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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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To improve auto coatings, new tests do more than scratch the surface

Know that sickening feeling when you exit the grocery store and find your car has been banged up by a runaway shopping cart? It may one day be just a bad memory if auto body manufacturers make use of a new suite of tests developed by the National Institute of Standards and Technology (NIST) and three industry partners. Data from these tests could eventually help your vehicle's exterior better defend itself against dings, dents, scratches and things that go bump on the highway.

In a new paper in the journal Progress in Organic Coatings, researchers at four organizations--NIST and industry partners Eastman Chemical Co., the Hyundai...

21.09.2018 | nachricht Nachricht

Recyclingfähige, formflexible Wasserstofftanks für Brennstoffzellen-Autos

2,4 Millionen Euro Technikförderung für das Projekt „H2HybridTank“. Unter Leitung von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) wird gemeinsam mit der Volkswagen AG und Panco GmbH ein neuer Wasserstoff-Speicher für Autos entwickelt. Basis des Tanks bilden Leichtmetallhydride. Diese nanostrukturierten Verbindungen speichern besonders effizient Wasserstoff.

Sie könnten ein weiterer Schritt in Richtung Energiewende auch auf der Straße sein: Fahrzeuge, die Wasserstoff tanken und über eine Brennstoffzelle den...

21.09.2018 | nachricht Nachricht

World's first passive anti-frosting surface fights ice with ice

Study provides proof of concept for keeping surfaces 90 percent dry and frost free indefinitely -- without chemicals or energy inputs

Nothing foretells the coming of winter like frost on windshields.

18.09.2018 | nachricht Nachricht

A novel approach of improving battery performance

A recent study, affiliated UNIST has introduced a novel technology that promises to significantly boost the performance of lithium metal batteries, a promising candidate for the next generation of rechargeable batteries. The study also validates the principle of enhanced battery performance via the real-time in situ observation of charge-discharge cycling.

This breakthrough has been led by Professor Hyun-Wook Lee in the School of Energy and Chemical Engineering at UNIST in collaboration with the Agency for...

18.09.2018 | nachricht Nachricht

Bio-Kunststoffe nach Maß

Zusammenarbeit zwischen Chemikern aus Konstanz und Pennsylvania (USA) – gefördert im Programm „Internationale Spitzenforschung“ der Baden-Württemberg-Stiftung

Chemie kann manchmal eine Frage der richtigen Größe sein. Ein Beispiel hierfür sind Bio-Kunststoffe und die pflanzlichen Fettsäuren, aus denen sie hergestellt...

18.09.2018 | nachricht Nachricht

Neuer Super-Kunststoff mit positiver Ökobilanz

Besonders leistungsfähiger Werkstoff für die Industrie entwickelt. RWTH Aachen erarbeitet mit Covestro und weiteren Partnern Prozess zu Produktion im Großformat. Einsatz in Luftfahrt, Automobil und Medizin möglich.

Gemeinsam mit dem Leverkusener Polymer-Unternehmen Covestro, der Technischen Universität Berlin, dem Kunststoff-Zentrum Leipzig und dem Flugzeughersteller...

18.09.2018 | nachricht Nachricht

Keep cool : Forscher entwickeln magnetischen Kühlkreislauf

Klimawandel, Bevölkerungswachstum und steigende Lebensansprüche führen dazu, dass der Energiebedarf für Kühlprozesse schneller wächst als jener fürs Heizen. Ein weiteres Problem heutiger Kältetechnik: Kühlmittel, die Umwelt- und Gesundheitsschäden verursachen. Abhilfe könnte eine neuartige Technologie bringen: Kühlung durch magnetische Materialien in Magnetfeldern. Forscher der Technischen Universität (TU) Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelten die Idee für einen Kühlkreislauf, der auf dem „magnetischen Gedächtnis" spezieller Legierungen beruht. Erste Ergebnisse veröffentlichte die Zeitschrift „Nature Materials“.

Kooperation der TU Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf

Metalle können beim Erwärmen oder Abkühlen ihre magnetischen Eigenschaften verändern. „Eisen etwa ist nur unterhalb von 768 Grad Celsius ferromagnetisch, bei...

17.09.2018 | nachricht Nachricht

Glasoberflächen kratzfest und bruchsicher

Materialwissenschaftler der Uni Jena finden in der Nanostruktur von Glas neue Ansätze für widerstandsfähigere Gläser

Glück und Glas, wie leicht bricht das, sagt der Volksmund. Seine sprichwörtliche Zerbrechlichkeit wird Glas dabei gar nicht unbedingt zu Recht zugeschrieben....

