B.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen · Atomare Bindung Kristallgitter Gefüge Versuchsprobe Bauteil...

B.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen

Prof. Dr. habil.

Günter Tovar

Vertiefung Material

20.01.2016 Universität Stuttgart 2

Materialwissenschaft

(Materials Science)

… was ist das?


Bauteil Atomare Bindung Versuchsprobe Gefüge Kristallgitter

z.B. Ventil Atombindung z.B. Diamant z.B. Biegeprobe z.B. Siliziumnitrid z.B. Siliziumnitrid

Ionenbindung z.B. Aluminiumoxid

10 -10 m 10 -8 m 10 -6 m 10 -4 m 10 -2 m 10 0 m

Naturwissenschaft

O 2- Al 3+

Ingenieurwissenschaft


Ingenieurwesen

Chemie Physik


-10000 -5000 0 1000 1500 1800 1900 1920 1940 1960 1980 20001990

rela

tive B

ede

utu

ng

-10000 -5000 0 1000 1500 1800 1900 1920 1940 1960 1980 20001990

Gold Kupfer Bronze

Stähle

EisenGußeisen

legierte

Stähle

Leichtmetall-

legierungen

Superlegierungen

Zr

Al

Ti

metallische

Gläser

Al-Li-Legierungen

mikrolegierte Stähle

neue Superlegierungen

Holz

Häute

Fasern Papier

Gummi

Bakelit

Nylon PE. PMMAPP. PS. PC.

EpoxyPolyester

steife Polymere

Hochtemperatur-Polymere

leitendePolymere

Stroh-ZiegelKnochen

GFRPCFRP

MMCCMC

Feuerstein

Stein Ton

Glas Zement/

Mörtel

Quarzglas Hartmetall Al2O3Si3N4

PSZ

Met a l le

Polym ere

Verbunde

Keram ik en

Entwicklung der Materialwissenschaft

Then and now!

Strukturmaterialien (Leichtbau)

Beispiel: Flugzeugturbine (T = 800 – 1000°C)

Hochtemperaturanwendung

Technologie: Weiterentwicklung/Optimierung Forschung

Hochtemperaturanwendung

Energieproblematik (Direkte Stromerzeugung durch Wärme)

p p p p n n n n

cold

hot Electr. current

n p n p

RL

e- + e-

e- e-

e-

e- e- e-

e- e-

e- e- + + e- e- + +

Thermoelektrische Generatoren:

Voyager

Energieproblematik (Funktionsmaterialien/Speicherung)

Problem:

niedrige Energiedichte

langsame Ladegeschwindigkeit

Anwendung:

Lösung:

Elektroden ohne Träger-

material

Bioinspiration:

Perlmutt


Solid state reactions in

core-shell nanowires

Substrate holder

Ti wires for hydrogen storage

Glancing angle

incidence in

sputtering


Funktionsmaterialien (Mikro/Nano-Technologie)

AMD-Prozessor 8. Generation Cu-Chip von IBM MEMX MEMS-Aktuator

Wechselstrom-Ermüdung,

R. Mönig MPI Stuttgart

SAW-Ermüdung,

C.Eberl MPI Stuttgart

Lambdarouter® Lucent

Technologies

needle pin

APT sample

100 nm

0.15 m

3D analysis in single

atom sensitivity

tip-

shaped

sample

2D single ion detector

e.g. thermal

degradation of a metallic

multilayer(GMR sensor)

Untersuchungsmethoden

Strukturmaterialien (Bruchzähe Keramik)

Keramiken müssen nicht spröde sein:

Optimierung der Mikrostruktur führt zur Erhöhung der Bruchzähigkeit

z.B: Siliciumnitridkristalle (Si3N4) in Glasphase aus Aluminium- und Yttriumoxid

Glasphase aus Al2O3 und Y2O3

Si3N4-Kristalle

Funktionsmaterialien (Haftsysteme)

