Materialevidenskab og teknik

Materialevidenskab og teknik (kort fortalt : MatWerk , også: materialevidenskab ) er et tværfagligt emne, der beskæftiger sig med forskning og udvikling af materialer og materialer ; Teknisk relevante komponenter er fremstillet af materialer.

Definition af udtryk

Begreberne materialevidenskab og materialevidenskab (også kaldet materialeteknologi eller materialevidenskab ^[1] ) er tæt forbundet: Materialevidenskab, med en mere naturvidenskabelig tilgang, omhandler fremstilling af materialer og deres karakterisering af struktur og egenskaber, mens materialeteknologi er ingeniørorienteret Materialudvikling samt de tilsvarende behandlingsmetoder og driftsadfærd for komponenter i brug. Begge underområder omfatter forskningsaktiviteter i en lang række materialeklasser og materialeudviklingskæder.

Et væsentligt træk ved materialevidenskab og teknik er overvejelsen af ​​materialernes strukturelle sammensætning og de mekaniske, fysiske og kemiske egenskaber, der er afhængige af dem. Dette omfatter karakterisering, udvikling, fremstilling og behandling af konstruktion og funktionelle materialer.

Fagområdet består af vidensorienteret grundforskning om materialer og ingeniørmaterialeudvikling med anvendelsesrelevans. Det udvikler en stærk gearing-effekt i den forstand at konvertere forskningsresultater til markedsrelevante innovationer . Samtidig har materialevidenskab og materialeteknologi, som en tværfaglig videnskab, en vidtrækkende teknisk integrationseffekt, idet de tager viden fra tilstødende specialistområder og er i et gensidigt forhold til dem. For materialevidenskab bør forbindelserne til kemi , fysik og biovidenskab nævnes her, mens for materialeteknologi er områderne mekanik , konstruktionsteknologi , produktionsteknologi og procesteknik relevante.

I dag er materialevidenskab og teknik en integreret del af kurset på praktisk talt alle ingeniørområder, hovedsageligt inden for maskinteknik og elektroteknik , men også inden for naturvidenskaberne fysik og kemi og i stigende grad inden for medicin . I mellemtiden har materialevidenskab og materialeteknologi fast etableret sig som en selvstændig disciplin, ikke kun inden for forskning, men også i universitetsundervisning. ^[2]

Socioøkonomisk relevans

Afdelingen ser sig selv som en central disciplin, der giver et væld af løsninger på socialt relevante udfordringer, nemlig inden for de store fremtidige områder inden for energi , klima og miljøbeskyttelse , ressourcebevaring , mobilitet , sundhed , sikkerhed og kommunikation . Aktuelle undersøgelser understreger den overvældende andel af alle tekniske innovationer, der direkte eller indirekte afhænger af materialer. ^[3]

Kendskabet fra materialevidenskaben muliggør produktion af tekniske materialer med nye eller forbedrede egenskaber. En komponents egenskaber afhænger af materialevalget, komponentens strukturelle konstruktion, fremstillingsprocessen og de operationelle belastninger ved brug. Dette inkluderer hele livscyklussen fra komponenter til genbrug eller genbrug af materialer. Dette omfatter også udvikling af helt nye fremstillingsprocesser. Uden disse konstante forskningsresultater ville kontinuerlige fremskridt, f.eks. Inden for maskinteknik , bilteknik , luftfartsindustrien , den kemiske industri , medicinsk teknologi , energiteknologi , miljøbeskyttelse osv. Være utænkeligt. ^[2]

historisk udvikling

Materialers og materialers historie er meget ældre end emnet. Fremskridt i viden blev oprindeligt gjort i den konkrete anvendelse af materialer i hverdagen. Fra stenalderen til det syvende årtusinde f.Kr. blev naturlige materialer som elfenben , huder , huder , skove, knogler , bark eller sten brugt til tekniske formål. I slutningen af yngre stenalder blev forskellige kemiske og termiske processer brugt til at forfine råvarer til mere højt udviklede materialer (brændende ler , garvning af huder til læder ) og smeltning af sand til glas . Dette inkluderer også opfindelsen og brugen af keramik . ^[2]

