Zusammenfassung : Keramik

1 Zusammenfassung : Keramik 1 Begriffe aus der Werkstoffkunde: Einteilung der Werkstoffe: ! metallische Werkstoffe ! anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe ! organische Werkstoffe Unterscheidung : Werkstoff <-> chemischer Stoff Werkstoff: anwendungsrelevante Eigenschaften stehen im Vordergrund ( mechanisch, optisch, elektronisch) Kenntnis von Struktur und Eigenschaft ist von hohem Interesse, Unkenntnis verhindert Einsatz als Werkstoff aber nicht. Keramik : - Sammelbegriff f r anorganisch nichtmetallische Werkstoffe gleichartiger Fertigungstechnologie - In Wasser schwer l slich und mindestens 30% kristallin - Bei RT aus Rohmasse geformt und anschlie en bei ca. 800 C temperaturbehandelt " typische Gebrauchseigenschaften Oxidkeramik : ! Bestehen zu mind. 90% aus einphasigen, Einkomponenten Metalloxiden (hochschmelzende Metalloxide :Aluminium-, Zirkon- , Magnesium- , Titan- und Berylliumoxid) auch dazurechenbar: ! magnetkeramische Werkstoffe !

2 Stoffe mit hoher Dielektrizit tkonstante ! Ker. Werkstoffe auf SiO2 Basis z hlen NICHT dazu Nicht-oxidische Keramik ! wichtige Vertreter sind : Bornitrid, Wolframcarbid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid ! keramische Einkomponentensysteme, die keinen Sauerstoff enthalten ! Bauteile gekennzeichnet durch: - hohe Arbeitstemperaturen - mechanische Festigkeiten Begriffe: Struktur: ! = Nahordnungsstruktur, Erfassung durch R ntgenanalytik ! Glasphasen = ungeregelte Nahordnungsstruktur ( keine r ntgenographische Erfassung) ! Spielen als Korngrenzenphasen bei keramischen Materialien immer ein Rolle ! defektfreie Einkristalle: ! Einsatzgebiet beschr nkt ! Im eigendlichen Sinn keine Keramik mehr ! nutzbare Werkstoffeigenschaften durch: ! Wechselwirkung von strukturellen, chemischen und gef gekundlichen Basis-Eigenschaften chemische Bindung: ! wichtig bei ker. Werkstoffen: kovalente und heteropolare Bindungen ! bei speziellen Verbindungen auch: metallische und Van-der-Waalssche Bindungsanteile !

3 Kovalente Bindung <-> heteropolare Bindung => bergangsformen ! ab EN Differenz > 1,7 = berwiegend heteropolare Bindung Na:1,01 Cl:2,95 => heteropolar Si:1,74 O:3,30 => berwiegend kovalent Si:1,74 C:2,50 => kovalent ! siehe auch Hybridisierung Gef ge: ! Zusammenspiel verschiedener Phasen eines keramischen Materials, wobei die Korngrenze als eine Phase definiert wird ! Keramiken haben Gef ge ( Unterscheidung von Einkristallen ) ! Poren z hlen ebenso zum Gef ge Textur: ! beschreibt Orientierungserscheinungen in Gef gen und auf Oberfl chen ! haben Kristallk rner l ngliche Gestallt und sind noch orientiert in eine Hauptrichtung, so spricht man von Textur Sintern: ! chemische Reaktion von keramischen Ausgangsmaterialien, bei ber 800 C ! chemische Umsetzung ohne Bildung einer homogenen Schmelze " Kristallwachstum oder Bildung komplett neuer Phasen Spr digkeit: ! Spannungs-/Dehnungsverhalten " ideal elastischer Verlauf nach Hook schem Gesetz bis zu einer gewissen Grenze " bei kritischer Spannungsgrenze beginnt Ri berkritisch durch das Werkst ck zu laufen -> Bruch Grob- und Feinkeramik: !

