Grundlagen der Materialwissenschaft: Werkstoffe im Überblick

Einführung in die Materialwissenschaft

Die Materialwissenschaft ist eine umfangreiche Disziplin, die sich mit der Struktur, den Eigenschaften und der Verwendung von Materialien in der Technik befasst.

Sie definiert sich über die Eigenschaften von Engineered Materials (technischen Werkstoffen), die für Maschinen, Bauteile, Strukturelemente oder andere technische Zwecke eingesetzt werden. Diese strukturellen Materialien können kristallin oder amorph sein und lassen sich in folgende Gruppen unterteilen:

• Metalle
• Polymere
• Keramiken
• Verbundwerkstoffe (bestehend aus zwei oder mehr Materialien der oben genannten Familien)

Metallische Werkstoffe

Metallische Werkstoffe zeichnen sich durch ihre spezifischen chemischen Bindungen aus. Die Beweglichkeit der Atome und die hohe Mobilität der äußeren Elektronen ermöglichen eine gute Wärme- und Stromleitfähigkeit. Metallische Werkstoffe sind in der Regel duktil, zäh und verformbar, anstatt unter Belastung zu brechen. Sie können starke Stöße absorbieren, ohne zu reißen, sind jedoch in den meisten Fällen anfällig für Korrosion.

Polymere Werkstoffe

Polymere Werkstoffe haben in der Regel einen organischen Ursprung, wie beispielsweise Kunststoffe oder Holz. Sie zeichnen sich durch ihre geringe Dichte und die einfache Verarbeitbarkeit aus. Im Allgemeinen sind sie schlechte Wärme- und Stromleiter, weisen eine geringe Härte auf und besitzen eine begrenzte Hitzebeständigkeit.

Keramische Werkstoffe

Keramische Werkstoffe (wie Glas, Zement, Keramik oder feuerfeste Materialien) sind im Allgemeinen sehr hart, aber spröde. Die überwiegende Mehrheit ist elektrisch isolierend (mit Ausnahmen wie Graphit) und schwer zu formen. Aufgrund ihrer hohen Härte werden sie häufig als Verstärkungskomponenten in faserverstärkten Verbundwerkstoffen eingesetzt.

Die atomare Struktur der Materie

Materie besteht aus Atomen und deren subatomaren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Reine Elemente bestehen aus Atomen mit der gleichen Anzahl an Protonen und Elektronen. Was ein Element von einem anderen unterscheidet, ist die Anzahl der Protonen im Atomkern.

Protonen und Neutronen befinden sich im Zentrum des Atoms, dem Atomkern. Die Elektronen bewegen sich in einem vergleichsweise großen Volumen um den Kern, jedoch nur in definierten Bereichen, den sogenannten Elektronenorbitalen.