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5.2 Physikalische Eigenschaften. Physikalische Eigenschaften Thermische Eigenschaften –Dichte und Wärmedehnung –Wärmeleitfähigkeit Elektrische Eigenschaften.

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Präsentation zum Thema: "5.2 Physikalische Eigenschaften. Physikalische Eigenschaften Thermische Eigenschaften –Dichte und Wärmedehnung –Wärmeleitfähigkeit Elektrische Eigenschaften."—  Präsentation transkript:

1 5.2 Physikalische Eigenschaften

2 Physikalische Eigenschaften Thermische Eigenschaften –Dichte und Wärmedehnung –Wärmeleitfähigkeit Elektrische Eigenschaften –Leitfähigkeitseigenschaften –Dielektrische Eigenschaften

3 Dichte (ρ) ρ hängt von der Atommasse und -größe ab Ionenkristalle haben hohe Koordinationszahlen  höhere Dichte Kovalente Strukturen haben niedrige Koordinationszahlen  niedrigere Dichte ρ nimmt mit der Temperatur ab (Wärmedehnung) ρ nimmt mit der Porosität ab (ρ = ρ 0 [1 – P]) ρ-Abnahme (normales Verhalten) oder -zunahme (z.B. m-ZrO 2  t-ZrO 2 ) bei polymorphen Umwandlungen KeramikDichte (g/cm³) Quarzglas2,20 BN2,27 Cordierit2,51 SiO 2 (Quarz)2,65 B4CB4C2,52 BeO3,01 Mullit3,20 Si 3 N 4 3,20 SiC3,21 AlN3,26 Spinell3,58 MgO3,60 Al 2 O 3 3,98 TiC4,93 TiN5,40 t-ZrO 2 6,10

4 Thermische Ausdehnung Ursache: Anharmonizität der Energie-Atomabstands-Kurve (Abstoßungsenergie steigt mit der Auslenkung stärker als die Anziehungsenergie) Mit zunehmender Temperatur schwingen die Atome zwischen x 1 und x 2 Anharmonizität und damit auch der Ausdehnungskoeffizient steigen mit abnehmender Bindungsstärke Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient: α = 1/l 0 [δl/δT] p α steigt mit der Temperatur an Wärmedehnung ist in anisotropen Kristallen richtungsabhängig; in bestimmten Gitterrichtungen treten auch negative Werte auf (z.B. Tialit, Cordierit, Li-Al-Silicate [LAS]…) Keramiken haben im allgemeinen eine niedrigere thermische Ausdehnung als Metalle α (10 -6 /K)┴ c-Achse║c-Achse Al 2 TiO 5 - 2,6+11,5 CaCO Cordierit+2,9-1,1 β-Spodumen6,5-2,0 β-Eukryptit8,2-17,6

5 Thermische Ausdehnung Oxide sind meist dichte Kugelpackungen  hohe Dichte und hohe thermische Ausdehnung Kovalente Verbindungen haben niedrige Koordinationszahlen  niedrige Dichte und niedrige thermische Ausdehnung Silicate haben Netzwerkstruktur  noch niedrigere Dichte und thermische Ausdehnung Weniger dicht gepackte HT-Phasen  Volumenzunahme bei T u und Abnahme des Ausdehnungskoeffizienten KeramikDichte (g/cm³) α (10 -6 /K) BN2,274,4 Cordierit2,512,1 B4CB4C2,525,5 BeO3,018,5 – 8,9 Mullit3,205,1 Si 3 N 4 3,203,1 – 3,7 SiC3,214,3 – 4,8 AlN3,265,6 Spinell3,587,6 MgO3,6013,5 Al 2 O 3 3,987,2 - 8,8 TiC4,937,7 - 7,9 TiN5,409,4 m-ZrO 2 5,837,0 t-ZrO 2 6,1012,0

6 Thermische Ausdehnung Silicate haben Netzwerkstruktur  niedrige Dichte und niedrige thermische Ausdehnung Gläser sind weniger dicht gepackt als die entsprechenden kristallinen Verbindungen  niedrigere Dichte und sehr niedrige thermische Ausdehnung z.B.: Quarz/Cristobalit ↔ Quarzglas Weniger dicht gepackte HT-Phasen  Volumenzunahme bei T U und Abnahme des Ausdehnungskoeffizienten Eine der wichtigen Ausnahmen: ZrO 2 !!!

7 Wärmeleitfähigkeit (λ) Wärmeübertragungsmechanismen in Festkörpern –Elektronenbewegung und –streuung an Atomen, Ionen und Molekülen –Gitterschwingungen Gitterschwingungsquanten = Phononen Phononenwechselwirkung und –streuung durch Gitterfehler Temperaturabhängigkeit ist komplex Wärmestromdichte j = -λ grad T(r) ~ 1/T Strahlung Begrenzung durch Gitterfehler λ T=0 = 0

8 Wärmeleitfähigkeit (λ) Einflussparameter Atommasse –Leichte Elemente haben höheres λ (z.B. C) Struktur –Mehratomige Strukturen haben niedrigeres λ (z.B. Spinell im Vergleich zu Al 2 O 3 und MgO) –Komplexere Strukturen haben niedrigeres λ (z.B. Mullit im Vergleich zu Mg-Al-Spinell) –Gläser haben niedrigeres λ (z.B. Quarzglas im Vergleich zu Quarz) Anisotropie –z.B. bei SiO 2 ist λ║c-Achse fast doppelt so hoch als λ ┴ c-Achse Gitterfehler –Gelöste Atome erniedrigen λ (z.B. Ni in MgO oder O in AlN) Poren –Poren erniedrigen λ (λ = λ 0 [1-P] b, b = 1,5 bei sphärischen Poren) Zweitphasen (stark Morphologie abhängig) –Amorphe Korngrenzenphase erniedrigen λ stark (z.B. LP-AlN, Glaskeramik, SiSiC) Keramikλ (W/mK) Diamant2000 c-BN1300 BeO370 BP360 AlN SiC (490) WC120 B4CB4C30-70 Si 3 N h-BN45-55 MgO25-50 Al 2 O 3 30 MgAl 2 O 4 (Spinell)12 ZrO 2 1,5-2,5 Al 2 TiO 5 1,4-2,5 SiO 2 1,4 Gläser0,5-1,5

9 Wärmeleitfähigkeit - Einflussparameter - Atommasse und Struktur Gitterfehler

10 Elektrische Eigenschaften Isolatoren (> 10 6 Ωcm) Elektronenleitung Halbleiter Supraleiter Ionenleiter Mischleiter In Keramiken können Ladungsträger aus Elektronen und/oder Ionen auftreten

11 Elektrische Eigenschaften - Isolator (>10 6 Ωcm) - Keramiken haben im allgemeinen keine freien Elektronen (Energieabstand zwischen Leitungs- und Valenzband ist groß, > 7 eV) Die meisten Keramiken weisen auch bei hohen Temperaturen keine nennenswerte Ionenleitung auf  Keramiken sind elektrische Isolatoren In starken elektrischen Feldern können auch in Isolatoren Elektronen vom Valenz- in das Leitungsband übergehen, so dass die Isolationsfähigkeit verloren geht. Die Minimalfeldstärke wird als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet Keramikρ [Ωcm] (RT) Al 2 O 3, MgO, BeO>10 14 BN10 14 Si 3 N Diamant10 12 AlN10 13 ZrO Porzellan10 14 Quarzglas Durchschlagsfeldstärke[x 100 kV/m] Technische Gläser100…1000 Porzellane200…400 Oxidkeramik100…400

