Keramik: Atomarer Aufbau und Grundeigenschaften Flashcards
Welche Bindung haben Metalle? + zeichne diese
Metallische Bindung:
- max 3 Elektronen auf Valenzschalen
- gemeinsames Elekronengas wird gebildet
- positiv geladenes Kationgitter bleibt zurück
Welche Bindungen haben Keramiken? und welche ist schwächer?
- ionische Bindungen
- kovalente Bindungen
- Mischbindungen:
- metallisch –> Carbide
- ionisch –> Oxidkeramiken
- kovalent –> Oxidkeramiken
→ metallische Bindung ist schwächer als ionisch + kovalente
Welche Bindungen besitzen Kunststoffe?
- Kovalente Bindungen
- Van-der-Waals-Bindungen
Beschrifte die Abbildung
Welche Eigenschaften von Keramiken hängen mit der Bindungsstärke zusammen?
- Schmelzpunkt –> je höher die Bindung, desto höher (kovalent sehr hoch)
- E-Modul
- Härte
Formel Ionischer Bindungsanteil
delta X = Differenz Elektronegativität
Beschrifte die Abbildung
Oxidkeramiken:
Bindungstyp, Eigenschaften und Beispiel
- ionische Bindung >60%
- Festigkeitsabnahme bei hohen Temperaturen
- Beständigkeit in oxidischer Atomsphäre
- Bsp: Al2O3, Al2TiO, SiO2
Nicht-Oxidkeramiken
Bindungstyp, Eigenschaft, Beispiele
- ionische Bindung <20- 40% (Nitride)
- ionische Bindung <5- 25% (Karbide)
- hohe chemische und thermische Stabilität
- hohe Festigkeit und Härte
- geringe Dukilität
SiC, B4C, Si3N4 , BN, AlN
Formel Atomabstand und Koordinationszahl und was ist dieser?
Atomabstand ~ ra + rb (1. Pauling’sche Regel)
Koordinationszahl ~ ra / rb
→ Koordinationszahl ist die Anzahl der nächsten Nachbaratomen
Zirkonoxid
(Gitterstruktur + Eigenschaften)
- Fluoridstruktur
- Kationsgitter: kfz
- Anionengitter: kp
- Koordinationszahl (Kationen bzgl. Anionen): 8
- Besetzung der Oktaederlücken: 50%
- Stabilitätsbereich: 2370-2690 Grad
Alpha-Aluminiumoxid
(Gitterstruktur + Eigenschaften)
- Korundstruktur (Alpha-Al2O3)
- Anionengitter: hex
- Kationengitter: trigonal
- Leerstellengitter: trigonal
- Koordinationszahl: 6
- Besetzung der Oktaederlücken: 67%
Wann geht die Stabilität einer Keramik verlaufen in Bezug auf Anion und Kationen?
–> wenn das Kation keine Anionen mehr berührt
Alpha-SiliziumKarbis (Eigenschaften + Aufbau)
–> Alpha- SiC mit Wurzitstruktur
- überwiegend kovalent (hohe Festigkeit)
- Si Untergitter : hex
- Einlagerungen von C in die Tetraederlücken des Si-Gitters
- Einlagerung von Si in die Tetraederlücken des C-Gitters
Beta-SiliziumKarbis (Eigenschaften + Aufbau)
Beta-SiC mit Zinkblendestruktur
- überwiegend kovalente Bindung
- Si-Untergitter: kfz
- Einlagerungen von C in die Tetraederlücken
- Einlagerung von Si in die Tetraederlücken des C-Gitters
Alpha und Beta Siliziumnitrid Unterschiede
- Gitterabstand in Richtung der kristallographischen Ebene ist bei Alpha-Siliziumnitrid doppelt so groß
- Bei der alpha-struktur gibt es keine keine hexagonale Kanäle, wodurch Diffusion von Fremdatomen erschwert wird
Alpha/Beta SiliziumNitrid (Aufbau + Eigenschaften)
- hexagonal Alpha/Beta Si3N4
- 3D Netzwerk –> SiN4 Tetraeder
- kovalente Bindung
Unterschied: Abstand der 0001-Ebene in <0001> Richtung bei Alpha doppelt so groß wie bei Beta
–> Beta Si3N4 hat höheren Diffsionskoeffzienten
Bohrnitrid (Aufbau + Eigenschaften)
- BN
- hexagonale Kristallstruktur
- kovalente Bindung in den Schichten
- Van-der-Waals Bindung zwischen den Schichten
- -> schwache Bindung senkrecht zu Schichten
–> starkte anisotrope Eigenschaften
Was ist Polymorphie + Beispiel am Zirkonoxid
+ was für Stabilitsatoren nutzt man und wofür?
