Materialkunde: Eigenschaften, Metalle und Kunststoffe

Grundlagen der Materie

Materie besteht aus elementaren Teilchen (Protonen, Neutronen, Elektronen). Materialien lassen sich in verschiedene Kategorien unterteilen:

• Natürliche Materialien: Direkt aus der Natur gewonnen (z. B. Holz, Granit, Leder, Baumwolle, Wolle).
• Künstliche Materialien: Durch Transformation von Rohstoffen aus der Natur hergestellt.
• Recycling-Materialien: Werden aus Objekten des gleichen Materials gewonnen.

Materialeigenschaften

A) Mechanische Eigenschaften

• Dichte: d = m / V.
• Härte: Widerstand eines Materials gegen das Eindringen eines anderen Körpers.
• Sprödigkeit: Ein Material ist spröde, wenn es leicht bricht.
• Zähigkeit: Ein Material ist zäh, wenn es schwer bricht.
• Verformbarkeit: Fähigkeit, zu Blechen ausgewalzt zu werden.
• Duktilität: Möglichkeit, das Material in Drähte zu ziehen.
• Elastizität: Rückkehr in den ursprünglichen Zustand nach Krafteinwirkung.
• Plastizität: Dauerhafte Verformung nach Krafteinwirkung.
• Widerstandsfähigkeit: Beständigkeit gegen Druck, Zug, Torsion und Biegung.

B) Thermische Eigenschaften

• Schmelzpunkt: Temperatur, bei der ein Körper vom festen in den flüssigen Zustand übergeht.
• Siedepunkt: Temperatur, bei der ein Körper von flüssig zu gasförmig übergeht.
• Spezifische Wärme: Maß für die Wärmespeicherkapazität.
• Wärmeleitfähigkeit: Fähigkeit eines Körpers, Wärme zu leiten.
• Ausdehnungskoeffizient: Maß für die Volumenänderung bei Hitze.

C) Elektromagnetische Eigenschaften

Die elektrische Leitfähigkeit misst die Leichtigkeit, mit der Strom zirkulieren kann, ergänzt durch magnetisches Verhalten.

D) Chemische Eigenschaften

Korrosionsbeständigkeit.

E) Akustik

Schallleitfähigkeit: Tendenz eines Materials, Töne zu übertragen.

F) Optische Eigenschaften

Farbe, Helligkeit, Transparenz, Fluoreszenz und Brechungsindex. Flüssigkristalle ermöglichen durch elektrische Polarisation die Darstellung von Buchstaben auf Bildschirmen.

Metalle und Erze

Ein Mineral ist eine feste Verbindung in der Erdkruste. Erze sind Mineralien, deren Metallgehalt eine rentable Gewinnung ermöglicht. Gold und Platin kommen rein vor, andere Metalle meist als Oxide oder Sulfide. Die Gewinnung erfolgt durch Reduktion (durch Wärme oder Elektrolyse).

Coltan

Ein Gemisch aus Columbit und Tantal. Niob wird für Magnete und Elektronik genutzt, Tantal für Kondensatoren und medizinische Implantate.

Legierungen

• Bronze: Kupfer, Zinn und Zink (Münzen, Werkzeuge).
• Messing: Kupfer und Zink (Schrauben, Drähte).
• Stahl: Eisen und Kohlenstoff.
• Alnico: Aluminium, Nickel, Kobalt (Magnete).
• Alpaca: Kupfer, Nickel, Zink (Geschirr, Instrumente).
• Konstantan: Kupfer und Nickel (Münzen).
• Magal: Magnesium, Aluminium, Zink, Mangan (Karosserien, Chirurgie).
• Nicrom: Nickel, Eisen, Chrom (Toaster).
• Pewter: Zink, Blei, Zinn, Antimon (Schmuck).

Kohlenstoffverbindungen

Graphit besteht aus hexagonalen Kohlenstoffnetzen, während Diamant eine tetraedrische Struktur aufweist.

Kunststoffe und Papier

Ein Polymer besteht aus vielen Monomeren. Die Polymerisation ist die chemische Reaktion zur Bildung von Kunststoffen. Die Parkesine war das erste künstliche Polymer als Elfenbeinersatz.

Herstellung von Papier

1. Zerkleinertes Holz wird mit Natronlauge, Natriumsulfat und Kalziumkarbonat gekocht.
2. Der Zellstoff wird mit Chemikalien (z. B. Chlor) gebleicht.
3. Zusatz von Leim und Kaolin zur Festigung und zum Schutz vor Schimmel.
4. Mechanische Verarbeitung zu Papierrollen.