4 Traditionelle Bezeichnung, die Korngr en der Keramik als Richtlinie hat ! K rngr en < 0,1 mm = Feinkeramik (mit blo em Auge nicht mehr identifizierbar) ! K rngr en > 0,1 mm Grobkeramik Hochleistungskeramik: ! Bezeichnung f r hochfeste Keramiken, f r den Maschinenbau vorgesehen ! Festigkeiten liegen meist ber 300 MPa, neuere sogar bis 1 GPa ! Fr here Bezeichnungen: Strukturkeramik, Industriekeramik, Ingenieurkeramik Ri wachstum ! Wachstum eines Risses aufgrund von Oberfl chenfehlern oder Fehlern im Gef ge = unterkritisches Risswachstum ! Riss w chst sehr langsam, f hrt nicht sofort zum katastrophalen Versagen ! Unterkritisches Risswachstum wird von dem Umgebungsmedium, der Art der Belastung sowie der Temperatur stark beeinflusst Unterkritisches Risswachstum = Erm dung ! unterkritisches Risswachstum l uft h ufig entlang von Korngrenzen, berkritisches Risswachstum h ufig durch kristalline K rner durch ! Ma zahl : Bruchz higkeit KIC-Wert Gef gebestandteile !

5 Bezeichnung f r den Realbau eines kristallinen Verbundes, differenziert durch Gro winkelkorngrenzen ! Gef gebestandteile bei Keramiken : - kristalline Phasen - Glasphasen (amorphe Struktur ohne Nahordnung) Auftreten meist in den Korngrenzen ! Entstehung von Glasphasen: - Verunreinigungen f hren zu niedriger schmelzenden Eutektika - Verunreinigungen kristallisieren beim Abk hlen nicht mit und liegen als Glas vor - Sie werden beim Kristallationsprozess der keramischen Gef gebestandteile in die Korngrenzen gedr ngt und haben dort die Eigenschaft schon bei rel. niedrigen Temp. zu erweichen ( Glas hat keinen Schmelzpunkt, sondern einen bzw. Erweichungspunkt) => Erniedrigung der Hochtemperaturfestigkeit ! Auftreten von Poren: - Im Gr nk rper ( = noch ungebranntes Werkst ck, durch entspr. Keramische Technologie geformt) bleiben nach Formgebungsprozess Poren zur ck - Schwierig im Sinterprozess zu entfernen meist bleibt eine Restporenmenge zur ck ! Eigenschaften eine keramischen Materials werden weniger durch dessen chem.

6 Zusammensetzung als durch die oben beschriebenen Parameter bestimmt ! Die Ausbildung der Gef geeigenschaft wird haupts chlich durch die physikalischen Eigenschaften des Ausgangspulvers bestimmt und wesentlich weniger durch die Zusammensetzung Defekte in keramischen Materialien ! Alle Defektarten steigern die Gitterenergie ! im thermodynamischen Gleichgewichtszustand treten grunds tzlich keine Defekte auf ( Ausnahme: Punktdefekte) Punktdefekte: ! in Ionenkristallen sind wegen der Wahrung der u eren Elektronenneutralit t m glich: # Leerstellen gl. Konzentration im Kationen- und Anionengitter: Schottky Fehlordnung # Anionen und Kationen in gl. Konzentration auf Zwischengitterpl tzen: Anti Schottky Fehlordnung # Leerstellen im Kationengitter und Kationen gleicher Konzentration auf Zwischengitterpl tzen: Frenkel Fehlordnung # Leerstellen im Anionenteilgitter und Anionen gleicher Konzentration auf Zwischengitterpl tzen: Anti - Frenkel Fehlordnung # Kationen im Anionengitter und Anionen im Kationengitter gl.

7 Konzentration: antistrukturelle Fehlordnung Zwang zur Ladungsneutralit t keine Einzellehrstelle eindimensionale Defekte: ! Bei Keramiken treten wie auch bei Metallen auf: - Stufenversetzungen - Schraubenversetzungen - Gekoppelte Versetzungen zum Schutz der Nachbarschaft vor gleichartigen Ionen - doppelte und paarweise Stufenversetzungen - gemischte Versetzungen zweidimensionale Defekte: ! Kleinwinkelkorngrenzen - relevant bis zu einem Inklinationswinkel der benachbarten Kristallbl cke von ca. 4 - gekennzeichnet durch periodisch auftretende (Stufen-)Versetzungen - auch unperiodische Versetzungen m glich (tilt, twist) ! Gro winkelkorngrenzen GKG - charakterisiert durch Kumulation von Versetzungen in der Korngrenzenregion -> bergang zu P0olykristall - r umliche Anordnung zu den angrenzenden Kristalliten wird bestimmt durch: kristallographischen Aufbau der NE energetischen Verh ltnissen in dieser NE energetischen Verh ltnissen zwischen den angrenzenden NE " Bildung einer GKG mit minimaler Erh hung der Gitterenergie " Relaxierung der Atome !

