Keramik
Keramische Werkstoffe
Keramische Werkstoffe
Was ist eine Keramik?
anorganisches nichtmetallisches Material mit mind 30% kristallinem Anteil. technisch durch Sintern hergestellt.
Was ist Tongut?
- Bezeichnung für alle porösen feinkeramischen Werkstoffe
- z.B. Töpferwaren (ziegel, Kacheln)
Steingutwaren (Sanitärkeramik)
Wärmedammungssteine
Was ist Tonzeug?
Bezeichnung für alle dichten feinkeramischen Erzeugnisse auf silikatischer Basis
z.B. Parzellane, Steinzeugwaren
Wie kann man keramische Werkstoff unterteilen?
1. Silikatkeramik→ Rohstofffe (Naturprodukte, Eigenschaftsschwankungen, z.B. Ton, Quarz)
2. Hochleistungskeramik→ Rohstoff synthetisch hergestellt
Oxidkeramik z.B. Al2O3, ZrO2, AlTiO5
Nichtoxidkeramik Nitride: z.B. Si3N4,Bornitrid, Titannitrid; Karbide: Borkarbid, SiC, ...
keramische Verbundwerkstoffe z.B. C/C, SiC/SiC siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid, Beschichtungen...
neue Ansätze: Nanokeramik, Polymerkeramik, Gradentenkeramik (Faserstruktur)
Einteilung der Hochleistungskeramik nach ihrem Einsatzgebiet
- Strukturkeramik→ Maschinenbau→ mech. Eigenschaften wie Härte, Verschleiß, hohe Temperaturbeständigkeit, stehen im Vordergrund
- Funktionskeramik → Elektrotechnik/Physik→ elektronische, optische, sensorische, aktorische Eigenschften
Welche Einflussgrößen für die Festigkeit gibt es?
Einteilung nach der Defektgröße
- (1)gering: Poren, Korngrenzen, Tripelpunkte, Kristallie→ große Häufigkeit
-(2) mittel: Poren, Agglomerate, chem. Inhomogenitäten, anorg. Fremdteilchen→mitllere Häufigkeit
- (3) groß: org. Fremdteilchen, Pressfehler, Bearbeitungsfehler→ geringe Häufigkeit
Stärken/ Vorteile von Strukturkeramik
- hohe Festigkeit, Stefigkeit, Härte bis zu hohen Temperaturen (hohe Formstab., hohe Härte)
- hohe Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit (gute chem. Bestädigkeit)
- geringe Dichte (Leichtbau)
- Biakompatibel
Schwächen/ Nachteile von Strukturkeramik
- Sprödigkeit, Zug- und Schlagempfindlichkeit (begrenzte Duktilität, niedrige Bruchdehnung, niedrige Risszähigkeit)
- Eigenschaftsstreuung, Zuverlässigkeit
- hohe Fertigungskosten
- Thermoschockempfindlichkeit
Wichtige Gruppe der Steatite Merkmale, Vorteile...
- Basis auf natürlichen Rohstoffen
- relativ hohe mech. Festigkeit
- vielfache Anwendung in der Elekrotech.
- Sondersteatite für verlustarme Hochfrequenzbauteile
- z.B. Magnesiumsilikate, Niederspannungssteatite, Standardstetite ect.
wichtige Erdalkali-Aluminiumsilikate, Eigenschaften ect.
Cordierit
- hohe Temperaturwechselbeständigkeit, niedriger Wärmeausdehnungskoe.
