Sexl Physik 8, Schulbuch

Im menschlichen Knochen sind steife Elemente wie Calciumphosphatplättchen in eine „weiche“ Grundsubstanz aus Proteinen eingebettet, die vor allem aus Kollagen besteht. Die Verbindung zwischen festen Elementen und verformbarer Grundsubs- tanz ist für die guten mechanischen Eigenschaften verantwortlich. Viele im Labor hergestellte so genannte Biomaterialien zeichnen sich durch große mechanische Festigkeit aus. Sie sind daher für Anwendungen in der Medizin (z. B. Knochener- satzmaterialien) geeignet. Unter dem Begriff Biokeramik werden nichtmetallische, anorganische Werkstoffe verstanden, die im medizintechnischen Bereich, insbe- sondere als Zahnkronen und -brücken bzw. für künstliche Gelenke eingesetzt wer- den (  109.1 ). Sie werden als Prothese- und Implantatwerkstoffe vor allem auf- grund ihrer hervorragenden Bioverträglichkeit verwendet. Wichtig ist eine hohe Rissfestigkeit, da die Prothese- und Implantatkomponenten im menschlichen Kör- per permanent von einem feuchten, aggressiven Milieu umgeben sind. Verbindungen aus zahlreichen mehr oder weniger großen Teilchen, die von festem Material umgeben sind, bezeichnet man als Teilchenverbunde . Ein Beispiel dafür sind Polymere, in denen Partikel eingelagert werden. Wird etwa Gummi mit Ruß versetzt, können seine Festigkeit, Steifigkeit und Härte beeinflusst werden. Auch gegossene Metallverbindungen können durch Partikeleinlagerungen verbessert werden. Solche Verbunde werden unter anderem zur Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren verwendet, da sie im Einsatz hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind und dabei ihre Festigkeit bewahren müssen. Schichtverbunde sind eine weitere Gruppe technischer Verbundstoffe. Sie beste- hen aus Schichten verschiedener Materialien, welche entweder durch Verkleben oder durch hohen Druck und hohe Temperatur miteinander verschmolzen werden. Sandwichstrukturen bestehen aus einer leichten Kern- und Füllschicht, die von zwei Kraft aufnehmenden Deckschichten umhüllt sind. Die Füllstoffe, etwa Glasfa- sern oder Polymerschäume, verleihen den Sandwichstrukturen gute Schall und Wärme dämmende Eigenschaften. Sie vereinigen geringes Gewicht mit hoher Fes- tigkeit und werden daher z. B. als Wandmaterial im Flugzeugbau eingesetzt. Als Deckschichten werden beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe, Metall oder Holz verwendet. Um Treibstoff zu sparen werden Fahr- und Flugzeuge in Leichtbauweise ent- wickelt. Zugleich sollen die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe verbes- sert werden. Für diesen Zweck werden Schichtverbunde entwickelt, die zwischen zwei Deckschichten Aluminiumschaum enthalten. Ein solcher Schaum entsteht, indem eine Mischung aus Aluminiumpulver und einem Treibmittel unter hohem Druck zwischen die Deckschichten gepresst wird. Während dieses Vorgangs schmilzt das Aluminium und das Treibmittel, ein Metallhydrid, setzt gasförmigen Wasserstoff frei. Dadurch wird das geschmolzene Aluminium aufgeschäumt und gegen die ebenfalls aus Aluminium bestehende Deckschicht gepresst. Das poröse Aluminium besitzt eine dreidimensionale Wabenstruktur, die fest mit den Deck- schichten verbunden ist. Neben dem geringen Gewicht – die Struktur ist zehnmal leichter als Stahl – und ihrer hohen Stabilität besitzen derartige Schichten auch den Vorteil, die großen Energien, die bei Kollisionen auftreten können, aufzuneh- men. Vakuumdämmung – Isolationstechnik Vakuumdämmelemente spielen im Gebäudebau eine große Rolle, da die Anforde- rungen an den Wärmeschutz von Gebäuden kontinuierlich steigen. Diese neu ent- wickelten Materialien von nur 4–5 cm Dicke halten die Wärme zehnmal besser als herkömmliche bis zu einem halben Meter dicke Dämmstoffschichten. Grundsätz- lich besteht ein Vakuumdämmelement aus einer äußeren luft- und dampfdichten Hülle mit einem so genannten Stützkern aus kleinporigem Kunststoffschaum. In- dem das Gas bzw. die Luft aus dem Stützkern herausgepumpt wird, entsteht im Dämmelement ein Vakuum. Vakuumdämmelemente zeigen bei der Wärmeübertra- gung entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Dämmstoffen. So wird die Wärmeleitung im Porengas vollständig unterbunden, wenn man in den Poren Va- kuum erzeugt. Ist das Stützkernmaterial besonders feinporig, so wird die Wär- mestrahlung durch vielfache Reflexion an den Porenwänden minimiert. 109.1 Künstliches Hüftgelenk. Mitte: Die mechanischen und chemischen Ei- genschaften des keramischen Hüftgelenk- kopfs sollen ähnlich wie bei natürlichen Kno- chen sein. Damit wird eine verbesserte Verträglichkeit und Haltbarkeit der Prothese erreicht. Der Gelenkschaft (li.) aus Titan wird im Ober- schenkelknochen verankert. Die Gelenkpfanne (re.) besteht aus Polyethylen. Außendecke Welle Zwischendecke Innendecke Welle 109.3 Schematischer Aufbau von Doppelwell- pappe als Beispiel für einen Schichtverbund, der sich durch hohe Festigkeit (erreicht durch gezielte Druckverteilung) auszeichnet. (Versu- che dazu unter physikplus.oebv.at ) 109.2 Hartes biologisches Gewebe wie Zähne (a), Wirbelsäulenknochen (b) oder Perlmutt (c) sind Verbundstoffe aus harten Mineralkristal- len, eingebettet in eine weiche Proteinmatrix (d, e, f) Glasbehälter, doppelwandig, Innenwand der Doppelwand silberbeschichtet, Vakuum 109.4 Ein Beispiel für wirkungsvolle Isolation ist die Thermoskanne. Zur Verminderung der Wärmeleitung und Wärmeströmung besteht dieses Gefäß aus einem doppelwandigen Be- hälter mit evakuiertem Zwischenraum und ist zur Verhinderung der Wärmestrahlung verspie- gelt. 109 | VERTIEFUNG UND WIEDERHOLUNG Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv