Aktuelle Werkstoffe: Neue Materialien für innovative Produkte

159 Pages·2019·7.276 MB·German

by  Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler

Hansgeorg Hofmann
Jürgen Spindler
Aktuelle
Werkstoffe
Neue Materialien für innovative Produkte
Aktuelle Werkstoffe
Hansgeorg Hofmann • Jürgen Spindler
Aktuelle Werkstoffe
Neue Materialien für innovative Produkte
Hansgeorg Hofmann Jürgen Spindler
Hochschule Mittweida Hochschule Mittweida
Mittweida, Deutschland Burgstädt, Deutschland
ISBN 978-3-662-59439-1 ISBN 978-3-662-59440-7 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-59440-7
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V
Vorwort
Mit diesem Kompendium möchten wir Ingenieure und technikinteressierte Leser über-
zeugen, dass es möglich ist, mit naturwissenschaftlichen Grundlagenkenntnissen so-
wohl die Entwicklungsrichtung als auch die Eigenschaften neuer Werkstoffe zu verste-
hen. Aktuelle Werkstoffe zeigen besonders deutlich, dass man insbesondere ihre
molekularen und atomaren Strukturen nutzen muss, um ihr Eigenschaftsreservoir aus-
zuschöpfen. Es gilt nicht nur, diese Ergebnisse zu akzeptieren und anzuwenden, sondern
auch, deren Ursachen zu verstehen.
Ausgehend von den Anwendungsgebieten stellen wir neue Werkstoffe vor und beschrei-
ben deren Eigenschaften. Darüber hinaus zeigen wir die theoretischen Hintergründe
auf. Dazu sind in einem Glossar jeweils einzelne Sachverhalte aus chemischer und phy-
sikalischer Sicht dargestellt.
Als grundsätzliche Eigenschaften betrachten wir das Verhalten der Werkstoffe bei me-
chanischer Belastung und chemischer Wechselwirkung, ihr Verhalten im elektrischen
und magnetischen Feld sowie ihre Beeinflussbarkeit durch Temperaturänderungen.
Wir tun das, indem wir darstellen, gegenüberstellen und vergleichen.
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ................................................................................................................................................ 1
Literatur ..................................................................................................................................................... 4
2 Anwendungsgebiete neuer Werkstoffe .................................................................................... 5
2.1 Energietechnik/Elektrotechnik ........................................................................................................ 7
2.1.1 Energiewandlung ................................................................................................................................... 7
2.1.2 E nergiespeicherung .............................................................................................................................. 18
2.1.3 E nergieverteilung – Netz ..................................................................................................................... 23
2.1.4 Elektromobilität ...................................................................................................................................... 25
2.1.5 K ernaussagen .......................................................................................................................................... 27
2.2 Sensoren und Aktoren ........................................................................................................................ 29
2.2.1 S ensoren ................................................................................................................................................... 29
2.2.2 A ktoren...................................................................................................................................................... 30
2.2.3 Kernaussagen .......................................................................................................................................... 41
2.3 Informationstechnik ............................................................................................................................ 41
2.3.1 Werkstoffe für Speicher ........................................................................................................................ 42
2.3.2 W erkstoffe für Anzeigen ...................................................................................................................... 44
2.3.3 M olekularelektronik .............................................................................................................................. 54
2.3.4 L ichtwellenleiter .................................................................................................................................... 56
2.3.5 K ernaussagen .......................................................................................................................................... 59
2.4 Fertigungstechnik ................................................................................................................................ 59
2.4.1 W erkstoffe zum Trennen ...................................................................................................................... 60
2.4.2 N eue Werkstoffe in der Beschichtungs- und Oberflächentechnik ......................................... 64
2.4.3 W erkstoffe und Verfahren in der Fügetechnik .............................................................................. 65
2.4.4 W erkstoffe für die additive Fertigung ............................................................................................. 67
2.4.5 K ernaussagen .......................................................................................................................................... 68
2.5 Transport- und Verkehrstechnik ..................................................................................................... 68
2.5.1 A utomobilbau ......................................................................................................................................... 69
2.5.2 L uft- und Raumfahrt ............................................................................................................................. 78
2.5.3 S chienenfahrzeuge ............................................................................................................................... 85
2.5.4 S chiffbau ................................................................................................................................................... 89
2.5.5 K ernaussagen .......................................................................................................................................... 92
2.6 Architektur und Bau ............................................................................................................................ 92