- sind in der Wärme und Elektrowärmetechnik zu finden
- Anwendung in Filter- und Katolysatorentechnik
Bindungstypen allgemein
- ionisch
-metallisch
- kovalent
- gemischt
Kristallstrukturen: metallische Bindung
kfz- Ag, Cu, Al, Gamma Eisen
hdp: Mg, Be, altha Ti
krz: W, Mo, Ta, alpha Eisen
ionische Bindung Merkmale, ect.
min. 2 Atomsorten
Bindung durch Elektronenübergang→ Anionen, Kationen (es gilt die 8- Regel)
Kristallstruktur über Ionenradienverhältnise und Koordinationen→ sehr große Strukturvielfalt→ große Eigenschaftsvielfalt
Ionenradienverhältnisse
ri/ra <0,225 ; KZ=3 ; Koordinationspolyeder: Dreieck
0,225-0,414; KZ =3; Tetraeder
0,414- 0,732; KZ= 6; Hexaeder
0,732-0,0904; KZ = 8; Oktaeder
>0,904 KZ= 12; Ikosaeder
physikalische Erklärung für Kristallstruktur
Erklärung über Gitterenergie
setzt sich zusammen aus 1. elektost. Anziehung→Coulomb
2. Abstoßende Kräft (kurze Reichweite) Bon Meyer
3. Induktionsladung van der Waals
4. Nullpktenergie
Bindung von Kovalenter und Ionenbindung
Ionenbindung: starke gerichtete Bindung
Kovalente Bindung: geringe symmetrie wenig gerichtet (Elekronenpaare)
Das Bändermodell
Atome nehemen dirskrete Energieniveaus an→Ausbildung von Bändern
durch Hypridisierung Übergang in p oder n leitend
Isolatoren Energielücke> 1,2 eV
Halbleiter LB→leer bei 0 K; VB→voll bei 0K
Metall: LB halbvoll VB voll
Typischekristallstrukturen in der Keramik
Typ AB
- Zinkblende- Gitter, ecken verknüpfte Tetraeder, Vertreterbetha SiC
- Wurzit- Gitter, Vertreter: AlN
- NaCl- Gitter, gestapelter Oktaeder, Vertreter: MgO, CaO, FeO
Typische Kristallstruktut in der Keramik
AB2 Typen
Tetraeder: Ecke. Kante, Fläche
Kationen Koordinationszahl(KN): 4
Vertreter: SiO2
Oktaeder: Kationen KN: 6
Vetreter: TiO2
Hexaeder: Kationen KN: 8
Vertreter: CaF2, ZrO2, CeO2
Durch Phasenumwandlungen können Keramiken stabilisiert werden z.B ZrO
Durch Einbringen von Partikeln Erhöhung von Bruchzähigkeit, Rissbildung wird gestoppt
Typische Kristallstruktur in der Keramik
ABO3-Typen
A- Kation kubisches Gitter
B- Kation auf den Flächenzentriert
O- Anion im Raum zentriert
Oxitationsstufe: A2+, B4+: BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3
A+,B5+: KTaO3
A3+,B3+: LaMnO3
besondere Eigenschaften: invers (durch elek. Spannung) oder direkter (durch Druck) piezoelekrischer Effekt
Orientierungspolarisation
Ferroelectrische Keramik (jedes Ferroelektrikum = Piezoelektrikum aber nicht umgekehrt)
typische Kristallstruckturen in der Keramik
AB2O4(AO*B2O3) Typen
- Spinell bildnede Magnete: Anwendung: nichtmetallische, polykristalline, magnetische Materialien
Komponenten fur A: Mg, Mn,Co,Ni,Zn
Komponenten für B: Al, Fe, Cr, Mn, Co
MgAl2O4(spinell); Fe3O4 (inverser spinell)
z.B Supraleiter YBaCuO
Merkmal: erxtrem unsymetrisch, komplexe Struktur
Subraleiter verdrängen Magnetfeld
Brosonen→ halber Spin, Fermionen→ganzer Spin
allegemine Aussage über Strukturen von Keramiken und was man daraus ableiten kann
komplexere Struktur als Metalle→mit geringer Symmetrie→weniger Gleitebenen, höhere Bindungsenergie
- Keramiken besitzen geringe Duktilität
- hohe Härte und Temperaturabhängigkeit
Warum ist TiO2 ein Isolator und thermodynamisch das stabilste Ti-Oxid?