12 Elektrische Eigenschaften - Elektronenleiter - Metallisch leitende Keramiken Halbleiter und halbleiterähnliche Keramiken –Halbleiter (Elektronenübergang vom Valenz- in das Leitungsband) –Varistoren (Variable resistors) –Thermistoren (Thermal resistors) NTC-Widerstände (Heißleiter) Hopping-Leitung: Konstante Ladungsdichte/Zunahme der Ladungsträgerbeweglichkeit PTC-Widerstände (Kaltleiter) Supraleiter

13 Elektrische Eigenschaften - Varistoren (Variable resistors) - Varistor-Effekt # Beispiele: SiC, ZnO, TiO 2, SrTiO 3 # ZnO ist im schwach reduzierten oder Donor-dotierten Zustand ein extrinsischer n-Typ-Halbleiter Co, Fe und Sb sind geeignete Dotierungen Bi segregiert an den Korngrenzen  Leitungsbarriere ZnO mit Dispersion unterschiedlicher Oxide Bi-Segregation an der Korngrenze in ZnO

14 Elektrische Eigenschaften - Varistoren (Variable resistors) - Spannung Zeit Überspannungsschutz Varistor Verbraucher

15 Elektrische Eigenschaften - Thermistoren (Thermal resistors) - PTC-Widerstände (Kaltleiter) NTC-Widerstände (Heißleiter) Hopping-Leitung Konstante Ladungsdichte Zunahme der Ladungsträgerbeweg- lichkeit mit T

16 Hochtemperatursupraleiter (BSCCO) Elektrische Eigenschaften - Supraleiterleiter – Bei Supraleitern fällt unterhalb der Sprungtemperatur (Tc) der elektrische Widerstand auf null ab.  Der Strom kann völlig verlustfrei transportiert werden

17 Elektrische Eigenschaften - Ionenleiter - Ionenleitfähigkeit: σ ~ D s D s = Selbstdiffusions-Koeffizient für Ionendiffusion Aus der Ionendiffusion resultiert die Temperaturabhängigkeit für σ : σ = A exp –Q/RT  Ionenleitfähigkeit steigt mit der Temperatur Kationen- oder Anionendiffusion Diffusion läuft über Leerstellen- oder Zwischengitterdiffusion Beispiele: –ZrO 2 (O 2- -Leiter) –β-Al 2 O 3 (Na 2 O 11 Al 2 O 3 ) (Na + -Leiter) –NASICON (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ) (Na + -Leiter) 2H 2 + 2O 2-  2H 2 O + 4e O 2 + 4e  2O 2- Brennstoffzelle

18 Lithium-Ionen-Batterien Quelle: EES Report 2007

19 Lithium-Ionen-Batterien Li x C 6 /Li 1-x CoO 2 Zelle Quelle: EES Report 2007

20 Elektrische Eigenschaften - Ferroelektrische Eigenschaften - –Ferroelektrika weisen ein elektrisches Dipolmoment in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Felds auf –Domänen mit unterschiedlich ausgerichteter Polarisation P –in einem äußeren Feld wachsen die Domänen mit einer Polarisation in Feldrichtung –Der Polarisation-Feld- Zusammenhang wird durch eine Hysteresekurve (remanente Polarisation, Koerzetivfeld) beschrieben –Die elektrische Polarisation kann durch ein geeignetes äußeres Feld umgekehrt werden –Oberhalb der ferroelektrischen Curie-Temperatur (T c ) verschwindet die Polarisation –Beispiel: BaTiO 3 BaTiO 3 (tetragonal)  BaTiO 3 (kubisch) T c = 120 °C

21 Elektrische Eigenschaften - Piezoelektrische Eigenschaften - Piezoelektrizität –Kristalle sind durch mechanische Deformation elektrisch polarisierbar –Umgekehrt wird durch eine elektrisch induzierte Polarisation eine mechanische Deformation induziert –Beispiele: „PZT“ (Blei-Zirkonat-Titanat Pb[Zr x Ti 1−x ]O 3 ), Quarz


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