Som et resultat blev hele epoker af menneskeheden opkaldt efter fundene af de dannende materialer: begyndende med kobberalderen med forarbejdning af kobber , guld og sølv og senere også bly og tin . I bronzealderen fra det andet årtusinde f.Kr. blev disse stoffer bevidst blandet med andre for at opnå nye egenskaber: værktøjer og våben fremstillet af en kobber-tinlegering blev fundet fra denne tid. I jernalderen , den tredje store periode i den tidlige historie i Europa fra omkring 800 f.Kr. F.Kr. lærte folk at smelte jern og bruge det til at lave værktøjer og våben. Fra den tekniske historie minedrift og metallurgi og metalbearbejdning håndværk det er kendt, at specialister fortsatte med at forbedre højovne , raffinering værker, hammer møller og endelig valseværker . ^[2]

I lang tid var forskningens interesse næsten udelukkende begrænset til metalliske materialer. Ikke desto mindre kunne metaller kun undersøges empirisk, indtil de blev stærkt industrialiserede i anden halvdel af 1800 -tallet. I midten af ​​1800 -tallet begyndte systematisk forskning i egenskaberne af stål , jern eller letmetaller som aluminium samt keramiske materialer, hvorfra begrebet materialevidenskab udviklede sig. Resultaterne muliggjorde udvikling af materialer i henhold til de egenskaber, der kræves af industrien. Disse bestemmes med materialetest som en væsentlig del af materialevidenskaben. Det 20. århundrede var præget af en konstant stigende variation af materialer. Den første plast blev masseproduceret i 1930'erne. Siden 1950'erne, med opfindelsen af transistoren, har silicium og andre halvledermaterialer fået betydelig betydning.

Den videnskabelige disciplin, der beskæftiger sig med materialer som genstand for universitetsuddannelse udviklet i begyndelsen af ​​det 20. århundrede på tekniske universiteter inden for metallurgi og metallurgi , materialetestning og på nogle universiteter fra fysik , kemi og mineralogi . Det var kun med de analytisk-eksperimentelle undersøgelsesmetoder, der dukkede op på det tidspunkt, at krystallinske faste stoffer mere eller mindre kunne trænge igennem: Sådan opstod moderne metallografi . På samme tid var der brug for mere og mere kraftfulde og samtidig lettere maskiner og enheder til arbejdsprocesser. Det er derfor, designteori begyndte at være interesseret i mulighederne for nye materialer. Disse emner var placeret i industrielle forskningsinstitutter, universiteter, tekniske gymnasier og forskellige offentlige institutioner, f.eks. Statens materialetestkontorer, Reichsanstalt (senere Federal Institute) til materialetestning ^[4] eller Physikalisch-Technische Reichsanstalt (senere Federal Institute) ^{[ 5]} . Derudover var der tekniske og videnskabelige sammenslutninger som sammenslutningen af ​​tyske metallurgister (stiftet i 1880), ^[6] Society of German Metallurgists and Miners (stiftet i 1912; i dag Society for Mining, Metallurgy, Raw Materials and Environmental Technology ) ^[7] og German Society for Metal Science (grundlagt i 1919; i dag German Society for Material Science ). ^[8.]

I mellemtiden har udtrykkene materialevidenskab og materialeteknologi etableret sig for disciplinen forskning og undervisning (efter materialevidenskab og materialevidenskab ).

Delområder

Materialevidenskaben og teknologiområdet omfatter talrige materiale- og materialeklasser, der hver især har fået stor betydning inden for forskning og udvikling såvel som i anvendelsen. Der er forskellige måder at klassificere materiale og materialeklasser på. Den traditionelle opdeling i glas / keramik, metaller og polymerer er stort set forældet.