Lakalisierte Ionen→keineLeitung
Ionenbindung
Welche Stöchiometrie haben Nb-Oxide, Zr- Oxide?
Nb2O5, ZrO2 aus Schalenverteilunng
Warum ist TiO ein elek. Leiter?
zwi freie e- →Elektronen Gas→metallisches Verhalten
Warum ist TiO(2-x) x<1 ein n-Halbleiter?
Temperaturabhängigkeit der Leerstellen?
Was ist der Leitungsmechanismus LSM?
LSM→Lantan Sr Mn
Kathodenseitiger Leitungsmechanismus
Hopping Leitung: Elektronen Hoppin z.B LaMnO3
Ladungsträgerbeweglichkeit ist temperaturgesteuert
Erhöhung elek. Leitfähigkeit durch Dotierung mit Sr auf La Plätzen→ Oxitationstufen werden geändert→Elektronenneutralität muss gewahrt werden
Was ist der Leitungsmechanismus YSZ
YSZ→ Yttrium basierendes Zirkonoxid
Ähnlicher Mechanismuss wie bei LSM aber Ionen- Hopping
Wodurch werden die Eigenschaften von Keramiken wesentlich erzeugt?
- Strukturaufbau:
Verbindung von Metall- und Nichtmetallatomen mit ionischer und kovalenter Bildung
ergibt: hohe Härte, Festigkeit,Sprödigkeit, in der Regel niedrige elek und therm. Leitfähigkeit
- Herstellungsprozess: erfolgt über pulvermaterialugische Verfahren→wegen hohem Schmelzpkt keine schmelzmetallurgischen Verfahren
Umformung aufgrund fehlender Plastizität nicht mgl.
Vergleich spez. Eigenschaften Keramik vs. Metall
therm. Ausdehnung: Keramik niedrig, Metall hoch
Duktilität: Keramik sehr niedrig, Metall hoch
Hochtemp.festigkeit: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Dichte: Keramik niedrig, Metall hoch
Korrosionsbeständigkeit: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Verschleißfestigkeit: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Härte: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Wärmeleitfähigkeit: Keramik niedrig, Metall hoch
elek. Leitfähigkeit: Keramik niedrig, Metall hoch
Abkürzungen bezg. der Herstellungsart
Hip...Heißisostatisches Pressen
HP...heißgepresst
S...gesintert
Si...siliciuminfiltriert meist SiSiC
RB... reaktionsgebunden
Vergleich Zugversuch Stahl mit Keramik
- Keramik hat rein elastisches Verhalten→steiler Anstieg→hohes Emodul
- Fläche unter der Kurve→Energie→Keramik kann wenig Energie aufnehmen
Wie kann die Energieaufnahme von Keramiken gesteigert werden?
durch Faserverstärkte Keramik
- relativ geringer Abfall der Härte
- erhöhtes Maß an Dehnung
Wozu wird der Ansatz nach Orowan benutzt?
zur Berechnung des E- Moduls bzw. der theoretischen Spannung
Warum sind die theoretischen Spannungswerte von Keramiken viel zu hoch?
- große Eigenschaftsstreuungen
- durch verarbeitungsbedingte Fehler, können min. werden
- durch strukturelle Fehler, schwerer zu minimieren
Herstellungsschritte für Keramiken allgemein
-Pulversynthese: Fesetkörperaktionen, Schmelvverfahren, Gasphasenreaktionen
- Masseaufbereitung: Mahlen, Mischen, Granulieren, Trocken
- Formgebung: Trocken- ,Naß-, isostatisch, Strangpressen, Schlickergießen, Spritzgießen
- Sintern: HIP,Reaktionssintern, in versch. Atmosphären, Heißpressen
- Entbearbeitung: Schleifen, Läppen, Lasertrennen
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Lernkarten
Was ist eine Keramik?
anorganisches nichtmetallisches Material mit mind 30% kristallinem Anteil. technisch durch Sintern hergestellt.
