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Werkstoffkunde > Keramik > Flashcards

Keramik Flashcards

1
Q

Was sind typische Rohstoffe für Hochleistung Keramiken?

A

Al2O3
ZrO2
SiC
Si3N4

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2
Q

In welchen Feldern werden Hochleistungskeramiken hauptsächlich verwendet ?

A
  • Energietechnik (Brennstoffzelle, Wärmetauscher)
  • Elektronik (Gehäuse, Kondensatoren, Sensoren…)
  • Medizintechnik (Hüftgelenksprothese, Knochenersatz…)
  • Verkehrstechnik (Kipphebelbeläge, Turbolader…)
  • Fertigungstechnik (Schneidwerkstoffe, Schleifstoffe)
  • Maschinenbau ( Gleitlager, Piezostellglieder)
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3
Q

In welche 2 Arten von Hochleistungskeramiken unterscheidet man und welche sind ihre besonderen Eigenschaften ?

A 
Strukturkeramik:
Besondere mechanische Eigenschaften:
-Härte
-Steifigkeit
-Zähigkeit
-Festigkeit
Funktionskeramiken:
Besondere Eigenschaften:
-thermisch
-elektronisch
-biologisch
-chemisch
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4
Q

Was sind keramische Verbundstoffe?

A

Keramische Komponenten werden mit Metallen und Kunststoffen kombiniert.

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5
Q

Welche sind die 3 keramischen Branchen und was sind ihre Hauptprodukte?

A

Traditionelle Silikatkeramik:
Geschirr, Fliesen,Sanitär, Ziegel, Zierkeramik

Feuerfeste Werkstoffe:
werden verwendet in:
-Metallurgie, 
-Glaserzeugung, 
-Energietechnik, 
-Zementherstellung

Hochleistungskeramik:
Für spezielle technische Anwendungen entwickelt.
>Strukturkeramik
>Funktionskeramik

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6
Q

Was ist Voraussetzung für eine weiße Farbe der Keramik ?

A

Ein geringer Eisenanteil.

Bsp.: Sanitär, Geschirr

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7
Q

Welche Unterscheidungen gibt es bezüglich der Korngröße ?

A

Grobkeramik:
Körner sind mit bloßem Auge erkennbar (Ziegel, Terrakotten )

Feinkeramik:
Körner sind <50 Mikrometer ( Porzellan, Steingut )

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8
Q

Woraus besteht feuerfeste Erzeugnisse und welche Einsatz gebiete gibt es ?

A

feuerfeste Erzeugnisse bestehen teilweise aus natürlichen/ synthetischen Rohstoffen und sind für chemische Angriffe bei hohen Temperaturen entwickelt worden.
Sie sind meist sehr grobkörnig ( >100 Mikrometer)

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9
Q

In welche Untergruppen gliedert sich die technische Keramik ?

A

A: Traditionelle Keramik
B: Hochleistungskeramik
B1: Funktionskeramik
B2:Strukturkeramik

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10
Q

Woraus bestehen Keramiken chemisch gesehen und wie stark/ schwach ist ihre Bindung?

A

Keramiken sind Verbindungen aus:
-Nichtmetallen (O2 N2 und Br)
-Halbmetallen (Kohlenstoff, Silicium)
Die Bindungen sind sehr stark ionische Bindungen

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11
Q

Was folgt aus der starken chemischen Bindung innerhalb von Keramiken ?

A
  • ein hoher Schmelzpunkt
  • chemische Beständigkeit
  • hoher E-Modul
  • hohe Härte
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12
Q

Wie ist die chemische Bindung von Keramiken charakterisiert und in welchen Formen tritt sie auf ?

A

Sie ist durch stark lokalisierte Elektronen charakterisiert.

Formen:

  • stabile Kationen / Anionen mit Edelgaskonfiguration
  • kovalente Orbitalbindungen
  • Mischbindungen
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13
Q

Wie lauten die Schritte des keramischen Herstellungsprozesses und was passiert jeweils?

A

1:Pulveraufbereitung- Formgebung:
Bei Raumtemperatur wird das Pulver aufbereitet und zum Grünkörper (kreideähnliche Vorform) geformt.

