Materialeigenschaften: Struktur, Familien und Typen

Materialeigenschaften: Ein Überblick

Struktur der Materialien

Die Struktur eines Materials hängt hauptsächlich von der Anordnung der Atome, Ionen oder Moleküle ab, die ein festes Element bilden, sowie von den Bindungskräften zwischen ihnen. Durch die Anordnung in einem dreidimensionalen Objekt, das eine kristalline Struktur besitzt, entsteht ein sogenanntes festes oder kristallines Material, wie z. B. einige Metalle und Keramiken.

Materialfamilien

Materialien werden nach Familien gruppiert, basierend auf ihren Eigenschaften und der Funktion ihrer Komponenten. Diese Familien umfassen Metalle, Keramiken, Polymere und elektronische Materialien. Die Einteilung erfolgt aufgrund der Ähnlichkeit ihrer spezifischen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. mechanische Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeit, magnetische, thermische, nukleare, korrosionsbeständige und optische Eigenschaften.

Arten von Materialien und ihre Eigenschaften

a) Metalle: Anorganische Verbindungen, hauptsächlich Metalloxide, die keine reinen Metalle oder Metallsalze sind. Ihre Eigenschaften ergeben sich aus der kristallinen Struktur jedes Metalls in der interatomaren Bindung. Sie weisen eine akzeptable bis mittlere Temperaturbeständigkeit auf, sind gute Leiter von Elektrizität und Wärme, zäh und verformbar, in der Regel bei hohen Temperaturen, und besitzen eine hohe Dichte. Beispiele hierfür sind Stahl, Aluminium, Kupfer, Eisen und Titan.

b) Keramiken: Anorganische Verbindungen, bestehend aus Oxiden und Metallsalzen, mit Ausnahme von reinen Metallen und Edelmetallen. Sie haben eine ionische Bindung, die eine spezifische kristalline Struktur erzeugt. Keramiken sind schlechte Wärmeleiter, spröde und nicht verformbar, weisen eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen auf und haben mittlere Dichten. Beispiele hierfür sind Ziegel, Fliesen, Porzellan und Glas.

c) Polymere: Organische Verbindungen, die aus sehr langen linearen Ketten oder Netzen bestehen und auf Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder anderen Nichtmetallen basieren. Sie haben eine kovalente Bindung, sind beständig gegen niedrige Temperaturen, schlechte Leiter von Strom und Wärme und haben eine geringe Dichte (z. B. Polyethylen, Nylon, Polyester). Einige Kunststoffe sind spröde, andere zäh.

d) Elektronische Materialien: Anorganische Verbindungen, die auf Silizium und Germanium basieren. Sie haben eine kovalente Bindung und bestehen aus einer metallischen Kristallstruktur. Sie sind Halbleiter und werden als Dioden, Chips und Thyristoren verwendet.

e) Verbundwerkstoffe: Diese Materialien bestehen aus einer oder mehreren Materialarten und dienen dazu, die Eigenschaften eines Materials zu verbessern, indem die Stärken der einzelnen Komponenten kombiniert werden. Dabei kann sich ihre Struktur ändern, wie z. B. bei Stahlbeton. Stahlbeton besteht aus einer Matrix aus Beton, die durch ein Metallgeflecht verstärkt wird, welches als Zugbewehrung dient und auch als Kettenstich bezeichnet wird.

Familien und ihre Eigenschaften

Jedes Material wird verwendet, um Variablen zu speichern oder zu übertragen, die verschiedene Energieformen definieren, wie z. B. mechanische, elektrische, magnetische, chemische, thermische, Wellenenergie usw. Beispiel: Mechanische Energie wird durch die Variablen Kraft und Verschiebung definiert. Die physikalischen oder chemischen Eigenschaften, aus denen sich der Analyseindex zusammensetzt, werden als Komponenten jeder Energieart klassifiziert.

Spezifische Materialeigenschaften

a) Mechanische Eigenschaften: Materialien müssen geeignet sein, um mechanische Energie zu übertragen und Bewegungen zu unterstützen. Dies erfordert wiederum die Fähigkeit, statischen und dynamischen Belastungen standzuhalten, die in mechanischen Anwendungen auftreten. Dazu gehören Techniken zur plastischen Verformung, wie z. B. bei Hangrutschungen, und der Einsatz in einem Bereich niedriger, mittlerer und hoher Temperaturen.

b) Thermische Eigenschaften: Die thermischen Eigenschaften umfassen die Speicherung und anschließende Übertragung von Wärmeenergie. Diese wird durch das Zusammenspiel von Wärmekapazität, Masse und Temperatur bestimmt. Die Wärmeübertragung wird durch den Transmissionskoeffizienten (k) des Materials und die Temperatur charakterisiert.

c) Elektrische Eigenschaften: Elektrische Ströme interagieren mit dem Feld und der elektrischen Potentialdifferenz. Materialien sollten den Durchgang von elektrischen Feldstärken in definierten Zeiten ermöglichen. Die Anwendungen variieren stark, abhängig von der Bewegungsfreiheit, die durch die umgekehrte Beziehung zwischen Strom und Spannung erklärt wird.