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Materialwissenschaft - ein interdisziplinärer Forschungszweig

Die Materialwissenschaft beschäftigt sich mit Erforschung, Entwicklung, Charakterisierung, Herstellung und Verarbeitung der Werkstoffe.

Materialwissenschaft - die Basis

Es ist eine interdisziplinäre Wissenschaft und umfasst Chemie, Physik, Mineralogie und viele anderen Wissenschaften und beschäftigt sich damit verbunden auch mit Kupfer, Eisen und Stahl. Der Übergang von den natürlichen Werkstoffen, wie Stein, Holz, Elfenbein oder Leder zu den gezielt gewonnenen Werkstoffen wie Kupfer, Stahl oder Eisen. Schon in der Jungsteinzeit, so um 4300 v. Chr., wurden Kupfer, Stahl und Eisen gewonnen. Im Anschluss daran ist der Übergang in die Bronzezeit erfolgt und erst in der Eisenzeit konnte neben Eisen, Stahl und Kupfer auch Aluminium hergestellt werden - mit dem Hall-Héroult-Prozess. Lange haben sich die Materialwissenschaften fast nur für die metallischen Werkstoffe, wie Eisen, Kupfer oder Stahl interessiert, doch seit der Beton wiederentdeckt worden ist, hat sich dies geändert. Obwohl dann später auch die ersten produzierten Kunststoffe für ein breites Publikum interessant wurden, die in Massenfertigung produziert worden sind, blieben Eisen, Kupfer und Stahl weiterhin von den Materialwissenschaften erforscht.

Die ersten Metalle und die alten Zeiten

Kupfer, Stahl und Eisen waren einige der ersten Metalle, die von der Menschheit in der Entwicklung kennen gelernt worden sind. Kupfer lässt sich sehr unkompliziert verarbeiten. Deswegen war Kupfer schon vor 10.000 Jahren bei den ältesten Kulturen, die man kennt, gerne verwendet. Die Epoche des weiträumigen Gebrauchs vom Kupfer (5. bis 3. Jahrtausend vor Christus) nennt sich Kupferzeit. In der Alchemie assoziieren die Anhänger das Kupfer mit Venus, als Symbol der Weiblichkeit. Sogar die ersten Spiegel wurden aus Kupfer hergestellt. Der größte Hersteller vom Kupfer vor der Industrie war das Römische Reich. Kupfer ist noch heute ein sehr beliebtes Material.

Stahl - stabil und zuverlässig

Mit Stahl sammelt die Menschheit schon lange praktische Erfahrung, denn Stahl wird mit seinen stabilen Eigenschaften, wie Festigkeit, Korrosionsverhalten und die gute Schweißeignung sehr gerne in der Technik verwendet. Es ist viel stabiler als Kupfer. Im europäischen Register vom Stahl findet man mehr als 2.300 Sorten vom Stahl. Kohle und Stahl haben über einen sehr langen Zeitraum die Hauptsäulen der Schwerindustrie gebildet und waren so die Grundlage für die politische Macht der Staaten. Stahl wird als die Eisen Kohlenstoff-Legierung definiert, mit weniger als 2,06 % Kohlenstoff. Stahl bzw. Eisen ist 7,85-7,87 g/cm3 dicht. Stahl schmilzt bei einer Temperatur, die bis zu 1.536°C hoch sein kann und hält dadurch viel höhere Temperaturen aus als Kupfer. Die erste Herstellung von Stahl wurde im 1. Jahrtausend v. Chr. datiert - viel später, als Kupfer. Stahl ist auch im Sinne der Ökologie ein schonendes Material, weil man Stahl fast ohne Qualitätsverlust unbegrenzt wieder nutzen kann.

Eisen - von Dekoration zur allgemeinen Nützlichkeit

Die erste Nutzung von Eisen wurde mit etwa 4000 v. Chr. in Ägypten dokumentiert. Es war ein gediegenes Eisen und es diente zur Dekoration und Anfertigung von Speerspitzen. Es ist für solche Zwecke besser geeignet gewesen als Stahl oder Kupfer. Später findet man verhüttetes Eisen in Mesopotamien, und Ägypten, welches aber nur zur zeremoniellen Nutzung gedacht war. Vielleicht entstand Eisen als Nebenprodukt der Bronzeherstellung. In den Jahren 1600 bis 1200 v. Chr. hat man immer mehr auf Eisen gezählt, eril die Hethiter eine Methode zur Herstellung von Eisen entwickelt haben. Eisen ist vermutlich neben Nickel ein Hauptbestandteil des Erdkerns. Eisen gewinnt man durch die chemische Reduktion der Eisenerze mit Kohlenstoff. Das Eisen wird, im Gegensatz zu Stahl oder Kupfer, im Hochofen gewonnen.

Materialwissenschaften

Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung - d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung - von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Artikel über die Materialentwicklung und deren Anwendungen, sowie über die Struktur und Eigenschaften neuer Werkstoffe.

News zu Materialwissenschaften:

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Photocatalyst makes hydrogen production 10 times more efficient

Hydrogen is an alternative source of energy that can be produced from renewable sources of sunlight and water. A group of Japanese researchers has developed a photocatalyst that increases hydrogen production tenfold.

