Grundlagen

Materialauswahl ist nie Selbstzweck, sondern dient der unter technischen wie wirtschaftlichen Aspekten optimalen Gestaltung eines neuen Produktes. Dabei stehen zu Beginn des 21. Jahrhunderts mehrere wesentliche Entwicklungen im Zentrum der Überlegungen:

  • Funktionalität – die Gegenstände, mit denen wir uns umgeben, sollen immer vielfältigeren Nutzen immer müheloser verfügbar machen.

  • Miniaturisierung – ebenso sollen die materiellen Dinge die wir nutzen immer leichter sein, immer weniger als "Ballast" wahrgenommen werden
  • Materialeffizienz – Hand in Hand mit der Miniaturisierung geht das Ziel einher, die gewünschte Funktionalität mit immer weniger Ressourceneinsatz zu bewerkstelligen.

  • Energieeffizienz – mit der gesellschaftlichen Bedeutung des Klimawandels einhergehend sollen alle Energieverbräuche so weit wie irgend möglich reduziert werden.

Vor diesem Hintergrund ist Materialauswahl zu sehen. Werkstoffe werden so ausgewählt und eingesetzt, dass die gewünschte Funktion optimal erreicht wird. Wenn ein einfacher Werkstoff hier den Anforderungen nicht entspricht, dann wird er verbessert, etwa durch Legieren (siehe Legierungen) oder durch die Herstellung von Verbundmaterialien (siehe Verbundwerkstoffe).

Beispiel – für die elektrische Leistungsübertragung unter beengten Platzverhältnissen wird stets Kupfer als Leiterwerkstoff die erste Wahl sein. Anders sieht es aus, wenn man eine Hochspannungsleitung baut – Platz ist zur Genüge vorhanden, von zentraler Bedeutung sind das Gewicht und die Zugfestigkeit des Leitermaterials. Je besser hier die Werte, desto weniger Hochspannungsmasten werden benötigt, weil diese in um so größeren Abständen stehen können. Damit wird Kupfer verdrängt von einem Verbundwerkstoff mit einer Seele aus Stahl (wegen der besonders hohen Zugfestigkeit), umflochten von Aluminiumdrähten (als dem leichtesten elektrischen Leiterwerkstoff).

Die Gründe, warum Kupfer und Kupferlegierungen in unzähligen Anwendungen einen so weite Verbreitung gefunden haben und in immer neuen Anwendungen als Innovationswerkstoffe zum Zuge kommen, sind vielfältig. Hier seien nur die wichtigsten genannt:

Elektrische Leitfähigkeit

Nach Silber und vor Gold ist Kupfer physikalisch der beste Leiterwerkstoff für Elektrizität. In zahlreichen Anwendungsfeldern, von Elektromotoren über Transformatoren bis zur Leistungselektronik und digitalen Datenverarbeitung ist Kupfer daher nicht wegzudenken.

Zwar kann man durch Legieren viele Materialeigenschaften von Kupfer verbessern, niemals aber die Leitfähigkeit. Aufgrund des physikalischen Mechanismus der elektrischen Leitung in Metallen – der Bewegung freier Elektronen im Kristallgitter – verschlechtert eine jede Störung dieses Gitters die elektrische Leitfähigkeit.

Diesen an und für sich nachteiligen Effekt nimmt man jedoch in verschiedenen Anwendungen in Kauf, wenn mechanische Anforderungen überwiegen – etwa bei Steckkontakten – und man die Leitfähigkeitseinbuße ggf. durch örtliche Querschnittsvergrößerung kompensieren kann.

Wärmeleitfähigkeit

Leitfähigkeit für Strom und für Wärme verlaufen aus physikalischen Gründen weitgehend parallel.  Daher ist Kupfer aus Wärmeleitanwendungen nicht weg zu denken.  Dies gilt um so mehr,  wenn weitere Eigenschaften erforderlich sind,  so etwa geringes Bauvolumen,  erhöhte Festigkeit auch bei höheren Temperaturen und das Vorhandensein kostengünstiger Fügeverfahren.

Eine weitere Überlegung ist zu beachten :  elektrischer Strom wird parallel zur Oberfläche des Leiters transportiert,  Wärme senkrecht dazu.  Bei Strom wie bei Wärme verschlechtert die Zugabe von Legierungselementen die Leitfähigkeit.  Anders als beim Strom kann bei Wärme aus den vorgenannten Gründen die Einbusse an Leitfähigkeit durch geringere Wandstärken kompensiert oder überkompensiert werden,  indem eine legierungsbedingt erhöhte Festigkeit eine Reduzierung der Wandstärke ermöglicht.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsbeständigkeit ist keine Materialeigenschaft, sondern eine Systemeigenschaft, die von dem Material, den dieses umgebenden Medien und den Betriebsbedingungen – etwa der Temperatur oder der mechanischen Spannungen – bestimmt wird. Mehr zu diesem Thema finden Sie ...hier....

In vielen Anwendungen erweisen sich Kupfer und Kupferlegierungen jedoch als ausgesprochen beständig gegen korrosiven Angriff. Dies ist für sich alleine, insbesondere aber auch in Verbindung mit anderen Eigenschaften, für viele Anwendungen von großer Bedeutung. So sind insbesondere Kupferlegierungen in zahlreichen maritimen Anwendungen eine hervorragende Problemlösung, etwa bei Schiffsschrauben, Ölplattformen oder Offshore-Windkraftwerken.

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