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Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2016/17, PD Dr.-Ing. Guido Falk

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes

HANDOUT

Vorlesung:

Keramik-Grundlagen

Atomarer Aufbau und Strukturen

keramischer Werkstoffe

03.11. und 10.11.2016

Leitsätze: „Die Art der chemischen Bindung bestimmt wesentlich die Wech-selwirkung zwischen den Elementen, deren räumliche Anordnung die Struktur dieser Einzelkörper darstellt. Keramiken sind fast aus-schließlich heterogen, d.h. aus vielen einheitlichen oder verschie-denen Kristallen aufgebaut, die oft von Glas umgeben sind.” [GL-, S. 9] Die Kenntnis des atomaren Aufbaus und der Struktur der wichtigs-ten keramischen binären Systeme ist von großer Bedeutung, da diese Daten das Fundament zur Ableitung der jeweiligen Eigen-schaftsspektren der Keramiken bilden.


Keramik-Grundlagen

Atomarer Aufbau und Strukturen keramischer Werkstoffe

Ziele

Inhalte

Bindungstypen keramischer Werkstoffe Bindungsarten, Orbitaltheorie, Bändertheorie

Kristalline Keramik - Oxidkeramik Atomarer Aufbau und Strukturen wichtiger Oxidkeramiken

Kristalline Keramik - Nichtoxidkeramik Atomarer Aufbau und Strukturen wichtiger Nichtoxidkeramiken

Nichtkristalline Keramik Silikat. Gläser, Glasnetzwerk, Netzwerkbildung und -wandlung

Strukturen Cermets und Hartmetalle Bindungstypen, Aufbau und Strukturen

Grundlegende Zusammenhänge zwischen atomaren Aufbau und Struktur keramischer Werkstoffe ableiten können.

ð Systematik der Bindungsarten auf keramische Verbindungen anwenden können

ð Systematik der Silikate herleiten können ð Aufbau und Struktur der wichtigsten oxidischen und nichtoxi-

dischen Keramiken herleiten können ð Nichtkristalline Keramiken, Cermets und Hartmetalle hinsicht-

lich grundsätzlicher Struktureigenschaften einordnen können ð Merkmale der historischen Entwicklung keramischer Werkstof-


Lerntafel 1 Atomarer Aufbau: Bindungstypen keramischer

Werkstoffe

Ionenbindung: Ver-lauf der Bindungs-energie für KCl als Funktion des Io-nenabstandes. Die Bindungsenergie entspricht der Energie, um aus den getrennten Atomen die Ionen K+ und Cl- zu bil-den [GL-2, S. 52].

Kraft-Abstands-Kurven zweier unterschiedlich stark ionengebundener Werkstoffe [GL-2, S. 52]


NaCl-Ionengitter und Ionenabstände als Vielfaches des Gleichgewichtsab-

standes r0 [GL-2, S. 55].

Madelung-Konstante einiger ausgewählter Kristallstrukturen

Berechnung der Git-terenergie aus der Madelung-Konstante und dem Gleichge-wichtsabstand r0 (N: Avogadro-Konstante9 (links); Berechung der Gitterenergie ge-mäß Born-Haberschem Kreis-prozess (rechts), [GL-2, S. 55/56]


Gitterenergien einiger Oxide, berechnet nach dem Born-Haberschem Kreis-prozess und der Born-Lande-Gleichung bei 0 K. [GL-2, S. 56]

Geometrische Anordnung von Hybridorbitalen, die aus der Überlagerung von s, p und d Atomorbitalen hervorgehen [GL-2, S. 63]


Bindungskonstitution und Energieschema von Diamant und Graphit nach [GL-2, S. 63]

Orbitalgeometrien als Folge der Hybridisierung

Zustandsdichtefunktion N(E) als Anzahl der den Elektro-nen zur Verfügung stehenden Energiezuständen und Fermi-Funktion P(E) über der Ener-gie als Wahrscheinlichkeit bei einem bestimmten Ener-giezustand ein Elektron zu finden. Elektronenvertei-lungsfunktion (F(E) = 2 N(E) P(E) [GL-2, S. 67]


