Neue Werkstoffe

Neue Werkstoffe werden permanent mit großem Aufwand entwickelt. Ihre Übernahme in die Produktion scheiterte bisher oft an der Frage, wer die Entwicklungskosten trägt. Bei vielen Werkstoffen reizt es kein Industrieunternehmen, die Stoffe in der Produktion zu verwenden, weil sie kostentreibend wirken. Das soll sich nun ändern. Mit mehr staatlicher Förderung und besserer Zusammenarbeit zwischen Forschung, kleinen und mittleren Unternehmen als Spezialisten der Entwicklung und der Großindustrie sollen Aufwand und Erträge besser verteilt werden.

Einige Beispiele für Entwicklungsrichtungen, Methoden und Werkstoffe, denen in Zukunft noch größere Bedeutung zukommt:

1. Nanotechnologie
Hier geht es um Oberflächeneigenschaften von Materialien, die aus Einzelatomen und Strukturen bis zu einer Größe von 100 Nanometern (nm) bestehen. Es wird möglich, Stoffe Atom für Atom so aufzubauen, dass ihre Struktur einen bestimmten Anwendungszweck erfüllt. Mit
Hilfe von Nano-Strukturen können zum Beispiel ultradünne Schichten mit sehr großer Oberfläche aufgebaut werden. Funktionen wie Selbstreinigung von Oberflächen sind heute schon Ergebnisse der Nanotechnologie. Auch in der IKT werden die Nano-Dimensionen in den nächsten Jahren eine herausragende Rolle spielen.

2. Bionik oder Biomimetik
In der Bionik werden für technische Probleme gezielt Lösungen in der Natur gesucht. Natürliche Phänomene werden analog in technische Lösungen übersetzt. So geschehen mit dem Beispiel der
Riblet-Folien: Bei schnell schwimmenden Haien besteht die Hautoberfläche aus kleinen, dicht aneinander liegenden Schuppen. Diese Schuppen sind mit scharfkantigen feinen Rillen besetzt, parallel zur Strömung ausgerichtet. Sie bewirken einen geringeren Reibungswiderstand. Dieser Effekt gilt in allen turbulenten Strömungen. Deshalb werden teilweise schon Flugzeuge mit einer Folie beklebt, die auf ihrer Oberseite über eine Hai-Struktur verfügt und so den Luftwiderstand des Flugzeugs senkt.

3. Computational Materials Science
Materialien werden künstlich am Rechner entwickelt. Wie sie hergestellt und verarbeitet werden, sogar wie sie sich später in Bauteilen und in der Anwendung verhalten, wird am Computer simuliert.

4. Selbstorganisierendes Konstruktionsprinzip
Noch nicht über die Grundlagenforschung hinaus gekommen, gibt dieses Prinzip jedoch dem 21. Jahrhundert eine Aussicht auf großartige Umwälzungen in der Technik. Den Weg zu aus der Natur bekannten, sich selbst organisierenden Systemen weist die supramolekulare Chemie, die aus organischen und anorganischen molekularen Einheiten Riesenmoleküle entwirft. Deren Strukturelemente organisieren sich dann unter bestimmten Bedingungen zu größeren Systemen mit spezifischen und wiederholbaren Funktionen.

5. Keramik
Keramische Werkstoffe aus unterschiedlichen Grundmaterialien als Oxide, Nicht-Oxide, Silikate etc. weisen je nach Art der Sinterung und Bearbeitung unterschiedliche Materialeigenschaften auf. War der Einsatz keramischer Werkstoffe in der Vergangenheit durch geringe Bruchfestigkeit begrenzt, so sind in den letzten Jahren durch keramische Faserverbundwerkstoffe und PZT-Keramiken die Anwendungsmöglichkeiten gewachsen. Zum Beispiel in der Raumfahrt, in Hochleistungsfahrzeugen oder Industrie-Wälzlagern. Hohe Festigkeit, geringes Gewicht und enorme Hitzebeständigkeit sind nur einige der Eigenschaften, die keramische Werkstoffe auszeichnen.

