Eigenschaftsvergleich verschiedener Materialien

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1 Eigenschaftsvergleich verschiedener Materialien Metalle, Keramiken, Polymere, Faserverbundwerkstoffe Prof. Dr. Dr. hab. Günther Hartwig 1. Auflage mit 124 Abbildungen und 42 Tabellen Fachverlag für > Oberflächentechnik - Galvanotechnik Produktion von Leiterplatten und Systemen (Baugruppentechnik) 6. A H R К EUGEN G. LEUZE VERLAG BAD SAULGAU GERMANY

2 Inhaltsverzeichnis 1 Zur Historie der Materialentwicklung Einführung 14 2 Anwendungsprofile und Maximalwerte Metalle Keramiken Faserverbunde mit Polymermatrix Keramikfaserverbunde Glasfaserverbunde (E-Glas, S-Glas) Kevlarfaserverbunde Carbonfaserverbunde Faserverbunde mit Kohlenstoff-, Keramik-oder Metallmatrix Polymerwerkstoffe Zusammenfassung 20 3 Bindungsarten Ionische Bindung Kovalente Bindung Metallische Bindung Wasserstoffbrückenbindung Van der Waals-Bindung Ortsabhängigkeit der Bindungspotentiale Zusammenfassung 26 4 Korrelationen von Bindungsstruktur und Eigenschaften Elastizitätsmodul und Bindungsstruktur Duktilität und Bindungsart Zugfestigkeit und Bindungsstruktur Thermische Eigenschaften und Bindungsart Zusammenfassung 32 5 Deformationsverhalten Deformationsprozesse Elastizität 34

3 8 Inhaltsverzeichnis Entropie-Elastizität Energie-Elastizität Viskoelastizität Viskose Deformation Art und Zeitprofil der Belastung Stufenförmige Langzeitbelastung - Kriechmodul Belastungsrampe mit Belastungsgeschwindigkeit bzw. Elastizitätsmodul Zyklische Belastung mit Winkelfrequenz bzw. komplexer Modul E* Dämpfungsdeformationen Poissonzahl и Spezifischer Modul Zusammenfassung 48 6 Bruchverhalten Brucheigenschaften Metalle Keramik (Strukturkeramik) Fasern Faserverbunde mit Polymermatrix Polymere Spezifische Festigkeit Rissfortschrittsverhalten Thermospannungen Zeitabhängige Bruchprozesse Diffusion und Spannungsrisskorrosion Kriechprozess Relaxationskriechen Kriechbruch Unterkritisches Risswachstum Adiabatische Bruchprozesse Zähigkeitsstrategien Fasereinsatz Phasenübergänge Mechanische Parameter verschiedener Materialklassen Zusammenfassung 73 7 Ermüdungsverhalten bei zyklischer Belastung Lastverhältnis R Lastamplitude und Wöhlerkurven 78

4 Inhaltsverzeichnis Lastverhältnis Rund Wöhlerkurven R-Abhängigkeit der Wöhlerkurven von Metallen R-Abhängigkeit der Wöhlerkurven von Keramik (als Bulkmaterial) R-Abhängigkeit der Wöhlerkurven von Faserverbunden R-Abhängigkeit von Wöhlerkurven von Polymeren Lastverhältnis Rund Rissfortschritt R-Abhängigkeit des Rissfortschritts bei Metallen R-Abhängigkeit des Rissfortschritts bei Keramik R-Abhängigkeit des Rissfortschritts bei Polymeren Frequenzabhängigkeiten der Ermüdung und des Rissfortschritts Frequenzabhängigkeit verschiedener Materialklassen Frequenzabhängigkeiten von Wöhlerkurven für Metalle Frequenzabhängigkeit des Rissfortschritts bei Metallen Frequenzabhängigkeit des Rissfortschritts \ bei Polymeren Temperatureinflüsse Probenerwärmung bei der Erstellung von Wöhlerkurven Wöhlerkurven und Dauerfestigkeiten Rissfortschrittskurven bei zyklischer Belastung Matrixabhängigkeit der Wöhlerkurven von UD-Faserverbunden Matrixabhängigkeit der Ermüdung von Faserverbunden Korngrößenabhängigkeit der Ermüdung von Keramik Moduldegradation bei zyklischer Belastung Moduldegradation verschiedener Materialklassen Moduldegradation von Keramiken Moduldegradation von Polymeren Moduldegradation von Faserverbunden mit Polymermatrix Zusammenfassung 96 8 Spezifische Wärme Grundlagen Spezifische Wärme einzelner Materialklassen Spezifische Wärme von Metallen Spezifische Wärme von Keramik Spezifische Wärme von Polymeren Spezifische Wärme von Polymerfaserverbunden Zusammenfassung 104

