KerGL Handout 2 201617

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 Wechselwirkung zwischen den Elementen, deren räumliche Anordnung
die Struktur dieser Einzelkörper darstellt. Keramiken sind fast ausschließlich heterogen, d.h. aus vielen einheitlichen oder verschiedenen Kristallen aufgebaut, die oft von Glas umgeben sind.” [GL-,
S. 9]
Die Kenntnis des atomaren Aufbaus und der Struktur der wichtigsten keramischen binären Systeme ist von großer Bedeutung, da
diese Daten das Fundament zur Ableitung der jeweiligen Eigenschaftsspektren der Keramiken bilden.
Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2016/17, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Keramik-Grundlagen
Atomarer Aufbau und Strukturen
keramischer Werkstoffe
Ziele
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 nichtoxidischen Keramiken herleiten können
ð Nichtkristalline Keramiken, Cermets und Hartmetalle hinsichtlich grundsätzlicher Struktureigenschaften einordnen können
ð Merkmale der historischen Entwicklung keramischer Werkstof-
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
Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2016/17, PD Dr.-Ing. Guido Falk
Lerntafel 1
Atomarer Aufbau: Bindungstypen keramischer
Werkstoffe
Ionenbindung: Verlauf der Bindungsenergie für KCl als
Funktion des Ionenabstandes. Die
Bindungsenergie
entspricht
der
Energie, um aus
den
getrennten
Atomen die Ionen
K + und Cl - zu bilden [GL-2, S. 52].
Kraft-Abstands-Kurven
zweier unterschiedlich
stark ionengebundener
Werkstoffe [GL-2, S. 52]
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NaCl-Ionengitter und Ionenabstände als Vielfaches des Gleichgewichtsabstandes r 0 [GL-2, S. 55].
Madelung-Konstante einiger ausgewählter Kristallstrukturen
Berechnung der Gitterenergie aus der
Madelung-Konstante
und dem Gleichgewichtsabstand r 0 (N:
Avogadro-Konstante9
(links);
Berechung
der Gitterenergie gemäß
BornHaberschem
Kreisprozess (rechts), [GL2, S. 55/56]
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Gitterenergien einiger Oxide, berechnet nach dem Born-Haberschem Kreisprozess 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]
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Bindungskonstitution
und Energieschema
von Diamant und
Graphit nach [GL-2,
S. 63]
Orbitalgeometrien als Folge der Hybridisierung
Zustandsdichtefunktion N(E)
als Anzahl der den Elektronen zur Verfügung stehenden
Energiezuständen und FermiFunktion P(E) über der Energie als Wahrscheinlichkeit
bei einem bestimmten Energiezustand ein Elektron zu
finden.
Elektronenverteilungsfunktion (F(E) = 2 N(E)
P(E) [GL-2, S. 67]
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Verlauf der Zustandsichtefunktion und der Fermi-Energie als Funktion der
Energie [GL-2, S. 67]
Energieverteilung über dem Druck zur Verdeutlichung der Transformation eines Isolators/Halbleiters in einen metalischen Leiter (a) und Elektronenenergie eines direkten Halbleiters und eines indirekten Halbleiters
als Funktion der Wellenzahl (b) nach [GL-2, S. 68]
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Lerntafel 2
Strukturen keramischer Werkstoffe:
Kristalline Keramik-Oxidkeramik
Ton-und Silikatkeramik
Resonanzformen der silikatischen Bindung
Möglichkeiten der Verknüpfung von [SiO 4 ]-Tetraedern
Verschiedene Betrachtungsweisen von Silikatstrukturen
am Beispiel des Forsterits (Mg 2 SiO 4 )
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Verknüpfung von [SiO 4 ]-Tetraedern
Verknüpfung von [SiO 4 ]-Tetraedern
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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)
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Einige Typen von Tetraedergerüsten. a) Zweierb) Dreier- und c) Viererraumnetze
Struktur des Quarzes aufgebaut aus einem Dreierraumnetz.
Strukturschema von Schichtmineralien.
(a) Kaolinit, (b) Halloysit, (c) Antigorit
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REM-Topographie der Kristallstruktur von Kaolinit Al 2 Si 2 O 5 (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)
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Änderung der Elektronendichteverteilung von Kaolinit während der Dehydroxylation zu Metakaolinit hoher Defektdichte
Einheitszelle von Sillimanit (a) und
Mullit (b), projiziert auf (001)
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Halbe Einheitszelle des Kaliumfeldspates, projiziert auf (001)
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Aluminiumoxid:
α -Al 2 O 3 -Modifikationen [GL-1, S. 237]
Trigonal-rhomboedrische Struktur von α -Al 2 O 3 : Die Struktur besteht aus
Gibbsit ähnlichen Schichten von oktaedrisch angeordnetem Sauerstoff der
Abfolge AB-AB [GL-14, S. 179]
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Zirkonoxid:
Monoklines ZrO 2 (links): idealisierte Polyederstruktur (a) und Projektion auf
die (010)-Ebene (b). rechts: Tetragonales ZrO 2 und kubisches ZrO 2 [GL-14, S.
200]
Titanoxid:
Anordnung von TiO 6 -Oktaedern in drei Modifikationen (a) und Struktur der
Phasen Rutil und Anatas (b) [GL-14, S. 238]
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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 SiC 3 und CSi 3 Tetraedern der am häufigsten vorkommenden
SiC Polytypen [GL-18, S. 435]
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Borcarbid
Struktur von Borcarbid in der B 13 C 2 -Zusmmensetzung
Siliciumnitrid (Si 3 N 4 ):
2D-Projektion der Kristallstruktur von Si 3 N 4 mit den interatomaren Abständen
nach [GL-14a] (links) und idealisierte Si-N-Ebenen in α - und β -Si 3 N 4 :
...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 sp2hybridisierten Bindungen betragen 144 pm, diejenigen der sp3-hybridisierten
Bindungen 157 pm. (B-Atome = grau, N-Atome = schwarz)
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Lerntafel 4
Strukturen keramischer Werkstoffe:
Nichtkristalline Keramik
Vergleich der Strukturen von kristallinem SiO 2 und glasartigem SiO 2 (links),
schematische Darstellung des Aufbrechens der Brückensauerstoffbindungen
durch Netzwerkwandler (rechts) [GL-2, S. 116/117]
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Lerntafel 5
Strukturen keramischer Werkstoffe:
Cermets und Hartmetalle
Bindungstypen verschiedener Hartwerkstoffe [GL-14, S. 422]
Struktur cermetischer Werkstoffe: Keramisches Skelett (links) und metallischer Binder (rechts). Beide Phasen bilden einen kontinuierlichen interpenetrierenden 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.
Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2016/17, PD Dr.-Ing. Guido Falk
[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 978-3527-32517-7, 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 Werkstoffe verantwortlich sind und geben je Bindungstyp jeweils ein Beispiel
einer keramischen Verbindung. Wodurch unterscheiden sich die Bindungen?
5)
Welche typischen Eigenschaften haben Metalle, Keramiken und Polymere? Begründen Sie.
Vorlesung Keramik Grundlagen, WS 2016/17, PD Dr.-Ing. Guido Falk
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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