Werkstoffkunde 2 - TUM - Keramik und Glas

Zirkonoxidkeramiken haben eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohe Bruchzähigkeit, höchste Biegebruch- und Zugfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, sehr gute tribologische Eigenschaften, eine Wärmeausdehnung ähnlich dem Gusseisen, dafür eine etwas geringere Verschleißbeständigkeit. Zirkonoxid kommt temperaturabhängig in drei Kristallstrukturen vor: monoklon, tetragonal, kubisch.

Die monokline Phase ist weniger dicht gepackt als die tetragonale. Beim Abkühlen findet eine Phasenumwandlung und somit eine Volumensteigerung von 3% statt, was den Werkstoff von innen "sprengen" kann.

fully stabilized zirconia / cubic stabilized zirconia
Bei vollstabilisiertem Zirkonoxid bleibt durch den Einbau von Fremdoxiden die kubische Hochtemperaturstruktur erhalten.

partly stabilized zirconia
Im teilstabilisierten Zirkonoxid liegt eine metastabile kubische Phase mit tetragonalen Bereichen vor, welche zur Umwandlungsverstärkung fähig ist. Somit weist es eine deutlich höhere Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit hals andere Keramiken auf.

Durch die metastabile kubische Phase mit tetragonalen Bereichen des PSZ wird eine Umwandlung in die monokline Phase verhindert und das Gefüge vorgespannt. Bei hohen mechanischen Spannungen z.B. bei einer Rissspitze wandeln diese tetragonalen Bereiche allerdings doch und absorbieren Energie durch die Erzeugung neuer Grenzflächen und schließen, verlangsamen oder verzweigen Risse durch die Volumenänderung

tetragonal zirconia polycrystals
Polykristallines tetragonales Zirkonoxid besitzt durch die metastabile tetragonale Phase eine sehr hohe Festigkeit. Durch die Verwendung von extrem feinkörnigen Ausgangspulvern und niedrigen Sintertemperaturen entsteht ein sehr feinkörniges Gefüge.

Zirkonoxid hat einen hohen Diffusionskoeffizient für Sauerstoff. Da O^2- Ionen eine elektrische Ladung tragen, fließt ein signifikanter elektrischer Strom, während Sauerstoff durch das Gitter diffundiert. Durch die hohe Ionenleitfähigkeit und seine Temperaturbeständigkeit wird PSZ in Brennstoffzellen und Suaerstoffsensoren in Lambda-Sonden eingesetzt.

Nichtoxidkeramiken beinhalten Karbide und Nitride, die sämtlich synthetisch sind und weisen viele kovalente Bindungen auf, was zu hohem E-Modul und somit hoher Festigkeit, Härte und Verschleißbeständigkeit führt. Niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient und hohe Wärmeleitfähigkeit sorgen für hohe R₁-und R₂-Werte.

Das Sintern wird durch die kovalenten Bindungen erschwert. Entweder müssen die Pulverpartikel sehr klein, besondere Prozesse, vor allem hohe Drücke, angewendet ,oder aber Sinteradditive zur Erzeugunng der flüssigen Phase beigemischt werden.

-Druckloses Sintern (S) und Flüssigphasensintern (LP)
-Gasdrucksintern (GP)
-Heißpressen (HP) und Heißisostatisches Pressen (HIP)
-Rekristallisieren (R)
-Reaktionsgebundene Keramiken (RB)

Dieses Vorgehen verlangt Sinteradditive wie Bor oder Kohlenstoff und findet bei 1600°C - 2200°C unter Schutzgas statt. Die Schwindung beträgt 15-23%, das Bauteil ist zu 95% dicht.

Der Vorgang wird bei N₂-Drücken bis 10MPa durchgeführt und liefert dichte Keramiken hoher Festigkeit.

Dieser Vorgang läuft bei sehr hohen Temperaturen und Drücken (<100MPa, 1700-2200°C), die Schwindung liegt bei 40%. Dieser Prozess bietet die besten Werkstoffeigenschaften, allerdings sind die Geometrien beim HP sehr eingeschränkt, bzw. die Kosten beim HIP sehr hoch.

Bei sehr hohen Temperaturen von 2300-2500°C entstehen großkörnige Gefüge mit einer offenen Porosität von bis zu 15%, dafür aber ohne Schwindung.

Reaktionsgebundene Keramiken werden teilweise oder komplett während des Sintervorgangs synthetisiert (z.B. Siliziumpulver in N₂- oder Ammoniakatmosphäre zu Siliziumnitrid).

hohe Härte, Festigkeit, Korrosions-, Oxidations- und Verschleißbeständigkeit, auch bei hohen Temperaturen, gute Temperaturwechselbeständigkeit, geringe Wärmedehnung, sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, gute tribologische- und Halbleitereigenschaften.

Ähnlich wie Siliziumkarbid, allerdings höhere Verschleißbeständigkeit und überragende Härte bei sehr geringer Dichte.

Bornitrid ist nach Diamant das härteste bekannte Material.

Es verfügt über eine von anderen Keramiken unerreichte Kombination hervorragender Eigenschaften: hohe Zähigkeit, höchste Festigkeit, ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit, hervorragende Verschleißbeständigkeit, niedrige Wärmedehnung, mittlere Wärmeleitfähigkeit, gute chemische Beständigkeit. Somit ist es im Maschinenbau prädestiniert für extremste Einsatzbedingungen.