8 Antiphasen- und Stapelfehlergrenzfl chen Mechanische Eigenschaften: ! keramische Materialien geh ren zu den spr den Materialien ! Bruchz higkeit KIC < 10 ( Bei Metallen >= 100) ! Grund f r die Spr digkeit liegt in der Struktur keramischer Materialien: - dreidimensionale Vernetzung f hrt zu einem starren K rper, nicht mehr in der Lage Belastungsspitzen durch plastische Verformung abzubauen - Belastungsspitzen treten in der Regel bei mechanischer Belastung an sog. Fehlstellen auf 32ic2cK: krit. Belastung bei der weiterer Ri fortschritt geschieht, sie ndert ihren Wert mit der Ri l nge lf : Formfaktor, in dem die Dimension des gepr ften Werkst ckes eingehtCNlfmm = Bruchmechanik Damit verbundene Begriffe: -> Z higkeit -> Festigkeit -> Kriechverhalten -> Erm dung Bruchmechanik unterteilbar in 2 Bereiche: ! linear-elastische (LEBM) ! ideal-plastische kritische Spannungskonzentration im Ri grund: 2(1)Clr =+ ; r = im Rissgrund herrschende Radius => Riss pflanzt sich beschleunigt fort, Probe bricht Z higkeit: = F higkeit eines Werkstoffes mechanische Belastungen durch plastische Verformung entgegen zu treten Ma : Bruchdehnung A 00 [%]100 BllAl = ; lB = L ngen nderung nach dem Bruch l0 = L ngen nderung vor dem Bruch Unterscheidung von : !

9 Gleitbruch : z her Bruch unter Bildung und Wachstum von Poren ! Spaltbruch : spr der Bruch; Aufbrechen des Kristallgitters l ngs speziell orientierter NE ( tritt bei Keramiken auf oder (allg.) bei Werkstoffen die unter mehrachsigem Spannungszustand stehen) Griffith Bruchtheorie ! Verfeinerung der LEBM f r spr de Werkstoffe unter Einbeziehung energetischer Betrachtungen Im Werkstoff vorhandene (mechanische) Energie : U0 Energie zur Bildung einer neuen Rissoberfl che: US Rissausweitung nur dann wenn : U0 US Es gilt f r die Rissenergie U(C): ()0 CeUUUU= +S ; Ue = Energie, aufzubringen f r Rissschlie ung 2210eS. ; U ; U4 UconstcEc == = " 221()04 CUUcEc = + = spez. Oberfl chenenergie ; c = Rissl nge ; = Zugspannung ; E = Elastizit tsmodul U(C) durchl uft in Abh ngigkeit von der Rissl nge ein Maximum, erst oberhalb einer kritischen Zugspannung C kommt es zur Rissausbreitung 2 Cncr = ; n = Nominalspannung Festigkeit = Widerstand eines Werkstoffes gegen plastische Verformung und Ausbreitung von Rissen.

10 Bruchfestigkeit = Maximale Last die ein Werkstoff ertragen kann bis ein Bruch eintritt Definiert durch Messgr e der Spannungsintensit t Festigkeitssteigerung durch: Blockierung von Versetzungen Einbau von null- bis dreidimensionale Gitterbaufehlern ! L sung von Atomen im Gitter (Mischkristallh rtung) ! Gegenseitige Versetzungsblockade ! Korngrenzenh rtung ! Teilchen oder Ausscheidungsh rtung Kriechen: Zeitabh ngige Verformung unter konstanter Belastung. Kenngr e ist die Kriechgeschwindigkeit ! Thermisches Verhalten Herstellung von Keramiken : -> Hochtemperaturprozesse typisch : -> Formgebung vor der Werkstoffherstellung bzw. w hrend des Temperaturprozesses ( Drucksintern ) Hohe T f r : - Erzeugung keramischer Phasen - Erzeugung eines festen Verbundes " Erzeugung von kristallinen Phasen Kristalline Phase 23 AlO schon ab 1200 C 23 AlO mit nutzbaren mechanischen Eigenschaften erst ab 1600 C Erkl rung: Erst ab 1600 C l uft die Rekristallisation mit ausreichender Geschwindigkeit ab 2 bersicht ber die Reaktionen beim Herstellen keramischer Werkstoffe Rohstoffaufbereitung !