2: Brand/Sintern:
Erfolgt bei 70-80% der Schmelztemperatur. Hier finden irreversible chemische Prozesse und Gefügeveränderungen statt. ( mögliche Gefügedefekte)

  1. Endbearbeitung:
    Bsp.: Schleifen, Polieren
    Erst danach ist das Bauteil fertig. ( manchmal teuerster Schritt)
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14
Q

Wie läuft die Feuchtaufbereitung ab ?

A

Traditionelle Art der Aufbereitung tonkeramischer Massen (Tone, Kaoline)

Typische Kristallgröße : wenige Mikrometer ( keine weitere Zermahlung)

Allerdings fallen oft Dezimeter große Klumpen an, die im Kollergang mühlsteinähnlich zermahlen und anschließenden Walzwerken zerdrückt werden.

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15
Q

Wann wird eine Trockenaufbereitung durchgeführt ?

A

Bei:

  • Feuchte der Tone unter 10-12%
  • Anteil an Quarz, Kalk, Feldspat sehr hoch
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16
Q

Wie läuft eine Trockenaufbereitung ab ?

A

Die Rohstoffe werden in einer kontinuierlich arbeitenden Mühle zerkleinert:

1: Zerkleinern
2: Trocknen
3: zur Korngröße zermahlen
4: Mischen
5: Korngrößenklassen trennen

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17
Q

Wofür dient die Nassaufbereitung vor allem und wie läuft sie ab ?

A

Sie dient vor allem der Herstellung von Gießschlickern.

In Trommelmühlen wird das Mahlgut mit Wasser und Mahlkörpern kontinuierlich/diskontinuierlich zerkleinert (gestürzt)
Wichtiges Verfahren: Attritor

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18
Q

Nach welchem Prinzip arbeitet der Attritor und wie ist er Aufgebaut ?

A

Prinzip: Rührwerkskugelmühle (rotierender Rührarm)

Der Attritor wird nass betrieben ( Umwälzung besser, Wärmeabfuhr) und rotiert mit 100-1000 Umdrehungen pro Minute

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19
Q

Was ist das besondere am autogenen Mahlen ?

A

Beim autogenen Mahlen kommt das Pulver nur mit gleichartigem Material in Berührung (kein Mahlkörper!)

z.B.:
Stahlmühle : Hoher Druck gegen Prallend / Pulverstrahl
Jet/ Gegenstrommühle: Kreuzende Teilchenstrahlen.

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20
Q

Wie läuft die Sprühtrockung ab ?

A

Nasse Suspensionen werden zu Granulat aufgearbeitet.
Die Suspension wird versprüht und durch Luft ( 300C°) getrocknet. Dabei gibt es 2 Verfahren:
-Zentrifugalzerstäubung
-Düsenzerstäubung

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21
Q

Was passiert bei der Formgebung allgemein ?

A

Aus …
…verflüssigtem Schlicker
…plastifizierter Masse
…Granulaten

wird ein Grünkörper mit definierter Form, Größe, Dichte und reproduzierbare Toleranzen gefertigt.

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22
Q

Welche 3 Arten der Formgebung gibt es ?

A

Nassformgebung:

  • Feuchtegehalt >25%
  • Schlicker wird in Formen, oder auf Bändern zu Folien gegossen

Feuchtformung:

  • Feuchte ca 5-25%
  • Knetbare Masse mittels

Pressen/ Spritzgießens (Spritzguss mit 40-60% Kunststoffen)

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23
Q

Wie funktioniert der Schlickerguss, und welche 2 Arten gibt es ?

A

Einer Suspension ( 25%-35% feucht) wird durch eine poröse, wassersaugende Form Wasser entzogen und so feste Form (Scherbe) gebildet.

1: Hohlgussverfahren
2: Kerngussverfahren

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24
Q

Was sind Vor und Nachteile von Schlickerguss ?