Was ist Tongut?
- Bezeichnung für alle porösen feinkeramischen Werkstoffe
- z.B. Töpferwaren (ziegel, Kacheln)
Steingutwaren (Sanitärkeramik)
Wärmedammungssteine
Was ist Tonzeug?
Bezeichnung für alle dichten feinkeramischen Erzeugnisse auf silikatischer Basis
z.B. Parzellane, Steinzeugwaren
Wie kann man keramische Werkstoff unterteilen?
1. Silikatkeramik→ Rohstofffe (Naturprodukte, Eigenschaftsschwankungen, z.B. Ton, Quarz)
2. Hochleistungskeramik→ Rohstoff synthetisch hergestellt
Oxidkeramik z.B. Al2O3, ZrO2, AlTiO5
Nichtoxidkeramik Nitride: z.B. Si3N4,Bornitrid, Titannitrid; Karbide: Borkarbid, SiC, ...
keramische Verbundwerkstoffe z.B. C/C, SiC/SiC siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid, Beschichtungen...
neue Ansätze: Nanokeramik, Polymerkeramik, Gradentenkeramik (Faserstruktur)
Einteilung der Hochleistungskeramik nach ihrem Einsatzgebiet
- Strukturkeramik→ Maschinenbau→ mech. Eigenschaften wie Härte, Verschleiß, hohe Temperaturbeständigkeit, stehen im Vordergrund
- Funktionskeramik → Elektrotechnik/Physik→ elektronische, optische, sensorische, aktorische Eigenschften
Welche Einflussgrößen für die Festigkeit gibt es?
Einteilung nach der Defektgröße
- (1)gering: Poren, Korngrenzen, Tripelpunkte, Kristallie→ große Häufigkeit
-(2) mittel: Poren, Agglomerate, chem. Inhomogenitäten, anorg. Fremdteilchen→mitllere Häufigkeit
- (3) groß: org. Fremdteilchen, Pressfehler, Bearbeitungsfehler→ geringe Häufigkeit
Stärken/ Vorteile von Strukturkeramik
- hohe Festigkeit, Stefigkeit, Härte bis zu hohen Temperaturen (hohe Formstab., hohe Härte)
- hohe Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit (gute chem. Bestädigkeit)
- geringe Dichte (Leichtbau)
- Biakompatibel
Schwächen/ Nachteile von Strukturkeramik
- Sprödigkeit, Zug- und Schlagempfindlichkeit (begrenzte Duktilität, niedrige Bruchdehnung, niedrige Risszähigkeit)
- Eigenschaftsstreuung, Zuverlässigkeit
- hohe Fertigungskosten
- Thermoschockempfindlichkeit
Wichtige Gruppe der Steatite Merkmale, Vorteile...
- Basis auf natürlichen Rohstoffen
- relativ hohe mech. Festigkeit
- vielfache Anwendung in der Elekrotech.
- Sondersteatite für verlustarme Hochfrequenzbauteile
- z.B. Magnesiumsilikate, Niederspannungssteatite, Standardstetite ect.
wichtige Erdalkali-Aluminiumsilikate, Eigenschaften ect.
Cordierit
- hohe Temperaturwechselbeständigkeit, niedriger Wärmeausdehnungskoe.
