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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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Princeton-UPenn research team finds physics treasure hidden in a wallpaper pattern

An international team of scientists has discovered a new, exotic form of insulating material with a metallic surface that could enable more efficient electronics or even quantum computing. The researchers developed a new method for analyzing existing chemical compounds that relies on the mathematical properties like symmetry that govern the repeating patterns seen in everyday wallpaper.

"The beauty of topology is that one can apply symmetry principles to find and categorize materials," said B. Andrei Bernevig, a professor of physics at...

20.07.2018 | nachricht Nachricht

Relax, just break it

The properties of a solid depend on the arrangement of its atoms, which form a periodic crystal structure. At the nanoscale, arrangements that break this periodic structure can drastically alter the behavior of the material, but this is difficult to measure. Recent advances by scientists at the U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory are starting to unravel this mystery.

Using state-of-the art neutron and synchrotron X-ray scattering, Argonne scientists and their collaborators are helping to answer long-held questions about a...

20.07.2018 | nachricht Nachricht

Metal too 'gummy' to cut? Draw on it with a Sharpie or glue stick, science says

Your everyday permanent markers, glue sticks and packing tape may offer a surprisingly low-tech solution to a long-standing nuisance in the manufacturing industry: Making soft and ductile, or so-called "gummy" metals easier to cut.

What makes inks and adhesives effective isn't their chemical content, but their stickiness to the surface of any gummy metal such as nickel, aluminum,...

19.07.2018 | nachricht Nachricht

Machine-learning predicted a superhard and high-energy-density tungsten nitride

Although machine learning technique gained amazing success in many aspects, its application in crystal structure predictions and materials design is still under developing. Recently, Prof. Jian Sun's group at the Department of Physics, Nanjing University implemented a machine-learning algorithm into the crystal structure search method. They use a machine learning algorithm to fit a model to describe the potential energy surface and use it to filter the crystal structures initially. This can effectively enhance the search efficiency of crystal structure prediction.

On the other hand, hybrid compounds of transition metals and light elements, especially transition metal nitrides have been widely studied for their high...

18.07.2018 | nachricht Nachricht

In borophene, boundaries are no barrier

Rice U., Northwestern researchers make and test atom-thick boron's unique domains

Borophene, the atomically flat form of boron with unique properties, is even more interesting when different forms of the material mix and mingle, according to...

17.07.2018 | nachricht Nachricht

Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung

Schrauben und andere metallische Kleinteile werden heute mit einer Zinklamellenbeschichtung überzogen, um Korrosion zu vermeiden. Gemeinsam mit Unternehmen aus Balve, Wickede und Kierspe und der Universität Potsdam erforscht die Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn zurzeit eine neue Art der Zinklamellenbeschichtung mit eingebetteten Mikro- und Nanoteilchen. Davon versprechen sich die Projektpartner eine Verbesserung der Schichteigenschaften und eine optimalere Umweltverträglichkeit.

"Eine Zinklamellenbeschichtung kann man sich vorstellen wie kleine Plättchen, die aus einem flachgeklopften Zinkpulver bestehen. Diese lamellenartigen und mit...

13.07.2018 | nachricht Nachricht

Research finds new molecular structures in boron-based nanoclusters

Brown University researchers and collaborators from Tsinghua University in China have shown that nanoclusters made from boron and lanthanide elements form highly stable and symmetric structures with interesting magnetic properties.

The findings, published in Proceedings of the National Academy of Sciences on Monday, July 9, suggest that these nanoclusters may be useful as molecular...

13.07.2018 | nachricht Nachricht

3D-Druck: Stützstrukturen verhindern Schwingungen bei der Nachbearbeitung dünnwandiger Bauteile

Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck zeichnen sich dadurch aus, dass Bauteile nahezu beliebig komplex aufgebaut werden können. Eine gute Oberflächenqualität metallischer Komponenten erfordert hier oft eine Nacharbeitung durch Fräsen oder Schleifverfahren. Gerade beim Fräsen dünnwandiger Bauteile kommt es oft zu Schwingungen, die zu Lasten der Genauigkeit und Bearbeitungsdauer gehen. Die Aachener Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT und für Lasertechnik ILT zeigen vom 16. bis 22. Juli 2018 auf der Farnborough International Airshow, wie sich mit speziellen Stützstrukturen solche Schwingungen bei der Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile verhindern lassen.

Metallische Bauteile, die additiv durch Selective Laser Melting (SLM) hergestellt werden, werden in der Regel mit zusätzlichem Aufmaß konzipiert, um die...

12.07.2018 | nachricht Nachricht

Regenerierbare Langzeitaktivierung auf transparenten Kunststoffen

Kunststoffe sind oft das Material der Wahl. Bei der Verklebung, Lackierung oder anderen Beschichtungsanforderungen auf Kunststoffoberflächen stößt man aber aufgrund der niedrigen Oberflächenenergie der Materialien schnell an technologische Grenzen. Hier wurde durch Wissenschaftler von INNOVENT eine Nanometer dünne Beschichtung entwickelt, die unabhängig von der Art des verwendeten Kunststoffmaterials eine hydrophile, langzeitbeständige Oberfläche schafft. Damit wird die weitere Kunststoffverarbeitung optimiert bzw. vereinfacht. Angestrebt werden insbesondere Verbesserungen in der Oberflächenhaftung bei Verklebe- und Lackierprozessen, sowie beim Beschlagschutz von transparenten Kunststoffen.

Die schlechte Haftung auf Kunststoffoberflächen kann durch eine Hydrophilierung – d.h. die Erhöhung der Oberflächenenergie – verbessert werden. Etablierte...

12.07.2018 | nachricht Nachricht

3D-Printing: Support structures to prevent vibrations in post-processing of thin-walled parts

One of the main features of additive manufacturing processes such as 3D-printing is that the complexity of the component shapes is virtually unlimited. High surface quality in metallic components can frequently be achieved only via milling or grinding operations. But milling of thin-walled parts in particular often cause vibrations which impact negatively on part accuracy and on machining time. The Fraunhofer Institute for Production Technology IPT and the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen will be presenting special-purpose support structures which can eliminate these vibrations in post-processing operations at Farnborough International Airshow from 16 – 22 July 2018.

As a rule, metallic components manufactured additively in a Selective Laser Melting (SLM) process, are designed to have larger-than-usual oversize to allow for...

12.07.2018 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

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