Grundlagen der Materialwissenschaft: Struktur, Eigenschaften und Klassifikation

Einführung in die Materialwissenschaft

1.1 Einführung

Die Materialwissenschaft ist die Disziplin, die untersucht, wie Materialien entstehen und welche Eigenschaften sie besitzen. Das Ziel dieser Disziplin ist es, Kriterien bereitzustellen, um die am besten geeigneten Materialien für jede technische Anwendung zu finden und auszuwählen.

Materialien sind Substanzen, aus denen ein Gegenstand oder Produkt besteht. Seit Beginn der Zivilisation wurden Materialien zusammen mit Energie vom Menschen genutzt, um seinen Lebensstandard zu verbessern. Die Produktion neuer Materialien und deren Verarbeitung bilden eine wichtige Grundlage unserer Wirtschaft. Die Suche nach neuen Materialien schreitet kontinuierlich voran: Maschinenbauingenieure suchen Materialien, die gegen hohe Temperaturen beständig sind, damit Triebwerke effizienter arbeiten können. Elektrotechnik-Ingenieure versuchen, neue Materialien zu finden, um sicherzustellen, dass elektronische Geräte bei höheren Geschwindigkeiten und Temperaturen betrieben werden können.

1.2 Untersuchung der Materialstruktur und Eigenschaften

Das Studium der Werkstoffe befasst sich mit folgenden Aspekten:

Untersuchung der Materialstruktur

Zunächst wird die Struktur von Materialien untersucht, um zu verstehen, wie sie gebildet werden. Die Zusammensetzung und die Struktur eines Materials haben großen Einfluss auf seine Eigenschaften und sein Verhalten. Ingenieure und Wissenschaftler, die Materialien studieren und entwickeln, müssen deren atomare Struktur verstehen. Wir werden sehen, dass Materialeigenschaften kontrolliert und auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung zugeschnitten werden können, indem die Struktur und Zusammensetzung gesteuert werden.

Die Struktur der Materialien kann auf fünf Ebenen untersucht und beschrieben werden:

• Makrostruktur
• Mikrostruktur
• Nanostruktur
• Atomare Struktur
• Kurz- und Langstrecken-Atomanordnungen

Makrostruktur

Die Makrostruktur ist die Struktur des Materials auf der makroskopischen Ebene, wobei die Längenskala größer als etwa 1000 nm (Nanometer) ist. Zu den Eigenschaften, die die Makrostruktur bilden, gehören Porosität, Oberflächenbeschichtungen und externe oder interne Mikrorisse.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur des Materials liegt auf einer Längenskala von etwa 10 bis 1000 nm. Die Längenskala ist eine Länge oder eine Reihe von dimensionalen Funktionen, die in den beschriebenen Eigenschaften oder Phänomenen der Materialien vorkommen. Im Normalfall umfasst die Mikrostruktur Eigenschaften wie die durchschnittliche Korngröße, die Verteilung dieser Größe, die Ausrichtung der Körner und andere Eigenschaften im Zusammenhang mit Materialfehlern. (Ein Korn ist ein Teil des Materials, in dem die Anordnung der Atome nahezu identisch ist.)

Atomare Struktur

Es ist auch wichtig, die atomare Struktur zu verstehen und wie die Verbindungen verschiedene atomare oder ionische Anordnungen in Materialien erzeugen. Die atomare Struktur umfasst alle Atome und deren Anordnungen, welche die Bausteine der Materie sind. Aus diesen Bausteinen entstehen alle Nano-, Mikro- und Makroebenen der Struktur.

Die Erkenntnisse, die durch das Verständnis der atomaren Struktur und der Bindungen zwischen Atomen und Molekülen gewonnen werden, sind wichtig für eine gute Auswahl von Materialien im Ingenieurwesen und für die Entwicklung neuer, fortschrittlicher Materialien.

Kristallstruktur und Atomanordnungen

Die einzelnen Atome im Material gruppieren sich, um sich zu verfestigen. Je nach Form oder Muster, wie die Atome gruppiert sind, können feste Gruppen eingeteilt werden:

• Kristalline Materialien: Die Atome sind nach definierten Mustern gruppiert. Die Gruppen von Atomen, die regelmäßig und definiert angeordnet sind, werden als Kristalle bezeichnet. Ein Material, dessen Atome Kristalle bilden, nennt man ein kristallines Material.
• Amorphe Werkstoffe: Die Atome sind ohne jegliches Anordnungsmuster gruppiert. Die Atome sind zufällig angeordnet.
• Halbkristalline Materialien: Das Material weist sowohl kristalline als auch amorphe Zonen auf.

Eine genaue Untersuchung der Atomanordnung kann zwischen amorphen Materialien (denen eine Langstreckenordnung von Atomen oder Ionen fehlt) und kristallinen Materialien (die eine regelmäßige geometrische Anordnung von Atomen oder Ionen aufweisen) unterscheiden.

Das amorphe Material besitzt nur Atomanordnungen mit geringer Reichweite, während kristalline Materialien Anordnungen mit kurzer und langer Reichweite aufweisen. Bei Atomanordnungen mit kurzer Reichweite sind die Atome oder Ionen nur innerhalb relativ kurzer Distanzen geordnet.

(Abbildung 0.1. Struktur von kristallinem Siliziumdioxid SiO₂ (a) und amorphem (b) – Konzept zur Veranschaulichung der Ordnung.)

