Glossar der Nanotechnologie

Unser Glossar bietet Erklärungen zu wichtigen Begriffen der Nanotechnologie und Materialentwicklung

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Alternative Werkstoffe

Generell sind Werkstoffe als Material zu definieren, das zur Fertigung eines Endprodukts genutzt wird. Dabei kann es sich um einen Rohstoff/reines Material handeln oder um die Verbindung verschiedener Rohstoffe wie im Falle von Legierungen. Alternative Werkstoffe bezeichnen die Materialien, die sich von klassischen Werkstoffen wie Holz, einfachen Kunststoffen oder Reinmetallen unterscheiden und mithilfe neuer Technologien und Erkenntnisse produziert werden. Oftmals handelt es sich dabei um Verbundwerkstoffe wie Faserverbundkunststoffe oder andere Composites.

Bioleaching

Bioleaching oder Biolaugung gehört zu den Verfahren der Biohydrometallurgie und wird als direktes Recyclingverfahren unter Verwendung von Bakterien eingesetzt. Es wird zur Gewinnung von Schwermetallen genutzt, die in Erzen oder anderen chemischen Verbindungen gebunden sind. Dafür kommen Bakterienstämme zum Einsatz, die die unlöslichen Bestandteile in wasserlösliche Salze umwandeln. Das weiterhin nicht lösliche Schwermetall kann dann in Reinform extrahiert werden.

Bulk Moulding Compound (BMC)

Bei Bulk Moulding Compounds handelt es sich um Faser-Matrix-Halbzeuge. Als Matrix kommen meistens Polyester- oder Vinylesterharze zum Einsatz, die Fasern sind in den meisten Fällen kurze Glasfasern. Grundsätzlich sind aber auch andere Kombinationen möglich. Im Vergleich zu den reinen Harzen weist das BMC höhere Festigkeiten, Steifigkeiten und Temperaturbeständigkeit auf. BMC kann im Heißpressverfahren oder im Spritzgussverfahren verarbeitet werden.

Carbon

Als Carbon wird entweder das reine chemische Element Kohlenstoff bezeichnet oder mit Kohlenstofffasern (Carbonfasern) verstärkter Kunststoff.

Carbonfaser

Carbonfasern oder Kohlenstofffasern sind industrielle hergestellte Fasern auf Kohlenstoffbasis, die hauptsächlich in Faserverbundwerkstoffen verwendet werden. Besonders kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist hierbei als wichtiges Composite zu erwähnen. Carbonfaser ist elektrisch und thermisch leitend und ist aufgrund seiner geringen Dichte unter anderem für den Leichtbau interessant. Verschiedene Kohlefasertypen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit und Steifigkeit.

Composites

Composites, auch Verbundwerkstoffe oder Kompositwerkstoffe, sind Werkstoffe, die sich aus mindestens zwei verschiedenen Materialien zusammensetzen. Das entstehende Composite weist dabei andere Eigenschaften aus als die Ausgangswerkstoffe. Composites lassen sich je nach Art der Herstellung und der eingesetzten Materialien in verschiedene Kategorien unterteilen; so können Verbundwerkstoffe etwa auf Bändern und Fasern basieren oder aus Schichten bzw. Teilchen bestehen.

Dissolver

Der ist ein Rührscheibengerät, das zur Vermischung und Dispergierung von niedrig- bis mittelviskosen Stoffen genutzt wird. Eine mit Zähnen besetzte Rührscheibe wird dabei drehend bewegt und zerteilt dadurch die Agglomerate für die Dispersion. Einsatzbereiche sind unter anderem die Farben- und Lackindustrie.

Diwolframcarbid

Diwolframcarbid (W2C) ist neben Mono-Wolframcarbid eine Wolfram-Kohlenstoff-Verbindung. Das Material ist extrem hart, hat eine hohe Schmelztemperatur und wird künstlich durch die Aufkohlung von Wolfram und Wasserstoff hergestellt.