En mulighed for klassificering efter den aktuelle status er:

• Metalliske materialer : jern og stål , ikke-jernholdige metaller (f.eks. Lette metaller , ikke-jernholdige metaller )
• Ikke-metalliske, uorganiske materialer: keramik , glas , uorganiske bindemidler
• Polymerer : plast , naturlige stoffer
• halvleder
• Kulstofbaserede materialer, såsom carbon nanorør eller grafen .

En fælles klassifikation er lavet til byggematerialer , hvis mekaniske egenskaber er i forgrunden, og funktionelle materialer , hvor primært andre fysisk-kemiske (f.eks. Elektriske, termiske, optiske, magnetiske) egenskaber anvendes. Derudover har der for nylig været materiale- og materialeklassifikationer, der kategoriserer brug af funktion som en ejendom.

Eksempler er:

• Biomaterialer
• " Smarte materialer " såsom formhukommelseslegeringer eller materialer med sanseegenskaber
• Superleder

Egenskaben for et materiale eller materiale bestemmes ikke kun af dets kemiske sammensætning, men også af strukturering på alle størrelsesskalaer.

Eksempler er:

• Belægninger
• Biomimetiske materialer
• Gradient materialer
• Hybride materialer
• Metamaterialer
• Nanomaterialer
• Skum (f.eks. Metalskum ) og cellulære materialer
• Kompositmaterialer og materialekompositter
• Flerlag

Forskningsemner

Materialevidenskab

Inden for materialevidenskaben bygger forskningsemnerne på viden, der allerede er udviklet på videnskabelige fænomener og placerer den videnskabelige grundforskning, der foreslås deri, i en kontekst af mulige anvendelser. Det går betydeligt ud over at få viden om grundlæggende fysiske eller kemiske fænomener.

Emner inden for termodynamik ogkinetik er også af vidtrækkende betydning for materialeteknik. Dette omfatter termodynamiske og kinetiske principper for ingeniørrelevante materialer, såsom udvikling af fasediagrammer , undersøgelse af diffusionsprocesser eller egenskaberne af korngrænser . Et materialevidenskabeligt forskningsfelt, der er kendetegnet ved stor mangfoldighed, er feltet af funktionelle materialer, hvis magnetiske , elektriske eller optiske egenskaber er tæt forbundet med deres struktur og specifikke fremstillingsprocesser.

På mikro- og nanoskala er fokus imidlertid også på mikrostrukturelle mekaniske egenskaber af materialer, som har betydelige virkninger på makroskopisk adfærd af en komponent og dermed repræsenterer en vigtig forbindelse mellem materialevidenskab og materialeteknologi. Materialers væsentlige egenskaber opnås ved strukturering og funktionalisering af grænseflader og overflader. Selv inden for ingeniørforskning påvirker dette nanoskalaen og endda størrelsesordenen for et par atomlag. Dette gælder også i betydeligt omfang for emnet, der vedrører biomaterialer. Dette omfatter syntetiske materialer eller materialer, der kan bruges i medicin til terapeutiske eller diagnostiske formål. Materialevidenskaben omfatter cellebiologiske undersøgelser for biokompatibilitet eller den kliniske test, der er direkte nødvendig for forskning i biomaterialer, men uden først og fremmest at beskæftige sig med aspekter ved biofysik . ^[2]

Materialeteknik

Typiske emner inden for materialeteknologi adskiller sig fra proces- eller fremstillingsaspekter ved at de klart fokuserer på den faktiske udvikling af forbedrede eller nye materialer. Med den metallurgiske , termiske og termomekaniske behandling af materialer omfatter dette alle aspekter af varmebehandling inden for materialeteknologi i smeltet eller størknet tilstand, men også klassisk legeringsforskning og forskellige aspekter af genbrug med henvisning til materialeteknologi-metallurgiske spørgsmål. Inden for sintring som fremstillingsvej for materialer overvejes en lang række forsknings- og udviklingsemner vedrørende de to dominerende materialeklasser af keramiske og metalliske materialer. På det brede område af kompositmaterialer spænder emnespektret fra materialer med en metallisk, keramisk og polymer matrix til forstærkning ved hjælp af partikler , korte fibre eller lange fibre, herunder kulfiberforstærket plast .

