Materialvitenskap og ingeniørfag

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigasjon Hopp til søk

Materialvitenskap og ingeniørfag (kort sagt: MatWerk , også: materialvitenskap ) er et tverrfaglig emne som omhandler forskning og utvikling av materialer og materialer ; Teknisk relevante komponenter er laget av materialer.

Definisjon av begreper

Begrepene materialvitenskap og materialvitenskap (også referert til som materialteknologi eller materialvitenskap [1] ) er nært knyttet sammen: Materialvitenskap, med en mer naturlig - vitenskapelig tilnærming, omhandler produksjon av materialer og deres karakterisering av struktur og egenskaper, mens materialteknologi er ingeniørorientert Materialutvikling så vel som de tilsvarende behandlingsmetodene og driftsatferden til komponenter i bruk. Begge delområdene inkluderer forskningsaktiviteter i et bredt spekter av materialklasser og materialutviklingskjeder.

Et vesentlig trekk ved materialvitenskap og prosjektering er hensynet til materialets strukturelle sammensetning og de mekaniske, fysiske og kjemiske egenskapene som er avhengige av dem. Dette inkluderer karakterisering, utvikling, produksjon og prosessering av konstruksjon og funksjonelle materialer.

Fagområdet består av kunnskapsorientert grunnforskning om utvikling av materialer og ingeniørmaterialer med applikasjonsrelevans. Den utvikler en sterk innflytelseeffekt i den forstand at konverterer forskningsresultater til markedsrelevante innovasjoner . Samtidig har materialvitenskap og materialteknologi, som tverrfaglig vitenskap, en vidtrekkende teknisk integreringseffekt ved at de tar opp kunnskap fra nærliggende spesialistområder og er i et gjensidig forhold til dem. For materialvitenskap bør koblingene til kjemi , fysikk og biovitenskap nevnes her, mens for materialteknologi er områdene mekanikk , konstruksjonsteknologi , produksjonsteknologi og prosessingeniør relevant.

I dag er materialvitenskap og ingeniørarbeid en integrert del av kurset på praktisk talt alle ingeniørfelt, hovedsakelig innen maskinteknikk og elektroteknikk , men også innen naturvitenskap i fysikk og kjemi og i økende grad innen medisin . I mellomtiden har materialvitenskap og materialteknologi etablert seg som en uavhengig disiplin, ikke bare innen forskning, men også innen universitetsundervisning. [2]

Sosioøkonomisk relevans

Avdelingen ser på seg selv som en sentral disiplin som gir et mangfold av løsninger for samfunnsrelevante utfordringer, nemlig på de store fremtidige feltene energi , klima og miljøvern , ressursbevaring , mobilitet , helse , sikkerhet og kommunikasjon . Gjeldende studier understreker den overveldende andelen av alle tekniske innovasjoner som er direkte eller indirekte avhengige av materialer. [3]

Kunnskapen fra materialvitenskap gjør det mulig å produsere tekniske materialer med nye eller forbedrede egenskaper. Egenskapene til en komponent avhenger av valg av materiale, komponentens konstruksjonsdesign, produksjonsprosessen og driftspenninger ved bruk. Dette inkluderer hele livssyklusen fra komponenter til resirkulering eller gjenbruk av materialer. Dette inkluderer også utvikling av helt nye produksjonsprosesser. Uten disse konstante forskningsresultatene ville kontinuerlig fremgang, for eksempel innen maskinteknikk , bilteknikk , luftfartsindustrien , kjemisk industri , medisinsk teknologi , energiteknologi , miljøvern, etc. være utenkelig. [2]

historisk utvikling

Material- og materialhistorien er mye eldre enn emnet. Fremdriften i kunnskapen ble opprinnelig gjort i den konkrete anvendelsen av materialer i hverdagen. Fra steinalderen til det syvende årtusen f.Kr. ble naturlige materialer som elfenben , huder , huder , skog, bein , bark eller steiner brukt til tekniske formål. På slutten av yngre steinalder ble forskjellige kjemiske og termiske prosesser brukt til å foredle råvarer til mer høyt utviklede materialer (brenning av leire , soling av skinn til skinn ) og smelting av sand til glass . Dette inkluderer også oppfinnelsen og bruk av keramikk . [2]