→ kritstalline Werkstoff, die bei gleicher chemischer Zusammensetzung verschiedene Strukturen aufweisen
ZrO2:
- liegt in kubischer, tetragonaler und monokliner Form vor
- Stabilitsatoren (Oxide: CaO, MgO und seltene Erden: Y2O3)
→ einher geht eine 3-5% Volumenexpansion und Formänderung, wodurch eine Rissausbreitung verhindert/vermindert werden kann
Versetzungen und Gleitsysteme bei kovalenten und ionischen Bindungen
kovalente Bindungen:
- hohe Aktivierungsenergie für Versetzungen benötigt
- keine plastische Verformung
ionische Bindung:
- Gleitsystem zwischen Anionen und Kationen
- nur Stufenversetzungen auf Doppelebenen möglich
–> wenige Gleitsysteme (meist weniger als 5, somit Bedinung für plastische Verformung nicht erfüllt)
-nur bei hoher Temperatur möglich
Herleitung warum es keine selten plastische Verformung bei Keramiken gibt
- Bruch setzt bei niedrigen Temperaturen vor Plastizität ein
- -> erst ab Temperaturen über 1000 Grad möglich
–> es gilt σk > σreal
–> Grund für spröden Charakter bei Zugbeanspruchung
–> plastische Verformung nur bei Druckbeanspruchung möglich
Formeln:
- theoretische Zugfestigkeit
- reale Zerreißfestigkeit
- kritische Schubspannung
Formel thermischer Ausdehnungskoeffizient + Beispiele einer Werkstoffe und Abhängigkeiten
- bei ionischen Oxiden größer, bei kovalenten Nicht-Oxiden kleiner
- ist Richtungsabhängig
Formel Wärmeleitfähigkeit
Wie hängen Wärme- und Elektrische Leitfähigkeit von der Temperatur ab?
- Wärmeleitfähigkeit nimmt mit zunemender Temperatur ab
- Elektrische Leitfähigkeit nimmt mit zunehmener Temperatur zu
Beschrifte die Abbildung
Wie entstehen nicht kristalline Keramiken (Gläser)?
-Abkühlprozess wird sehr schnell vollzogen
–> keine vollständige Keimbildungs- und Keimwachstumsphase möglich.
Welche Sorten von Gläsern gibt es?
- Kieselgläser
- Alklai-Erdalkali-Silikatgläser
- Borosilikatgläser
- Alumosilikatgläser
- Bleisilikatgläser
Wie hängt die Visoksität von Gläsern mit der Temperatur zusammen?
–> je höher die Temperatur, desto höher die Viskosität
Wie werden Glaskeramiken hergestellt und was ist ihr Vorteil
- Glas erzeugen
- Formgebung
2-3 Abschrecken auf RT
- Keimbildung bei erhöhter Temperatur
- Kristallisation bei konstanter Temperatur
(4* Abkühlen)
Vorteil –> einfache Herstellung eines Glases, jedoch mit Eigenschaften von kristallinen Keramiken
Liste den Anteil ionischer Bindungen von den folgenden Werkstoffen auf:
Al2O3
ZrO2
Si3N4
AlN
SiC
B4C
Wann gilt eine Ionenverbindung als instabil und wann als stabil?
stabil: Anionen berühren die Kationen
instabil: Anionen haben keinen Kontakt zu den Kationen
