Frank Jörg Clemens: Katalogdaten im Herbstsemester 2022 |
| Name | Herr Dr. Frank Jörg Clemens |
| Adresse | EMPA Überlandstrasse 129 8600 Dübendorf SWITZERLAND |
| Telefon | 058 765 48 21 |
| Fax | 058 765 41 50 |
| clemensf@ethz.ch | |
| Departement | Materialwissenschaft |
| Beziehung | Dozent |
| Nummer | Titel | ECTS | Umfang | Dozierende | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 327-0513-00L | Mechanische Eigenschaften | 7 KP | 6G | R. Spolenak, F. J. Clemens, M. Schinhammer, A. Wahlen | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung | Dieser Kurs vermittelt die Grundlagen für das Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Materialien. Dabei wird untersucht, welche Rolle die Nano- und Mikrostruktur der Materialien spielt, wie die mechanischen Eigenschaften durch die Zusammensetzung oder die Verarbeitung beeinflusst sowie mit welchen Methoden materialspezifische mechanische Kenngrössen ermittelt werden. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Lernziel | Die Studierenden sind in der Lage, • das Wechselspiel von Struktur und Eigenschaften in der Auswahl und Enwicklung von Materialien anzuwenden. • Plastizität, Risswachstum, Hochtemperatureigenschaften, Korrosion, Diffusion, Umwelteinflüsse, Kornwachstum, Ermüdung, Bruchmechanik Materialklassen übergreifend zu verstehen. • mechanische Eigenschaften gezielt einzustellen. • durch Verständnis der temperaturabhängigen Materialeigenschaften, die optimalen Materialien für spezifische Anwendungsbereiche auszuwählen und zu entwickeln. • Massnahmen zu ergreifen, um die Lebensdauer von Materialien zu erhöhen. • die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der verschiedenen Materialklassen zu verknüpfen. • Konzepte der Materialentwicklung zu verstehen und auf neue Werkstoffe anzuwenden. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Inhalt | Diese Vorlesung hat die irreversible mechanische Verformung von Materialien als Kernthema. Unabhängig von den Materialklassen werden folgende Phänomene im Detail erklärt und rigoros abgeleitet: Kristallplastizität bei niedrigen Temperaturen (Versetzungstheorie, Härtungsmechanismen, Verzwillingung, Spröd-Duktil-Übergänge), Plastizität in ungeordneten Strukturen (Scherbänder und Dehnungslokalisierung), Bruchmechanik (Griffith Kriterium, Weibullstatistik, Rissspitzenplastizität, J-Integral, R-Kurve), Ermüdung (Wöhlerkurven und Parisgesetz), Umwelteinflüsse, Tribologie, Hochtemperaturplastizität (Kriechen und Verformungsmechanismusdiagramme). Alle Phänomene werden durch aktuelle Fallbeispiele anhand von konkreten Materialien und Materialsystemen illustriert. Diese beinhalten Aluminiumlegierungen, Stähle, Hochtemperaturlegierungen, Hochleistungskeramiken, Strukturpolymere und Verbundwerkstoffe. Die Vorlesung wird durch Übungen und praktische Experimente unterstützt und verwendet Materialdatenbanken. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kompetenzen |
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| 327-0610-00L | Verbundwerkstoffe  Nur für Studierende Materialwissenschaft Bachelor Reglement 2017. | 3 KP | 2V + 1U | F. J. Clemens, A. Winistörfer | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung | Grundlegende Konzepte; Modelle von Mehrschichtverbunden mit Polymer-, Metall- und Keramikmatrix-Systemen, Herstellung und Eigenschaften von Verbundwerkstoffen verstärkt mit Partikeln, Whiskern sowie Kurz- und Langfasern; Auswahlkriterien, Anwendungsbeispiele; Wiederverwertung und Perspektiven; Grundlagen für adaptive und Funktions-Verbundwerkstoffe | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Lernziel | Einblick in die Vielfalt der Möglichkeiten an gezielten Eigenschaftsänderungen bei Verbundwerkstoffen geben, verstehendes Kennenlernen der wichtigsten Einsatzmöglichkeiten und der Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Inhalt | 1. Einführung 1.1 Was verstehen wir unter Verbundwerkstoffen? 1.2 Was verstehen wir unter Stoffverbunden? 1.3 Sind Verbundwerkstoffe eine Idee unserer Zeit? 1.4 Delphi Studie: Vorausschau auf Wissenschaft und Technik aus der Perspektive der Verbundwerkstoffe 1.5 Warum Verbundwerkstoffe? 