A

Vorteile:

  • hohe Stückzahlen möglich
  • mittlere Präzision ( wenig Nacharbeit)
  • geringe Werkzeugentwicklungskosten ( 1-5T$)

Nachteile:

  • Formen verschleißen schnell
  • schlechte Oberflächengüten
  • langwieriger Rücktrocknungsprozess ( Bis 3 Tage)
  • sensible Prozesswasserführung
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25
Q

Welche Produkte werden mit dem Strangpressverfahren hergestellt ?

A

Das Strangpressen produziert :

  • Ziegel
  • Fliesen
  • Rohre
  • “Honeycomb”- Katalysatorträgerstrukturen
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26
Q

Was sind sie Vor/Nachteile vom Strangpressen?

A

Vorteile:

  • kontinuierliche Produktion möglich
  • fast vollständig automatisierbar
Nachteile:
-Mundstück und Schnecke verschleißen schnell
-mittlere Oberflächengüten
-mittlere Präzision
-mittlere Werkzeugentwicklungskosten
( 20-50T€)
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27
Q

Wie werden die Strangpressen plastifiziert und was ist bei ihrer Bearbeitung zu beachten?

A

Plastifizierung erfolgt durch…

  • bei Ton bzw. Kaloinhaltigen Massen durch Wasser
  • bei oxidischen und nicht oxidischen Massen durch Bindersysteme

die Extrusion führt zu Texturen in den Teilen. Dabei ist zu beachten, dass S-förmige Makrotexturen meist zur Zerstörung der Bauteile führen

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28
Q

Wie läuft der Spritzguss von Keramik ab?

A

Keramische Pulver (40-60%) werden mit organischen Bindern/ Plastifizierern (60-40%) gemischt.

Diese Masse wird abgekühlt und granuliert.

Der eigentliche Spritzguss Vorgang läuft wie bei Kunststoffen ab.

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29
Q

Welche Formen lassen sich beim Spritzguss produzieren ?

Was sind typische Bauteile?

A

Kleine Bauteile mit komplexen Geometrien mit geringer Wandstärke in großen Stückzahlen.

30
Q

Wie ist eine typische Spritzgießanlage aufgebaut ? (Skizze!)

A

1: Spritzdruckanzeige
2: Antriebmotor für Drehung der Schnecke
3: hydraulischer Zylinder für Schneckenvorschub
4: Fülltrichter
5: Schnecke
6: Elektrische Heizung
7: Sammelraum für plastifizierte Masse
8: beheizte Spritzdüse
9: Formwerkzeug

31
Q

Welche Fehler entstehen häufig beim Spritzguss ?

A
  • Einfallstellen
  • Freistrahl
  • Texturen (eingeschlossene Poren)
  • Fließnähte
32
Q

Welche Arten von Entbindern, für den Spritzgießprozess, gibt es und wie funktioniert er?

A

Entbindern bedeutet die Binder/Plastifizierer aus dem Grünkörper aus zutreiben. (Wichtig für die Verarbeitung)

Thermische Binder:
Verdampfen, Oxidieren

Lösen:
in organischen Lösungsmitteln, in Wasser, oder in CO2 unter Hochdruck

Kapillar:
durch Heraussaugen des geschmolzenen Kunststoffes

33
Q

Welche 7 Optimierungsparameter gibt es beim Spritzguss?

A

1: Korngrößenverteilung
2: Art der Werkzeugfüllung
3: Schneckengeometrie und Drehzahl
4: Einspritzdruck
5: Einspritzgeschwindigkeit
6: Werkzeugtemperatur
7: Viskosität der organischen Bestandteile

34
Q

Was sind Vor und Nachteile vom Spritzguss?

A

Vorteile:

  • Hohestückzahlen (rentabel bei > 1Mio/Jahr)
  • hohe Präzision, kaum Nacharbeit

Nachteile:

  • hohe Werkzeugentwicklungskosten (ca.20-60 T€)
  • lange Entwicklungszeiten (6-12 Monate)
  • schwierige Entbinderprozesse ( bis zu 3 Wochen)
35
Q

Welche 2 Arten der Trockenformgebung gibt es ?

A

Die Trockenformgebung erfolgt bei ca 0-5% Wassergehalt.

