materiale

Gummibånd - elastomere materialer med farvede tilsætningsstoffer

Træ som byggemateriale

Materialer i snævrere forstand kaldes materialer i den faste samlede tilstand, hvorfra komponenter og konstruktioner kan fremstilles. ^[1] Kvaliteten og egenskaberne af de færdige produkter påvirkes afgørende af valget af egnede materialer og fremstillingsprocessen ( primær formning , formning osv.). Materialetest bruges til at karakterisere og sikre kvalitet.

Klassifikation

I nutidens materialevidenskab skelnes der mellem forskellige materialegrupper, hvis klassificering ikke altid er identisk, men ens. For eksempel er de klassificeret som ^{[2] som} følger:

• Ferromaterialer , især stål med et kulstofindhold under 2% og støbejern med over 2% kulstof
• Ikke-jernholdige metaller og deres legeringer , såsom aluminium , kobber , messing , magnesium , titanium osv.
• Halvledere såsom silicium , germanium eller organiske halvledere
• Polymerer , i undergrupperne termoplast , termohærdninger og elastomerer
• uorganiske ikke-metalliske materialer, såsom keramik , glas
• Mineralske naturlige stoffer som zeolitter , saponit osv.
• organiske naturlige stoffer som træ , grafit osv.

Enklere klassifikationer er også almindelige: ^{[3] [4] [5]}

• metalliske materialer
• umetalliske uorganiske materialer (keramik)
• Polymerer ( plast )

Kompositmaterialerne er kombinationer af materialer fra flere materialegrupper.

De ikke-metalliske uorganiske materialer er også klassificeret som følger: ^[6]

• Krystaller
• Keramik
• Briller
• uorganiske bindemidler (f.eks. cement )

En anden mulighed for klassificering er anderledes

• Konstruktion eller byggematerialer (f.eks. Byggematerialer, profilstænger, kropsdele )
• Funktionelle materialer (f.eks. Belægninger , katalysatorer , elektroniske komponenter)
• Værktøjsmaterialer (f.eks. Slidstærke materialer, gevind og tråde , der let eller præcist kan bearbejdes)

Materialebetegnelse

Et teknisk materiale er tydeligt identificeret med materialetummeret .

Ud over materialetal er der mange kortformede betegnelser i henhold til standarden for individuelle metalgrupper: DIN EN 10027 for stål , DIN EN 1560 for støbejern , DIN EN 573 for aluminium og aluminiumlegeringer , DIN EN 1412 og DIN EN 1173 for kobber og kobberlegeringer. ^[7] Der er korte materialebetegnelser for stål, som hovedsageligt er baseret på den påtænkte anvendelse. Det er også almindeligt at klassificere stål efter dets kemiske sammensætning, dvs. dets legeringskomponenter . UNS -nummeret er et andet system, der kun er gyldigt for metaller og bruges i det industrielle miljø.

Plast er betegnet i henhold til standarden DIN EN ISO 1043 for basispolymerer eller DIN EN 14598 til forstærkede, hærdbare støbeforme. Betegnelsen består af kodebogstaver og et ekstra symbol, der er tilføjet med en bindestreg for specielle egenskaber ved polymererne . Der er yderligere ISO -standarder for polyolefinstøbningsmasser .

historie

Anvendelsen af ​​materialer løber gennem hele menneskehedens forhistorie . Materialet til en håndøks (sten) er et materiale og et kendetegn for stenalderen . Sammen med træ er det et af de ældste naturlige materialer, der findes.

Omkring 10.000 f.Kr. Keramik blev produceret for første gang i f.Kr. Det er det ældste menneskeskabte materiale.