De mekaniske egenskaber spiller en dominerende rolle i byggematerialer og repræsenterer et yderligere emneområde, herunder materialemekaniske problemstillinger på makroskalaen, herunder termomekanisk belastning og tribologi . Endelig er de materialerelaterede aspekter ved belægning eller modifikation af overflader, herunder materiale-relateret korrosionsforskning , opsummeret under udtrykket belægning og overfladeteknologi .

jobprofil

På grund af den brede vifte af sine emner og de mange muligheder for at oprette forbindelse til andre discipliner, tilbyder materialevidenskaben og materialeteknologi mange karrieremuligheder i den private sektor, i forskningsinstitutter, på universiteter, tekniske overvågningsinstitutter og i public service for eksempel i materialetestningskontorer. Aktivitetsområderne i industrien omfatter alle områder fra ekstraktion og forfining til fremstilling og forarbejdning til genbrug af materialer. Dette omfatter talrige aktiviteter inden for forskning og udvikling, simulering og modellering, design og beregning, fremstilling og behandling samt i kvalitetssikring, skadesanalyse og driftsovervågning. ^[2]

De involverede industrier omfatter materialefremstillings- og forarbejdningsindustrien, maskinteknik , bilindustrien , rumfart, plastindustri, kemisk industri , elektrisk industri , energiteknologi , mikroelektronik , medicinsk teknologi og miljøbeskyttelse .

Lærepladser

Der er adskillige uddannelsesprofessioner (lærepladser) til at arbejde inden for materialevidenskab og teknologi, herunder:

• Støberi mekaniker
• Industriel keramiker model teknologi
• Laboratorie tekniker
• Materialograf , materialetester
• Overfladebehandler
• Fysisk-teknisk assistent
• Stoftester (kemi)
• Teknisk assistent for metallografi og materialevidenskab
• Teknisk model maker støberi

undersøgelse

I Tyskland kan du studere materialevidenskab og teknologi på over 37 universiteter. På grund af emnets høje tværfaglige karakter er der:

• Uafhængige tværfaglige kurser i materialevidenskab og teknologi (eller materialevidenskab)
• Naturvidenskabelige kurser med speciale i materialevidenskab
• Ingeniørkurser med speciale i materialevidenskab og materialeteknologi

I begyndelsen af ​​kurset er der normalt fokus på grunduddannelse i matematik, naturvidenskab og teknik. Disse omfatter især uorganisk kemi og fysisk kemi , fysik (især eksperimentel fysik ), faststofkemi , højere matematik , måleteknologi , teknisk mekanik og termodynamik .

Bagefter udvides og uddybes kendskabet til de teoretiske, eksperimentelle og teknologiske aspekter ved de enkelte materialegrupper. Dette omfatter materialernes struktur, produktion og forarbejdning, materialetest og karakterisering, modellering, simulering og komponent- og systemadfærd. Strukturelle ejendomsforhold eller termodynamik og kinetik, materialevalg og anvendelse. Ikke-tekniske enheder, for eksempel om det grundlæggende inden for økonomi eller projektorganisation , men også teknisk engelsk samt udflugter , studieprojekter og industrielle praktiksteder gennemfører uddannelsen. ^[9]

Forskningsinstitutioner

Tyskland

Forskningsinstitutioner, der beskæftiger sig med materialevidenskab:

Universiteter og gymnasier

• FH Münster - Materialevidenskab og teknik ^[10]

• RWTH Aachen - Sektion for materialevidenskab og teknologi ^[11]
• Aalen University - Fakultet for Maskinteknik og Materialeteknologi ^[12]
• University of Augsburg - Institute for Physics ^[13]
• Aschaffenburgs tekniske universitet ^[14]
• University of Bayreuth - Det Tekniske Fakultet ^[15]
• Berlin Tekniske Universitet - Institut for Materialevidenskab og Teknologi ^[16]
• University of Bremen - Department of Production Engineering - Mechanical and Process Engineering ^[17]
• Clausthal University of Technology - Institute for Metallurgy, Institute for Non -Metallic Materials, Institute for Polymer and Plastics Technology, Institute for Materials Science and Technology og Clausthal Center for Material Technology ^[18]
• Technical University of Darmstadt - Institut for Materialevidenskab ^[19]
• Teknisk universitet i Dortmund - Formand for materialeteknologi ^[20]
• Teknisk Universitet i Dresden - Institut for Materialevidenskab ^[21]
• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg -Institut for Materialevidenskab ^[22] -sæde for den eneste tyske Cluster of Excellence for materialevidenskab
• Albert Ludwig University of Freiburg - Freiburg Material Research Center
• Tekniske Universitet Bergakademie Freiberg - Fakultet for materialevidenskab og teknologi ^[23]
• Furtwangen Universitet - Institut for Materialer og Anvendelsesteknologi Tuttlingen (IWAT) ^[24]
• Justus Liebig University Giessen - Fakultet 07 - Matematik og datalogi, Fysik, Geografi
• Georg-August-Universität Göttingen -Fakulteter for fysik, kemi, geovidenskab og skovvidenskab ^[25]
• Hamburg teknologiske universitet - Institut for materialer Fysik og teknologi ^[26] - Institut for keramiske højtydende materialer ^[27]
• Leibniz Universität Hannover - Fakultet for Maskinteknik - Institut for Materialevidenskab ^{[28] [29]}
• Det tekniske universitet i Ilmenau - Institut for Materialeteknologi ^[30]
• Friedrich Schiller University Jena - Otto Schott Institute for Material Research ^[31]
• Ernst Abbe University of Jena ^[32]
• Karlsruhe Teknologisk Institut - Fakultet for Maskinteknik - Institut for Anvendte Materialer ^[33]
• University of Kassel - Official Materials Testing Institute (AMPA) ^[34] og Institute for Materials Technology (IfW) ^[35]
• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel -Institut for Materialevidenskab ^[36]
• Koblenz University of Applied Sciences - med speciale i materialeteknik, glas og keramik ^[37]
• Teknisk Universitet i Köln - Laboratorium til bygnings- og materialetest ^[38]
• University of Landshut - Fakultet for Maskinteknik - Kompetencecenter Letvægtskonstruktion (LLK) ^[39] og Letvægtskonstruktionsklynge ^[40]
• Otto von Guericke University Magdeburg - Institut for Materiale og Sammenføjningsteknologi ^[41]
• Philipps University of Marburg - Videnskabeligt center for materialevidenskab ^[42]
• Nürnberg Tekniske Universitet Georg Simon Ohm - Fakultet for Materialeteknologi ^[43]
• Osnabrück University of Applied Sciences - Fakultet for teknik og datalogi - Fakultet for Tand-, Proces- og Materialeteknologi ^[44]
• University of Paderborn - Fakultet for Maskinteknik - Materialevidenskab ^[45]
• Saarland Universitet i Saarbrücken - Fakultet 8.4 - Materialevidenskab og teknologi ^[46]
• University of Siegen - Fakultet IV - Det Naturvidenskabelige og Teknologiske Fakultet ^[47]
• Materialer Testing Institute University of Stuttgart (MPA Stuttgart, Otto Graf Institute (FMPA))
• University of Stuttgart - Fakultet for kemi - Institut for Materialevidenskab ^[48]
• University of Wismar - Institute for Surface and Thin Film Technology ^[49]