Verlauf der Zustandsichtefunktion und der Fermi-Energie als Funktion der

Energie [GL-2, S. 67]

Energieverteilung über dem Druck zur Verdeutlichung der Transformation ei-nes Isolators/Halbleiters in einen metalischen Leiter (a) und Elektronenener-gie eines direkten Halbleiters und eines indirekten Halbleiters als Funktion der Wellenzahl (b) nach [GL-2, S. 68]


Lerntafel 2

Strukturen keramischer Werkstoffe: Kristalline Keramik-Oxidkeramik

Ton-und Silikatkeramik

Resonanzformen der silikatischen Bindung

Möglichkeiten der Verknüpfung von [SiO4]-Tetraedern

Verschiedene Betrachtungsweisen von Silikatstrukturen

am Beispiel des Forsterits (Mg2SiO4)


Verknüpfung von [SiO4]-Tetraedern

Verknüpfung von [SiO4]-Tetraedern


Systematik der Silikate

Bislang bekannte Typen von Einfachketten.

(Zweier-, Dreier-, Vierer-, Fünfer- und Siebenereinfachkette)

Zweiereinfachschicht und durch Oktaederschichten

stabilisierte Zweiereinfachschicht: kaolinitartig (a) und glimmerartige Schicht (b)


Einige Typen von Tetraedergerüsten. a) Zweier- b) Dreier- und c) Viererraumnetze

Struktur des Quarzes aufgebaut aus einem Dreier-

raumnetz.

Strukturschema von Schichtmineralien. (a) Kaolinit, (b) Halloysit, (c) Antigorit


REM-Topographie der Kristallstruktur von Kaolinit Al2Si2O5(OH)4 (links) und

Vernetzung von Oktaeder- und Tetraeder-Schichten (rechts)

Pyrophyllit: Glimmerartiges Dreischichtmineral

Pyrophyllit (a) und Montmorillonit (b) (nach Hofmann) und Montmorillonit (c)

(nach Edelmann)


Änderung der Elektronendichteverteilung von Kaolinit während der Dehydro-

xylation zu Metakaolinit hoher Defektdichte

Einheitszelle von Sillimanit (a) und

Mullit (b), projiziert auf (001)


Halbe Einheitszelle des Kaliumfeldspates, projiziert auf (001)


Aluminiumoxid:

α-Al2O3-Modifikationen [GL-1, S. 237]

Trigonal-rhomboedrische Struktur von α-Al2O3: Die Struktur besteht aus

Gibbsit ähnlichen Schichten von oktaedrisch angeordnetem Sauerstoff der Abfolge AB-AB [GL-14, S. 179]


Zirkonoxid:

Monoklines ZrO2 (links): idealisierte Polyederstruktur (a) und Projektion auf die (010)-Ebene (b). rechts: Tetragonales ZrO2 und kubisches ZrO2 [GL-14, S. 200] Titanoxid:

Anordnung von TiO6-Oktaedern in drei Modifikationen (a) und Struktur der

Phasen Rutil und Anatas (b) [GL-14, S. 238]


Lerntafel 3 Strukturen keramischer Werkstoffe:

Kristalline Keramik-Nichtoxidkeramik

Graphische Darstellung des Pseudo-hexanären Systems C-N-O-B-Si-(Al, TM), TM = Übergangsmetall [GL-14, S. 422] Siliciumcarbid (SiC):

Stapelfolgen von SiC3 und CSi3 Tetraedern der am häufigsten vorkommenden SiC Polytypen [GL-18, S. 435]


Borcarbid

Struktur von Borcarbid in der B13C2-Zusmmensetzung

Siliciumnitrid (Si3N4):