Dreiwalzwerk

Das Dreiwalzwerk kommt für die Dispergierung pastöser Systeme zum Einsatz. Drei große Zylinder laufen in unterschiedlichen Geschwindigkeiten gegeneinander – Aufgabewalze, Mittelwalze, Abnahmewalze. Durch die entstehenden Scher erfolgt die Homogenisierung der Stoffe. Zur Anwendung kommt das Verfahren unter anderem bei Druckfarben oder in der Pharmazie.  

Duroplaste

Duroplaste sind eine von drei Kunststoffgruppen, die bezüglich ihres mechanisch-thermischen Verhaltens unterschieden werden.

Elastomere

Elastomere sind eine von mehreren Kunststoffgruppen, die bezüglich ihres mechanisch-thermischen Verhaltens unterschieden werden. Bei Raumtemperatur sind sie elastisch (Gummielastizität): Sie können mindestens bis auf das Doppelte ihrer Länge gedehnt werden und kehren anschließend wieder in ihren Ausgangzustand zurück. Grund dafür sind verknäuelte, quervernetzte Molekülketten. Typische Vertreter der Elastomere sind zum Beispiel Polyurethan und alle Silikone. Elastomere können auch als Kunststoffmatrix für faserverstärkte Kunststoffe genutzt werden.

Endlosglasfasern

Endlosglasfasern kommen bei der Herstellung von Prepegs und anderen glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen zum Einsatz. Von Endlosfasern im Bereich des Faser-Kunststoff-Verbunds spricht man, wenn die Faserlänge mehr als 50 mm beträgt. Diese Fasern werden in Form von Rovings oder Gewebe verarbeitet. Manchmal werden Endlosfasern auch als Filamente bezeichnet. Weitere Typen der Glasfaser sind Kurzfasern und Langfasern.

Epoxidharz

Epoxidharz zählt zu den härtbaren Kunstharzen. Mithilfe eines geeigneten Härters können sie zu duroplastischen Kunststoffen verarbeitet werden und zeichnen sich durch große Härte und gute Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aus.

Extruder

Extruder dienen der Förderung dickflüssigen Materials mittels Schnecken (Einschneckenextruder oder Doppelschneckenextruder) zu einer formgebenden Öffnung und kommen auch als Dispergieraggregate zum Einsatz. In diesem Fall dienen die Schnecken der Zerkleinerung und Mischung der gewählten Komponenten. Das Material wird bei der Extrusion entgegen dem Widerstand der rotierenden Schnecken gefördert und dabei unter Druck und höherer Temperatur aufgeschmolzen.

Faserverbundwerkstoff

Faserverbundwerkstoffe sind eine Unterkategorie der Composites. Hierbei entsteht aus einer einbettenden Matrix und verstärkenden Fasern ein neuer Mischwerkstoff. Durch die Kombination der beiden Materialien entsteht ein Werkstoff mit verstärkten Eigenschaften. Besonders bekannte Faserverbundwerkstoffe sind glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK). Als Matrix kommen hier oftmals Polyester-, Epoxyd- oder Vinylesterharze zum Einsatz.

Filament Winding

Filament Winding, Filamentwickeln oder Endlosfaserwickeln ist ein Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen Bauteilen auf Basis von Endlosfasern. Die Endlosfasern werden dafür in Form von Rovings in der Harzmatrix getränkt und anschließend auf den rotierenden Kern gewickelt. So entstehen je nach Wickelkern verschiedene Bauteile aus dem gewünschten Faserverbundstoff.