Som et resultat ble hele epoker av menneskeheten oppkalt etter funnene av de formative materialene: som begynte med kobberalderen med behandling av kobber , gull og sølv og senere også bly og tinn . I bronsealderen fra andre årtusen f.Kr. ble disse stoffene bevisst blandet med andre for å oppnå nye egenskaper: verktøy og våpen laget av en kobber-tinnlegering ble funnet fra denne tiden. I jernalderen , den tredje store perioden av tidlig historie i Europa fra rundt 800 f.Kr. F.Kr., lærte folk å smelte jern og bruke det til å lage verktøy og våpen. Fra den tekniske historien til gruvedrift og metallurgi og håndverkene for metallbearbeiding er det kjent at spesialister fortsatte å forbedre masovner , raffineringsarbeider, hammerfabrikker og til slutt valser . [2]

I lang tid var interessen for forskning nesten utelukkende begrenset til metalliske materialer. Likevel kunne metaller bare undersøkes empirisk til de ble svært industrialiserte i andre halvdel av 1800 -tallet. På midten av 1800 -tallet begynte systematisk forskning på egenskapene til stål , jern eller lettmetaller som aluminium samt keramiske materialer, som begrepet materialvitenskap utviklet seg fra. Funnene muliggjorde utvikling av materialer i henhold til egenskapene som kreves av industrien. Disse er bestemt med materialtesting som en vesentlig del av materialvitenskap. 1900 -tallet ble preget av et stadig økende mangfold av materialer. Den første plasten ble masseprodusert på 1930-tallet. Siden 1950 -tallet, med oppfinnelsen av transistoren, har silisium og andre halvledermaterialer fått betydelig betydning.

Den vitenskapelige disiplinen som omhandler materialer som gjenstand for universitetsutdannelse utviklet på begynnelsen av 1900 -tallet ved tekniske universiteter i metallurgi og metallurgi , materialtesting og ved noen universiteter fra fysikk , kjemi og mineralogi . Det var bare med de analytisk-eksperimentelle undersøkelsesmetodene som dukket opp på den tiden at krystallinske faste stoffer mer eller mindre kunne trenge inn: Slik oppsto moderne metallografi . På samme tid var det nødvendig med mer og mer kraftfulle og samtidig lettere maskiner og enheter for arbeidsprosesser. Derfor begynte designteorien å være interessert i mulighetene for nye materialer. Disse fagene var lokalisert i industrielle forskningsinstitutter, universiteter, tekniske høyskoler og forskjellige offentlige institusjoner som statlige materialkontrollkontorer, Reichsanstalt (senere Federal Institute) for materialtesting [4] eller Physikalisch-Technische Reichsanstalt (senere Federal Institute) [ 5] . I tillegg var det tekniske og vitenskapelige foreninger som Association of German Metallurgists (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 (grunnlagt i 1919; i dag German Society for Material Science ). [Åttende]

I mellomtiden har begrepene materialvitenskap og materialteknologi etablert seg for disiplinen innen forskning og undervisning (etter materialvitenskap og materialvitenskap ).

Delområder

Fagområdet materialvitenskap og teknologi består av en rekke material- og materialklasser, som hver har fått stor betydning både i forskning og utvikling så vel som i applikasjon. Det er forskjellige måter å klassifisere material- og materialklassene på. Den tradisjonelle inndelingen i glass / keramikk, metaller og polymerer er stort sett foreldet.

En mulighet for klassifisering i henhold til gjeldende status er:

En vanlig klassifisering er gjort til byggematerialer , hvis mekaniske egenskaper er i forgrunnen, og funksjonelle materialer , der hovedsakelig andre fysisk-kjemiske (f.eks. Elektriske, termiske, optiske, magnetiske) egenskaper brukes. I tillegg har det nylig vært materielle og materielle klassifiseringer som kategoriserer bruk av funksjon som eiendom.

Eksempler er:

Eiendommen til et materiale eller materiale bestemmes ikke bare av dets kjemiske sammensetning, men også av strukturering på alle størrelsesskalaer.

Eksempler er:

Forskningstemaer

Materialvitenskap

I materialvitenskap bygger forskningstemaene på kunnskap som allerede er utviklet om vitenskapelige fenomener og plasserer den grunnleggende vitenskapelige forskningen som foreslås der, i en kontekst av mulige anvendelser. Det går vesentlig utover å få kunnskap om grunnleggende fysiske eller kjemiske fenomener.

Temaer om termodynamikk og kinetikk er også av vidtrekkende betydning for materialteknikk. Dette inkluderer termodynamiske og kinetiske prinsipper for ingeniørrelevante materialer, for eksempel utvikling av fasediagrammer , undersøkelse av diffusjonsprosesser eller egenskapene til korngrenser . Et materialvitenskapelig forskningsfelt som er preget av stort mangfold er feltet funksjonelle materialer, hvis magnetiske , elektriske eller optiske egenskaper er nært knyttet til strukturen og spesifikke produksjonsprosesser.

På mikro- og nanoskala er imidlertid fokus også på mikrostrukturelle mekaniske egenskaper til materialer, som har betydelige effekter på den makroskopiske oppførselen til en komponent og dermed representerer en viktig kobling mellom materialvitenskap og materialteknologi. Materialets essensielle egenskaper oppnås gjennom strukturering og funksjonalisering av grensesnitt og overflater. Selv innen ingeniørforskning påvirker dette nanoskalaen og til og med størrelsesordenen til noen få atomlag. Dette gjelder i betydelig grad også temaområdet knyttet til biomaterialer. Dette inkluderer syntetiske materialer eller materialer som kan brukes i medisin for terapeutiske eller diagnostiske formål. Materialvitenskap inkluderer cellebiologiske undersøkelser for biokompatibilitet eller den kliniske testen som er direkte nødvendig for forskning på biomaterialer, men uten først og fremst å ta for seg aspekter ved biofysikk . [2]

Materialteknikk

Typiske emner innen materialteknologi skiller seg fra prosess- eller produksjonsaspekter ved at de tydelig fokuserer på den faktiske utviklingen av forbedrede eller nye materialer. Med metallurgisk , termisk og termomekanisk behandling av materialer inkluderer dette alle aspekter ved varmebehandling i materialteknologi i smeltet eller størknet tilstand, men også klassisk legeringsforskning og ulike aspekter ved resirkulering med henvisning til materialteknologi-metallurgiske spørsmål. Når det gjelder sintring som produksjonsvei for materialer, vurderes et bredt spekter av forsknings- og utviklingsemner knyttet til de to dominerende materialklassene av keramiske og metalliske materialer. I det brede felt av komposittmaterialer, spekteret av emner varierer fra materialer med et metallisk, keramisk og polymergrunnmassen til forsterkning ved hjelp av partikler , korte fibre eller lange fibre herunder karbonfiberarmert plast .

De mekaniske egenskapene spiller en dominerende rolle i konstruksjonsmaterialer og representerer et ytterligere fagområde. Disse inkluderer materiell-mekaniske problemstillinger på makroskalaen, inkludert termomekanisk belastning, og fagområdet tribologi . Til slutt er de materialrelaterte aspektene ved belegg eller modifikasjon av overflater, inkludert materialrelatert korrosjonsforskning , oppsummert under begrepet belegg og overflateteknologi .

jobbprofil

På grunn av det brede utvalget av emner og de mange mulighetene for å koble seg til andre disipliner, tilbyr materialvitenskap og materialteknologi mange karrieremuligheter i privat sektor, i forskningsinstitutter, ved universiteter, tekniske overvåkingsinstitutter og i offentlig tjeneste , for eksempel i materialtestingskontorer. Aktivitetsområdene i industrien omfatter alle områder fra utvinning og foredling til produksjon og prosessering til resirkulering av materialer. Dette inkluderer mange aktiviteter innen forskning og utvikling, simulering og modellering, design og beregning, produksjon og prosessering samt i kvalitetssikring, skadesanalyse og driftsovervåking. [2]

Industriene som er involvert inkluderer materialproduksjons- og behandlingsindustrien, maskinteknikk , bilindustrien , romfart, plastindustri, kjemisk industri , elektrisk industri , energiteknologi , mikroelektronikk , medisinsk teknologi og miljøvern .