Axiales Trockenpressen:

  • Stempelpressen
  • 50-600 MPA ( 500-6000bar !)
  • keine Hinterschneidungen
  • gute Maßhaltigkeit

Isostatisches Trockenpressen:

  • Flexible Gummimatrizen
  • bis zu 3000bar
  • komplexe Formen
  • starker Verzug
36
Q

Welche Vorgänge umfasst der Brand?

A 
Der Brand umfasst alle Vorgänge zur Konsolidierung der pulverigen Formkörper.
Bsp:
-Ofenbau
-Temperaturführung
-Energieentrag ins Gut
-Stapelung der Formkörper
usw.
37
Q

Welche Vorgänge umfasst der Begriff Sintern?

A

Zum Sintern gehören alle physikalisch-chemischen Vorgänge in einem Formkörper. (Kinetik der Konsolidierung)
Bsp.:
-Wärmebehandlung (unterhalt des Schmelzpunktes)
-Verringerung des Porenvolumen durch Schwingung
-Verfestigung durch Sinterhalsbildung/ Korngrenzen

38
Q

Was wird alles gesintert ?

A
  • Materialien mit hohem Schmelzpunkt
  • Kombination mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten
  • Material mit hohem Dampfdruck
  • reinste Stoffe
39
Q

Was charakterisiert das Festphasensintern?

A

Alle Bestandteile sind fest und schmelzen nicht auf.
Die Verdichtung kommt durch:

  • Diffusion
  • Verdampfung
  • Kondensation

zustande

40
Q

Was bedarf besonderer Sorgfalt beim Sintern?

A

Das Abkühlen wegen…
…der Wärmedehnung (wirkt gegen Schwingungen > Spannungen)
…eventuellen Phasenumwandlungen

41
Q

Welche 4 Arten von Energie stehen für die atomaren Transportmechanismen zu Verfügung ?

A

-chemische Energie
>Erniedrigung des chemischen Potentials
>Grund: Reaktion, Oxidation, Korrosion

-elastische Energie (Verzerrungsenergie)
>Erniedrigung des elastischen Potentials
>Grund:Ausheilen von Gitterdefekten/Spannung/Dehnung

Oberflächenenergie:
>Grund: Erniedrigung der Gesamtoberfläche

Grenzflächenenergie:
>Grund: Verringerung der Grenzfläche (Kornwachstum)

42
Q

Inwiefern gleichen sich Gesetzmäßigkeiten und Triebkraft der Transportmechanismen “Verdampfung und Kondensation” “Oberflächendiffusion” und Korngrenzdiffusion” aus?

A

Es gelten die gleichen Gesetzmäßiglkeiten.
Die Triebkräfte unterscheiden sich durch:
-Verdampfung und Kondensation > Dampfdruckunterschied
-Oberflächendiffusion > Oberflächenspannung
-Korngrenzdiffusion > Grenzflächenspannung

43
Q

Was passiert bei der Korngrenzdiffusion?

A

Die Korngrenzen wandern in Richtung ihrer Krümungsradien.

Tatsächlich aber diffundieren Atome in die Gegenrichtung.

44
Q

Was passiert bei der Korngrenzdiffusion, wenn Oberfläche und Grenzflächen kombiniert werden?

A

Es kommt zum Einbau von Leerstellen.

Situation das Sinterhalses

45
Q

Was passiert bei der Entstehung eines Sinterhalses ( auch rechnerisch !) Was sind die Triebkräfte?

A

Leerstellen werden in eine Verengung ( den Sinterhals) eingebaut.Es entsteht ein Leerstellen-Konzentrationsgradient (Diffusionsstrom).

Triebkräfte:

  • Ausgleich chemischer Konzentrationsgradienten
  • Relaxation der Oberflächenspannungen

Leerstellenkonzentration: Gibbs Thomson
(c-co)/co = -(𝞬gb*𝞨m)/kT * ((1/𝞀1 ) + (1/𝞀2))

46
Q

Welche Raten von Porosität gibt es ?

A
  • geschlossene (Porenraum ohne verbindung nach außen)
  • offene (Porenraum der durchströmbar ist)

Beim Sintern nimmt die Geschlossene Porosität zu (bei steigender Temperatur)

47
Q

Was charakterisiert die Volumendiffusion?

