mini|Ein Diamantkuboktaeder mit sieben kristallografischen Ebenen, abgebildet mit dem Rasterelektronenmikroskop.
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (kurz: MatWerk, auch: Werkstoffwissenschaft oder Werkstoffkunde) ist die deutsche Bezeichnung für das interdisziplinäre Fachgebiet, das sich mit der Erforschung und Entwicklung von Materialien und Werkstoffen befasst. Aus Werkstoffen werden technisch relevante Bauteile hergestellt.
Begriffsdefinition Die Begriffe Materialwissenschaft und Werkstoffkunde (auch als Werkstofftechnik oder WerkstoffwissenschaftHartmut Worch, Wolfgang Pompe, Werner Schatt: Werkstoffwissenschaft. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-3-527-32323-4. bezeichnet) sind eng miteinander verknüpft. Die Materialwissenschaft mit einer eher naturwissenschaftlich geprägten Herangehensweise beschäftigt sich mit der Herstellung von Materialien und deren Charakterisierung nach Struktur und Eigenschaften, während die Werkstofftechnik die ingenieurwissenschaftlich orientierte Werkstoffentwicklung sowie die entsprechenden Verarbeitungsverfahren und das Betriebsverhalten von Bauteilen im Einsatz beinhaltet. Beide Teilgebiete umfassen Forschungsaktivitäten der verschiedensten Materialklassen und Werkstoffentwicklungsketten.
Ein wesentliches Merkmal der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ist die Berücksichtigung des strukturellen Aufbaus der Werkstoffe und der davon abhängigen mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften. Dies umfasst die Charakterisierung, Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung von Konstruktionswerkstoffen und Funktionsmaterialien.
Das Fachgebiet setzt sich aus der erkenntnisorientierten Grundlagenforschung zu Materialien und der ingenieurwissenschaftlichen Werkstoffentwicklung mit Anwendungsbezug zusammen. Es entfaltet dabei eine starke Hebelwirkung im Sinne einer Umsetzung von Forschungsergebnissen in marktrelevante Innovationen. Gleichzeitig hat Materialwissenschaft und Werkstofftechnik als interdisziplinäre Wissenschaft eine weitreichende fachliche Integrationswirkung, in dem sie Erkenntnisse aus benachbarten Fachgebieten aufgreift und mit ihnen in wechselseitiger Beziehung steht. Für die Materialwissenschaft sind hier insbesondere die Verknüpfungen mit der Chemie, der Physik und den Lebenswissenschaften zu nennen, während für die Werkstofftechnik die Gebiete Mechanik, Konstruktionstechnik, Produktionstechnik und Verfahrenstechnik relevant sind.
Heute sind materialwissenschaftliche und werkstofftechnische Themen integraler Bestandteil des Studiums in praktisch allen ingenieurwissenschaftlichen Bereichen, vorwiegend im Maschinenbau und in der Elektrotechnik, aber auch in den naturwissenschaftlichen Gebieten der Physik und Chemie und zunehmend in der Medizin. Inzwischen hat sich die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik als eigenständige Disziplin nicht nur in der Forschung, sondern auch in der universitären Lehre fest etabliert.Definitionspapier der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (DFG), siehe www.dfg.de.
Gesellschaftlich-wirtschaftliche Relevanz Das Fachgebiet versteht sich als Schlüsseldisziplin, die eine Vielzahl von Lösungen für gesellschaftlich relevante Herausforderungen bereitstellt, namentlich in den großen Zukunftsfeldern Energie, Klima- und Umweltschutz, Ressourcenschonung, Mobilität, Gesundheit, Sicherheit oder Kommunikation. Aktuelle Studien betonen den überragenden Anteil aller technischen Innovationen, die direkt oder indirekt von Werkstoffen abhängen.Holger Jens Schnell (Hrsg.): Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland. Empfehlungen zu Profilierung, Lehre und Forschung. (= acatech bezieht Position. Nr. 3). Stuttgart 2008, ISBN 978-3-8167-7913-1 ().