Andre forskningsinstitutter

• Federal Institute for Materials Research and Testing
• Institute for Ion Beam Physics and Materials Research ved Helmholtz Center Dresden-Rossendorf
• Tværfagligt center for avanceret materialesimulering (ICAMS)
• Forskningsområde ”Strukturen af ​​materie” ved Karlsruhe Research Center
• Fraunhofer -gruppen MATERIALS ^[50] bundler kompetencerne fra 15 institutter i Fraunhofer Society med fokus på materialevidenskab.
• Institut for Polymerforskning og Institut for Materialeforskning i GKSS Research Center
• Institute for Composite Materials GmbH , Kaiserslautern ^[51]
• DECHEMA forskningsinstitut
• DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials V. Aachen, ^[52]
• Kemisk-fysisk-teknisk sektion i Max Planck Society
• Max Planck Institute for Polymer Research , Mainz
• Max Planck Institute for Iron Research , Düsseldorf
• Max Planck Institute for Intelligent Systems , Stuttgart
• Max Planck Institute for Solid State Research , Stuttgart
• Leibniz Institute for New Materials , Saarbrücken
• Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden
• Foundation Institute for Materials Technology Bremen , i Bremen
• MFPA Weimar (materialeforsknings- og testinstitut ved Bauhaus University Weimar) ^[53]

Østrig

• Montanuniversität Leoben - Bachelor og kandidatgrad i materialevidenskab
• Graz teknologiske universitet - Forskning: Fagområde "Advanced Materials Science", kandidatgrad "Advanced Materials Science"
• University of Vienna - Bachelor- og kandidatuddannelser i fysik
• Wiener Teknologiske Universitet - Kandidatgrad i materialevidenskab, Institut for Materialevidenskab og Teknologi
• University of Innsbruck - kandidatgrad i materialer og nanovidenskab
• UAS Technikum Wien - Bachelor og kandidatgrad i maskinteknik

Schweiz

• Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Institut des Matériaux)
• Federal Materials Testing and Research Institute (EMPA)
• ETH Zürich (Institut for Materialer)
• Paul Scherrer Institute (PSI)

BV MatWerk

Federal Association of Materials Science and Technology e. V. (BV MatWerk) er en sammenlægning af sammenslutninger og sammenslutninger af materialevidenskab og teknologi i Tyskland (BV MatWerk). Internetportalen for afdelingen for materialevidenskab og teknik forener alle relevante internetpræsentationer i afdelingen under ét tag. ^{[54] [55]}

Se også

Portal: Materialer - Oversigt over Wikipedia -indhold om emnet materialer

litteratur

• Gustav ER Schulze : Metalfysik. En lærebog . Akademie-Verlag, Berlin 1967, (2., revideret udgave. Springer, Wien et al. 1974).
• Hartmut Worch, Wolfgang Pompe, Werner Schatt : Materialevidenskab. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2011, ISBN 978-3-527-32323-4 .
• Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner: Materialer Struktur og egenskaber ved keramik, metal, polymer og kompositmaterialer. Springer-Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-71857-4 .
• Wolfgang Bergmann: Materialeteknologi 1 Grundlæggende. Hanser Fachbuchverlag, München 2008, ISBN 978-3-446-41338-2 .
• Olaf Jacobs: Materialevidenskab. Vogel Buchverlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3152-X .
• Markus J. Buehler, Huajan Gao: Computersimuleringer i materialeforskning. I: Naturwissenschaftliche Rundschau. 57, nr. 11, 2004, ISSN 0028-1050 , s. 593-601.
• James F. Shackelford: Materialeteknologi til ingeniører, grundlæggende - processer - applikationer. Pearson Studium, München 2007, ISBN 978-3-8273-7303-8 .
• Klaus Hentschel : Fra materialeforskning til materialevidenskab . I: Klaus Hentschel, Carsten Reinhardt (Hrsg.): Om materialeforskningens historie. Særnummer fra NTM. 19, 1, 2011, s. 5-40.
• Karl Heinz Beelich, Otto H. Jacobs: Eksamenstræner materialevidenskab. CD ROM. Vogel Buchverlag, Würzburg 2012, ISBN 978-3-8343-3274-5 .

Weblinks

Wikibooks: Material science metal - lærings- og undervisningsmaterialer

• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel : Forelæsningsnotater til en introduktion til materialevidenskab

Individuelle beviser