1.6 Literatur zum Kapitel 1 2. Bausteine 2.1 Partikel 2.2 Kurzfasern (inkl. Whiskers) 2.3 Langfasern 2.4 Matrixwerkstoffe 2.4.1 Polymere 2.4.2 Metalle 2.4.3 Keramiken und Gläser 2.5 Literatur zum Kapitel 2 3. PMC: Polymer Matrix Composites 3.1 Geschichtlicher Abriss 3.2 Arten von PMC-Laminaten 3.3 Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren 3.4 Verstärkungsmechanismen, Mikrostruktur, Grenzflächen 3.5 Bruchkriterien 3.6 Ermüdungseigenschaften am Beispiel eines Mehrschichtenverbunds 3.7 Adaptive Werkstoffsysteme 3.8 Literatur zum Kapitel 3 4. MMC: Metall Matrix Composites 4.1 Einleitung: Definitionen, Auswahlkriterien und "Design" 4.2 Arten von MMCs - Beispiele und typische Eigenschaften 4.3 Mechanische und physikalische Eigenschaften von MMCs - Berechnungsgrundlagen, Einflussgrössen und Schädigungsmechanismen 4.4 Herstellungsverfahren 4.5 Mikrostruktur / Grenzflächen 4.6 Zerspanende Bearbeitung von MMC 4.7 Anwendungen 5. CMC: Keramik Matrix Composites 5.1 Einführung und geschichtlicher Abriss 5.2 Verstärkungsarten 5.3 Herstellungsverfahren 5.4 Verstärkungsmechanismen 5.5 Mikrostruktur / Grenzflächen 5.6 Eigenschaften 5.7 Anwendungen 5.8 Materialprüfung und Qualitätssicherung 5.9 Literatur zum Kapitel 5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Skript | Das Skript wird zu Semesterbeginn abgegeben | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Literatur | Im Skript findet sich ein umfassender Literaturhinweis | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Voraussetzungen / Besonderes | Vor jeder Stunde werden Handouts an die Studenten verteilt oder als Download zur Verfügung gestellt. Die Uebungen werden in die Vorlesung integriert und in kleinen Gruppen als Teamarbeit durchgeführt. Sie dienen dazu den Vorlesungsstoff zu vertiefen. schriftliche Semesterendprüfung | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 327-2103-00L | Composites and Hybrids: From Design to Application New title as of HS22. Old title: Advanced Composite and Adaptive Material Systems | 5 KP | 3V + 1U | F. J. Clemens, B. Weisse, A. Winistörfer | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung | Composites/hybrids are heterogeneous materials consisting of two or more bonded components, and it is possible to tailor material properties for certain applications. Typically, The components retain their structure and properties, but the properties of the composite are a combination of the properties of its components. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Lernziel | In this course you will get an inside to lightweight material with high strength, materi-als that are resistive against abrasion, ceramics with damage tolerance behavior, com-posites with bioactive, bioresorbable, piezoresistive and -electric properties. Enables materials scientists to design composite/hybrid materials for different applications. The course will comprise a balance of lectures, exercises and laboratory classes. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Inhalt | Introduction and basic concepts on biomedical composites and smart composites/hybrids with sensing and actuation properties; production and properties of composites reinforced with particles, whiskers, short or long fibers; selection criteria, case studies and applications, future perspectives. 1. Structural composites (polymer-, metal- and ceramic matrix composites) 1.1. Introduction and historical background 1.2. Components: Matrix and reinforcement materials 1.3. Types of composites and mechanisms of reinforcement 1.4. Production processes 1.5. Physical and chemical properties 1.6. Applications 2. Biomedical Composites 2.1. Introduction and historical background 2.2. Components: metals&alloys, natural/synthetic polymers, bioceramics 2.3. Types of biocomposites 2.4. Production processes 2.5. Properties 2.6. Applications 3. Functional Composites (Sensors and Actuators) 3.1. Introduction and historical background 3.2. Components: Matrix and functional filler material 3.3. Types of composites 3.4. Production processes 3.5. Properties 3.6. Applications | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Skript | We will work with handouts | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Literatur | CHAWLA, Krishan K. Composite materials: science and engineering. Springer Sci-ence & Business Media, 2012. Biomedical composites, J. Paulo Davin (Ed.), De Gruyter (2014) Composites in Biomedical Applications, S. M. Sapuan, Y. Nukman, N. A. Abu Osman, R. A. Ilyas (Eds), CRC Press (2021). Bioresorbable polymers for biomedical applications – from fundamentals to transla-tional medicine, G. Perale, J. Hilborn (Eds), Woodhead Publishing (2017) TONG, Xingcun Colin. Advanced Materials for Printed Flexible Electronics. Springer, 2022. SINAPIUS, Johannes Michael. Adaptronics-Smart Structures and Materials. Berlin, Germany: Springer, 2021. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kompetenzen |
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