A

Effektiver Mechanismus des Materialtransports.
Er wird genutzt, um Schwingungen herbei zu führen.

  • Ionen > sehr hohe Diffusionsgeschwindigkeit
  • Sauerstoff > langsamste Diffusionsgeschwindigkeit.
48
Q

Wie verläuft der Kornwachstum und was entsteht dabei ?

A

Pulverkörner > Punktkontakten >Korngrenzen mit Sinterhälsen > geschlossene Porosität
Es entsteht ein Kuboktaeder
Kombi aus:
6 Würfelflächen +8 Oktaederflächen = 14

49
Q

Inwiefern unterscheiden sich die keramischen Werkstoffe von Metallen?

A

Keramische Werkstoffe sind von höherer struktureller Komplexität (große Elementarzellen, niedrige Symmetrien)

Keramik: Fließspannung > Bruchspannung
Metallen: Fließspannung < Bruchspannung

50
Q

Was verhindert die plastische Verformung von Keramik ? (G)

A
  • eine hohe Bindungsstärke
  • lokalisierte Elektronen (Ionen, Orbitale)
  • große Verschiebungsdistanzen (Burgers- Vektoren)
  • niedrige Kristallsymmetrien (geringe Anzahl an Gleichrichtungen) > von-Mises-Kriterium
51
Q

Wo liegt die typische Bruchdehnung von Keramik ?

A

Bei ca 0,1-0,4%

52
Q

Wie hängen Elastizitätsmodul und Porneanteil des Gefüges zusammen ? (G)

A

um so größer der Porenanteil, desto geringer das Elastizitätsmodul.

53
Q

Wie lautet die Gleichung der kritischen Griffith-Energie ?

A

Die Griffith- Energie (Bruchenergie) wird kritisch, wenn es zum Bruch kommt.
Gc= dW/dA- dUel/da =dUf/dA

Griffith-Energie= äußere Arbeit -elastisch gespeicherte Energie= freigesetzte Energie

54
Q

Wann setzt Rissfortschritt ein ?

A

Wenn die elastisch eingespeicherte Energie größer als die Bruchenergie ist.

(𝛑a𝛔^2)/E >=Gc

55
Q

Wo wird Bruchenergie freigesetzt und wie lautet die Gleichung der elastischen Energie ? (G)

A

Wo:?

elastische Energie = 1/2 * (𝛔/E)

56
Q

Wie lautet die Definition des Spannungsintensitätsfaktor?

A

K= 𝛔√(𝛑*a)
𝛔=allgemeine Spannung
a=allgemeine Länge
K gibt den Übertragungsfaktor der äußeren Last/Spannung auf ein Volumenelement der Ausdehnung a an.

57
Q

Wann läuft ein Risskatastrophal ab ?

A

K≥Kic
lokaler Spannungsintensitätsfaktor ≥ Bruchzähigkeit
𝛔√(𝛑a) ≥ √(EG)

58
Q

Was kann man über die Eigenschaften von Keramik im Bezug auf das Bruchverhalten sagen?

A
  • Keramik ist formstabil bis zum Bruch
  • Wenn Keramik bricht, dann meist katastrophal
  • Es gibt keine “duktile” oder “duktilisierte” Keramik
  • Keramik ist immer spröde
59
Q

Wie lauten die 5 Grundannahmen der Bruchstatistik ?

A

1: Die Bruchfestigkeit (spröder Festkörper) ist statistisch verteilt > Gefügeinhomogenitäten
2: Körper verhält sich bis zum Bruch linear elastisch
3: Der Bruch geht von Oberflächen- oder Volumenfehlern aus.
4: Versagungsrelevant sind ausschließlich Zugspannungen
5: Die Festigkeit ist durch die schwächsten stellen bestimmt

60
Q

Was ist die Theorie hinter der Weibull-Statistik ?

A

“Modell des schwächsten Gliedes”

Prinzip: Kette
Gesamte Kette versagt, wenn das schwächste Glied bricht. Es gibt keine Wechselwirkung der Glieder (Defekte) untereinander.