Aluminiumnitrid besticht durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit und gute elektrische Isolierfähigkeit. Zudem lässt es sich mit allen gängigen Verfahren metallisieren und somit für Hart- oder Weichlöten vorbereiten. Wegen geringer Wärmedehnung bleiben Lötverbindungen relativ spannungsarm.

-brechen aufgrund der hohen Sprödigkeit ohne plastische Verformung
-sehr große Streuung der Festigkeitswerte, gehorchen nicht einer Gaussschen sondern einer Weibullschen Verteilung
-für gewöhnlich Spaltbrüche

F = Ausfallwahrscheinlichkeit
σ = Spannung
σ_{u = minimale Festigkeit}
σ₀ = Lageparameter
m = Weibull-Modul

Ein Maß für die Streuung um den Mittelwert der Festigkeit: Je höher der Modul m, desto homogener ist der Werkstoff ► umso kleiner ist die Streuung

-Verlängerung des Risspfades
-Rissbrückeneffekte
-Mikrorissbildung und Rissverzweigung
-Spannungsinduzierte Phasentransformation

Interkristallin wachsende Risse in grobkörnigen Gefügen reiben an ihren Flanken aneinander oder verklemmen sich, so dass eine Brücke entsteht. Durch eingebrachte Partikel oder Fasern kann der Effekt verstärkt werden.

Mikrorisse entstehen aufgrund von Spannungskonzentrationen an der Rissspitze und setzen dort den E-Modul herab, was die Spannung und somit die treibende Kraft für den Rissfortschritt verringert. Zudem führt die Mikrorissbildung zu Energiedissipation.

Der Vorgang geht oft mit Volumenzunahme einher, was einerseits zu Druckeigenspannung führt, welche dem RIss entgegenwirkt und ihn sogar schließen kann, andererseits zur Bildung von Mikrorissen.

Bei Temperaturänderungen treten thermische Spannungen durch Behinderung der thermischen Ausdehnung auf, was zu Bauteilversagen führen kann. Der Kennwert berechnet sich mit:

R_{1 =} σ_b / Eα

σ_{b = Biegefestigkeit
E = E-Modul}
α = thermischer Ausdehnungskoeffizient
 

Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Keramiken kann bei rascher Temperaturänderung eine Temperaturdifferenz von Oberfläche zu Kern entstehen. Die so entstehenden thermischen Spannungen führen zum Bruch, auch Thermoschock genannt. Der Kennwert berechnet sich mit:

R₂ = λR₁ = λσ_b / Eα

λ = Wärmeleitfähigkeit
σ_b = Biegefestigkeit
E = E-Modul
α = thermischer Ausdehnungskoeffizient

- Keramikpulver wird mit Wasser und Bindemitteln verdichtet um einen Werkstoff mit ausreichender Festigkeit zur Bearbeitung zu erzeugen
-Formung eines Grünkörpers/Grünlings durch keramische Formgebungsverfahren
-Trocknen
-Brennen (Sintern)

-Pressen (0-15% Feuchte): uniaxiales oder kalt-isostatisches Pressen, Feuchtpressen
- Plastische Formgebung (15-25% Feuchte): Spritzgießen, Extrudieren
-Gießen (>25% Feuchte): Schlickergießen, Foliengießen, Druckgießen

Zum Ausgleich von Trocknungs- und Sinterschwindung muss bis zu 30% Aufmaß zugegeben werden.

Das Sintern (Brennen) findet unter hoher Temperatur und Druck statt. Bei ausreichend hohen Temperaturen findet an den Grenzflächen der Pulverteilchen Diffusion statt. Die Zahl der hochenergetischen Grenzflächen zwischen Festkörper und Gas wird verringert, die der niedrigenergetischen zwischen zwei Festkörpern erhöht. Durch den hohen Druck werden zwischen den Pulverteilchen eingeschlossene Poren verschlossen.

Glas ist amorph, Keramik besitzt hingegen eine Kristallstruktur mit Fernordnung.

-Netzwerkbildner/Glasbildner: Vernatwortlich für Struktur, z.B. SiO_4^4- Tetraeder
-Netzwerkwandler: Verhindern Kristallisation um amorphe Struktur zu erhalten, z.B. Na₂O
-Stabilisatoren: Können beide Aufgaben übernehmen, können alleine allerdings kein Glas bilden, z.B. Al₂O₃

Glas lässt sich nicht gießen du Spast. Glas hat keinen eindeutigen Schmelzpunkt. Der feste Zustand wird bei Temperaturerhöhung zunehmend zähflüssig, während die atomare Ordnung nahezu unverändert bleibt.

Glaskeramiken sind teilkristalline Verbundwerkstoffe der durch unvollständige Kristallisation von Gläsern entsteht. Zur Steuerung der Kristallgröße wird TiO₂ zugesetzt, das sich nicht vollständig in der Glasschmelze auflöst. Die Besonderheit ist die geringe thermische Ausdehnung, die über einen großen Temperaturbereich (20°C - 750°C) fast Null ist.

-nach Zusammensetzung: Silikatkeramik, Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik
-nach charakteristischer Korngröße: Grobkeramik, Feinkeramik
-nach Anwendungsbereich: Baukeramik, Funktionskeramik, Ingenieurkeramik

Silikatkeramiken sind mehrphasige Werkstoffe mit hohem Glasphaseanteil (>20%). Wesentliche Rohstoffe sind Ton und Kaolinit, Feldspat und Speckstein, die Silikate sind/endhalten. Wegen niedriger Sintertemperaturen, guter Prozessbeherrschung und hoher Verfügbarkeit der natürlichen Rohstoffe ist Silikatkeramik sehr kostengünstig.