B.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen Vertiefung Material. Prof. Dr. habil. Günter Tovar

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1 B.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen Vertiefung Material Prof. Dr. habil. Günter Tovar

2 Universität Stuttgart

3 Materialwissenschaft (Materials Science)

4 Materialwissenschaft was ist das?

5 Atomare Bindung Kristallgitter Gefüge Versuchsprobe Bauteil m 10-8 m 10-6 m 10-4 m 10-2 m 10 0 m Al3+ O 2- Ionenbindung z.b. Aluminiumoxid Atombindung z.b. Diamant z.b. Siliziumnitrid z.b. Siliziumnitrid z.b. Biegeprobe z.b. Ventil Naturwissenschaft Materialwissenschaft Ingenieurwissenschaft

6 Chemie Physik Materialwissenschaft Ingenieurwesen

7 Entwicklung der Materialwissenschaft relative Bedeutung GoldKupfer Bronze Holz Häute Fasern Papier Stroh-Ziegel Knochen Eisen Stein Ton Glas Zement/ Feuerstein Mörtel Gußeisen Polymere Verbunde Stähle Gummi Keramiken Metalle mikrolegierte Stähle neue Superlegierungen metallische Gläser Al-Li-Legierungen legierte Stähle Al Leichtmetalllegierungen Superlegierungen Polymere Bakelit Hochtemperatur- Polymere Ti steife Polymere Zr CMC Nylon PE. PMMA PP. PS. PC Ẹpoxy Polyester GFRP CFRPMMC Quarzglas Hartmetall Al 2 O 3 Si 3 N 4 PSZ leitende

8 Strukturmaterialien (Leichtbau) Then and now!

9 Hochtemperaturanwendung Beispiel: Flugzeugturbine (T = C)

10 Hochtemperaturanwendung Technologie: Weiterentwicklung/Optimierung Forschung

11 Energieproblematik (Direkte Stromerzeugung durch Wärme) Thermoelektrische Generatoren: Elect r. curre nt cold e- e- e- e- p n p ne- p e- n pp e- + e- n p+ + e- e- e- hot e- e- R L e- Voyager

12 Energieproblematik (Funktionsmaterialien/Speicherung) Problem: niedrige Energiedichte langsame Ladegeschwindigkeit Lösung: Elektroden ohne Trägermaterial Bioinspiration: Perlmutt Anwendung:

13 Energieproblematik (Funktionsmaterialien/Speicherung) Glancing angle incidence in sputtering Solid state reactions in core-shell nanowires Ti wires for hydrogen storage Substrate holder

14 Funktionsmaterialien (Mikro/Nano-Technologie) AMD-Prozessor 8. Generation Cu-Chip von IBM MEMX MEMS-Aktuator Lambdarouter Lucent Technologies Wechselstrom-Ermüdung, R. Mönig MPI Stuttgart SAW-Ermüdung, C.Eberl MPI Stuttgart

15 Untersuchungsmethoden 100 nm 2D single ion detector 3D analysis in single atom sensitivity tipshaped sample needle pin 0.15 m APT sample e.g. thermal degradation of a metallic

16 Strukturmaterialien (Bruchzähe Keramik) Keramiken müssen nicht spröde sein: Optimierung der Mikrostruktur führt zur Erhöhung der Bruchzähigkeit z.b: Siliciumnitridkristalle (Si 3 N 4 ) in Glasphase aus Aluminium- und Yttriumoxid Glasphase aus Al 2 O 3 und Y 2 O 3 Si 3 N 4 -Kristalle

17 Funktionsmaterialien (Haftsysteme) Fliegenfuß Polymerstruktur

18 Medizintechnik/Implantatwerkstoffe

19 Materialwissenschaftler Forscher/Ingenieure für alle Fälle Mega Bio Nano

20 Universität Stuttgart

21 Ressourcenschonung mit Kunststoffen Kunststoffe / Polymere in der Brennstoffzellentechnik Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 21

22 Biokunststoffe Beispiel: Nutzung in der Landwirtschaft [Bilder: FKuR Kunststoff GmbH und deren Kunden, European Bioplastics] Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 22