5 10 Inhaltsverzeichnis 9 Thermische Ausdehnung Allgemeine Grundlagen Potentiale und Schwingungen Schwingungsmoden Phasen-und Glasübergänge Thermische Ausdehnung verschiedener Materialklassen Thermische Ausdehnung von Polymeren Ausdehnung durch Schwingungserhöhung Ausdehnung durch Glasübergänge bei Polymeren Thermische Ausdehnung von Faserverbunden Thermische Ausdehnung von Teilchenverbunden Thermische Ausdehnung durch Phasenübergänge Grüneisen-Beziehung Zusammenfassung Thermische Leitfähigkeit Allgemeine Grundlagen Wärmeleitfähigkeit einzelner Materialklassen Wärmeleitfähigkeit von Metallen Wärmeleitfähigkeit von nichtmetallischen Kristallen Wärmeleitfähigkeit amorpher Nichtmetalle Wärmeleitfähigkeit amorpher Polymere Wärmeleitfähigkeit teilkristalliner Polymere Wärmeleitfähigkeit von Teilchenverbunden Wärmeleitfähigkeit anisotroper Materialien Wärmeleitfähigkeit pro Festigkeit oder pro Modul Wärmediffusion Zusammenfassung Elektrische Eigenschaften Spezifische Leitfähigkeit Energiebänder Elektrische Leitfähigkeit Leitfähigkeit von Metallen Leitfähigkeit von Legierungen Halbleiter (HL) Elektrisch leitfähige Polymere Supraleitung (SL) Elektrische und thermische Leitfähigkeit Dielektrische Eigenschaften Dielektrizitätskonstante E' Dielektrische Dämpfung 141

6 Inhaltsverzeichnis Polarisationseigenschaften Ferroelektrizität Piezoelektrizität Pyroelektrizität Elektrete Elektrisches Durchschlagsverhalten Zusammenfassung Temperaturabhängigkeit Generelles Temperaturverhalten Thermische Eigenschaften (Phononenanteil) Thermische Eigenschaften (Elektronenanteil) Mechanische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Dielektrische Eigenschaften Tieftemperatureinflüsse Hochtemperaturparameter Mechanische Eigenschaften Elastizitätsmodul und Festigkeit Temperaturabhängigkeit der mechanischen Ermüdung Temperaturabhängigkeit der mechanischen Dämpfung Temperaturabhängigkeit der Zähigkeit und Bruchenergie Temperaturabhängigkeit von K Ic für Metalle Temperaturabhängigkeit von K lc und G Ic für Keramik Temperaturabhängigkeit von K Ic und G Ic für Polymere Rissfortschritt bei zyklischer Belastung Temperaturabhängigkeit von thermischen Eigenschaften Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme von Polymeren Temperaturabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit Temperaturabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit von Metallen Temperaturabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit von Keramik Temperaturabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit von Polymeren 170

7 12 Inhaltsverzeichnis Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnung Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnung von Metallen und Legierungen Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnung von Keramik Temperaturabhängigkeit der thermischen Ausdehnung von Polymeren Thermische Ausdehnung von Faserverbunden mit Polymermatrix Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes p Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes von Metallen und Legierungen Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes von Keramik Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes von Polymeren Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes von Faserverbunden mit Polymermatrix Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten e e und des Verlustfaktors tan ö e Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätsgrößen von Keramik Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätsgrößen von Polymeren Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätsgrößen von Faserverbunden Temperaturabhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit V D Temperaturabhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit von Glas und Keramik Temperaturabhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit von Polymeren Temperaturabhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit von Faserpolymerverbunden Temperatur-und Zeitabhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit Literatur Stichwortverzeichnis 191

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