- sind in der Wärme und Elektrowärmetechnik zu finden
- Anwendung in Filter- und Katolysatorentechnik
Bindungstypen allgemein
- ionisch
-metallisch
- kovalent
- gemischt
Kristallstrukturen: metallische Bindung
kfz- Ag, Cu, Al, Gamma Eisen
hdp: Mg, Be, altha Ti
krz: W, Mo, Ta, alpha Eisen
ionische Bindung Merkmale, ect.
min. 2 Atomsorten
Bindung durch Elektronenübergang→ Anionen, Kationen (es gilt die 8- Regel)
Kristallstruktur über Ionenradienverhältnise und Koordinationen→ sehr große Strukturvielfalt→ große Eigenschaftsvielfalt
Ionenradienverhältnisse
ri/ra <0,225 ; KZ=3 ; Koordinationspolyeder: Dreieck
0,225-0,414; KZ =3; Tetraeder
0,414- 0,732; KZ= 6; Hexaeder
0,732-0,0904; KZ = 8; Oktaeder
>0,904 KZ= 12; Ikosaeder
physikalische Erklärung für Kristallstruktur
Erklärung über Gitterenergie
setzt sich zusammen aus 1. elektost. Anziehung→Coulomb
2. Abstoßende Kräft (kurze Reichweite) Bon Meyer
3. Induktionsladung van der Waals
4. Nullpktenergie
Bindung von Kovalenter und Ionenbindung
Ionenbindung: starke gerichtete Bindung
Kovalente Bindung: geringe symmetrie wenig gerichtet (Elekronenpaare)
Das Bändermodell
Atome nehemen dirskrete Energieniveaus an→Ausbildung von Bändern
durch Hypridisierung Übergang in p oder n leitend
Isolatoren Energielücke> 1,2 eV
Halbleiter LB→leer bei 0 K; VB→voll bei 0K
Metall: LB halbvoll VB voll
Typischekristallstrukturen in der Keramik
Typ AB
- Zinkblende- Gitter, ecken verknüpfte Tetraeder, Vertreterbetha SiC
- Wurzit- Gitter, Vertreter: AlN
- NaCl- Gitter, gestapelter Oktaeder, Vertreter: MgO, CaO, FeO
Typische Kristallstruktut in der Keramik
AB2 Typen
Tetraeder: Ecke. Kante, Fläche
Kationen Koordinationszahl(KN): 4
Vertreter: SiO2
Oktaeder: Kationen KN: 6
Vetreter: TiO2
Hexaeder: Kationen KN: 8
Vertreter: CaF2, ZrO2, CeO2
Durch Phasenumwandlungen können Keramiken stabilisiert werden z.B ZrO
Durch Einbringen von Partikeln Erhöhung von Bruchzähigkeit, Rissbildung wird gestoppt
Typische Kristallstruktur in der Keramik
ABO3-Typen
A- Kation kubisches Gitter
B- Kation auf den Flächenzentriert
O- Anion im Raum zentriert
Oxitationsstufe: A2+, B4+: BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3
A+,B5+: KTaO3
A3+,B3+: LaMnO3
besondere Eigenschaften: invers (durch elek. Spannung) oder direkter (durch Druck) piezoelekrischer Effekt
Orientierungspolarisation
Ferroelectrische Keramik (jedes Ferroelektrikum = Piezoelektrikum aber nicht umgekehrt)
typische Kristallstruckturen in der Keramik
AB2O4(AO*B2O3) Typen
- Spinell bildnede Magnete: Anwendung: nichtmetallische, polykristalline, magnetische Materialien
Komponenten fur A: Mg, Mn,Co,Ni,Zn
Komponenten für B: Al, Fe, Cr, Mn, Co
MgAl2O4(spinell); Fe3O4 (inverser spinell)
z.B Supraleiter YBaCuO
Merkmal: erxtrem unsymetrisch, komplexe Struktur
Subraleiter verdrängen Magnetfeld
Brosonen→ halber Spin, Fermionen→ganzer Spin
allegemine Aussage über Strukturen von Keramiken und was man daraus ableiten kann
komplexere Struktur als Metalle→mit geringer Symmetrie→weniger Gleitebenen, höhere Bindungsenergie
- Keramiken besitzen geringe Duktilität
- hohe Härte und Temperaturabhängigkeit
Warum ist TiO2 ein Isolator und thermodynamisch das stabilste Ti-Oxid?