I det 8. årtusinde f.Kr. Chr. Påbegyndte den tekniske anvendelse af metaller . Oprindeligt blev der brugt faste ( elementære ) metaller som guld , sølv og kobber . Imidlertid var den praktiske værdi af disse materialer stadig for lav, hvilket førte til opdagelsen og fremstillingen af ​​den første legering , nemlig bronze . Produktionen af ​​bronze kræver allerede avanceret minedrift for at levere kobber- og tinmalm . Smelteteknikker var også nødvendige. Den stigende beherskelse af disse teknologier førte i sidste ende til, at jern også kunne smeltes. I henhold til systemet med tre perioder betegnes de respektive perioder i henhold til de mest avancerede materialer, der anvendes (se også arkæometallurgi ).

Parallelt øges med udviklingen af bosættelser og byer , behovet for materialer til konstruktionen (mursten, træ), skære- og stikkende våben , mønter (metaller) og husholdningsartikler (for eksempel keramik, glaskunst ).

Størrelsesskalaer af en materialestruktur

Intet materiale er som det andet, fordi strukturen fra makrostrukturen til atomstrukturen kan være meget forskellig. Materialestrukturen bestemmer imidlertid yderligere egenskaber og adfærd. Størrelsesskalaen er opkaldt efter SI -præfikset af længden, men er ikke klart afgrænset og overlapper delvis.

Makrostruktur

Materialets udseende fra millimeter til meter. Det er synligt for det blotte øje og kaldes også geometrien for et emne.

Mikrostruktur

Mikrostruktur af laminar pearlitisk stål i SEM

I materialevidenskaben omtales mikrostrukturen også som strukturen . Det kan ses i et mikroskop og inkluderer strukturstørrelser fra over 100 nanometer til et par millimeter. På grund af mikrostrukturen er der en opdeling i materialeklasser (metal, keramik, polymer eller komposit ). En stor del af materialeudviklingen for metaller og keramik foregår i denne skala, fordi der finder afgørende mekanismer for plasticitet sted her. Porer kan være starten på revner , men det kan være ønskeligt at skabe et stort overfladeareal . Termodynamik og kinetik er dedikeret til forudsigelsen af fasernes størrelse og fordeling. Et forhold mellem kornstørrelse og mekanisk styrke i metaller er Hall-Petch-forholdet .

Nanostruktur

TEM -billede af en siliciumdioxid -suspension

Nanomaterialer er kendetegnet ved strukturstørrelser fra 1 til 100 nanometer. Nanopartikler er klynger af et par hundrede til millioner af atomer eller molekyler, hvis adfærd bedre kan beskrives ved kvantemekanik end ved klassisk mekanik . Dette åbner for en masse interessant og nyt potentiale for mekaniske , elektriske , magnetiske og optiske egenskaber. I krystallinske faser i særdeleshed, typen, antallet og opførsel af defekter er afgørende for disse egenskaber. Fremmede atomer i krystal bly z. B. til fast opløsningsforstærkning eller doping af halvledere . Nanostrukturen er vigtig for katalysatorer og " lab-on-a-chip ", fordi der kan produceres ekstremt store eller endda hydrofobe overflader. I naturen er nanostrukturer udbredt, for eksempel på lotusblomster eller den vingede sommerfugl .

ejendomme

Materialer er normalt blandinger af stoffer , hvor syntesen og fremstillingsprocessen tillader en langt større variation af egenskaber, end det er muligt i rene stoffer. Materialer kan yderligere karakteriseres på grundlag af deres syntese, formbarhed og produktion, men også fra et økologisk synspunkt. For at karakterisere et materiale med hensyn til en specifik applikation kvantificeres materialeparametre ved hjælp af test- og målemetoder.

Produktionsejendomme

Hvert materiale er tæt forbundet med dets fremstillingsproces . Metalliske materialer smeltes for det meste til z. B. at danne legeringer. Støbbarheden ( primær formbarhed ) angiver, om smelten kan hældes direkte i den endelige form, og om der er behov for yderligere eller forskellige fremstillingsprocesser. Ofte behandles en støbning yderligere subtraktivt, hvilket giver information om materialets bearbejdelighed ( adskillelighed ). ^{[7] [8]}

Additiv fremstilling er ikke egnet til alle materialer, men det muliggør meget komplekse geometrier uden materialetab. Sammenføjningen af individuelle strukturelementer afhænger blandt andet af svejsningens egnethed og tendensen til koldsvejsning . Især for polymerer og keramik er bindingsevnen og bindingsadfærden med klæbemidler vigtig.