2D-Projektion der Kristallstruktur von Si3N4 mit den interatomaren Abständen nach [GL-14a] (links) und idealisierte Si-N-Ebenen in α- und β-Si3N4: ...ABAB... für die β-Struktur und ....ABCDABCD....für die α-Struktur [GL-14b] (rechts) Kubisches Bornitrid (c-BN)

Polymporphe Einheitszellen von (a) hex-BN, (b) rhomboedrischem BN, BN Typ Wurzit (w-BN), BN Typ Zinkblende (z-BN). Die Bindungslängen der sp2-hybridisierten Bindungen betragen 144 pm, diejenigen der sp3-hybridisierten Bindungen 157 pm. (B-Atome = grau, N-Atome = schwarz)


Lerntafel 4 Strukturen keramischer Werkstoffe:

Nichtkristalline Keramik

Vergleich der Strukturen von kristallinem SiO2 und glasartigem SiO2 (links), schematische Darstellung des Aufbrechens der Brückensauerstoffbindungen durch Netzwerkwandler (rechts) [GL-2, S. 116/117]


Lerntafel 5

Strukturen keramischer Werkstoffe: Cermets und Hartmetalle

Bindungstypen verschiedener Hartwerkstoffe [GL-14, S. 422]

Struktur cermetischer Werkstoffe: Keramisches Skelett (links) und metalli-scher Binder (rechts). Beide Phasen bilden einen kontinuierlichen inter-penetrierenden Verbund [GL-14c].

Literatur [GL-1] H. Salmang, H. Scholze Keramik 7. vollständig neubearbeitete und erw. Aufl., R. Telle (Hrsg.), Springer, Berlin, Heidelberg, 2007, ISBN 978-3-540-63273-3, 1330 S.


[GL-2] C. B. Carter, M. G. Norton Ceramic Materials: Science and Engineering Springer, 2007, ISBN: 978-0-387-46270-7, 716 S. [GL-14] Robert B. Heimann Classic and Advanced Ceramics: Fundamentals and Applica tions Wiley VCH Verlag GmbH &Co KG, Weinheim, 2010, ISBN 978-3- 527-32517-7, 576 S. [GL-14a] A. Ziegler et al. Imaging of Crystal Structure of Silicon Nitride at 0.8 Ang ström resolution Acta Mater. Vol. 50 (2002), 565-574 [GL-14b] C.-M. Wang et al. Review: Silicon Nitride Crystal Structure and Observations of Lattice Defects J. Mater. Sci., Vol. 31 (1996), 5281-5298 [GL-14c] Katharina Buss High Temperature Deformation Mechanisms of Cemented Car bides and Cermets Diss., Ecole Polytechnique Federale des Lausanne, 2004, 156 S. Fragen 1) Was versteht man unter der Struktur von Werkstoffen?

2) Welche Eigenschaften werden durch den Atomkern bestimmt, welche

durch die Valenzelektronen 3) Wodurch sind Übergangsmetalle gekennzeichnet? 4) Nennen Sie die Bindungsarten, die für den Aufbau keramischer Werk-

stoffe verantwortlich sind und geben je Bindungstyp jeweils ein Beispiel einer keramischen Verbindung. Wodurch unterscheiden sich die Bindun-gen?

5) Welche typischen Eigenschaften haben Metalle, Keramiken und Polyme-

re? Begründen Sie.


6) Wie kann man den amorphen Zustand beschreiben? 7) Weshalb nimmt das Volumen fester Stoffe mit zunehmender Temperatur

zu? 8) Wodurch unterscheiden sich die Strukturen von Metallen, Flüssigkeiten

und Gläsern? 9) Was ist eine Elementarzelle? 10) Zeichnen Sie 3 typische Kristallgitter, in denen Keramiken kristallisieren.

Ordnen Sie dem Kristallgitter jeweils eine keramische Verbindung zu. 11) Welche Kristallgitter sind dichtest gepackt? 12) Was ist Polymorphie? Geben Sie ein Beispiel an und zeichnen Sie die

entsprechenden Kristallgitter?

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