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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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Neue, erweiterte Simulationstechniken zur Optimierung von Werkstoffeigenschaften

Das Verhalten von Blechteilen wird heute in der Automobilindustrie von der Produktion bis zum Crash vorausberechnet. Was bislang meist außen vor blieb, ist die Verfestigung umgeformter Teile. Jetzt stellt der Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM, Professor Peter Gumbsch, in der aktuellen Ausgabe des Magazins "Science" (Science 301, S. 1857 (2003)) neue Ansätze vor, die es erlauben sollen, auch diese punktuell sehr unterschiedliche Verfestigung des Werkstoffs in Simula 26.09.2003 | nachricht Nachricht

New material lubricates itself

A highly durable and moreover self-lubricating material has seen the light of day at a thin film laboratory at Linköping University. It is an alloy of boron suboxide and yttrium, BOY, and was grown by the physicist Denis Music. The discovery is put forward in his doctoral dissertation. The element boron and its compounds have many interesting properties, but they have been difficult to exploit industrially because production involves extreme process conditions. To produce a crystal 26.09.2003 | nachricht Nachricht

Fraunhofer-Institut in Darmstadt forscht nach «leisen Materialien»

Das Frauenhofer-Institut für Betriebsfestigkeit (LBF) in Darmstadt hat einen EU-Forschungsauftrag in Höhe von 34 Millionen Euro zur Entwicklung von «leisen Materialien» erhalten. Mit so genannten intelligenten Systemen soll die Schallabstrahlung technischer Produkte verringert werden, erläuterte Institutsleiter Holger Hanselka am Donnerstag in Darmstadt. So könnten etwa so genannte Piezo-Keramiken und bestimmte Gele Lärm auslösende Schwingungen von Stahl und Eisen dämpfen. Die Anwendungsgebiete reich 26.09.2003 | nachricht Nachricht

Herstellung hochgradig verschleiß- und korrosionsbeständiger Verbundwerkstoffe

Mit einem spezialisierten mechanischen Legierungsprozess ist es einem deutschen Hersteller gelungen, Metall-Keramik- und Keramik-Keramik-Werkstoffe zu hochgradig verschleiß- und korrosionsbeständigen Verbundwerkstoffen zu verarbeiten. Diese wiederum sollen beim thermischen Spritzen als Kontaktmaterialien verwendet werden und für Metallpulver-Sinterteile zur Anwendung kommen. Zwei der am häufigsten auftretenden Materialprobleme sind Verschleiß und Korrosion. Im ersten Fall findet durch mech 24.09.2003 | nachricht Nachricht

Die tragende Rolle der Kohlenstofffaser im Hochtemperaturprozess

Die jüngsten Erfolge in der Entwicklung von Werkstück-Leichtgestellen für ihre Kunden veranlasst die Stuttgarter Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe ein strategisches Eigenforschungsprojekt (SEF) nach dem Motto "Manche mögen’s heiß" voranzutreiben. Dabei fließen die Erfahrungen aus Kunden-Projekten im Temperaturbereich von 500 bis 1000°C jetzt auch bei CFC-Gestellen ein, die bis 1300°C im Einsatz sind. Dem neuen Supersportwagen Mercedes-Benz SLR McLaren eilt der Ruf des In 23.09.2003 | nachricht Nachricht

Vollständige Oberflächenstruktur des Graphits abgebildet

Forscher aus Augsburg und Stanford berichten in PNAS über neue Technik, mit der sie das bislang "verborgene" Atom sichtbar machen Wissenschaftler der Universität Augsburg und der Stanford Universität in Kalifornien haben das bislang "verborgene" Atom in der Oberfläche von Graphit abgebildet. Stefan Hembacher und Kollegen berichten in Artikel 03-4173 der "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America" (PNAS), dass sie mit ihrer neuen Technik erstmals a 23.09.2003 | nachricht Nachricht