Evnen af ​​et materiale til at blive belagt med et andet er afgørende for forbedring af kompositets kemiske og mekaniske egenskaber. Eksempler er maling , galvanisering , pulverlakering , varmgalvanisering .

• Formbarhed
• Hærdbarhed

Økologiske materialegenskaber

Et materiale har ingen iboende økologiske egenskaber, men disse er snarere afhængige af udvindingstypen (f.eks. Minedrift , genbrug ) og produktion. I produktionen er materialeanvendelsen ved støbning , sintring og ekstrudering normalt over 85%. Bearbejdning er derimod forbundet med materialetab på op til 60%. Energiforbruget kan antages at ligge i intervallet 80 til 100 MJ / kg, hvorimod de førnævnte er under 50 MJ / kg. Generelt er sintring den mest energieffektive fremstillingsproces pr. Produktmasse. ^[7] Generelt er additive fremstillingsprocesser mere energi- og ressourceeffektive end subtraktive processer.

• Råmaterialeforbrug i fremstilling og forarbejdning
• Emissioner af z. B. CO ₂ i produktion og forarbejdning
• Energiforbrug i fremstilling og forarbejdning
• Miljøpåvirkning eller toksicitet
• Genanvendelighed
• Bionedbrydelighed

Se også

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

• Nanomateriale
• Materialegrupper af metalliske materialer

litteratur

• Manfred Merkel, Karl-Heinz Thomas: Taschenbuch der Werkstoffe. Fachbuchverlag, 1994, ISBN 3-343-00845-1 .
• Forbundsministeriet for uddannelse og forskning (red.): Materialeworlder. Opdagelser i materiens kosmos. BMBF, Referat Publ., Interneted., 2005 ( Brochure som PDF ( Memento fra 9. februar 2018 i internetarkivet )).

Weblinks

Wiktionary: Materiale - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Wikibooks: Material science metal - lærings- og undervisningsmaterialer

• Online materiale informationssystem werkstoffe.de
• Det tyske selskab for materialevidenskab
• Materielle innovationer for industri og samfund (WING)
• Script 'Egenskaber for fysisk materiale' (TU Dresden)
• Produktionsmængder af forskellige materialer verden over

Individuelle beviser

1. ↑ Horst Czichos, Manfred Hennecke (red.). HÜTTE-Das Ingenieurwissen, 33., opdateret udgave, Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-71851-2 , s. D1.
2. ^ Bernhard Ilschner, Robert F. Singer: Materialevidenskab og produktionsteknologi . 6. udgave Springer, 2016, s.20.
3. ↑ Horst Briehl: Materialkemi . 3. Udgave. Springer Vieweg, 2014, ISBN 978-3-658-06224-8 , s.   9 , doi : 10.1007 / 978-3-658-06225-5 .  
4. ↑ Horst Czichos, Birgit Skrotzki, Franz -Georg Simon: Ingeniørviden - materialer . Springer, 2014, s. 9f.
5. ↑ Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze (red.): Materiale videnskab. 11. udgave. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-17717-0 , s.   342 , doi : 10.1007 / 978-3-642-17717-0 .  
6. ↑ Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze (red.): Materiale videnskab. 11. udgave. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-17717-0 , s.   357 , doi : 10.1007 / 978-3-642-17717-0 .  
7. ↑ ^{a b c} Wolfgang Weißbach: Materialevidenskab: strukturer, egenskaber, test . 16., revideret udgave. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0295-8 .  
8. ↑ A. Herbert Fritz (red.): Produktionsteknologi . 12. udgave. Springer, Berlin 2018, ISBN 978-3-662-56534-6 .