Fliegenfuß

Polymerstruktur

Medizintechnik/Implantatwerkstoffe

Mega Bio Nano

Materialwissenschaftler –

Forscher/Ingenieure für alle Fälle

21

Ressourcenschonung mit Kunststoffen

Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten

Kunststoffe / Polymere in der Brennstoffzellentechnik

22

Biokunststoffe


Beispiel: Nutzung in der Landwirtschaft

[Bilder: FKuR Kunststoff GmbH und deren Kunden, European Bioplastics]

23

Herkunft der Monomere


Herstellung biobasierter Polymere

Stärke, Lignin,

Naturkautschuk,

Cellulose

Chitin,

Kasein,

Spinnenseide

Milchsäure-

bakterium:

→ LA

Bakterium Aeromonas

hydrophila: → PHA Bioethanol → Bio-PE

Rizinusöl → Bio-PA

24

Biokunststoffe in unterschiedlichsten Anwendungen

Biopolymere und Biokunststoffe


Nachhaltigkeit mit Zukunftspotenzial

[Quelle: European Bioplastics, IfBB, nova-Institut, 2015]

27

Selektives Lasersintern


Beispiel komplexes Bauteil

28



Auspacken der Bauteile aus dem Pulverkuchen

Bildquellen: www.ktechnik.de

29



Individualität trotz Massenfertigung

Bildquelle: Kegelmann Technik

30

Ressourcenschonung mit Kunststoffen


Energieeinsparung durch Leichtbau

CFK: ca. 50 % leichter als herkömmliche Bauweise

[Quelle: BMW Group] i3 und i8

Kohlenstofffaser-Monocoque Porsche 918

Spyder

[Quelle: Kunststoffe, Porsche]

31

Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung

Institut für Textil- und Fasertechnologien

32

Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung

Europas größte Textilforschungseinrichtung

gegründet 1921, Stiftung des öffentlichen Rechts

3 Forschungseinrichtungen, 1 Produktionsgesellschaft (ITVP)

Anwendungsorientierte Forschung vom Molekül bis zum Produkt auf 25.000 m2

Forschung mit industriellen Pilotanlagen, Fokus Technische Textilien und Life Science

Anbindung an Uni Stuttgart und Hochschule Reutlingen über 3 Lehrstühle und 2 Professuren

33

Einsatzgebiete von Textilien

Bekleidung

- Oberbekleidung

- Unterbekleidung

- Sportbekleidung

Technische Textilien

- Automobiltextilien

- Geotextilien

- Textilien für Umweltschutz

- Schutzbekleidung

- Outdoor-Textilien

- Medizin-Textilien

- Faserverbundwerkstoffe

- Bautextilien

- Textilien für Biomedizin

Heimtextilien

- Teppiche, Bodenbeläge

- Vorhänge

- Möbelstoffe

- Bettwäsche

usw.

34

Faserbasierte Produktenwicklungen

34

Kostengünstige Carbonfasern aus

nachwachsenden Rohstoffen Energieunabhängiges Gebäude mit

flexiblen solarthermischen

3D-Textilkollektoren

Endkonturnahe 3D-Textilien

für Faserverbundbauteile

35

Textilien für die Medizin

Schläuche

- Gefäßprothesen

- Trachea, Oesophagus

Wundheilung

Verbandsmaterial

Nahtmaterial

Trägermaterialien

Tissue Engineering

Drug Delivery

Verstärkung

Osteosynthese

Sehnen

Herniennetze

Separation Dura

Patches

Occluder

Diagnostische

Systeme

Smart Textiles

36

Die Zukunft ist Textil

Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und

Plasmatechnologie

Technik, Wissen

und Bildung für

den Menschen

© Fraunhofer IGB

Universität Stuttgart – Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 38

Biologisch-medizinische Grenzflächen

Chemisch-physikalische Grenzflächen

Grenzflächenverfahrenstechnische Prozesse

Plasmatechnologie

Mikrowellentechnologie

Plasmadynamik und -diagnostik

Forschungsbereiche des IGVP

© Fraunhofer IGB


Chemisch-physikalische Grenzflächen Kompositmaterialien, Hybridmaterialien, auch in ionischen

Flüssigkeiten

Biomaterialien und Nanobiomaterialien und die Interaktion mit Zellen

Nano- und mikrostrukturierte (bio-)funktionale Oberflächen

Biomimetische Funktionsschichten für Medizin und Biotechnik

Kern-Schale-Nano- und Mikropartikel, insbesondere mit biomimetischer Schale

Verfahren zur Dispersion von Nanomaterialien

Aufbau von künstlichen Geweben (Bioprinting)

3D Tissue Engineering

Aufbau vaskularisierter Gewebe

Gewebespezifische Bioreaktorentwicklung

Isotherme Durchflusskalorimetrie

© Fraunhofer IGB


Di- und tetrafunktionelle Quervernetzer auf Basis von Pyridin, vergleichbar mit Desmosin

Wasserlösliche und seitengruppen-funktionalisierte Polymerrückgrate auf Basis von PEG

Mechanische Eigenschaften einstellbar über…

Vernetzungsgrad

Wahl von Polymer und Vernetzer

Quellvermögen

Laufzeit: 08/2009 – 07/2012

SynElast – Desmosin- und Elastin-Mimetika

Elastinmimetika

Synthetisches Polymer

Desmosinmimetikum

Wasserlöslichkeit

Funktionelle Gruppen für

Quervernetzung


• Identifizierung von Biomarkern

• Enzym- und Mikroorganismen-Screening

• Microarray-Technologien für Diagnostik und

biomedizinische Forschung

• Wechselwirkungen von Mikroorganismen mit

Oberflächen

• Wirt-Pathogen-Interaktionen (Viren, Bakterien, Pilze)

• Virus-basierte Therapien

• Synthetische Biologie

• Entwicklung von zellbasierten Assays und

3D Gewebemodellen

• Zellfreie Proteinsynthese

Biologisch-medizinische Grenzflächen


• Fungal Yeast Identification FYI-Chip

• Komplette Analyse im Minilabor anvisiert,

Größe 25 mm x 75 mm

• Nachweis aller klinisch relevanten

Hefe- und Schimmelpilzerreger

• Nachweis relevanter Resistenzen

Forschungsschwerpunkte IGVP:

• Entwicklung diagnostischer DNA-

Microarrays für Lab-on-Chip-Systeme

Microarraytechnologien und Diagnostik –

»Komplettes Labor auf wenigen Quadratzentimetern«


• Entwurf und Entwicklung linear ausgedehnter und

großflächiger Plasmaquellen bei Nieder- und

Atmosphärendruck

• Mikroplasmen

• Plasmabeschichtung und Oberflächenfunktionalisierung

• Plasmadiagnostik und Plasmacharakterisierung

• Modellierung und Simulation der Plasmen

• Untersuchungen zur Plasmaphysik und Plasmachemie

• Entwicklung von Plasmaprozessen für industrielle

Anwendungen

Plasmatechnologie


• Atmosphärendruck-Plasmatechnologie

für die Oberflächenbehandlungen und

-beschichtungen

• Minimierung des Gaseinsatzes und Maximierung der

Precursorenausnutzung

Forschungsschwerpunkte IGVP:

• Mikrowellen-Plasmabrennergeometrien

• Modellierung der Mikrowellenfeldverteilungen

• Modellierung des Gasmanagements

• Verdampfung von Partikeln für chemische Hochrateprozesse

Optimierung der Gasausnutzung bei Atmosphärendruck-Plasmaprozessen

© Fraunhofer IGB

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

HERZLICH WILLKOMMEN

© Fraunhofer IGB

Grenzflächentechnologie und Material-wissenschaften

Molekulare Biotechnologie

Physikalische Prozesstechnik

Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik

Zell- und Tissue Engineering

Kernkompetenzen / Abteilungen

Wärme- und Sorptions-prozesse

Elektrophysikalische Prozesse

Komponenten- und Systementwicklung für aseptische Prozesse

Grenzflächen

Partikel

Membranen

Plasmatechnologie

Funktionale Genom-analysen

Infektionsbiologie und Arraytechnologie

Molekulare Zell-technologien

Enzym-, Stamm- und Prozessentwicklung

Bioenergie und Bioprozesstechnik

Algentechnologie

Integriertes Wasser-management

Grenzflächenbiologie und Hygiene

In-vitro-Testsysteme

Zell-Material-Interaktionen, Biomaterialien

Kardiovaskuläres Tissue Engineering

Implantate

Organ-on-a-Chip

© Fraunhofer IGB

Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft

Ultradünne Schichten

Molekular definierte und schaltbare Oberflächen, Molekulares Prägen

Biomimetische und biofunktionale Grenzflächen, Nanobiotechnologie

Nanopartikel, Nanotubes, NANOCYTES®

Organische und anorganische Trennmembranen

Grenzflächenanalytik

Plasmaverfahrenstechnik

© Fraunhofer IGB

Gesundheit Chemie und Prozessindustrie

Umwelt und Energie

Forschungshighlights aus dem Fraunhofer IGB

Anti-Eis-Beschichtung zur Reduzierung der Eishaftung um mehr als 90 %.

Polymere Adsorber-partikel für die selektive Abtrennung oder Aufkonzentrierung.

BioSurf – Neue Produktions-methoden für Biotenside.

Lignocellulose-Bioraffinerie – Erfolgreiche Umsetzung in den Pilotmaßstab.

Toxikomb – Gefahrstoff-detektion in Trinkwasser.

Molecular Sorting – Rückgewinnung von Metallen.

Membran für die Energieumwandlung durch Osmose.

Stärke aus Mikroalgen – Rohstoff zur Herstellung von Biokraftstoffen.

Zellfreie »Off-the-shelf«-Herzklappe aus elektrogesponnenen Fasern.

RIBOLUTION – Plattform zur Identifizierung ncRNA-basierter Diagnostika.

Suche nach Immun-modulatoren mit zellbasiertem TLR-Screening- Assay.

Fraunhofer-Leitprojekt »Zellfreie Bioproduktion«.

Personalisierung

Modifiziert vonhttps://marketingland.com/wp-content/ml-loads/2016/12/EZS_1610_Personlztn-dmd-1920.jpg

Megatrend Personalisierung My X als Instrument zur Kundenbindung und Kostensenkung

Personalisierungstrend wird befeuert durch neue technische Möglichkeiten

In Anlehnung an: The Global Manufacturing Revolution; Quellen: Ford, beetleworld.net, bmw.de, dw.de

Pro

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pro

Va

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z.B. 3D-Druck

z.B. VW Käfer

“People can have the Model T in any colour − so long as it‘s black.“ Henry Ford (1913)

z.B. »Tissue Engineering« (personalisierte Zelltherapeutika)

1850

1913

1955

1980

2000

Massenproduktion

Produktvielfalt

• Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie [69110] 6 LP 3. Sem.

• Einführung Materialwissenschaft II [69100] 6 LP 4. Sem.

• Physikalische Materialeigenschaften [68850] 6 LP 5. Sem.

oder

Strukturanalyse und Materialmikroskopie [68880] 6 LP

• Semesterarbeit 5. Sem.

• Praktikum Materialwissenschaft für Nebenfach-Studierende [69090] 3 LP 6. Sem.

• Bachelorarbeit 6. Sem.

Vertiefung Material [330]

Lernziele:

Die Studierenden

• verstehen an ausgewählten Beispielen die Arbeitsweise und die Konzepte der Physikalischen

Chemie

• können Modelle und Gesetze der Physikalischen Chemie zur Lösung

ingenieurwissenschaftlicher Fragestellungen anwenden

• können physikalisch-chemische Messungen durchführen und deren Ergebnisse mit den

Methoden der Physikalischen Chemie analysieren

Prof. Frank Gießelmann

Institut für Physikalische Chemie

Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie

3. Sem. (WiSe)

Inhalte der Vorlesung „Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie“

• Thermodynamik von Festkörpern

Thermodynamische Potentiale, Flüsse, Kräfte und Suszeptibilitäten, elastische,

elektrische und magnetische Arbeit, thermodynamische Behandlung des elastischen

Festkörpers im elektrischen Feld, Phasenumwandlungen erster und zweiter Ordnung,

kritisches Verhalten, Landau-Regeln

• Dielektrische und optische Eigenschaften

Polarisierbarkeit und Dipolmoment, induzierte Polarisation (inneres Feld, Clausius-