Flammspritzen

Flammspritzen zählt zu den thermischen Sprühbeschichtungsverfahren und wird meist für Korrosions- oder Verschleißschutz (z.B. Verzinken) eingesetzt

Halbzeuge

Bei Halbzeugen handelt es sich um eine Art Vormaterial beziehungsweise Halbfertigprodukte, die sich zu individuellen Erzeugnissen weiterverarbeiten lassen. Halbzeuge liegen meist in einfachen geometrischen Formen vor, die eine einfache Weiterverarbeitung ermöglichen. Halbzeuge müssen dabei nicht aus einem einzigen reinen Material bestehen, sondern sind auch als Composites wie GFK oder CFK erhältlich.

Kugelmühlen

Kugelmühlen kommen zur Zerkleinerung und Homogenisierung von Stoffen zum Einsatz. Sie bestehen aus einem rotierenden zylindrischen Behälter, der mit kleinen Kugeln gefüllt ist. Diese Kugeln dienen als Mahl- und Mischwerkzeuge. Die Kugeln bestehen oftmals aus Chromstahl, Wolframcarbid oder Keramiken und müssen möglichst abriebfest sein.

Magnetronsputtern

Magnetronsputtern ist eine besondere Form des Sputterns und wird auch als PVD-Verfahren bezeichnet (Physical Vapor Deposition, physikalische Dampfphasenabscheidung).

Masterbatch

Als Masterbatch versteht man eine Kombination aus Matrix (z.B. Polymer) mit Kunststoffadditiven in Form von Granulaten oder Pasten, die in einer höheren Konzentration als der Endanwendung vorliegen.

Matrix

Der Begriff Matrix wird je nach Fachbereich unterschiedlich verwendet. Im Bereich der faserverstärkten Verbundwerkstoffe bezeichnet die Matrix die Umgebung für die verstärkenden Fasern bzw. den Ausgangsstoff. Die Matrix ist fest an die Fasern gebunden. Als Kunststoffmatrix kommen gleichermaßen Duroplaste, Thermoplaste und Elastomere infrage.

Nanofüllstoffe

Nanofüllstoffe werden unter anderem genutzt, um Nanoverbundwerkstoffe herzustellen. Wie konventionelle Füllstoffe sind sie unlöslich und verleihen dem Ausgangsmaterial zusätzliche Eigenschaften. Sie unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der Partikelgröße und den damit einhergehenden chemischen und physikalischen Besonderheiten von Nanopartikeln.

Nanographen

Als Nanographen werden einzelne Einheiten von Graphen, den ein Atom dicken Kohlenstoffmolekülen, bezeichnet. Nanographene sind dabei auf bestimmte Funktionen zugeschnitten und komplexer in der Herstellung als Graphen selbst. Das Verfahren der Wahl ist eine spezielle Form der Dehydrierung. In Zukunft soll Nanographen beispielsweise für LEDs, Solarzellen oder Brennstoffzellen genutzt werden.

Nanotubes

Nanotubes oder Nanoröhrchen sind längliche Hohlkörper, die einen Durchmesser von nur wenigen Nanometern aufweisen. Sie können aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden wie beispielsweise Kohlenstoff, Sulfiden oder Kunststoffen.

Parallelwickelverfahren

Das Parallelwickelverfahren ist das klassische Wickelverfahren zur Herstellung von Rohren und ähnlichen Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen.

Photokatalyse

Photokatalytisch aktive Materialien werden eingesetzt, um Oberflächen selbstreinigende Eigenschaften zu verleihen, Luft und Wasser zu reinigen oder Bakterien, Algen und Pilze abzutöten.

Phthalate

Als Phthalate werden Verbindungen der Phthalsäure mit verschiedenen Alkoholen bezeichnet. Sie werden hauptsächlich als Weichmacher für Kunststoffe eingesetzt, unter anderem für Weich-PVC. Kunststoffe mit Weichmacher sind beispielsweise in Kabeln und Schläuchen, Bodenbelägen und Tapeten oder in Lebensmittelverpackungen zu finden.

