Materialstrukturen

Materialstrukturen bezeichnet die räumliche Anordnung von Atomen, Molekülen, Phasen und Defekten in einem Material. Sie reicht vom atomaren Aufbau bis zur Makrostruktur und beeinflusst maßgeblich Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Leitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit. Auf der Skalenebene lassen sich Strukturen grob in kristalline, amorphe und gemischt strukturierte Materialien einteilen.

Kristalline Materialien weisen eine regelmäßige Gitterordnung auf, deren wiederholte Einheit die Kristalleinheitszelle bildet. In Kristallen treten Defekte auf, etwa Punktdefekte wie Leerstellen oder Fremdatome, Interstitialdefekte, Linienfehler wie Versetzungen und Planedefekte wie Korngrenzen. Korngrenzen beeinflussen Festigkeit, Duktalität und Diffusion und können durch Wärmebehandlung verändert werden.

Die Mikrostruktur beschreibt die Anordnung von Körnern, Phasen, Porosität und Defekten auf kleinerer Ebene. Metalle zeigen typischerweise fein- bis grobkörnige Strukturen mit unterschiedlichen Phasenanteilen durch Legierung oder Alterung. Keramiken weisen oft klare Phasenstrukturen und Porosität auf; Polymere können amorphe Bereiche und kristalline Domänen enthalten. Verbundwerkstoffe kombinieren mehrere Phasen, um spezifische Eigenschaften zu erzielen.

Die Materialstruktur wird maßgeblich durch Herstellungsprozesse gesteuert: Erstarrung, Wärmebehandlung, Kaltverformung, Legierungsbildung, Sintern und Formgebungsprozesse verändern Gitterabstände, Phasenanteile und Defektendichte. Zur Bestimmung der Struktur stehen Verfahren wie Röntgenbeugung (XRD), Elektronenmikroskopie (SEM/TEM), Querschnitts- und Oberflächenanalytik (AFM) sowie Tomografie zur Verfügung.

In der Praxis dient das Verständnis der Materialstrukturen dazu, Eigenschaften gezielt zu optimieren, z. B. durch feinkörnige Strukturen zur Steigerung der Festigkeit, kontrollierte Porosität in Keramiken oder abgestimmte Kristallanteile in Polymeren.