23 Herkunft der Monomere Herstellung biobasierter Polymere Stärke, Lignin, Naturkautschuk, Cellulose Chitin, Kasein, Spinnenseide Bakterium Aeromonas hydrophila: PHA Milchsäurebakterium: LA Bioethanol Bio-PE Rizinusöl Bio-PA Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 23

24 Biopolymere und Biokunststoffe Nachhaltigkeit mit Zukunftspotenzial Biokunststoffe in unterschiedlichsten Anwendungen [Quelle: European Bioplastics, IfBB, nova-institut, 2015] Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 24

25 Selektives Lasersintern Beispiel komplexes Bauteil Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 27

26 Selektives Lasersintern Auspacken der Bauteile aus dem Pulverkuchen Bildquellen: Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 28

27 Selektives Lasersintern Individualität trotz Massenfertigung Bildquelle: Kegelmann Technik Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 29

28 Ressourcenschonung mit Kunststoffen Energieeinsparung durch Leichtbau i3 und i8 [Quelle: BMW Group] [Quelle: Kunststoffe, Porsche] CFK: ca. 50 % leichter als herkömmliche Bauweise Kohlenstofffaser-Monocoque Porsche 918 Spyder Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten 30

29 Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Institut für Textil- und Fasertechnologien 31

30 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 m 2 Forschung mit industriellen Pilotanlagen, Fokus Technische Textilien und Life Science Anbindung an Uni Stuttgart und Hochschule Reutlingen über 3 Lehrstühle und 2 Professuren 32 32

31 Einsatzgebiete von Textilien Bekleidung - Oberbekleidung - Unterbekleidung - Sportbekleidung Heimtextilien - Teppiche, Bodenbeläge - Vorhänge - Möbelstoffe - Bettwäsche usw. Technische Textilien - Automobiltextilien - Medizin-Textilien - Bautextilien - Textilien für Biomedizin - Geotextilien- Textilien für Umweltschutz - Schutzbekleidung - Faserverbundwerkstoffe - Outdoor-Textilien usw

32 Faserbasierte Produktenwicklungen Kostengünstige Carbonfasern aus nachwachsenden Rohstoffen Energieunabhängiges Gebäude mit flexiblen solarthermischen 3D-Textilkollektoren Endkonturnahe 3D-Textilien für Faserverbundbauteile 34 34

33 Textilien für die Medizin Schläuche - Gefäßprothesen - Trachea, Oesophagus Separation Dura Patches Occluder Wundheilung Verbandsmaterial Nahtmaterial Verstärkung Osteosynthese Sehnen Herniennetze Trägermaterialien Tissue Engineering Drug Delivery Diagnostische Systeme Smart Textiles 35 35

34 Die Zukunft ist Textil 36

35 Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie Technik, Wissen und Bildung für den Menschen

36 Forschungsbereiche des IGVP Biologisch-medizinische Grenzflächen Chemisch-physikalische Grenzflächen Grenzflächenverfahrenstechnisc he Prozesse Plasmatechnologie Mikrowellentechnologie Plasmadynamik und -diagnostik Fraunhofer IGB Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 38

37 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 Fraunhofer IGB Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 39 Isotherme Durchflusskalorimetrie

38 SynElast Desmosin- und Elastin-Mimetika Di- und tetrafunktionelle Quervernetzer auf Basis von Pyridin, vergleichbar mit Desmosin Wasserlösliche und seitengruppenfunktionalisierte Polymerrückgrate auf Basis von PEG Synthetisches Polymer Elastinmimetika Desmosinmimetikum R m 2 R o R p N R i R m 6 R o Mechanische Eigenschaften einstellbar über Vernetzungsgrad Wahl von Polymer und Vernetzer Quellvermögen Laufzeit: 08/ /2012 Wasserlöslichkeit Funktionelle Gruppen für Quervernetzung Fraunhofer IGB Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 40

39 Biologisch-medizinische Grenzflächen 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 Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 41

40 Microarraytechnologien und Diagnostik»Komplettes Labor auf wenigen Quadratzentimetern«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 Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 42

