Materialwissenschaft

Die Materialwissenschaft (bzw. Werkstoffwissenschaft oder Werkstoffkunde) befasst sich mit Erforschung, Herstellung, Charakterisierung sowie Verarbeitung technischer Materialien und Werkstoffe. Als interdisziplinäre Wissenschaft stützt sie sich auf die Fachgebiete Chemie, Physik, Ingenieurwesen, Mineralogie, Kristallografie und Petrologie.

Das Fachgebiet ist wesentlicher Bestandteil der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung insbesondere im Maschinenbau, im Bauwesen und der Materialprüfung.

Ein wesentliches Ziel der Materialwissenschaft ist es, die Beziehungen zwischen der Struktur (Kristallstruktur und Gefüge) und den Eigenschaften der Werkstoffe zu klären. Darauf aufbauend werden durch gezielte Strukturveränderungen gewünschte Eigenschaftsprofile eingestellt.

Begriffserläuterungen

Werkstoffwissenschaft: sie beschreibt Werkstoffeigenschaften, erklärt wissenschaftlich begründet ihre Ursachen und zeigt Veränderungsmöglichkeiten dieser Eigenschaften auf; sie ist eine integrative Disziplin, die elementare Erkenntnisse der Kristallografie, der Metallphysik, der physikalischen und Elektrochemie, der Hochpolymer- und Silicatchemie, der Thermodynamik, der Mechanik u.a.m. aufgreift und unter dem Gesichtspunkt einer technischen Umsetzbarkeit überprüft und weiterentwickelt.^[1]

Der Begriff „Werkstoffwissenschaft“ (bzw. „Werkstoffkunde“ oder „Materialwissenschaft“) betont die anwendungsorientierten Aspekte von Materialien und ist eine Ingenieurwissenschaft. Sie befasst sich mit Werkstoffen, die in Maschinen, Anlagen und Apparaten verwendet werden. Die früher vorwiegend empirisch gewonnenen Erkenntnisse der Werkstoffkunde ermöglichen die Entwicklungen von Werkstoffen entsprechend den von der Industrie geforderten chemischen und physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Härte oder Duktilität bzw. Sprödigkeit von Stählen, anderen Metallen, ihren Legierungen, Keramiken und Polymeren sowie Verbundwerkstoffen.

Teilbereiche

Ein Teilbereich ist die Werkstoffprüfung. Für die praktische Durchführung von Werkstoffprüfungen werden Werkstoffprüfer ausgebildet. Dies geschieht in einer staatlich anerkannten Ausbildung mit einer regulären Ausbildungsdauer von 3 1/2 Jahren.

Geschichtliche Entwicklung

Der Übergang von natürlichen Werkstoffen wie Knochen, Stein, Ton, Holz, Rinde, Elfenbein, Hanf oder Leder zu gezielt gewonnenen Werkstoffen erfolgte zum Ende der Jungsteinzeit mit dem Beginn der Kupferzeit um 4300 v. Chr., in der Kupfer, Gold und Silber, später auch Blei und Zinn gewonnen und bearbeitet wurden. Im Anschluss daran erfolgte der Übergang in die Bronzezeit ca. 2000 v. Chr., die von der Eisenzeit abgelöst wurde. Werkstofftechnisch gesehen wurde diese erst 1886 mit dem Hall-Héroult-Prozess beendet, der die großtechnische Herstellung von Aluminium möglich machte. Lange Zeit beschränkte sich das Interesse der Materialwissenschaften fast ausschließlich auf die metallischen Werkstoffe. Seit der Wiederentdeckung des Betons in den 1850er Jahren gilt, wie auch bei den ab 1930 in Massenfertigung produzierten ersten Polymerwerkstoffen (Kunststoffe), die Erforschung der Eigenschaften dieser Werkstoffe als ein wesentliches Element der Materialwissenschaften.