Lakalisierte Ionen→keineLeitung
Ionenbindung
Welche Stöchiometrie haben Nb-Oxide, Zr- Oxide?
Nb2O5, ZrO2 aus Schalenverteilunng
Warum ist TiO ein elek. Leiter?
zwi freie e- →Elektronen Gas→metallisches Verhalten
Warum ist TiO(2-x) x<1 ein n-Halbleiter?
Temperaturabhängigkeit der Leerstellen?
Was ist der Leitungsmechanismus LSM?
LSM→Lantan Sr Mn
Kathodenseitiger Leitungsmechanismus
Hopping Leitung: Elektronen Hoppin z.B LaMnO3
Ladungsträgerbeweglichkeit ist temperaturgesteuert
Erhöhung elek. Leitfähigkeit durch Dotierung mit Sr auf La Plätzen→ Oxitationstufen werden geändert→Elektronenneutralität muss gewahrt werden
Was ist der Leitungsmechanismus YSZ
YSZ→ Yttrium basierendes Zirkonoxid
Ähnlicher Mechanismuss wie bei LSM aber Ionen- Hopping
Wodurch werden die Eigenschaften von Keramiken wesentlich erzeugt?
- Strukturaufbau:
Verbindung von Metall- und Nichtmetallatomen mit ionischer und kovalenter Bildung
ergibt: hohe Härte, Festigkeit,Sprödigkeit, in der Regel niedrige elek und therm. Leitfähigkeit
- Herstellungsprozess: erfolgt über pulvermaterialugische Verfahren→wegen hohem Schmelzpkt keine schmelzmetallurgischen Verfahren
Umformung aufgrund fehlender Plastizität nicht mgl.
Vergleich spez. Eigenschaften Keramik vs. Metall
therm. Ausdehnung: Keramik niedrig, Metall hoch
Duktilität: Keramik sehr niedrig, Metall hoch
Hochtemp.festigkeit: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Dichte: Keramik niedrig, Metall hoch
Korrosionsbeständigkeit: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Verschleißfestigkeit: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Härte: Keramik sehr hoch, Metall niedrig
Wärmeleitfähigkeit: Keramik niedrig, Metall hoch
elek. Leitfähigkeit: Keramik niedrig, Metall hoch
Abkürzungen bezg. der Herstellungsart
Hip...Heißisostatisches Pressen
HP...heißgepresst
S...gesintert
Si...siliciuminfiltriert meist SiSiC
RB... reaktionsgebunden
Vergleich Zugversuch Stahl mit Keramik
- Keramik hat rein elastisches Verhalten→steiler Anstieg→hohes Emodul
- Fläche unter der Kurve→Energie→Keramik kann wenig Energie aufnehmen
Wie kann die Energieaufnahme von Keramiken gesteigert werden?
durch Faserverstärkte Keramik
- relativ geringer Abfall der Härte
- erhöhtes Maß an Dehnung
Wozu wird der Ansatz nach Orowan benutzt?
zur Berechnung des E- Moduls bzw. der theoretischen Spannung
Warum sind die theoretischen Spannungswerte von Keramiken viel zu hoch?
- große Eigenschaftsstreuungen
- durch verarbeitungsbedingte Fehler, können min. werden
- durch strukturelle Fehler, schwerer zu minimieren
Herstellungsschritte für Keramiken allgemein
-Pulversynthese: Fesetkörperaktionen, Schmelvverfahren, Gasphasenreaktionen
- Masseaufbereitung: Mahlen, Mischen, Granulieren, Trocken
- Formgebung: Trocken- ,Naß-, isostatisch, Strangpressen, Schlickergießen, Spritzgießen
- Sintern: HIP,Reaktionssintern, in versch. Atmosphären, Heißpressen
- Entbearbeitung: Schleifen, Läppen, Lasertrennen
