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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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Schichten für ein langes Werkzeugleben

Werkzeuge zum Biegen, Drücken oder Tiefziehen von Aluminium und Edelstahl hatten bisher keine hohe Lebenserwartung: An ihrer Oberfläche klebten schon bald Kaltaufschweißungen, Metallreste, die Beschädigungen des Werkstücks oder Werkzeugs verursachen In der Praxis mussten Werkzeuge daher häufig gereinigt oder frühzeitig ausgetauscht werden. Auf der EuroBLECH 2002 (22-24. Oktober) stellen Forscher vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig neuartige 14.10.2002 | nachricht Nachricht

Neues Lötverfahren für Aluminium: lasern verbindet

Aluminium ist leicht und rostet nicht - ein ideales Material für die Automobilindustrie, den Behälter- und Containerbau Das Verlöten von Aluminiumbauteilen war bisher allerdings ein Problem: Die oberflächliche Oxidschicht, die sich durch den Einfluss von Luftsauerstoff bildet, verhindert chemische Bindungen. Auf der EuroBLECH 2002 zeigen die Wissenschaftler vom Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT erstmals, wie sich mit einem zweistrahligen Laserverfahren auch 14.10.2002 | nachricht Nachricht

Nanoröhren gegen Materialbruch

"Sandwich-"Methode erhöht Festigkeit Kleine, aber äußerst robuste Kohlenstoff-Nanoröhren zwischen zwei Kunststoffschichten sind laut Angaben ihrer Entwickler die neue "revolutionäre" Errungenschaft in der Nanotechnologie. Das Material sei sechs Mal stärker als herkömmliche Bestandteile aus Kohlenstoff-Fasern und damit so robust wie einige ultrafeste Keramikmaterialien. Der Werkstoff könnte in der Weltraumtechnik und bei medizinischen Implantaten eingesetzt werden, berichtet das inter 14.10.2002 | nachricht Nachricht

Bloodworm’s way with copper likely provides paradigm for new materials

Researchers report in the Oct. 11 "Science" the first detection of a living organism that makes a copper-containing mineral structure as part of its skeleton. The finding is remarkable because the amount of copper detected in the jaw tip of the marine bloodworm would normally be toxic to an organism. The researchers determined that copper also occurs in non-mineral form in the bloodworm jaw where it may act as a structural element in cross-linking long chains of fibrous proteins. According 11.10.2002 | nachricht Nachricht

Better metal forming: magnetic pulses “bump” metal into shape

A process developed at Ohio State University for shaping metal parts using magnetism has reached a new milestone -- one that may cut manufacturing costs and help preserve the environment. The process could also expand manufacturers’ choice of available metals, and enable the use of aluminum parts in lighter, fuel-efficient automobiles. Glenn S. Daehn, professor of materials science and engineering, and his colleagues pioneered hybrid electromagnetic metal forming in 1999, while col 10.10.2002 | nachricht Nachricht

Forschung und Industrie setzen auf den Rohstoff Stärke

Stärkeverbund II: 9 Vorhaben zu neuen Anwendungsmöglichkeiten gestartet Mit dem Stärkeverbund II will die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) nun auf die positiven Ergebnisse des von 1998 bis 2001 laufenden Vorgängervorhabens aufbauen. Sowohl grundlagennahe als auch anwendungsorientierte Projekte sollen das Potenzial des Stärke besser nutzbar machen. Der Verbund von sieben Forschungsinstitutionen und dreizehn Industriepartnern belegt, wie effektiv beide Seiten mittlerweile 10.10.2002 | nachricht Nachricht

Neuer Werkstoff erobert die Kunststoffindustrie

Mit der Entwicklung eines zukunftsträchtigen Werkstoffes werden neue Maßstäbe bei der Herstellung von Kunststoff gesetzt. Auch der Grafitbergbau profitiert davon Mit einem neuen für die Kunststoffindustrie revolutionären Werkstoff läßt die österreichische Montanuniversität Leoben aufhorchen. Einem Kunststofftechniker ist es gelungen, durch die Mischung des Kunststoffes Polypropylen mit Grafit und durch Zugabe von Tensiden die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Materialien z 07.10.2002 | nachricht Nachricht

MIT model predicts birthplace of defect in a material

Applications include nanotechnology, more Defects such as cracks in a material are responsible for everything from malfunctioning microchips to earthquakes. Now MIT engineers have developed a model to predict a defect’s birthplace, its initial features and how it begins to advance through the material. The model could be especially useful in nanotechnology. "As devices get smaller and smaller, understanding the phenomena of defect nucleation and growth becomes more and more 02.10.2002 | nachricht Nachricht

Intelligent materials

The technology centre GAIKER of the Basque Country is working on a project whose aim is to develop intelligent polymers and discover their opportunities. Similarly, it will study the possibilities to introduce those polymers in the existing structures in order to promote their applicability and to create new enterprise initiatives. GAIKER researches in polymers the elaboration and transformation of intelligent materials. For that aim, it develops its own technologies and then adjust them to 02.10.2002 | nachricht Nachricht

Nanozylinder ebnen den Weg zur Kunststoffelektronik

Internationalem Forscherteam gelingt erstmals Synthese neuartiger supramolekularer Materialien für die Optoelektronik aus organischen Kristallen und Polymeren Konventionelle organische Moleküle und leitfähige Polymere zu hochsymmetrisch strukturierten Materialien mit neuartigen elektronischen Eigenschaften zu vereinen, ist einem deutsch-amerikanischen Wissenschaftlerteam mit einer neuen Synthese-Strategie gelungen. Nach Anbringen spezifischer funktioneller Gruppen organisieren sich die 30.09.2002 | nachricht Nachricht
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Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Im Focus: Robuste Materialien in Schwingung versetzt

Kieler Physikteam beobachtet in Echtzeit extrem schnelle elektronische Änderungen in besonderer Materialklasse

In der Physik werden sie zurzeit intensiv erforscht, in der Elektronik könnten sie ganz neue Funktionen ermöglichen: Sogenannte topologische Materialien...

Im Focus: Excitation of robust materials

Kiel physics team observed extremely fast electronic changes in real time in a special material class

In physics, they are currently the subject of intensive research; in electronics, they could enable completely new functions. So-called topological materials...

Im Focus: Neues Verständnis der Defektbildung an Silizium-Elektroden

Theoretisch lässt sich das Speichervermögen von handelsüblichen Lithiumionen-Batterien noch vervielfachen – mit einer Elektrode, die auf Silizium anstatt auf Graphit basiert. Doch in der Praxis machen solche Akkus mit Silizium-Anoden nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen schlapp. Ein internationales Team um Forscher des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung hat jetzt in einzigartiger Detailgenauigkeit beobachtet, wie sich die Defekte in der Anode ausbilden. Dabei entdeckten sie bislang unbekannte strukturelle Inhomogenitäten in der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt. Die Erkenntnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

Silizium-basierte Anoden können in Lithium-Ionen-Akkus prinzipiell neunmal so viel Ladung speichern wie der üblicherweise verwendete Graphit, bei gleichem...

Im Focus: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

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Internationale Konferenz QuApps zeigt Status Quo der Quantentechnologie

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