Polyamide (PA)

Polyamide werden nicht nur zu Fasern gesponnen und zu Textilien verarbeitet, sondern kommen auch als technische Thermoplaste zum Einsatz. Sie zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit aus. Typische Anwendungsbereiche sind der Fahrzeugbau oder die Herstellung von Elektrowerkzeugen.

Polyesterharze

Polyesterharze zählen zu den Kunstharzen (in Abgrenzung zu Naturharzen). Eine Untergrupppe sind die ungesättigten Polyesterharze (UP-Harze), die unter anderem zur Produktion von (faserverstärkten) Kunststoffen verwendet werden.  

Polyethylenterephthalat

Polyethylenterephthalat (PET) zählt zu den thermoplastischen Kunststoffen. PET wird in verschiedenen Varianten verwendet. Als Textilfaser Polyester kommt es für Sport- und Alltagskleidung zum Einsatz. Im Spritzblasverfahren wird der Kunststoff zum Beispiel zu Flaschen verarbeitet. Polyethylenterephthalat zeichnet sich durch hohe Schlagzähigkeit und Bruchfestigkeit.

Polyethylenterephthalat

Polyethylenterephthalat (PET) zählt zu den thermoplastischen Kunststoffen. PET wird in verschiedenen Varianten verwendet. Als Textilfaser Polyester kommt es für Sport- und Alltagskleidung zum Einsatz. Im Spritzblasverfahren wird der Kunststoff zum Beispiel zu Flaschen verarbeitet. Polyethylenterephthalat zeichnet sich durch hohe Schlagzähigkeit und Bruchfestigkeit.

Polymere

Als Polymere werden chemische Verbindungen bezeichnet, die aus mehreren gleichartigen Einheiten bestehen und daraus Ketten- oder verzweigte Moleküle bilden. Synthetisch hergestellte Polymere sind im Normalfall immer den Kunststoffen zuzurechnen. Natürliche Polymere sind beispielsweise Proteine oder Lipide, wie sie im menschlichen Körper vorkommen.

Polyoxymethylen (POM)

Polyoxymethylen oder auch Polyacetal ist ein thermoplastischer Kunststoff. Es zeichnet sich durch ein besonders gutes Gleit- und Verschleißverhalten aus. POM wird vor allem für Spritzgussteile in der Automobilindustrie und in der Elektrotechnik verwendet, wie z.B. für Gehäuseteile.

Prepregs (Faser-Matrix-Halbzeuge)

Bei Prepregs handelt es sich um eine bestimmte Art der Halbzeuge. Der Name steht für „preimpregnated fibres“, vorimprägnierte Fasern. Das Halbzeug besteht aus Endlosfasern wie Glasfasern oder Kohlenstoffasern, die mit duroplastischen Reaktionsharzen vorimprägniert wurden. Prepregs werden meistens bahnenförmig produziert und entsprechend weiterverarbeitet.

Pultrusionsverfahren

Mithilfe des Pultrusionsverfahrens (auch: Strangziehverfahren) können faserverstärkte Kunststoffprofile hergestellt werden.

Rührwerksmühlen

Rührwerksmühlen (auch: Rührwerkskugelmühlen) sind eine spezielle Form der Kugelmühlen. Der zylindrische Mahltopf wird bis zu 90% mit Mahlkörpern wie Sand oder Perlen gefüllt. Die Zerkleinerung und Mischung der Stoffe erfolgt durch Rührscheiben, die auf einer rotierenden Welle installiert sind.

Siliziumcarbid

Siliziumcarbid ist eine chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Sie zeichnet sich vor allem durch ihre hohe Härte aus (9,6 auf der Mohs-Skala). Siliziumcarbid wird unter anderem in Verbundkeramik, für Heizelement, als Schleifmittel für optische Elemente, zur Herstellung von Spiegeln oder als Halbleitermaterial verwendet.