6. Intermetallics
Neue intermetallische Legierungen werden entwickelt, um leichtere Bauweisen und Einsatz im Hochtemperaturbereich zu ermöglichen. Sie sollen Vorteile keramischer und metallischer Werkstoffe vereinigen, müssen extrem fest, dabei trotzdem verformbar und zäh sein. Basis sind Titan und Aluminium.

7. Metall-Verbundwerkstoffe
Metall-Kunststoff-Verbunde und kohlefaserverstärkte Bauteile werden schon heute in großem Stil im Flugzeugbau eingesetzt. Sie reduzieren das Gesamtgewicht erheblich. Innovative Leichtbauwerkstoffe gewinnen in der gesamten Industrie an Bedeutung. Geforscht wird zurzeit über Verbundwerkstoffen aus mehreren Materialien mit multifunktionalen Eigenschaften.

8. Hybrid-Werkstoffe
Das Wesen von Hybrid-Werkstoffen ist, dass man verschiedene Matrialien miteinander zu einem Bauteil verfügt und dann über die teilweise sehr gegensätzlichen Eigenschaften neue Funktionen integriert. Metalle und Kunststoffe werden heute schon in der Automobilindustrie verfügt.

9. Intelligente Werkstoffe
Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie selbstständig auf äußere Einflüsse wie Temperaturänderung oder Lichtwechsel reagieren, um damit ohne weitere Ansteuerung eine Aktion auszulösen. Zu den intelligenten Werkstoffen, die bisher nur in geringem Umfang genutzt werden, gehören Piezo-Keramiken, Formgedächtnislegierungen, magnetostriktive Werkstoffe, aber auch intelligente Flüssigkeiten wie elektrorheologische und magnetorheologische Fluide.

10. Elektromagnetische Funktionswerkstoffe
In der Mikroelektronik und Sensorik, vor allem im Halbleitermarkt, der Automobilindustrie und der Kommunikationstechnik haben sich innerhalb von zehn Jahren Werkstoffe mit besonderen elektronischen und magnetischen Funktionalitäten dynamisch entwickelt. Heutige Material- und Technologiekonzepte stoßen jedoch an ihre physikalischen Grenzen. Chip-Packaging mit intelligenten funktionalen Hüllen, die kühlen, abschirmen und stabilisieren, ist eine der Herausforderungen. Bleifreie Lote, bessere Energieeffizienz, elektromagnetische Verträglichkeit mit anderen technischen Systemen, Produkte der Polymerelektronik und vieles mehr beschäftigen die Materialentwickler der Zukunft sicher auch.

Magnetostriktion

Die Deformation ferromagnetischer Stoffe durch ein angelegtes magnetisches Feld nennt man Magnetostriktion. Dabei ändert sich der Körper bei konstantem Volumen elastisch in der Länge. Bei besonderen Stoffen wie Invar-Legierungen ist auch eine Volumenmagnetostriktion möglich. Dann ändert sich das Volumen.

Magnetorheologisches Fluid (MRF)

Das ist eine Flüssigkeit, die ähnlich wie Ferrofluide auf ein Magnetfeld reagiert, sich aber dabei verfestigt. Der Unterschied zwischen Magnetorheologischen Fluiden und Ferrofluiden besteht in der Art der Reaktion auf ein Magnetfeld. Die relativ großen Teilchen der MRF bilden Ketten, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Das erhöht ihre Viskosität/Zähigkeit und verfestigt sie, wenn eine einwirkende Druckkraft nicht groß genug ist, um die Ketten zu brechen. Im Gegensatz dazu bildet ein Ferrofluid keine Ketten. Die zufällige Bewegung der Teilchen überwiegt die Kraft, die sie zusammenzieht. Der magnetorheologische Effekt beginnt ab einer Teilchengröße von über 10 Nanometern.