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Intelligente und moderne Werkstoffe – thermochrom, photochrom, Formgedächtnislegierung, Graphen, Metallschaum, Titan, Kohlenstofffaser

TechnikMaschinenbauAlter 16–17

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Ein virtuelles Labor: Erwärmen oder kühlen Sie ein thermochromes Pigment, einen thermochromen Flüssigkristall und einen Nitinoldraht und bestrahlen Sie ein photochromes Brillenglas mit UV-Licht; verfolgen Sie den Zeitverlauf und tragen Sie Ergebnisse in eine Tabelle ein. Vergleichen Sie Dichte, Festigkeit, Steifigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit und Kosten von Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff, Titanlegierung, Aluminiumschaum und Nitinol mit Aluminium und Stahl. Lösen Sie sechs Konstruktionsaufgaben, indem Sie einen Werkstoff und ein Bauteil wählen, mit Rückmeldung zu jeder Anforderung.

Lektion: Moderne und intelligente Werkstoffe: Smart Materials, Nanomaterialien und Verbundwerkstoffe

Was sie zeigt

Intelligente Werkstoffe ändern eine Eigenschaft, wenn sich ihre Umgebung ändert, und kehren zurück, wenn der Reiz wegfällt. Thermochrome Pigmente wechseln bei einer festgelegten Temperatur die Farbe; photochrome Pigmente dunkeln unter ultraviolettem Licht nach; eine Formgedächtnislegierung wie Nitinol wird kalt gebogen und nimmt beim Erwärmen über ihre Umwandlungstemperatur ihre gespeicherte Form wieder an. Moderne Werkstoffe sind auf hohe Leistung ausgelegt: Graphen und Kohlenstoffnanoröhren sind im Nanomaßstab extrem fest und leitfähig, Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe und Titanlegierungen sind fest bei geringem Gewicht, und Metallschäume sind sehr leicht und dämpfen Stöße.

So funktioniert es

Wählen Sie unter Labor eine Probe, stellen Sie Plattentemperatur und UV-Lampe ein und verschieben Sie Umschlagtemperatur oder Umwandlungstemperatur Af. Klicken Sie auf Draht biegen und erwärmen Sie ihn dann. Klicken Sie auf Ergebnis notieren für eine neue Tabellenzeile. Wählen Sie unter Werkstoffe vergleichen eine Eigenschaft und tippen Sie auf einen Balken. Wählen Sie unter Konstruktionsaufgabe Aufgabe, Hauptwerkstoff und Zusatzbauteil.

Einstellbare Parameter

  • Ansicht Labor, Werkstoffe vergleichen, Konstruktionsaufgabe
  • Probe Thermochromes Pigment, Thermochromer Flüssigkristall, Photochromes Pigment, Formgedächtnisdraht (Nitinol)
  • Temperatur der Heiz-/Kühlplatte -10–100 °C
  • Stärke der UV-Lampe 0–100 %
  • Umschlagtemperatur des Pigments 15–45 °C
  • Umwandlungstemperatur Af von Nitinol 20–90 °C
  • Simulationsgeschwindigkeit ×1 (Echtzeit), ×5, ×20
  • Verglichene Eigenschaft Dichte, Zugfestigkeit, Steifigkeit (Elastizitätsmodul), Spezifische Festigkeit, Elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Relative Kosten
  • Konstruktionsaufgabe Badethermometer-Ente, Selbsttönende Brille, Gewächshaus-Fensteröffner, Rennradrahmen, Crashbox fürs Auto, Elektrode für faltbares Display
  • Hauptwerkstoff Thermochromes Pigment in Kunststoff, Photochromes Pigment in klarem Kunststoff, Nitinol (Formgedächtnislegierung), Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffaser-Verbund (CFK), Titanlegierung, Aluminiumschaum, Aluminiumlegierung, Baustahl, Polycarbonat (einfacher Kunststoff)
  • Zusatzbauteil Keines, Thermistor + LED + Batterie, Lichtsensor + LCD-Schicht + Batterie, Thermistor + Motor + Batterie, Rückstellfeder aus Stahl

Fragen zum Erkunden

  1. Warum braucht ein Gewächshaus-Fensteröffner mit Nitinol eine Rückstellfeder, um das Fenster wieder zu schließen?
  2. Warum dunkeln photochrome Brillen im Auto und an heißen Tagen weniger nach?
  3. Graphen ist extrem fest – warum baut man trotzdem keine Fahrradrahmen aus Graphen?

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