Samenstellinggradiënten

Samenstellinggradiënten zijn ruimtelijke variaties in de chemische samenstelling van een materiaal. Ze geven aan hoe de concentratie van elementen verandert over afstand, bijvoorbeeld langs een lengterichting of in een dwarsdoorsnede. Voor elke component kan een eigen gradient bestaan; vaak wordt een gradient weergegeven als de afgeleide van de concentratie ten opzichte van de ruimtelijke coördinaat.

Ze ontstaan tijdens verwerking of in gebruik en kunnen doelbewust worden ontworpen, bijvoorbeeld in functioneel gradient materialen (FGMs) of door gradueel veranderende toevoer tijdens deposities. Gradient kan optreden door variërende toevoer van materiaal tijdens deposition, door diffussie tijdens warmtebehandeling, of door opbouwprocessen in additieve productie. Natuurlijke gradients ontstaan ook bij segregatie tijdens solidificatie, faseveranderingen of corrosieprocessen.

Karakterisering van samenstellinggradiënten gebeurt met ruimtelijke mapping-technieken zoals EDS (EDX) in SEM/TEM, WDS, EPMA, SIMS, atoomprobe-tomografie (APT) en X-ray fluorescence mapping. De resolutie en gevoeligheid variëren per methode; vaak zijn combinaties van technieken nodig om kwantitatieve kaarten te verkrijgen.

Toepassingen omvatten functioneel gradient materialen (FGMs) die temperatuurs- en spanningsverdeling beter ondersteunen, bijvoorbeeld in warmtebeschermende coatings en turbineonderdelen. Gradienteerde legeringen kunnen tegelijk hoge sterkte en ductiliteit bieden. Daarnaast worden samenstellinggradiënten toegepast in elektronica voor bandgap-engineering en als diffusie- of corrosiebarrières.

De theoretische basis omvat Fick’s wetten, waarbij de flux afhangt van de gradient van de concentratie (J = -D ∇C). Een samenstellinggradiënt beïnvloedt mechanische, thermische en chemische eigenschappen en bepaalt de ontwikkeling van microstructuur en eigenschappen over de ruimtelijke richting.

---