Werkstoffklassifikation im Ingenieurwesen: Metalle, Keramik, Polymere & Mehr

In diesem Artikel besprechen wir die Klassifikation von Werkstoffen im Ingenieurwesen. Alles, was wir nutzen, besteht aus Materialien. Basierend auf bestimmten Eigenschaften werden sie gruppiert. Lassen Sie uns die Klassifikation klar verstehen.

Klassifikation der Werkstoffe

Feste Werkstoffe werden praktisch in drei Basisklassen eingeteilt: Metalle, Keramiken und Polymere. Das Schema basiert primär auf chemischer Zusammensetzung und atomarer Struktur; die meisten Materialien fallen eindeutig in eine Gruppe, es gibt jedoch Übergänge.

Zusätzlich gibt es drei weitere wichtige Gruppen: Verbundwerkstoffe (Composites), Halbleiter (Semiconductors) und Bio-Werkstoffe (Biomaterials).

Verbundwerkstoffe kombinieren zwei oder mehr verschiedene Materialien; Halbleiter nutzen ihre ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften; Bio-Werkstoffe werden in den menschlichen Körper implantiert. Kurze Erläuterung der Materialarten und repräsentativen Eigenschaften folgt.

Klassifikation mit Beschreibung

1. Metalle

Metallische Werkstoffe sind meist Legierungen metallischer Elemente. Sie besitzen große Mengen nicht-lokalisierter Elektronen (nicht an bestimmte Atome gebunden). Viele Metalleigenschaften führen direkt auf diese Elektronen zurück. Metalle sind exzellente Leiter für Strom und Wärme, für sichtbares Licht undurchsichtig; polierte Oberflächen zeigen metallischen Glanz. Zudem sind sie fest, aber formbar – daher breiter Einsatz in Strukturanwendungen.

2. Keramiken

Keramiken sind Verbindungen zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen; meist Oxide, Nitride, Karbide. Breite Palette: Tonmineralien, Zement, Glas. Typischerweise isolierend gegen Strom & Wärme, beständiger gegen hohe Temperaturen & raue Umgebungen als Metalle & Polymere. Mechanisch: hart, aber sehr spröde.

3. Polymere

Weitere Klasse: Polymere. Umfassen bekannte Kunststoffe und Gummi. Viele sind organische Verbindungen auf Basis von Kohlenstoff, Wasserstoff und anderen Nichtmetallen; sehr große Molekülstrukturen. Typischerweise geringe Dichte, können extrem flexibel sein.

4. Verbundwerkstoffe (Composites)

Zahlreiche Verbundwerkstoffe wurden entwickelt, die mehr als einen Materialtyp kombinieren. Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist ein bekanntes Beispiel: Glasfasern in polymerer Matrix. Ein Verbund ist so ausgelegt, dass er die besten Eigenschaften der Komponenten vereint. GFK erhält Festigkeit vom Glas, Flexibilität vom Polymer. Viele jüngste Materialentwicklungen betreffen Verbundwerkstoffe.

5. Halbleiter (Semiconductors)

Halbleiter besitzen elektrische Eigenschaften zwischen Leitern und Isolatoren. Zudem sind ihre elektrischen Charakteristiken extrem empfindlich gegenüber geringsten Verunreinigungsatomen, deren Konzentration über kleinste Räume kontrollierbar ist. Halbleiter ermöglichten integrierte Schaltkreise, die Elektronik & Computerindustrie (und unser Leben) in den letzten zwei Jahrzehnten revolutionierten.

6. Bio-Werkstoffe (Biomaterials)

Bio-Werkstoffe kommen in Implantaten zum Ersatz kranker/geschädigter Körperteile zum Einsatz. Sie dürfen keine toxischen Substanzen freisetzen und müssen mit Körpergewebe verträglich sein (keine adversen biologischen Reaktionen). Alle oben genannten Materialien – Metalle, Keramiken, Polymere, Verbunde, Halbleiter – können als Bio-Werkstoffe dienen.

Zukunftswerkstoffe (Future Materials)

Ergänzung der Klassifikation, da Wissenschaft & Technik sich ständig weiterentwickeln.

Intelligente Werkstoffe (Smart Materials) sind eine Klasse modernster Materialien, die derzeit entwickelt werden und großen Einfluss auf viele Technologien haben werden. „Smart“ bedeutet: Sie erkennen Änderungen in ihrer Umgebung und reagieren darauf in vordefinierter Weise – Eigenschaften, die auch lebende Systeme zeigen. Das „Smart“-Konzept wird auf komplexere Systeme ausgedehnt, die intelligente und konventionelle Materialien kombinieren.

Komponenten eines intelligenten Materials (oder Systems): Sensor (detektiert Eingangssignal) und Aktor (führt adaptive Antwortfunktion aus).

Auf Temperaturänderung, elektrische/magnetische Felder können Aktoren Form, Lage, Eigenfrequenz oder mechanische Eigenschaften ändern. Häufigste Aktormaterialien: Formgedächtnislegierungen, piezoelektrische Keramiken, magnetostriktive Materialien, elektro-/magnetorheologische Fluide.

Formgedächtnislegierungen: Metalle, die bei Temperaturänderung nach Verformung ihre Ursprungsform wiederannehmen. Piezoelektrische Keramiken: dehnen/sziehen sich bei angelegter elektr. Spannung; Dimensionsänderung erzeugt ebenfalls elektr. Feld.

Fazit

Das waren die Werkstoffarten, die wir im Alltag finden und nutzen. Basierend auf dieser Klassifikation versuchen Forscher, Qualität zu verbessern oder die Untersuchung zu erleichtern.