Was ist Materialwissenschaft?

Bewusst oder unbewusst beschäftigt und umgibt sich jeder von uns jeden Tag mit Werkstoffen unterschiedlichster Art.

Der Stuhl, auf dem man sitzt, besteht aus Holz, Kunststoff oder Metall. Die Wände aus Ziegeln oder Beton. Das Fenster ist aus Glas. Vorhandene Strom­kabel aus kunststoffummantelten Metallen. Geräte wie HiFi-Anlagen, TV, PC, Kühlschrank, Waschmaschine usw. bestehen aus einer Vielzahl von Bauteilen. Die Liste ließe sich beliebig fortsetzen.

Was sind eigentlich Werkstoffe?

Alle Materialien, die eine bestimmte Funk­tion erfüllen und die Umsetzung einer Idee in eine tatsächliche Anwendung erlauben. Welcher Werkstoff für eine bestimmte Aufgabe zur Anwendung kommt, hängt einerseits von dem Anforderungsprofil des vorgesehenen Verwendungs­zwecks, andererseits von den Erfordernissen des Fertigungsprozesses ab.

Welche Anforderungen werden an Werkstoffe gestellt?

Eine hohe mechanische Festigkeit und Zähigkeit im Verhältnis zum Gewicht spielt im Automobilbau eine große Rolle. Mit neuen, leichten Werk­stoffen wird ein reduzierter Kraftstoffverbrauch bei verbessertem Unfallschutz erreicht. Oder es steht die chemische Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und aggressiven Medien aller Art (Korrosion) im Vordergrund, wie sie z.B. bei Wascharmaturen oder Leitungssystemen in Chemieanlagen gefordert ist. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten spielen hierbei auch die Kosten eine Rolle.

Andere Verwendungen von Werkstoffen erfordern besondere optische, elektrische, dielektrische oder magnetische Kennwerte. Hier sei an die rasante Entwicklung der Funktionalität der Halbleiter und integrierten Schaltkreisen (Chips) sowie an Datenspeichersysteme erinnert, die in der Kommunikationstechnik und Datenverarbeitung unser Umfeld prägen. Weitere Miniaturisierungen in diesem Bereich werden mit Nanowerkstoffen und entsprechenden Technologien realisiert. In allen Fällen ist die Langzeitstabilität der spezifischen Materialeigen­schaften bei konstanten oder wechselnden Bedingungen während der Anwendung gefordert.

Welchen Zweck erfüllen Werkstoffe?

Jeder der genannten Werkstoffe erfüllt seine eigene Funktion: Das angenehme Sitzen liegt an der Textilgewebe-Fläche des Stuhls, da dieser Stoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat. Man kann hinausschauen, da das Fensterglas durchsichtig ist, aber trotzdem eine gute Wärmedämmung hat. Unsere Häuser stehen, da Beton und Ziegel hohe Gewichte tragen können.

In technischen Geräten sind die zu erfüllenden Aufgaben der einzelnen Bauelemente wesentlich komplexer. Neben den Werkstoffen im Haushalts- und Unterhaltungsbereich kommen in anderen Anwendungsbereichen Kom­ponenten aus Hochleistungswerkstoffen mit speziell optimierten Eigenschafts­kombinationen zum Einsatz, z.B. in der Raumfahrt oder bei Hochgeschwindigkeits­zügen.

Wie werden die Anforderungen erfüllt?

Der passende Werkstoff wird zunächst anhand seiner Werkstoffgeometrien ausgewählt. Dann kommt es auf die richtige Fertigungsmethode an. Denn Holz wird im Gegensatz zu Metallen nicht gegossen.  Andere Methoden der Formgebung von Werkstoffen sind Schmieden, Pressen, Walzen, Sintern, Trennen, Zerspanen, Fügen oder Extrudieren, Spritzgießen, Blasformen, Verfahren der Schichtabscheidung, Oberflächenvergütung und -gestaltung.

Zwischen der Zusammensetzung der Werkstoffe, ihrer Herstellung und ihren Eigenschaften bestehen enge Zusammenhänge. Das Verständnis für diese Zusammenhänge wird im Studium der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik vermittelt.