Siliziumdioxid

Siliziumdixoid (SiO2) macht den Großteil des weltweiten Sandvorkommen aus. Es ist besonders witterungsbeständig und weist eine große Härte auf. Neben der Herstellung von robusten Quarz-Gläsern kommt Siliziumdioxid auch als Füllstoff für Kunststoffe, in der Halbleitertechnik und in kosmetischen wie pharmazeutischen Produkten zum Einsatz.

Sintern

Sintern ist ein Verfahren zur Verarbeitung von pulvrigen und körnigen Stoffen, besonders auf Metallbasis. Dafür wird das Pulver mit den gewünschten Zusätzen vermischt und in eine Form gepresst. Schließlich sorgt eine hohe Temperaturzufuhr knapp unterhalb des Schmelzpunkts dafür, dass das Material verdichtet wird und der Körper seine Form behält. Für die Verarbeitung von Kunststoffpulvern kommt das spezielle Lasersintern infrage.

Spritzgussverfahren

Das Spritzgussverfahren ist ein Verfahren, das hauptsächlich zur Verarbeitung von Kunststoff genutzt wird. Das Ausgangsmaterial wird dafür in einer speziellen Maschine (der sogenannten „Spritzgießmaschine“) verflüssigt und unter Druck in das „Spritzgießwerkzeug“ eingespritzt, in dem das Ausgangsmaterial die gewünschte Form erhält. Durch Auskühlen verfestigt sich der Kunststoff und behält die neue Form. Zum Spritzgießen können thermoplastische, duroplastische und elastomere Kunststoffe eingesetzt werden.

Tantalcarbid

Tantalcarbid (TaC) besitzt einen Schmelzpunkt von 3880°C und weist eine hohe Härte auf (je nach Untersuchung eine Mohshärte von bis zu 7 oder 10). Es ist daher den Hartmetallen zuzurechnen. Aufgrund seiner robusten Eigenschaften wird es gerne für die Herstellung von stark beanspruchten Schneidwerkzeugen, aber auch für die Beschichtung von starker Hitze ausgesetzten Triebwerksdüsen verwendet. 

Thermoplaste

Thermoplaste sind eine von drei Kunststoffgruppen, die bezüglich ihres mechanisch-thermischen Verhaltens unterschieden werden. Sie lassen sich unter Einfluss von Wärme in einem bestimmten Temperaturbereich verformen.

Titancarbid

Die chemische Verbindung aus Titan und Kohlenstoff (TiC) zeichnet sich vor allem durch eine besonders hohe Härte aus. Der Schmelzpunkt liegt bei 3140°C., deswegen kommt es oft für die Herstellung von robusten Werkzeugen zum Einsatz. Auch als Legierungszusatz für Stähle und Hartmetalle sowie als Beschichtungsmaterial ist Titancarbid gefragt.

Titandioxid

Titiandioxid kommt hauptsächlich in Pulverform vor und wird unter anderem in Lacken und Farben sowie zur Kunststoffeinfärbung genutzt. Es wirkt dabei einerseits als Weißpigment, kann andererseits aber auch als Photokatalysator genutzt werden. Der Einsatz in Lebensmitteln ist umstritten und bereits teilweise verboten, da gesundheitliche Risiken nicht ausgeschlossen werden können.

Wickelverfahren

Das Wickelverfahren wird unter anderem genutzt, um rotationssymmetrische Bauteile wie Tanks oder Rohre aus GFK herzustellen.

Wolfram

Wolfram zählt zu den Schwermetallen und ist das chemische Element mit dem höchsten Schmelz- und Siedepunkt (3422°C bzw. 5930°C). Es besitzt eine hohe Dichte sowie eine mittlere Härte und ist sehr widerstandfähig gegenüber chemischen Einflüssen.

Wolframcarbid

Als Wolframcarbid werden Wolfram-Kohlenstoff-Verbindungen bezeichnet. Wolframcarbid zählt zu den Hartmetallen und wird durch die Aufkohlung von reinem Wolfram mit Kohlenstoff gewonnen.

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