Fortschrittliche Materialien und ihre Anwendungen

Verbundwerkstoffe

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe aus Metallen wie Kupfer, Aluminium und Titan, die mit Fasern verstärkt sind. Diese Verbundwerkstoffe verwenden Fasern wie Borcarbid und Siliciumcarbid und werden in der Raumfahrt eingesetzt.

Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe aus Kohlenstofffasern oder Graphitfasern, die zur Verbesserung der Zähigkeit und Eigenschaften von Keramik eingesetzt werden.

Polymermatrix-Verbundwerkstoffe bestehen aus Polymeren wie Polyester, die mit Kohlefasern verstärkt sind. Dadurch wird die Flexibilität der Matrix sowie die Festigkeit der Faser erreicht.

Neue Materialien

Neuere Fortschritte in der Materialforschung haben dazu beigetragen, das Wissen über Materialien und deren Herstellung zu erweitern. Es besteht ein zunehmender Bedarf an billigen und reichlich vorhandenen Rohstoffen sowie an geringerem Energieverbrauch.

Neue Werkstoffe umfassen: Keramik, Kunststoffe, leitfähige Polymere, photonische Materialien und mehr.

Neue Keramische Materialien

Neue Keramische Materialien werden durch das Brennen von Ton gewonnen und zeichnen sich durch hohe Schmelzpunkte, thermische und chemische Beständigkeit sowie hohe Steifigkeit aus. Allerdings haben sie einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Leitfähige Kunststoffe

Im Jahr 1981 wurden die ersten Batterieelektroden mit leitfähigen Kunststoffen entwickelt, und 1989 folgte die erste vollständige Batterie mit einem leitfähigen Kunststoff, der Kupfer ähnelte. Um die Leitfähigkeit zu erreichen, war das Doping von Polyacetylen notwendig, damit sich Elektronen frei im Polymer bewegen konnten und nicht an Atome gebunden waren. Leitfähige Kunststoffe können als leichte, flexible Materialien verwendet werden, z. B. in Panasonic TV-Bildschirmen, Plakaten, flexiblen Displays für Geräte und andere Anwendungen.

Photonische Materialien

Photonische Materialien können Geräte sein, die Signale in Form von Licht mit hoher Geschwindigkeit senden, aufgrund ihrer Transparenz. Ihre Anwendung wird beim Bau von Transistoren und anderen Komponenten untersucht, um photonische Computer zu bauen, die 1000-mal schneller als heutige Computer sein könnten.

Metallische Leitermaterialien

Metallische Leitermaterialien werden aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit als elektrische Leiter verwendet. Allerdings zeigen sie einen gewissen Widerstand gegen den Fluss elektrischen Stroms, wenn die Temperatur steigt. Dieses Phänomen ist als Joule-Effekt bekannt.

Supraleitende Materialien

Supraleitende Materialien werden in Anwendungen wie diesen verwendet:

• Erzeugung starker elektromagnetischer Felder in Kernspintomographie-Geräten für Krankenhäuser und Forschung.
• Leitung hoher spezifischer Dichte elektrischen Stroms ohne Verlust (kein Widerstand).
• Hochgeschwindigkeits-Steckverbinder in elektronischen Schaltungen.
• MAGLEV-Züge (Magnetschwebebahnen).

Biomaterialien

Biomaterialien sind Materialien mit der Fähigkeit, Gewebe oder die Funktion von Organen zu ersetzen. Sie sind so konzipiert, dass sie in einem lebenden Organismus ohne Abstoßung implantiert werden können. Beispiele für Biomaterialien sind Zahnprothesen, Herzklappen, Knochenprothesen usw. Weitere Anwendungen sind die Herstellung von Blutbeuteln, Rhinoplastik (Nasenkorrektur), Zahnersatz usw.