Materialwissenschaft: Von der Steinzeit bis zu modernen Werkstoffen

Materialien im Wandel der Zeit

Material ist alles, was Raum einnimmt und Masse besitzt. Die Geschichte der Zivilisation ist eng mit der Geschichte der Materialien verbunden.

Entwicklungsstufen der Werkstoffe

• Steinzeit: Die früheste Periode, in der Menschen Materialien wie Stein, Leder und Holz aus der Natur nutzten.
• Bronzezeit: Eine Zeit, in der sich erste Werkzeuge und Techniken entwickelten.
• Eisenzeit: Ein bedeutender Fortschritt, der zur Herstellung von Werkzeugen und Waffen (Speere, Messer) führte.
• Industrielle Revolution: Das 19. und 20. Jahrhundert brachten Entdeckungen wie Kunststoffe, Derivate von Silizium, Computer und Textilfasern hervor. Auch Materialien für die Luftfahrt wurden entwickelt. Jede Epoche hatte spezifische Materialanforderungen.

Materialgruppen

Metalle

Metalle sind Elemente, die hauptsächlich im linken Bereich des Periodensystems zu finden sind (ca. 80 %).

Eigenschaften:

• Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit
• Duktilität (Verformbarkeit)
• Formbarkeit
• Alle sind Feststoffe bei Raumtemperatur (außer Quecksilber)
• Anfällig für Korrosion

Anwendungsbereiche:

• Moderne Transportmittel (Flugzeuge)
• Strom- und Wasserversorgung
• Bauwesen
• Haushalt
• Medien- und Industriesysteme

Polymere (Kunststoffe)

Polymere sind Makromoleküle, die aus sich wiederholenden Struktureinheiten bestehen, z.B. Polyethylen.

Typen von Polymeren:

• Thermostabile: Nach der Formgebung behalten sie ihre Form und Stabilität bei.
• Thermoplastische: Können durch Erhitzen wiederholt verformt werden.
• Elastomere: Besitzen eine hohe Elastizität.

Klassifizierung von Polymeren:

• Natürliche Polymere: Stärke, Naturkautschuk.
• Synthetische Polymere: z.B. Plastiktüten.

Eigenschaften von Kunststoffen:

• Wärme- und elektrische Isolierung
• Geringe Dichte
• Korrosionsbeständigkeit
• Beständigkeit gegen Verrottung
• Verlust von Eigenschaften unter Sonneneinstrahlung
• Formbarkeit
• Recycelbar oder biologisch abbaubar (teilweise)

Verbundwerkstoffe (Composites)

Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Kombination von zwei oder mehr Materialien: einem Bindemittel (Matrix) und einer Verstärkung (Füllstoff). Ein Beispiel ist Glasfaser als Verstärkung in einer Kunststoffmatrix.

Keramik

Keramik ist ein Material, das aus typischerweise drei Elementen besteht:

• Ton (und andere Mineralien)
• Glas
• Aluminiumoxid

Eigenschaften von Keramik:

• Hitzebeständig
• Elektrische Isolierung
• Geringes Gewicht
• Hohe Härte, aber spröde
• Korrosionsbeständig (gegen atmosphärische Einflüsse)
• Teilweise transparent (Glas)