2.6.1 A nwendungsfälle ................................................................................................................................... 93
2.6.2 Nachwachsende Baustoffe.................................................................................................................. 97
2.6.3 Baustoffrecycling ................................................................................................................................... 99
2.6.4 K ernaussagen ..........................................................................................................................................102
2.7 Neue Werkstoffe in der Medizin ......................................................................................................102
2.7.1 M edizinprodukte ...................................................................................................................................103
2.7.2 F allbeispiele .............................................................................................................................................104
2.7.3 Kernaussagen ..........................................................................................................................................110
2.8 Zusammenfassung ...............................................................................................................................112
Literatur ....................................................................................................................................................113
V III Inhaltsverzeichnis
3 Neue Rohstoffquellen ......................................................................................................................119
3.1 Biomasse ..................................................................................................................................................120
3.2 Recycling ..................................................................................................................................................121
3.2.1 S toffliches Recycling .............................................................................................................................121
3.2.2 E nergetisches Recycling ......................................................................................................................125
3.3 Zusammenfassung ...............................................................................................................................125
Literatur ....................................................................................................................................................127
4 Ausblick ...................................................................................................................................................129
Literatur ....................................................................................................................................................132
Glossar......................................................................................................................................................................134
Stichwortverzeichnis ..........................................................................................................................................149
IX
Abkürzungen
ASM Asynchronmaschine GFK glasfaserverstärkte
Kunststoffe
BRAM Brennstoff aus Müll, bzw. GLARE Glasfaserverstärktes
Abfall Aluminium, Hybridwerkstoff
GMR-Effekt G iant-Magnetoresistance-
CAES Druckluftspeicher- Effekt
Gasturbinen- Kraftwerke GP Guinier-Preston-Zone
(nach der englischen
Bezeichnung: Compressed
HGÜ Hochspanungs-Gleichstrom-
Air Energy Storage)
Übertragung
CBN Cubic Boron Nitride
HOMO Highest Occupied Molecular
(kubisches kristallines
Orbital
Borntrid)
HPC High Performance Concrete,
CCS Carbon Dioxide Capture and
( engl. für Hochleistungsbe-
Storage
ton)
CFK Kohlenstofffaserverstärkter
HSC Hochfestbeton
Kunststoff
HTSL Hochtemperatursupraleiter
CMC Ceramic Matrix Composites
HVOF High Velocity Oxy Fuel
CNT Carbon Nano Tubes
spraying
CRT Katodenstrahlröhre
CVD Chemical Vapours Depostion IGBT Insulated Gate Bipolar-Tran-
sistor
DMS Dehnungsmessstreifen IRED Infrarot emittierende
DRAM Dynamischer RAM Dioden
ITO Indium-Zinn-Oxid
EBPVD Eletron Beam Physical
Vapour Deposition LC Liquid crystal (Flüssigkristall)
ECA Elektrochemische Aktoren LCD Liquid Crystal Display
EEG Erneuerbare Energien LCP Liquid crystal polymer
Gesetz (Flüsigkristallines Polymer)
EMV Elektromagnetische LED Light Emitting Diode
Verträglichkeit
LLK Lichtleitkabel
ERF Elektrorheolgische
LOM Laminated Object Modeling
Flüssigkeit
LUMO Lowest Unoccupied
ESG Einscheiben-Sicherheitsglas
Molecular Orbital
LWL Lichtwellenleiter
FAA Federal Aviation Administra-
tion
MAG Metall-Aktivgas-Schweißen
FDM Fused Deposition Modeling
MIG Metall-Inertgas-Schweißen
FED Feldemissionsbildschirm
MKD Monokristaliner Diamant
FeRAM, FRAM Ferroelektrischer RAM
MMC Metal Matrix Composites
FET Feldeffekttransistor
MOSFET M etalloxid Feldeffekt
FGL Formgedächtnislegierungen
Transistor
FVK faserverstärkten Kunststoffen
MRAM magnetische RAM
X Abkürzungen
MRAM Magnetischer RAM PMN Blei-Magnesium -Niobat
MRF Magneto-Rheologi- PT Bleititanat
sche-Flüssigkeit PTC Widerstand mit positiven
MTJ-Technologie M agnetic Tunnel Junction Temperaturkoeffizient
(Thermistor)
NTC Widerstand mit negativem PVD Physical Vapour Deposition
Temperaturkoeffizient PVDF Polyvinilydendifluorid
(Thermistor)
PZT Blei-Zirkonat-Titanat
OEM Original Equipment
RAM Random Access Memories
Manufacturer
ReRAM Resistive RAM
OLED Organic Light Emitting
Diodes RME Rapsöl-Methylester
RTM-Prozess Resin Transfer Molding
PC Polycarbonat
PCBN Polykristallines kubisches SME Shape Memory Effekt
Bornitrid SMES Supraleitende-Magneti-
PCM Phase Charge Materials sche-Energie-Speicher
PDP Plasmabildschirm SPS Sandwich-Plate-System
PEM Protonen Exchange SRAM Statischer RAM
Membrane STT (MRAM) Spin Transfer Torque RAM
PFRAM Polymer Ferroelectric RAM
PKD Polykristalliner Diamant TCP-Phasen Topologicaly Closed Packed
Phases
PKD Polykristalliner Diamant
TFT-Display Thin Film Transitor Anzeige
PLZT Blei-Lanthan-Zirkon-Tianat
TGS Triglycinsulfat
PM Permanentmagnet-Syn-
chronmotor T-RTM-Prozess T hermoplast-Resin Transfer
Molding
PMA Pyromechanische Aktoren
TVG Thermisch Vorgespantes Glas
PMMA Polymethylmethacrylat
1
1
Einleitung
Literatur 4
© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019
H. Hofmann, J. Spindler, Aktuelle Werkstoffe, https://doi.org/10.1007/978-3-662-59440-7_1