek geldt: kleiner is zwakker. Dat is het samenvattende statement dat ik wel durf te maken”, zegt de inmiddels gepromoveerde onderzoeker stellig.
Dat kleinere onderdelen relatief zwakker zijn, heeft een heel logische verklaring. Korrels aluminium die ingesloten zitten tussen andere korrels, worden door die korrels als het ware op hun plek gehouden. Die andere korrels houden de ‘slip in het rooster’ bij hun buren tegen. Zodra er links en rechts geen buren meer zijn, zoeken de individuele korrels die onder spanning staan de weg van de minste weerstand - als een vlag die in wind waait.
Met deze opgedane kennis kan Janssen een stukje afknabbelen van het werkgebied van de bekende Hall-Petchrelatie. Die zegt grofweg dat materiaal met een kleinere korrelgrootte sterker is dan hetzelfde materiaal met een grotere korrelgrootte. Zodra de buren van de korrels wegvallen - en de dikte van het materiaal dus één korrel of minder is - geldt dat echter niet meer.
Het onderzoek van Peter Janssen, die op 18 december promoveerde, was puur fundamenteel van karakter. Er lag geen specifieke vraag vanuit het bedrijfsleven of een beoogde toepassing achter. Maar gezien de omvang van de schaaleffecten lijkt het hem wel raadzaam als onwerpers van miniatuurcomponenten in de toekomst rekening gaan houden met deze effecten./.