17.09.2018 | nachricht Nachricht

Keep cool: Researchers develop magnetic cooling cycle

Energy requirements for cooling processes are growing much faster worldwide than for heating. Another problem that besets today's refrigeration systems is that most coolants cause environmental and health damage. A novel technology could provide a solution: refrigeration using magnetic materials in magnetic fields. Researchers at the Technische Universität (TU) Darmstadt and the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) have developed the idea of a cooling cycle based on the 'magnetic memory' of special alloys. Relevant initial experimental results have been published in the journal 'Nature Materials' (DOI: 10.1038/s41563-018-0166-6)

Cooperation between TU Darmstadt und Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

The magnetic properties of metals can change when they are heated or cooled. "Iron, for example, is only ferromagnetic below 768 degrees Celsius; nickel's...

17.09.2018 | nachricht Nachricht

UTA researcher creates hydrogels capable of complex movement

Programmable materials

Living organisms expand and contract soft tissues to achieve complex, 3-D movements and functions, but replicating those movements with man-made materials has...

14.09.2018 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie Magnetismus entsteht: Elektronen stärker verbunden als gedacht

Wieso sind manche Metalle magnetisch? Diese einfache Frage ist wissenschaftlich gar nicht so leicht fundiert zu beantworten. Das zeigt eine aktuelle Arbeit von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und der Universität Halle. Den Forschern ist es zum ersten Mal gelungen, in einem magnetischen Material, in diesem Fall Kobalt, die Wechselwirkung zwischen einzelnen Elektronen sichtbar zu machen, die letztlich zur Ausbildung der magnetischen Eigenschaften führt. Damit sind erstmals genaue Einblicke in den elektronischen Ursprung des Magnetismus möglich, die vorher nur auf theoretischem Weg zugänglich waren.

Für ihre Untersuchung nutzten die Forscher ein spezielles Elektronenmikroskop, das das Forschungszentrum Jülich am Elettra-Speicherring im italienischen Triest...

Im Focus: Erstmals gemessen: Wie lange dauert ein Quantensprung?

Mit Hilfe ausgeklügelter Experimente und Berechnungen der TU Wien ist es erstmals gelungen, die Dauer des berühmten photoelektrischen Effekts zu messen.

Es war eines der entscheidenden Experimente für die Quantenphysik: Wenn Licht auf bestimmte Materialien fällt, werden Elektronen aus der Oberfläche...

Im Focus: Scientists present new observations to understand the phase transition in quantum chromodynamics

The building blocks of matter in our universe were formed in the first 10 microseconds of its existence, according to the currently accepted scientific picture. After the Big Bang about 13.7 billion years ago, matter consisted mainly of quarks and gluons, two types of elementary particles whose interactions are governed by quantum chromodynamics (QCD), the theory of strong interaction. In the early universe, these particles moved (nearly) freely in a quark-gluon plasma.

This is a joint press release of University Muenster and Heidelberg as well as the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Then, in a phase transition, they combined and formed hadrons, among them the building blocks of atomic nuclei, protons and neutrons. In the current issue of...

Im Focus: Der Truck der Zukunft

Lastkraftwagen (Lkw) sind für den Gütertransport auch in den kommenden Jahrzehnten unverzichtbar. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Technischen Universität München (TUM) und ihre Partner haben ein Konzept für den Truck der Zukunft erarbeitet. Dazu zählen die europaweite Zulassung für Lang-Lkw, der Diesel-Hybrid-Antrieb und eine multifunktionale Fahrerkabine.

Laut der Prognose des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur wird der Lkw-Güterverkehr bis 2030 im Vergleich zu 2010 um 39 Prozent steigen....

Im Focus: Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma

Feuert man Lichtpulse aus einer extrem starken Laseranlage auf Materialproben, reißt das elektrische Feld des Lichts die Elektronen von den Atomkernen ab. Für Sekundenbruchteile entsteht ein Plasma. Dabei koppeln die Elektronen mit dem Laserlicht und erreichen beinahe Lichtgeschwindigkeit. Beim Herausfliegen aus der Materialprobe ziehen sie die Atomrümpfe (Ionen) hinter sich her. Um diesen komplexen Beschleunigungsprozess experimentell untersuchen zu können, haben Forscher aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine neuartige Diagnostik für innovative laserbasierte Teilchenbeschleuniger entwickelt. Ihre Ergebnisse erscheinen jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review X“.

„Unser Ziel ist ein ultrakompakter Beschleuniger für die Ionentherapie, also die Krebsbestrahlung mit geladenen Teilchen“, so der Physiker Dr. Thomas Kluge vom...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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