The discovery was made by a joint research team led by Associate Professor TACHIKAWA Takashi (Molecular Photoscience Research Center, Kobe University) and...

19.05.2017 | nachricht Nachricht

Graphene-nanotube hybrid boosts lithium metal batteries

Rice University prototypes store 3 times the energy of lithium-ion batteries

Rice University scientists have created a rechargeable lithium metal battery with three times the capacity of commercial lithium-ion batteries by resolving...

19.05.2017 | nachricht Nachricht

Stanford scientists use nanotechnology to boost the performance of key industrial catalyst

A tiny amount of squeezing or stretching can produce a big boost in catalytic performance, according to a new study led by scientists at Stanford University and SLAC National Accelerator Laboratory.

The discovery, published May 18 in Nature Communications, focuses on an industrial catalyst known as cerium oxide, or ceria, a spongy material commonly used in...

18.05.2017 | nachricht Nachricht

Safe energy transport made easy – Adaptive processing of complex control data

Pipes for the oil and gas industry which are used to transport raw materials from the seabed to the surface, have to meet specific requirements. They are highly relevant to security because every single pipe must be able to fully withstand the enormous loads of deep-sea production. Hence, controlling the manufacturing process of wound thermoplastic fiber-reinforced pipes is extremely complex. The EU research project “ambliFibre”, consisting of thirteen international partners led by the Aachen-based Fraunhofer Institute for Production Technology IPT, focuses on the manufacturing of these pipesand aims to develop an Industrie-4.0-compliant, highly flexible and reliable control system.

Pipes used for oil and gas transport in the deep sea must be able to withstand extreme loads caused by waves and pressure while remaining resistant against...

18.05.2017 | nachricht Nachricht

Oddball enzyme provides easy path to synthetic biomaterials

Materials scientists have written the recipe on how to use an oddball enzyme to build new biomaterials out of DNA. The work provides instructions for researchers the world over to build self-assembling molecules for applications ranging from drug delivery to nanowires.

The molecular machinery of the human body typically relies on genetic templates to carry out construction. For example, molecular machines called DNA...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Bacteria harness the lotus effect to protect themselves

Biofilms: Researchers find the causes of water-repelling properties

Dental plaque and the viscous brown slime in drainpipes are two familiar examples of bacterial biofilms. Removing such bacterial depositions from surfaces is...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Akkus

Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat erstmals Nanopartikel aus einer Titanoxidverbindung (Ti4O7) mit extrem großen Oberflächen hergestellt und in Lithium-Schwefelbatterien als Kathodenmaterial getestet. Das hochporöse Nanomaterial besitzt eine hohe Speicherkapazität, die über viele Ladezyklen annähernd stabil bleibt.

Um Strom kompakt zu speichern, sind Lithium-Akkus momentan eine der besten Lösungen. In diesen Akkus wandern Lithium-Ionen während des Entladens von der Anode...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Energie, sicher und leicht transportiert – Adaptive Verarbeitung komplexer Steuerungsdaten

Rohre für die Öl- und Gasindustrie, besonders sogenannte Riser, mit denen die Rohstoffe aus dem Meeresgrund nach oben gefördert werden, sind hoch sicherheitsrelevant: Jedes einzelne muss den enormen Belastungen der Tiefsee zu 100 Prozent standhalten. Die Steuerung von Fertigungsprozessen für gewickelte Rohre aus thermoplastischen Faserverbundkunststoffen ist daher äußerst komplex. Für Anlagen zur Herstellung solcher Rohre und Druckbehälter erarbeiten dreizehn internationale Partner im EU-Forschungsprojekt »ambliFibre« unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT aus Aachen jetzt ein hochflexibles und gleichzeitig äußerst zuverlässiges Regelungskonzept.

Rohre, die in der Tiefsee zur Gas- oder Ölförderung dienen, müssen extremen Belastungen durch Wellengang und Druck standhalten und dauerhaft beständig...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Viel mehr als nur Draht... Internationales Kalibrierzentrum der TU Bergakademie Freiberg gegründet

Nägel, Schrauben, Drahtseile, Schmuck, Klaviersaiten, Stromkabel – Draht ist aus dem Alltag nicht wegzudenken. Aber auch (Stahl-)Träger, die Führungsschienen in Aufzügen und viele andere Stäbe zählt die Fachwelt zu so genannten Langprodukten. Die Automobil-, Elektro-, Reifen- und Bauindustrie sind deren größte Abnehmer. Aber wie entsteht ein Langprodukt?

Die TU Bergakademie Freiberg bildet am Institut für Metallformung Ingenieure aus, die bereits während des Studiums die Theorie des Kalibrierens erlernen und...

17.05.2017 | nachricht Nachricht

Gas gives laser-induced graphene super properties

Rice University scientists who invented laser-induced graphene (LIG) for applications like supercapacitors have now figured out a way to make the spongy graphene either superhydrophobic or superhydrophilic.

And it's a gas.

Until recently, the Rice lab of James Tour made LIG only in open air, using a laser to burn part of the way through a flexible polyimide sheet to get...

16.05.2017 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

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23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

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