Untersuchung der Materialeigenschaften

Die Materialeigenschaften hängen hauptsächlich von ihrer atomaren Struktur, kristallinen Struktur und Mikrostruktur ab. Die Materialeigenschaften sind quantifizierbare Konzepte, um das Verhalten oder die Reaktion des Materials auf äußere Reize zu beschreiben.

Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften

Eine Eigenschaft hängt in der Regel von der Materialstruktur ab. Zum Beispiel hängt der E-Modul eines Materials davon ab, wie sich die chemischen Bindungen verhalten, die die Atome binden (atomare Struktur). Bestimmte magnetische Eigenschaften von Materialien hängen von der Kristallstruktur ab. Zum Beispiel kann Eisen mit einer bestimmten Zellstruktur von einem Magneten angezogen werden (Eigenschaft bekannt als Magnetismus). Dasselbe Eisen (mit denselben Atomen), aber mit einer unterschiedlichen kristallinen Struktur (einige Materialien können je nach Bedingungen auf verschiedene Arten von Netzwerken kristallisieren, was als Polymorphismus bezeichnet wird), kann möglicherweise nicht von einem Magneten angezogen werden (kein eigener Magnetismus). Die mechanischen Eigenschaften hängen direkt von der vorhandenen Mikrostruktur des Materials ab. Die Materialwissenschaft untersucht die Beziehung zwischen Struktur (auf allen Ebenen) und Eigenschaften.

Untersuchung der Materialbearbeitung (Fertigungsprozesse)

Während des Herstellungsprozesses findet zwangsläufig eine Änderung der Geometrie des Materials statt. Dieser Prozess der Geometrieänderung führt zu damit verbundenen Änderungen der Materialeigenschaften.

2. Klassifikation von Materialien (Werkstoffgruppen)

Die Materialien werden in der Regel in fünf Hauptgruppen eingeteilt. Diese Einteilung ist sehr wichtig, da sie hilft, zu verallgemeinern und das Verständnis der Materialien zu fördern, die entweder nach ihren Eigenschaften oder ihrer Struktur klassifiziert werden.

Metalle

Dies sind Materialien, deren Atome durch metallische Bindungen verbunden sind. Die metallische Bindung ist durch freie Elektronen gekennzeichnet, was die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit dieser Materialien bedingt. Darüber hinaus führt die metallische Bindung in Kombination mit der Mikrostruktur dazu, dass Metalle erheblich verformt werden können, wenn eine Kraft auf sie einwirkt. Diese Eigenschaft wird als Duktilität bezeichnet. Sie besitzen auch eine hohe mechanische Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit, weshalb sie weit verbreitet in strukturellen Anwendungen eingesetzt werden. Legierungen (Kombinationen von Metallen und Nichtmetallen) werden entwickelt, um eine wünschenswerte Eigenschaft zu einem höheren Grad oder eine Kombination von Eigenschaften zu erzielen.

Keramik

Keramiken sind chemische Verbindungen zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen (Oxide, Nitrate, Carbide usw.). Die Atome in der Keramik sind durch ionische Bindungen verbunden. Diese Art der Bindung bewirkt, dass diese Art von Material keine Leitfähigkeit für Wärme oder Strom besitzt, weshalb eine ihrer Hauptanwendungen als Isoliermaterial im Bereich Strom und Wärme liegt. Die chemische Bindung zwischen Atomen bedingt auch, dass Keramiken nicht wesentlich verformt werden können und daher als spröde Materialien gelten. Aufgrund ihrer chemischen Natur sind Keramiken inert und reagieren daher nicht chemisch mit der Umgebung, wodurch sie korrosions- und abbauresistent sind. Die Materialien sind zäh und hart, aber schwach und spröde.

Polymere (Kunststoffe)

Die meisten Polymere sind organische Verbindungen, die auf den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und anderen Nichtmetallen basieren. Ihre Struktur besteht aus sehr langen Ketten. Die Atome innerhalb der Moleküle sind durch kovalente Bindungen miteinander verbunden, während die Moleküle durch schwache Bindungen verbunden sind. Polymerwerkstoffe besitzen normalerweise eine geringe Dichte, was zu einem geringen Gewicht führt. Sie sind äußerst flexibel und leicht zu verformen.

Verbundwerkstoffe (Composites)

Verbundwerkstoffe sind physikalische Mischungen aus zwei oder mehr verschiedenen Materialarten (Metall mit Keramik, Metalle mit Polymeren, Keramiken mit Polymeren usw.). Ziel ist es, Materialien mit speziellen Eigenschaften zu erhalten, die über die Eigenschaften der einzelnen Komponenten hinausgehen. Zum Beispiel ist es durch Mischen eines Polymers mit Metallfasern möglich, einen Verbundwerkstoff mit geringem Gewicht (durch das Polymer) zu erhalten, der gleichzeitig Elektrizität leiten kann (Eigenschaft, die durch die Metallfasern bereitgestellt wird).

Halbleiter

Ihre Bedeutung liegt hauptsächlich darin, dass sie die Grundlage der Elektronik bilden. Sie haben elektrische Eigenschaften, die zwischen denen von Leitern (Metallen) und Isolatoren (Keramiken) liegen. Diese elektrischen Eigenschaften können durch die Verunreinigungen (verschiedene Atome), die im Material vorhanden sind, gesteuert werden. Sie sind in der Regel sehr spröde.