Mosotti-Beziehung, Debye-Gleichung), Dispersion und Absorption (quasielastisch

gebundenes Elektron, Debye-Relaxation, Orientierungs-, Atom- und elektronische

Polarisation, dielektrische Spektroskopie, Kramers-Kronig-Relation), spontane Polarisation

(Piezo-, Pyro- und Ferroelektrika, Landau-Theorie ferroelektrischer

Phasenumwandlungen)

• Grenzflächen und Kolloide

Thermodynamik der Grenzflächen, Oberflächenspannung, Kontaktwinkel und Benetzung,

zweidimensionale Oberflächenfilme, Mizellbildung, kolloiddisperse Systeme, Adsorption

an Festkörperoberflächen (Physi- und Chemisorption, Langmuir-, Freundlich- und BET-

Isothermen, isostere Adsorptionsenthalpie)

Lernziele:

Die Studierenden

• verstehen Konzepte des Aufbaus von Festkörpern sowie deren Eigenschaften

• beherrschen das Lesen und die Anwendung von binären Phasendiagrammen

• können Eigenschaften und Eigenschaftsänderungen in Beziehung zur Konstitution und zu

Phasenumwandlungsvorgängen in behandelten Materialsystemen betrachten und beurteilen

• verstehen grundlegende Mechanismen, welche Materialeigenschaften auf mikrostruktureller

und atomistischer Skala beeinflussen, auf einer phänomenologischen Basis

• Können über Grundbegriffe von Materialeigenschaften u. -herstellung kommunizieren.

Ralf Schacherl

Marc Widenmeyer

Prof. Anke Weidenkaff

Institut für Materialwissenschaft

Einführung Materialwissenschaft II

4. Sem. (SoSe)

Inhalte der Vorlesung „Einführung Materialwissenschaft II“

• Atomarer Transport

Generische Lösungen der Fick‘schen Gleichungen, Ionenleitung, Elektrotransport

• Phasenumwandlungen

homogene Keimbildung, Erstarrungsreaktionen, Ausscheidungsreaktionen, spinodale

Entmischung

• Metallische Werkstoffe

Fe-C Zustandsdiagramme und Mikrostruktur von Fe-C Legierungen

Snoek-Effekt; Ledeburit-, Perlitt-, Sorbit-, Trostit-Gefuege; Zwischenstufengefuege,

Martensit; Isothermes ZTU Diagramm; Phasenumwandlungen in Al-Cu Legierungen

• Hybridmaterialien

• Materialien in der Anwendung

Lernziele:

Die Studierenden

• können Phasendiagramme physikalisch begründen

• können Leitfähigkeit und Magnetismus mittels Kontinuums-Modellen beschreiben

• können Aspekte mechanischen Verhaltens voneinander abgrenzen und erklären

• können strukturelle Ursachen makroskopischer Verformung erklären

• verstehen die grundlegenden Strategien zur Härtung von Materialien.

• kennen Fragestellungen aktueller wissenschaftlicher Forschung in der Mechanik

nanoskalierter Materialien

Prof. Dr. Guido Schmitz


Strukturanalyse und Materialmikroskopie

5. Sem. (WiSe)

Inhalte der Vorlesung „Strukturanalyse und Materialmikroskopie“

• Thermodynamik und physikalische Ableitung von binären Phasendiagrammen,

Theorie des mittleren Feldes und reguläre Lösungsmodelle

• Wärmeleitungsgleichung und Ficksche Gleichungen, ihre mathematischen

Lösungsverfahren und typische Lösungen, Statistische Deutung der Diffusion

• Drude Modell der elektronischen Leitung, Einführung in die Bändervorstellung

• Dia, Para- und Ferromagnetismus, Grundzüge ihrer physikalischen Beschreibung,

Magnetisierungskurven, Hysterese, Koerzitivfeldstärke

• Phänomenologie mechanischer Eigenschaften: Elastizität, Anelastizität,

Pseudoelastitizität, Viskosität, Plastizität, Härte, Zähigkeit, Ermüdung, Bruch

• Mechanische Prüfverfahren

• Elastizitätstheorie: Spannung, Verzerrung, Elastische Moduli, Tensorformalismus

