Funktionswerkstoffe und -strukturen

In der Materialwissenschaft ist es üblich, die Werkstoffe in Konstruktionswerkstoffe und in Funktionswerkstoffe zu klassifizieren. Konstruktionswerkstoffe oder auch Strukturwerkstoffe sind nicht-aktivierbare Werkstoffe, die vorwiegend wegen ihrer herausragenden mecha­nischen Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit, Dichte, Härte usw.) zum Einsatz kommen. Das klassische Beispiel dafür ist Stahl. Dagegen besitzen Funktionswerkstoffe Eigenschaften, durch die eine Energieumwandlung in dem Material auf Basis bestimmter physikalischer Effekte erfolgen kann. Sie lassen sich direkt als materialaktive Wandler einsetzen oder es ist möglich, ihre Eigenschaften gezielt und reversibel zu ändern. Funktionswerkstoffe sind keiner einzelnen Werkstoffgruppe zugeordnet.

Beispiele für Funktionswerkstoffe sind:

• piezoelektrische Werkstoffe
  (z.B. ZnO, BaTiO₃, PVDF, KTN, KNN)
• optomechanisch wirksame Materialien
  (wie LiNbO₃, KTN, ZnO, SBN, Azo-Polymere)
• Formgedächtnis-Materialien
  (z.B. NiTi, ZrO₂, AuCd, CuZnAl)
• elektroaktive Polymere (z.B. CNT), oder auch
• Elektro- und Magnetostriktionen
  (PMN, Terfenol-D, Fe₃O₄).

Das Phänomen einer Funktionalisierung des Werkstoffes zeigt sich sowohl bei Konstruktions- als auch bei Funktionswerkstoffen, sobald eine spezielle Strukturierung des Bauteils oder dessen Oberfläche vorgenommen wurde, so z.B. die Funktion des Anhaftens auf einer glatten Oberfläche durch die Generierung von hexagonalen Nano-Stegen. Der Campus hat daher zu den Funktionswerkstoffen auch die Funktionsstrukturen in den Fokus seiner Forschungsinhalte gestellt und trägt diese in seinem Namen.

Funktionsstrukturen sind Werkstoffe mit speziellen Strukturierungen, durch die sie eine Funktionalisierung erfahren, die über ihre ursprüngliche mechanische Bestimmung hinausgeht. Mit Hilfe von Funktionsstrukturen werden den Bauteilen neue Eigenschaften verliehen. Das Potenzial ihrer multifunktionalen Nutzung ist dann besonders groß, wenn sie aus Funktionswerkstoffen bestehen. Derartige Funktionsstrukturen dürfen dann als hochentwickelte Spezialwerkstoffe mit hohem Funktionsgrad verstanden werden.

Beispiele für Funktionsstrukturen sind:

• CNT-Fasern
• schwingungsisolierende Doppelspiralfedern zur Befestigung von Spiegelflächen in Autospiegeln

• piezoelektrische Aktuatoren in Wabenform
• Nanosäulen und helikale Membrane aus piezoelektrischem Zinkoxid
• piezoelektrische Nano-Composite
• bioinspirierte und selbstorganisiert bzw. potenzialbasiert entstandene Bauweisen