Das Bauteil wird in kleine Volumenelemente zerlegt. Versagenswahrscheinlichkeit des Gesamtkörpers ist bestimmt durch die Versagenswahrscheinlichkeit jedes einzelnen Volumenelements.

61
Q

Wie lautet die Weilbull- Gleichung ?

A

F gibt an mit welcher Wahrscheinlichkeit ( %) ein Teil versagt.
F= 1 -exp ( -Veff/Vo * (𝛔c/𝛔o)^m)

62
Q

Was sind die 6 Schritte der Weibull- Statistik ?

A

1: Bruchspannungen ( Biege/Zugversuch) bestimmen. ( 1-nProben)
2: Bruchwahrscheinlcihkeit zuordnen (Festigkeitswerte nach Größe ordnen)
3: Weibull Gleichung 2 mal logarithmieren
4: Erstellung des doppelt log. Weibull-Diagramms
5: Graphische Ermittlung des Weibull- Diagramms
6: Entlogarithmieren

63
Q

Was sagt der Weibull Parameter aus ?

A

m= Maß für die Zuverlässigkeit eines Bauteils

Steigung der Graden

64
Q

Worauf zielen Verstärkungsmechanismen ab und welche Strategien gibt es ?

A 
Alle Verstärkungsmechanismen zielen darauf ab, die Bruchenergie eines Werkstoffes durch entsprechende Gefügeoptimierung zu erhöhen
Strategien:
-Bruchflächen erhöhen
-Rissablenken
-Rissstoppen
-Rissflanken zusammenhalten
-Zugspannungen abbauen
-Druckspannungen aufbauen

(Die meisten Strategien führen zu einem mehrphasigen Gefüge, also Dispersionskeramiken bzw. Verbundwerkstoffe

65
Q

Wie funktioniert die Partikelverstärkung/ Rissfrontbiegung ?

A

Energie verbrauchender schnitt:
Aufbau einer Gegenspannung (Linienspannung) in Gegenrichtung zu Rissausbreitung.

Vorraussetzung: Riss bleibt an der Teilchenkette hängen (baucht sich bei weiterer Lasterhöhung nur zwischen den Partikeln aus)

66
Q

Was muss man bei der Verstärkung mit subtilen Teilchen beachten ?

A

R-Kurven-Effekt:
Es kommt zu lokal unterschiedlichen Bruchwiderständen (Kic).
Teilchen werden zunächst vom Riss umgangen. Anschließend elastisch, später plastisch verformt, bevor sie reißen.

67
Q

Was sind Prinzip und Idee der Rissablenkung ?

A

Prinzip:
Aufbau innerer Spannungen durch Teilchen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizient.

Idee:
Herstellung eines Verbundwerkstoffes
Nutzung der Wärmeschwingung bei Abkühlung von Sintertemperatur.

68
Q

Worauf beruht die Rissablenkung grundsätzlich ?

A

Der Riss trifft auf ein Hindernis, wird gestoppt und anschließend um einen bestimmten Winkel abgelenkt. Dabei verringert sich die Spannung automatisch um:
𝛔yy = 𝛔ex *cos(𝛟)

69
Q

Wo gilt die Sensing-Gleichung ?

A

Im Bereich der Rissablenkung durch bei der Abkühlung eingebrachte Eigenspannung (für kugelförmige isotope Partikel)

70
Q

Welche 3 Fälle treten bei der Rissablenkung an Teilchen auf ?

A

Fall 1: 𝛼p < 𝛼m
radiale Druckspannungen, tangentiale Zugspannungen

Fall 2: 𝛼p=𝛼m
nur elastische Effekte.

Fall 3: 𝛼p > 𝛼m
radiale Zugspannung,
tangentiale Druckspannung

71
Q

Wann und zu welcher Art und Weise kommt es zu Rissverzweigungen?

A

Eigenspannung größer, als die Festigkeit der Grenz-Teilchen-Matrix

  • radiale Mikrorisse (𝛼Teilchen < 𝛼Matrix)
  • tangentiale Mikrorisse (𝛼Teilchen > 𝛼Matrix)

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