Materialwissenschaften und Phasendiagramme

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Die Veröffentlichung umfasst Themen wie Halbleiter, Graphen und funktionale Materialien.

Der Autor ist Professor für Werkstoffwissenschaften an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Das Buch ist in zweiter, erweiterter Auflage erschienen.

Die kleinste Einheit der Materie, die alle chemischen Eigenschaften eines Elements besitzt.

Ein Atomkern, der von einer Wolke aus Elektronen umgeben ist.

Ein Kristallgitter ist eine regelmäßige, dreidimensionale Anordnung von Atomen, Ionen oder Molekülen in einem festen Stoff.

Kristalldefekte sind Abweichungen von der perfekten, periodischen Anordnung von Atomen in einem Kristallgitter.

Die Art und Weise, wie Atome miteinander verbunden sind, um Moleküle oder feste Stoffe zu bilden.

Ein Diagramm, das die Phasenbeziehungen zwischen verschiedenen Stoffen oder Legierungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken zeigt.

Die Fähigkeit eines Materials, äußeren Kräften zu widerstehen, ohne zu brechen, zu deformieren oder zu verformen.

Wie ein Material auf Wärme reagiert. Dies beinhaltet beispielsweise die Fähigkeit zur Wärmeleitung und Wärmespeicherung.

Die Schmelztemperatur TS ist die Temperatur, bei der ein Stoff vom festen in den flüssigen Zustand übergeht.

Im Abkühldiagramm erscheint die Kristallisation eines Stoffes als eine horizontale Linie, die als "Haltepunkt" bezeichnet wird. Während dieser Phase bleibt die Temperatur konstant, da die Wärmeenergie zur Umwandlung vom flüssigen in den festen Zustand verwendet wird.

Eine Legierung ist eine Mischung aus mindestens zwei Metallen, die fest miteinander verbunden sind.

Eine Legierung aus zwei Metallen A und B, die sich beliebig mischen können, zeigt im Abkühldiagramm statt eines Haltepunktes ein Halteintervall. Die Temperatur sinkt innerhalb des Intervalls konstant, da die Kristallisation in diesem Fall über einen Temperaturbereich stattfindet.

Die Liquiduslinie im Phasendiagramm einer binären Legierung zeigt die Temperaturen, bei denen die Legierung vollständig flüssig ist. Bei Temperaturen unterhalb der Liquiduslinie beginnt die Kristallisation.

Die Soliduslinie im Phasendiagramm einer binären Legierung zeigt die Temperaturen, bei denen die Legierung vollständig fest ist. Bei Temperaturen oberhalb der Soliduslinie ist die Legierung mindestens teilweise flüssig.

Das Phasendiagramm einer Legierung gibt die Phasen (fest, flüssig) in Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung an.

Die Zusammensetzung einer Legierung beeinflusst die Temperaturbereiche, in denen das Halteintervall stattfindet.

Die spezifische Wärmekapazität ist eine physikalische Größe, die die Wärmemenge angibt, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 kg eines Stoffes um 1 Kelvin zu erhöhen. Sie wird in Joule pro Kilogramm Kelvin (J/(kg·K)) angegeben.

Leichte Metalle haben tendenziell eine höhere spezifische Wärmekapazität als schwere Metalle. Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität, wodurch es in der technischen Anwendung als Wärmespeicher eingesetzt werden kann.

Die Wärmestromdichte ist ein Maß für die Wärmemenge, die pro Flächeneinheit und Zeiteinheit durch ein Material fließt. Sie ist analog zur elektrischen Stromdichte definiert.

Die Härte eines Materials beschreibt seinen Widerstand gegen plastische Deformation durch Eindrücken eines festen Körpers. Es gibt verschiedene Härteprüfverfahren, die unterschiedliche Ergebnisse liefern können.

Die Vickers-Härte (HV) wird mit einem Diamantpyramiden-Eindringkörper gemessen.

Die Brinell-Härte (HBW) wird mit einer Stahlkugel als Eindringkörper gemessen.

Die Rockwell-Härte (RB und RC) wird mit einer Diamantkuppel oder Stahlkugel gemessen, die mit einem bestimmten Gewicht in die Oberfläche des Materials gedrückt wird.

Die Mohs-Härte ist eine Skala zur relativen Härte verschiedener Materialien, die auf ihrem Widerstand gegen das Ritzen durch andere Materialien basiert.

Die elektrische Leitfähigkeit (σ) eines Materials ist eine Eigenschaft, die angibt, wie gut ein Material elektrischen Strom leiten kann. Sie wird durch die Anzahl der Ladungsträger (n), ihre Ladung (e) und ihre Beweglichkeit (μ) bestimmt.

Die elektrische Leitfähigkeit in Metallen resultiert aus dem Vorhandensein freier Elektronen, die sich im elektrischen Feld bewegen können. Da Metalle eine große Anzahl freier Elektronen haben, weisen sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf.

Im Gegensatz zu Metallen sind in Halbleitern nur wenige Ladungsträger verfügbar. Dies liegt daran, dass ihre Elektronen durch Bindungskräfte stärker an die Atome gebunden sind. Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch Temperaturerhöhung oder Dotierung erhöht werden.

Isolatoren haben eine extrem geringe elektrische Leitfähigkeit, da ihre Elektronen sehr fest an die Atome gebunden sind. Es gibt daher kaum freie Ladungsträger, die den Stromtransport ermöglichen.

Die Fermi-Energie ist die Energie des höchstmöglichen besetzten Energieniveaus bei 0 Kelvin. Elektronen nahe der Fermi-Kante können Energie aufnehmen und sich im Material bewegen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird.

Die Bandstruktur zeigt die Energieniveaus, die ein Elektron in einem Material einnehmen kann. Die Bandstruktur ist abhängig von der Art der chemischen Bindung und der Anzahl der Elektronen in den Atomen.

Die Ladungsträgerkonzentration (n) gibt die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger in einem Material an. Je höher die Konzentration, desto besser kann das Material Strom leiten.

Die Ladungsträgerbeweglichkeit (μ) beschreibt, wie leicht sich die Ladungsträger im Material bewegen können. Sie wird durch die Reibung mit der Umgebung (Gitteratome, Verunreinigungen) beeinflusst.

Die Temperatur, bei der eine legierte Schmelze zu erstarren beginnt.

Die Temperatur, bei der eine legierte Schmelze vollständig zu einem Festkörper erstarrt ist.

Eine feste Mischphase, die aus zwei oder mehr verschiedenen Stoffen besteht und eine einheitliche chemische Zusammensetzung hat.

Die Konzentration des Stoffes B in der festen Phase, die sich beim Abkühlen der Schmelze bildet.

Die Temperatur, bei der die legierte Schmelze mit der Zusammensetzung c0 die Liquiduslinie berührt.