• Messung elastischer Moduli

• Energie- und Entropie-Elastizität

• Plastische Verformung und Versetzungen

• Grundzüge der Versetzungstheorie

• Prinzipien des mechanischen Materialdesigns

• Materialversagen durch Bruch, Fraktographie

• Materialermüdung unter Wechselbelastung

• Mechanische Eigenschaften Nanostrukturierter Materialien

• Prinzipien der Materialauswahl

Lernziele:

Die Studierenden

• kennen Methoden zur Bestimmung der Mikrostruktur von Materialien

• verstehen den Aufbau und die Funktionsweise eines Lichtmikroskops

• können die Grundzüge der Wellenoptik und gängige Beugungsverfahren erläutern

• können einfache Diffraktogramme interpretieren

• kennen den Aufbau eines Raster- und Transmissions-Elektronenmikroskops

• können die Funktionsprinzipen der Atomsondentomographie und der

Rastersondenmikroskopie erklären



Physikalische Materialeigenschaften

5. Sem. (WiSe)

Inhalte der Vorlesung „Physikalische Materialeigenschaften“

• Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

• Quantitative Metallographie

• Grundzüge der Strahlenoptik, Linsen und Linsenfehler

• Aufbau eines Lichtmikroskops, Prinzip des Phasenkontrasts und der konfokalen

Mikroskopie

• Grundzüge der Wellenoptik, Beugung und Abbildung

• Verfahren und Kontraste der Röntgen und Neutronenbeugung

• Symmetrie von Kristallen, Punktgruppensymmetrie (Hermann-Mauguin-Symbolik),

Translationsymmetrie/Bravaisgitter, Raumgruppen, Kristallklassen, Reziproker

Raum, Laue-Klassen

• Umgang mit Kristallstrukturinformationen, Datenbanken

• Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Grundlegende Kontrastverfahren

der Transmissionsmikroskopie und Interpretation der Abbildungen

• Analytische Elektronenmikroskopie

• Atomsondentomographie

• Rastersondenmikroskopien

Lernziele:

Die Studierenden

• kennen Funktionsweise und Bedienung der einschlägigen Messinstrumente

• können selbständig Experimente u. Versuche durchzuführen,

• können Messergebnisse aufbereiten, interpretieren und schriftlich darstellen,

• kennen grundlegende statistische Werkzeuge zur Einschätzung und Verbesserung der

Messgenauigkeit

Prof. Joachim Bill

Prof. Michael Buchmeiser

Prof. Sabine Ludwigs


Prof. Anke Weidenkaff

Praktikum Materialwissenschaft

für Nebenfach-Studierende

6. Sem. (SoSe)

Inhalte des „Praktikums Materialwissenschaft für Nebenfach-Studierende“

Durchführung von 4 Labor-Experimenten nach Wahl zur Struktur-Eigenschaftsbeziehung von

Keramiken, Metallen und polymeren Werkstoffen.

Im folgenden sind Beispiele möglicher Versuche angegeben

• Anwendung thermodynamischer Datenbanken und Modellierung von

Phasendiagrammen

• Untersuchung der Gefügeumwandlungen in Fe-C Legierungen

• Messung des Spannungsdehnungsverhaltens von fcc Metallen

• Kaltverformung, Erholung und Rekristallisation von Aluminium

• Sinterversuch/Dilatometrie

• Gefriergießen

• Herstellung von Polystyrol über freie radikalische Polymerisation & Herstellung

eines Polyurethans über eine Polyadditionsreaktion

• Bestimmung des Molekulargewichtes und seiner Verteilung mittels

Gelpermeationschromatographie (GPC)

• Untersuchung der thermischen Eigenschaften von Polymeren mittels

Wärmeflusskalorimetrie (DSC)

Voraussetzungen

Interesse in den folgenden Fächern:

• Physik

• Chemie

• Biologie

• Mathematik • Englisch

Motivation

B.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen

Prof. Dr. habil.

Günter Tovar

Vertiefung Material

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