Lærlingeplasser

Det er mange opplæringsyrker (lærlingyrker) for å arbeide innen materialvitenskap og teknologi, inkludert:

studere

I Tyskland kan du studere materialvitenskap og teknologi ved over 37 universiteter. På grunn av emnets høye tverrfaglige natur, er det:

  • Uavhengige tverrfaglige kurs i materialvitenskap og teknologi (eller materialvitenskap)
  • Naturvitenskapelige kurs med fordypninger i materialvitenskap
  • Ingeniørkurs med spesialiseringer i materialvitenskap og materialteknologi

I begynnelsen av kurset er fokuset vanligvis på grunnopplæring i matematikk, naturvitenskap og ingeniørfag. Disse inkluderer spesielt uorganisk kjemi og fysisk kjemi , fysikk (spesielt eksperimentell fysikk ), faststoffkjemi , høyere matematikk , måleteknologi , teknisk mekanikk og termodynamikk .

Etterpå utvides og utdypes vanligvis kunnskapen om de teoretiske, eksperimentelle og teknologiske aspektene ved de enkelte materialgruppene. Dette inkluderer strukturen til materialene, produksjon og prosessering, materialtesting og karakterisering, modellering, simulering og komponent- og systematferd. Strukturelle eiendomsforhold eller termodynamikk og kinetikk, materialvalg og anvendelse. Ikke-tekniske enheter, for eksempel om grunnleggende økonomi eller prosjektorganisasjon , men også teknisk engelsk samt ekskursjoner , studieprosjekter og industrielle praksisplasser fullfører opplæringen. [9]

Forskningsinstitusjoner

Tyskland

Forskningsinstitusjoner som arbeider med materialvitenskap:

Universiteter og høyskoler

Andre forskningsinstitutter

Østerrike

Sveits

BV MatWerk

Federal Association of Materials Science and Technology e. V. (BV MatWerk) er sammenslåingen av foreninger og sammenslutninger av materialvitenskap og teknologi i Tyskland (BV MatWerk). Internettportalen til Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap forener alle relevante internetttilstedeværelser på instituttet under ett tak. [54] [55]

Se også

Portal: Materials - Oversikt over Wikipedia -innhold om materialer

litteratur

  • Gustav ER Schulze : Metallfysikk. En lærebok . Akademie-Verlag, Berlin 1967, (2., revidert utgave. Springer, Wien et al. 1974).
  • Hartmut Worch, Wolfgang Pompe, Werner Schatt : Materialvitenskap. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2011, ISBN 978-3-527-32323-4 .
  • Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner: Materialer Struktur og egenskaper til keramikk, metall, polymer og komposittmaterialer. Springer-Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-71857-4 .
  • Wolfgang Bergmann: Materialteknologi 1 Grunnleggende. Hanser Fachbuchverlag, München 2008, ISBN 978-3-446-41338-2 .
  • Olaf Jacobs: Materialvitenskap. Vogel Buchverlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3152-X .
  • Markus J. Buehler, Huajan Gao: Datasimuleringer i materialforskning. I: Naturwissenschaftliche Rundschau. 57, nr. 11, 2004, ISSN 0028-1050 , s. 593-601.
  • James F. Shackelford: Materialteknologi for ingeniører, grunnleggende - prosesser - applikasjoner. Pearson Studium, München 2007, ISBN 978-3-8273-7303-8 .
  • Klaus Hentschel : Fra materialforskning til materialvitenskap . I: Klaus Hentschel, Carsten Reinhardt (Hrsg.): Om materialforskningens historie. Spesialnummer fra NTM. 19, 1, 2011, s. 5-40.
  • Karl Heinz Beelich, Otto H. Jacobs: Eksamenstrener materialvitenskap. CD ROM. Vogel Buchverlag, Würzburg 2012, ISBN 978-3-8343-3274-5 .

