Material Science I

Das Modul behandelt alle Teilbereiche der Materialwissenschaften, von den physikalischen und chemischen Grundlagen der Stoffe bzw. Werkstoffe, bis hin zur Auswahl von Werkstoffen, ihrem konstruktionsgerechten Einsatz und der Charakterisierung von Bauteilen.
Im ersten Teil des Moduls werden die physikalisch-chemischen Grundlagen für ein tiefes Verständnis der Stoffstruktur behandelt, ohne die (im zweiten Teil des Moduls behandelten), die Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Härte, Duktilität, Sprödigkeit oder Anisotropie nicht verstanden werden können. Basierend auf den grundlegenden Wechselwirkungen in Festkörpern, werden die Strukturen und deren Bestimmung mittels physikalischer Messmethoden aufgeführt. Wichtige Aspekte von ausgesuchten Stoffklassen werden in Bezug auf die anwendungstechnische Relevanz in den Materialwissenschaften hergeleitet und ihre Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beleuchtet.
Einzelne Inhalte sind:
Einleitung: Bindungskräfte im Festkörper.
1. Die atomare Struktur fester Stoffe (Kristallstrukturen, reziproker Raum, beugungs- und spektroskopische Methoden).
2. Stoffklassen (Metalle / Legierungen, Halbleiterverbindungen, Keramik, Oxide, Zeolithe, Polymere, Nanomaterialien).
3. Physikalische Eigenschaften der Werkstoffe auf atomarer Ebene (mechanische, thermische, elektrische, magnetische und optische Eigenschaften).

Nach der Teilnahme am Modul Material Science I verstehen die Studierenden den physikalischen und chemischen Aufbau von Stoffen auf atomarer Ebene und kennen Methoden um diesen Aufbau zu untersuchen. Des Weiteren sind sie in der Lage, die gebräuchlichsten Stoffklassen des Ingenieurwesens zu identifizieren und zu charakterisieren und die verschiedenen physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe zu definieren. Sie können die unterschiedlichen Stoffklassen in den Materialwissenschaften unterscheiden und Verbindungen einordnen. Durch die Verknüpfung der grundlegenden Aspekte des Atombaus, der chemischen Bindung und der stoffchemischen Inhalte, sind die Studierenden in der Lage, chemische Fragestellungen zur Synthese, Reaktivität und Stabilität von Materialien selbstständig zu bearbeiten und zu bewerten. Nach dem Bestehen des Moduls Materials Science I haben die Studierenden einen Überblick über die Strukturchemie von Festkörpern erlangt und sind der Lage, Beziehungen zwischen Struktur und Symmetrie zu verstehen.

Grundlagen in Mathematik, Physik und Chemie, die im 1. und 2. Semester des Studiengangs Ingenieurwissenschaften vermittelt worden sind: Mathematische Grundlagen 1 und 2, Physik 1 und 2 (Experimentalphysik 1 und 2), Chemie I und II (Einführung in die Chemie, Chemische Grundlagen der anorganischen und organischen Materalien)

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer begleitenden Übung. Die Inhalte der Vorlesung werden im Vortrag und Präsentationen vermittelt. Begleitend sollen die Studierenden ein ausgesuchtes Lehrbuch durcharbeiten, welches zur weiteren Vertiefung des Modulstoffs, evtl. ergänzt durch weitere Literatur, beiträgt. In der Übung werden die Inhalte des Moduls in praktischen Versuchen veranschaulicht.

Präsentationen, Videos und Tafelaufschrieben

Callister, William D.:Materials Science and Engineering, 8th Ed., Wiley Desktop Edition 2010; zusätzlich: Askeland, Donald R., Materialwissenschaften, 1. Aufl., Spektrum Akandem. Verlag 2010 / The Science and Engineering of Materials, 5th Ed., Thomson Learning 2006 ; Roos, E. und Maile, K., Werkstoffe für Ingenieure, 3. Aufl., Springer-Verlag 2008; Chemischer Teil: Englische Literaur: A. Burrows, J. Holman, A. Parsons, G. Pilling, G. Price, Chemistry, Oxford University press 2009, ISBN 978-0-19-927789-6; C. E. Housecroft, E. Constable, Chemistry, Pearson Education Limited Harlow, 3rd edition 2006, ISBN 978-0-131-27567; P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller, F. Armstrong, Inorganic Chemistry, Oxford University press, 4th edition 2006, ISBN 978-0-19-926463-6; Deutsche Literatur: E. Riedel, Allgemeine und Anorganische Chemie, de Gruyter, 10. Auflage 2010, ISBN 978-3-11-022781-9; M. Binnewies, M. Jäckel, H. Willner, G. Rayner-Canham Allgemeine und Anorganische Chemie, Spektrum Akademische Verlag Heidelberg, 1. Auflage 2004, ISBN 3-8274-0208-5; U. Müller, Inorganic Structure Chemistry, Whiley,Second Edition, ISBN 978-0470018651

Die Prüfungsleistung wird schriftlich in Form einer 90-minütigen Klausur erbracht. In dieser sollen die Studierenden zeigen, dass in begrenzter Zeit und ohne Hilfsmittel ein Problem im Bereich der Materialwissenschaften erkannt, und Wege zu einer Lösung gefunden werden können. Die Studierenden legen dar, dass sie einen Überblick über die Strukturchemie von Festkörpern erlangt haben und die Beziehungen zwischen Struktur und Symmetrie zur Problemlösung heranziehen. Die Antworten erfordern teils eigene Berechnungen und Formulierungen, teils Ankreuzen von vorgegebenen Mehrfachantworten.