Werkstoffkunde: Metalle, Polymere, Keramiken & Verbundstoffe

Metalle und Legierungen: Eigenschaften und Anwendungen

Metalle (M)

Chemische Elemente mit geringer Elektronegativität und wenigen Elektronen in den äußeren Schichten. Sie sind dehnbar und besitzen eine gute Leitfähigkeit für Wärme und Strom.

Legierungen (A)

Legierungen sind nicht mit reinen Metallen zu verwechseln. Sie verbessern die mechanischen Eigenschaften (z.B. Zugfestigkeit), haben aber oft einen niedrigeren Schmelzpunkt. Sie sind gute elektrische Leiter, widerstehen hohen Temperaturen, sind gießbar und duktil.

Spezifische Legierungen

• MiAF (Eisen-Legierungen): Eisen-Legierungen (z.B. Gusseisen, Stahl). Sie sind hart, gießbar und ferromagnetisch (Fe).
• MiAnF (Nichteisen-Legierungen): Kupfer, Nickel (Ni), Kobalt (Co). Sie sind korrosionsbeständig und widerstandsfähig gegen Licht (z.B. Aluminium-Titan-Legierungen).
• Supral: Korrosionsbeständige und widerstandsfähige Speziallegierungen.

Polymere und Kunststoffe (MP)

Aufbau und Definition

Polymere bestehen aus organischen, hochmolekularen Ketten, die Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten. Monomere sind molekulare Verbindungen, die sich zu langen Ketten verbinden.

Polymerisationstypen

• Homopolymere: Gebildet aus gleichen Monomeren (z.B. viele Kunststoffe, Öl, Holz und Baumwolle).
• Copolymere: Gebildet aus unterschiedlichen Monomeren.
• Polykondensation: Chemische Reaktion, bei der sich zwei funktionelle Gruppen verbinden.
• Polyaddition: Reaktion, bei der sich Moleküle des gleichen Typs aneinanderlagern.

Klassifizierung von Kunststoffen

• Thermoplaste: Lange Ketten von Kohlenstoffatomen.
• Duroplaste: Starre und zerbrechliche Struktur.
• Elastomere (Gummi): Gekreuzte (vernetzte) atomare Ketten.

Keramische Werkstoffe (CSM)

Eigenschaften

Keramiken sind durch ionische Bindungen zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen gebunden. Sie sind hart und spröde, weisen eine geringe Duktilität auf, sind gute elektrische und thermische Isolatoren und halten hohen Schmelztemperaturen stand.

Klassifizierung und Anwendungen

• Glas: Hochtemperaturglas (Vitrone).
• Tone und Lehm: Modifizierte Tone, feuerfeste Materialien (Refraktärmaterialien).
• Abrasive Materialien: Zum Schneiden (z.B. Zemente, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Carbide, Borcarbid).

Verbundwerkstoffe (MCO)

Definition

Verbundwerkstoffe bestehen aus zwei gemischten Materialien, die auf mikroskopischer Ebene getrennt bleiben, aber zusammen neue, verbesserte Eigenschaften aufweisen.

Typen der Verstärkung

• Partikelverstärkung: Härteste Partikel werden in eine Matrix eingebettet, um die Eigenschaften zu verbessern.
• Faserverstärkung: Geringere Dichte, höhere Festigkeit und Widerstand.

Struktur und Beispiele

Strukturelle Verbundwerkstoffe (R-Struktur): Laminate und Sandwichplatten, bei denen äußere Schichten den Kern schützen. Beispiele sind Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe (Cermets) und flexible Polymer-Verbundwerkstoffe.

Spezielle Nichtmetallische Werkstoffe (NM)

Nicht-Keramische Materialien

Materialien, die durch Brennen von Lehm hergestellt werden, weisen eine hohe thermische Beständigkeit, einen hohen Schmelzpunkt und hohe Steifigkeit auf. Sie sind transparent, ermöglichen jedoch keine Hochgeschwindigkeits-Photonensignale.

Biomaterialien

Materialien, die in der Lage sind, die Funktion von lebenden Organen oder Geweben zu ersetzen (z.B. Herzklappen).

Supraleiter

Eigenschaften und Phänomene

Supraleiter zeigen keinen wirksamen elektrischen Widerstand (Joule-Effekt = 0). Das Meißner-Phänomen beschreibt die Abstoßung zwischen Magnetfeldern, was zur Levitation führt.

Vorteile und Herausforderungen

Vorteile sind minimale Energieverluste. Nachteile sind die Schwierigkeit der Anwendung aufgrund der notwendigen tiefen Temperaturen.