41 Plasmatechnologie 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 Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 43

42 Optimierung der Gasausnutzung bei Atmosphärendruck-Plasmaprozessen 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 Universität Stuttgart Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP 44

43 HERZLICH WILLKOMMEN Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB Fraunhofer IGB

44 Kernkompetenzen / Abteilungen Fraunhofer IGB Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaften Grenzflächen Partikel Membranen Plasmatechnologie Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik Bioenergie und Bioprozesstechnik Algentechnologie Integriertes Wassermanagement Grenzflächenbiologie und Hygiene Molekulare Biotechnologie Funktionale Genomanalysen Infektionsbiologie und Arraytechnologie Molekulare Zell-technologien Enzym-, Stamm- und Prozessentwicklung Zell- und Tissue Engineering In-vitro-Testsysteme Zell-Material-Interaktionen, Biomaterialien Kardiovaskuläres Tissue Engineering Implantate Organ-on-a-Chip Physikalische Prozesstechnik Wärme- und Sorptionsprozesse Elektrophysikalische Prozesse Komponenten- und Systementwicklung für aseptische Prozesse

45 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

46 Forschungshighlights aus dem Fraunhofer IGB Gesundheit Chemie und Prozessindustrie Umwelt und Energie Zellfreie»Off-the-shelf«- Herzklappe aus elektrogesponnenen Fasern. RIBOLUTION Plattform zur Identifizierung ncrna-basierter Diagnostika. Anti-Eis-Beschichtung zur Reduzierung der Eishaftung um mehr als 90 %. Polymere Adsorber-partikel für die selektive Abtrennung oder Aufkonzentrierung. Toxikomb Gefahrstoff-detektion in Trinkwasser. Molecular Sorting Rückgewinnung von Metallen. Suche nach Immun-modulatoren mit zellbasiertem TLR-Screening- Assay. BioSurf Neue Produktions-methoden für Biotenside. Membran für die Energieumwandlung durch Osmose. Fraunhofer-Leitprojekt»Zellfreie Bioproduktion«. Lignocellulose-Bioraffinerie Erfolgreiche Umsetzung in den Pilotmaßstab. Stärke aus Mikroalgen Rohstoff zur Herstellung von Biokraftstoffen. Fraunhofer IGB

47 Universität Stuttgart

48 Vertiefung Material [330] Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie [69110] 6 LP 3. Sem. Einführung Materialwissenschaft II [69100] 6 LP 4. Sem. Physikalische Materialeigenschaften [68850] 6 LP oder Strukturanalyse und Materialmikroskopie [68880] 6 LP 5. Sem. Semesterarbeit 5. Sem. Praktikum Materialwissenschaft für Nebenfach-Studierende [69090] 3 LP 6. Sem. Bachelorarbeit 6. Sem.

49 3. Sem. (WiSe) Ausgewählte Themen der Physikalischen Chemie Prof. Frank Gießelmann Institut für Physikalische Chemie 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

50 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)

51 4. Sem. (SoSe) Einführung Materialwissenschaft II Ralf Schacherl Marc Widenmeyer Prof. Anke Weidenkaff Institut für Materialwissenschaft 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.

52 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

53 5. Sem. (WiSe) Strukturanalyse und Materialmikroskopie Prof. Dr. Guido Schmitz Institut für Materialwissenschaft 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

54 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

55 5. Sem. (WiSe) Physikalische Materialeigenschaften Prof. Dr. Guido Schmitz Institut für Materialwissenschaft 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

56 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

57 6. Sem. (SoSe) Praktikum Materialwissenschaft für Nebenfach-Studierende Prof. Joachim Bill Prof. Michael Buchmeiser Prof. Sabine Ludwigs Prof. Dr. Guido Schmitz Prof. Anke Weidenkaff 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

58 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)

59 Voraussetzungen Interesse in den folgenden Fächern: Physik Chemie Biologie Mathematik Englisch Motivation

60 B.Sc. Chemie- und Bioingenieurwesen Vertiefung Material Prof. Dr. habil. Günter Tovar