weblenker

Wikibooks: Material science metal - lærings- og undervisningsmateriell

Individuelle bevis

  1. ^ Hartmut Worch, Wolfgang Pompe, Werner Schatt: Materialvitenskap. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-3-527-32323-4 .
  2. a b c d e f Definisjonsoppgave fra German Research Foundation for Materials Science and Technology (DFG), se www.dfg.de
  3. Holger Jens Schnell (red.): Materialvitenskap og materialteknologi i Tyskland. Anbefalinger om profilering, undervisning og forskning. (= acatech inntar posisjon nr. 3). Stuttgart 2008, ISBN 978-3-8167-7913-1 . ( www.acatech.de ( Memento fra 1. september 2012 i Internettarkivet ))
  4. www.bam.de
  5. www.ptb.de
  6. www.vdeh.de
  7. www.gdmb.de
  8. dgm.de
  9. stmw.de
  10. Materialwissenschaften studieren - Master Materials Science and Engineering - FH Münster. Abgerufen am 11. Februar 2021 .
  11. RWTH Aachen – Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
  12. Hochschule Aalen - Studienangebote der Fakultät Maschinenbau und Werkstofftechnik. Abgerufen am 9. Juli 2019 .
  13. Universität Augsburg – Institut für Physik
  14. TH Aschaffenburg: Forschunsgbereich Materials. Abgerufen am 8. Februar 2021 .
  15. Universität Bayreuth – Fakultät für Ingenieurwissenschaften
  16. Technische Universität Berlin – Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien
  17. Universität Bremen - Fachbereich Produktionstechnik - Maschinenbau und Verfahrenstechnik
  18. Technische Universität Clausthal – Institutsübersicht
  19. Technische Universität Darmstadt – Fachbereich Materialwissenschaften
  20. Technische Universität Dortmund - Lehrstuhl für Werkstofftechnologie
  21. Technische Universität Dresden – Institut für Werkstoffwissenschaft
  22. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg – Department Werkstoffwissenschaften
  23. Technische Universität Bergakademie Freiberg – Fakultät für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie
  24. Forschungsinstitute. Hochschule Furtwangen , abgerufen am 18. Mai 2016 .
  25. Georg-August-Universität Göttingen
  26. Technische Universität Hamburg – Institut für Werkstoffphysik und Werkstofftechnologie
  27. Technische Universität Hamburg
  28. IW - Das IW. Abgerufen am 16. November 2018 .
  29. Fakultät für Maschinenbau - Faculty of Mechanical Engineering. Abgerufen am 16. November 2018 .
  30. tu-ilmenau.de
  31. Friedrich-Schiller-Universität Jena – Otto-Schott-Institut für Materialforschung
  32. Felder von Forschung und Entwicklung. (PDF) Ernst-Abbe-Hochschule Jena , abgerufen am 18. Mai 2016 . (PDF; 40 kB)
  33. Karlsruher Institut für Technologie
  34. AMPA (Amtliche Materialprüfanstalt): Startseite. In: www.uni-kassel.de. Abgerufen am 16. März 2016 .
  35. Institut für Werkstofftechnik: Institut für Werkstofftechnik. In: www.uni-kassel.de. Abgerufen am 16. März 2016 .
  36. tf.uni-kiel.de
  37. Fachrichtung Werkstofftechnick Glas und Keramik -. Hochschule Koblenz , abgerufen am 16. Dezember 2015 .
  38. Baustofflabor - TH Köln. Abgerufen am 17. Juli 2018 .
  39. Kompetenzzentrum Leichtbau (LLK). Hochschule Landshut , abgerufen am 18. Mai 2016 .
  40. Leichtbau-Cluster. Hochschule Landshut , abgerufen am 18. Mai 2016 .
  41. OvGU - IWF - Institut für Werkstoff- und Fügetechnik. Abgerufen am 23. Mai 2017 .
  42. WZMW – Philipps-Universität Marburg
  43. Fakultät Werkstofftechnik. Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm , abgerufen am 24. August 2014 .
  44. Forschungsschwerpunkt Innovative Materialien und Werkstofftechnologien. Hochschule Osnabrück , abgerufen am 18. Mai 2016 .
  45. Fakultät Maschinenbau. Universität Paderborn , abgerufen am 3. August 2016 .
  46. Fachrichtung 8.4 – Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. (Nicht mehr online verfügbar.) Universität des Saarlandes , archiviert vom Original am 10. Mai 2016 ; abgerufen am 18. Mai 2016 .
  47. L. Hackel: Materialwissenschaft & Werkstofftechnik. Abgerufen am 18. Februar 2021 .
  48. Institut für Materialwissenschaft | Universität Stuttgart. Abgerufen am 20. Juli 2020 .
  49. Institut für Oberflächen- und Dünnschichttechnik. Hochschule Wismar , abgerufen am 20. November 2014 .
  50. Deutsch. Abgerufen am 30. Januar 2018 .
  51. Startseite: IVW : Institut für Verbundwerkstoffe GmbH Kaiserslautern. Abgerufen am 10. Mai 2019 .
  52. DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien eV
  53. MFPA an der Bauhaus-Universität Weimar - MFPA. Abgerufen am 27. April 2017 .
  54. matwerk.de
  55. matwerk.org