Ceramics reinforced with nanotubes

A ceramic material reinforced with carbon nanotubes has been made by materials scientists at UC Davis. The new material is far tougher than conventional ceramics, conducts electricity and can both conduct heat and act as a thermal barrier, depending on the orientation of the nanotubes. Ceramic materials are very hard and resistant to heat and chemical attack, making them useful for applications such as coating turbine blades, said Amiya Mukherjee, professor of chemical engineering and mater 17.09.2003 | nachricht Nachricht

Synthesis of cage-like silica structure easier and cheaper

A tailored, cage-like silica structure, developed by Penn State researchers, is easier and less expensive to make than previous materials and is tunable in size. "Previous attempts at synthesizing materials like PSU-1 involved specially designed templates making the process expensive," says Dr. Sridhar Komarneni, professor of clay mineralogy. "The processes also require stringent conditions for the synthesis to work." Komarneni, working with Dr. Bharat L. Newalkar, postdoctoral fellow in Pe 16.09.2003 | nachricht Nachricht

Ductile intermetallic compounds discovered

Ames Laboratory researchers identify non-brittle intermetallics To material scientists the phrase "ductile intermetallic compounds" has long been considered an oxymoron. Although these compounds possess chemical, physical, electrical, magnetic, and mechanical properties that are often superior to ordinary metals, their potential has gone untapped because they are typically quite brittle at room temperature. Until now. Researchers at the U.S. Department of Energy’s Ames 16.09.2003 | nachricht Nachricht

’Buckyball’ Material Brings Light into Line

Using molecules resembling 60-sided soccer balls, a joint team of researchers from the University of Toronto and Carleton University has created a new material for processing information using light. Led by U of T electrical and computer engineering professor Ted Sargent and Carleton University chemistry professor Wayne Wang, the team developed a material that combines microscopic spherical particles known as “buckyballs” with polyurethane, the polymer used as a coating on cars and furnitur 15.09.2003 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

Eine entscheidende Ergänzung zum Stanzen von Kontakten erarbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Die Aachener haben im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts ScanCut zusammen mit Industriepartnern aus Nordrhein-Westfalen ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt, wodurch auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient gefertigt werden können.

Sie sind unscheinbar und winzig, trotzdem steht und fällt der Einsatz eines modernen Fahrzeugs mit ihnen: Die Rede ist von mehreren Tausend Steckverbindern im...

Im Focus: ScanCut project completed: laser cutting enables more intricate plug connector designs

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT have come up with a striking new addition to contact stamping technologies in the ERDF research project ScanCut. In collaboration with industry partners from North Rhine-Westphalia, the Aachen-based team of researchers developed a hybrid manufacturing process for the laser cutting of thin-walled metal strips. This new process makes it possible to fabricate even the tiniest details of contact parts in an eco-friendly, high-precision and efficient manner.

Plug connectors are tiny and, at first glance, unremarkable – yet modern vehicles would be unable to function without them. Several thousand plug connectors...

Im Focus: Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion

Sportunfälle und der demografische Wandel sorgen für eine gesteigerte Nachfrage an neuen Möglichkeiten zur Regeneration von Bändern und Sehnen. Eine Kooperation aus italienischen und deutschen Wissenschaftler*innen forschen gemeinsam an neuen Materialien, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.

Dem Team ist es gelungen elektrogesponnene Vliese mit hochgerichteten Fasern zu generieren, die eine geeignete Basis für Ersatzmaterialien für Sehnen und...

Im Focus: New Strategy Against Osteoporosis

An international research team has found a new approach that may be able to reduce bone loss in osteoporosis and maintain bone health.

Osteoporosis is the most common age-related bone disease which affects hundreds of millions of individuals worldwide. It is estimated that one in three women...

Im Focus: Neue Strategie gegen Osteoporose

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Ansatzpunkt gefunden, über den man möglicherweise den Knochenabbau bei Osteoporose verringern und die Knochengesundheit erhalten kann.

Die Osteoporose ist die häufigste altersbedingte Knochenkrankheit. Weltweit sind hunderte Millionen Menschen davon betroffen. Es wird geschätzt, dass eine von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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