Die aus der Materialwissenschaft gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Herstellung technischer Werkstoffe mit neuen oder verbesserten Eigenschaften. Die Eigenschaften eines Bauteils sind von der Werkstoffauswahl, von der konstruktiven Gestaltung des Bauteils, dem Herstellungsprozess und den betrieblichen Beanspruchungen im Einsatz abhängig. Dies schließt den gesamten Lebenszyklus von Bauteilen bis zum Recycling oder zur stofflichen Weiterverwertung ein. Auch die Entwicklung völlig neuer Herstellungsverfahren zählt dazu. Ohne diese stetigen Forschungsergebnisse wäre ein kontinuierlicher Fortschritt zum Beispiel im Maschinenbau, im Automobilbau, in der Luftfahrtindustrie, in der chemischen Industrie, in Medizintechnik, in der Energietechnik, im Umweltschutz usw. nicht denkbar.
Geschichtliche Entwicklung
mini|Eine Schwert- oder Dolchklinge aus der späten Bronzezeit Die Geschichte der Werkstoffe und Materialien ist wesentlich älter als das Fachgebiet. Dabei vollzog sich der Erkenntnisfortschritt zunächst in der konkreten Anwendung von Materialien im Alltag. Von der Steinzeit bis zum siebten vorchristlichen Jahrtausend wurden natürliche Materialien wie Elfenbein, Felle, Häute, Hölzer, Knochen, Rinden oder Steine zu technischen Zwecken verwendet. Zum Ende der Jungsteinzeit kamen sodann verschiedene chemische und thermische Verfahren zum Einsatz, um Rohstoffe zu höher entwickelten Werkstoffen zu verfeinern (Brennen von Lehm, Gerben von Häuten zu Leder), Schmelzen von Sand zu Glas. Hierzu gehören auch die Erfindung und der Einsatz von Keramik.
In der Folge wurden ganze Menschheitsepochen nach den Funden der sie prägenden Werkstoffe benannt: beginnend mit der Kupferzeit mit der Bearbeitung von Kupfer, Gold und Silber sowie später auch Blei und Zinn. In der Bronzezeit ab dem zweiten vorchristlichen Jahrtausend wurden diese Stoffe gezielt mit anderen vermischt, um neue Eigenschaften zu erzielen: Aus dieser Zeit wurden Werkzeuge und Waffen gefunden, die aus einer Kupfer-Zinn-Legierung bestehen. In der Eisenzeit, der dritten großen Periode der Frühgeschichte im Europa ab etwa 800 v. Chr., lernten die Menschen, Eisen zu schmelzen und zu Werkzeugen sowie Waffen zu verarbeiten. Aus der Technikgeschichte zum Bergbau und Hüttenwesen und den metallverarbeitenden Handwerken ist bekannt, dass Spezialisten Hochöfen, Raffinierwerke, Hammer- und schließlich Walzwerke immer weiter verbesserten.
Lange Zeit beschränkte sich das Interesse der Forschung fast ausschließlich auf die metallischen Werkstoffe. Dennoch konnten Metalle bis zur Hochindustrialisierung in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts nur empirisch untersucht werden. Mitte des 19. Jahrhunderts begann die systematische Erforschung der Eigenschaften von Stahl, Eisen oder Leichtmetallen wie Aluminium sowie von keramischen Werkstoffen, woraus sich der Begriff der Werkstoffkunde entwickelt hat. Die Erkenntnisse daraus ermöglichten die Entwicklung von Werkstoffen entsprechend den von der Industrie geforderten Eigenschaften. Diese werden mit der Werkstoffprüfung als einem wesentlichen Teil der Werkstoffkunde ermittelt. Das 20. Jahrhundert war geprägt durch eine ständig steigende Vielfalt an Werkstoffen. So wurden in den 1930er-Jahren die ersten Kunststoffe in Massenfertigung produziert. Seit den 1950er-Jahren haben mit der Erfindung des Transistors das Silizium und andere Halbleitermaterialien eine wesentliche Bedeutung gewonnen.
Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit Werkstoffen als Gegenstand universitärer Ausbildung befasst, hat sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts an technischen Hochschulen aus Metallurgie und Hüttenwesen, der Materialprüfung sowie an einigen Universitäten aus Physik, Chemie und Mineralogie heraus entwickelt. Erst mit den zu dieser Zeit aufkommenden analytisch-experimentellen Untersuchungsmethoden konnten kristalline Festkörper quasi durchdrungen werden: So entstand die moderne Metallografie. Zur selben Zeit wurden für Arbeitsprozesse auch immer leistungsfähigere und gleichzeitig leichtere Maschinen und Geräte notwendig. Daher begann auch die Konstruktionslehre, sich für die Möglichkeiten neuer Werkstoffe zu interessieren. Diese Fächer waren in industriellen Forschungsinstituten, an Universitäten, Technischen Hochschulen und verschiedenen öffentlichen Anstalten wie etwa den staatlichen Materialprüfungsämtern, der Reichsanstalt (später Bundesanstalt) für Materialprüfungwww.bam.de. oder der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (später Bundesanstalt)www.ptb.de. beheimatet. Hinzu kamen technisch-wissenschaftliche Vereine wie der Verein Deutscher Eisenhüttenleute (gegr. 1880),www.vdeh.de. die Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute (gegr. 1912; heute Gesellschaft für Bergbau, Metallurgie, Rohstoff- und Umwelttechnik e. V.)gdmb.de. sowie die Deutsche Gesellschaft für Metallkunde (gegr. 1919; heute Deutsche Gesellschaft für Materialkunde).dgm.de.
Inzwischen hat sich für die Disziplin in Forschung und Lehre (nach Werkstoffkunde und Werkstoffwissenschaft) in Deutschland die Begriffskombination Materialwissenschaft und Werkstofftechnik etabliert.
Teilgebiete Das Fachgebiet Materialwissenschaft und Werkstofftechnik umfasst zahlreiche Material- und Werkstoffklassen, die jeweils für sich starke Bedeutung in Forschung und Entwicklung sowie in der Anwendung erlangt haben. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Einteilung der Material- und Werkstoffklassen vorzunehmen. Die traditionelle Einteilung in Glas/Keramik, Metalle und Polymere ist dadurch weitgehend überholt.
Eine Möglichkeit der Klassifizierung nach aktuellem Stand ist: Metallische Werkstoffe: Eisen und Stahl, Nichteisenmetalle (z. B. Leichtmetalle, Buntmetalle) Nichtmetallisch anorganische Werkstoffe: Keramik, Glas, anorganische Bindemittel Polymere: Kunststoffe, Naturstoffe Halbleiter Kohlenstoffbasierte Materialien, wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Graphen.
Eine übliche Klassifizierung erfolgt in Konstruktionswerkstoffe, deren mechanische Eigenschaften im Vordergrund stehen, und Funktionsmaterialien, bei denen vorwiegend andere physikalisch-chemische (z. B. elektrische, thermische, optische, magnetische) Eigenschaften genutzt werden. Hinzu kommen neuerdings Material- und Werkstoffklassifikationen, die eine Kategorisierung über die Funktion als Eigenschaft vornehmen.
Beispiele dafür sind: Biomaterialien „Smart Materials“, wie Formgedächtnislegierungen oder Materialien mit sensorischen Eigenschaften Supraleiter
Die Eigenschaft eines Materials oder Werkstoffs wird nicht nur durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt, sondern durch Strukturierung auf allen Größenskalen.
Beispiele dafür sind: Beschichtungen Biomimetische Materialien Gradientenwerkstoffe Hybridmaterialien Metamaterialien Nanomaterialien Schäume (z. B. Metallschaum) und zellulare Materialien Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde Viellagenschichten
Forschungsthemen Materialwissenschaft In der Materialwissenschaft bauen die Forschungsthemen auf bereits erarbeiteten Erkenntnissen zu naturwissenschaftlichen Phänomenen auf und setzen die darin vorgeschlagene grundlagenwissenschaftliche Forschung in einen Kontext möglicher Anwendungen. So geht sie signifikant über einen Erkenntnisgewinn zu grundlegenden physikalischen oder chemischen Phänomenen hinaus.
Von weitreichender Bedeutung auch für die Werkstofftechnik sind dabei Themen der Thermodynamik und Kinetik. Darunter fallen thermodynamische und kinetische Grundlagen für ingenieurwissenschaftlich relevante Werkstoffe, etwa die Erarbeitung von Phasendiagrammen, die Untersuchung von Diffusionsvorgängen oder der Eigenschaften von Korngrenzen. Ein materialwissenschaftliches Forschungsfeld, das sich durch eine große Vielfalt auszeichnet, ist das Gebiet der Funktionsmaterialien, deren magnetische, elektrische oder optische Eigenschaften eng verknüpft sind mit ihrer Struktur und spezifischen Herstellungsverfahren.