Forschungsthemen

Eine Liste mit Forschungsthemen auf diesem Gebiet:

• Klassifikation von Materialien
• Synthese und Herstellung von Materialien
• physikalische, chemische und biologische Eigenschaften von Materialien
• Entwicklung neuer Materialien sowie deren Anwendungen

Fachgebiete

Weitere Fachgebiete:

• Allgemeine Grundlagen der Materialwissenschaft
• Metallische Werkstoffe: Eisen, Stahl, Nichteisenmetalle, Metallurgie
• Nichtmetallisch anorganische Werkstoffe (NA): Keramik, Glas, anorganische Bindemittel, anorganische Naturstoffe, Baustofftechnik
• Organische Werkstoffe, Hochpolymere: Holz (Holztechnik), Kunststoffe (Kunststofftechnik)
• Halbleiter
• Verbundwerkstoffe
• Nanowerkstoffe
• Wärmebehandlungstechnik
• Biomaterialien

Wichtige Personen

Personen, die Spezialisten auf diesem Gebiet sind und es geprägt haben:

• Adolf Martens
• Paul Héroult
• Charles Martin Hall
• August Wöhler
• Konrad Samwer
• Hermann Staudinger
• Werner Schatt
• Hartmut Worch

Forschungseinrichtungen

Forschungsinstitute, die sich mit Materialwissenschaft beschäftigen:

In Deutschland

• Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
• Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf
• Forschungsbereich „Struktur der Materie“ des Forschungszentrum Karlsruhe
• Technische Universität Dresden - Institut für Werkstoffwissenschaft
• Technische Universität Darmstadt – Fachbereich Materialwissenschaften
• Technische Universität Bergakademie Freiberg – Fakultät für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie
• Einige Institute der Fraunhofer-Gesellschaft beschäftigen sich mit der Materialwissenschaft
• Institut für Polymerforschung und Institut für Werkstoffforschung des GKSS-Forschungszentrum
• Chemisch-Physikalisch-Technische Sektion der Max-Planck-Gesellschaft
• Karl-Winnacker-Institut der DECHEMA e. V.
• Department Werkstoffwissenschaften der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg: Sitz des einzigen deutschen Exzellenzclusters für Materialwissenschaften
• Freiburger Materialforschungszentrum der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
• RWTH Aachen – Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik
• Gh Universität Kassel – Amtliche Materialprüfungsanstalt (AMPA) und Institut für Werkstoffkunde (IW)
• Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz
• DWI an der RWTH Aachen, Interactive Materials Research
• Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf
• Max-Planck-Institut für intelligente Systeme, Stuttgart

In Österreich

• Montanuniversität Leoben
• Technische Universität Wien

In der Schweiz

• Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Institut des Matériaux)
• Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA)
• ETH Zürich (Department of Materials)
• Paul Scherrer Institut (PSI)

Siehe auch

Portal: Werkstoffe – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Werkstoffe

Literatur

• Werner Schatt, Hartmut Worch: Werkstoffwissenschaft. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2003, ISBN 978-3-527-30535-3.
• Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner: Werkstoffe Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen. Springer-Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-71857-4.
• Wolfgang Bergmann: Werkstofftechnik 1 Grundlagen. Hanser Fachbuchverlag, München 2008, ISBN 3-446-41338-3.
• Olaf Jacobs: Werkstoffkunde. Vogel Buchverlag, Würzburg 2005, ISBN 978-3-8343-3152-6.
• Markus J. Buehler, Huajan Gao: Computersimulationen in der Materialforschung. Naturwissenschaftliche Rundschau 57(11), S. 593 - 601 (2004), ISSN 0028-1050.
• James F. Shackelford: Werkstofftechnologie für Ingenieure, Grundlagen - Prozesse - Anwendungen. Pearson Studium, München 2007, ISBN 978-3-8273-7303-8.

Weblinks

Wikibooks: Werkstoffkunde Metall – Lern- und Lehrmaterialien

• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel: Vorlesungsskript zur Einführung in die Materialwissenschaft
• TU Bergakademie Freiberg: Vorlesungsskripte der Werkstoffwissenschaft

Einzelnachweise