Keramische Hochtechnologiewerkstoffe

Präsentation zum Thema: "Keramische Hochtechnologiewerkstoffe"—  Präsentation transkript:

1 Keramische Hochtechnologiewerkstoffe
Dominik Greim

2 Gliederung: 1) Grundlagen 2) Synthese 3) Amorphes Si3B3N7
Einleitung und Definition Eigenschaften Materialklassen 2) Synthese Synthese aus der flüssigen, festen und gasförmigen Phase Precursormethode 3) Amorphes Si3B3N7 Herstellung Analytik

3 Geschichte der Keramik
Älteste Funde datiert auf etwa v. Chr. Wichtiges Kultur- und Gebrauchsgut Thomas Einwögerer: Die jungpaläolithische Station auf dem Wachtberg in Krems, Niederösterreich. Mitteilungen der Prähistorischen Kommission Bd. 34, Wien 2000

4 Introduction to ceramics; Kingery, Bowen, Uhlmann 1976 - Wiley Verlag
Definition: Keramik: Festkörper, der als wichtigste Komponente und zum größten Teil anorganische nichtmetallische Materialien enthält. => Sowohl kristallin als auch amorph Introduction to ceramics; Kingery, Bowen, Uhlmann Wiley Verlag

5 Eigenschaften Härte Hitzebeständigkeit Steifigkeit
Korrosionsbeständigkeit elektrische/magnetische/optische Eigenschaften Biokompatiblität

6 Erklärung der Eigenschaften
geringer Unterschied der Elektronegativität starke kovalente Bindungsanteile analog zu Diamant - hohe Härte - Hoher Schmelzpunkt Bevorzugte Elemente bzw. Elementkombinationen: Bsp.: SiC: Ceramics science and technology Vol. 2 - Riedel, Chen - Wiley-VCH 2010

7 Phasendiagramm SiC

8 Keramische Materialklassen:
Binäre Systeme: - Oxide (Al2O3), (ZnO) - Nitride (Si3N4), (BN) - Carbide (SiC), (BC) „multinäre“ Systeme (SiBN, SiBNC, SiAlN, SiCO, SiAlON BaTiO3) => Syntheseweg entscheidet über Kristallinität

9 Herstellung verschiedener Keramiken:
kristalline Keramiken: Carbide: (Acheson-Verfahren) SiO2 + 3C 2CO + α-SiC Nitride: 3SiO2 + 6C + 2N2 α-Si3N4 + 6CO amorphe Keramiken: 3SiCl4 + 4NH3 Si3N4 + HCl Elektrische Spannung Hohe Temp CVD Introduction to ceramics; Kingery, Bowen, Uhlmann Wiley Verlag

10 Synthesewege Synthese in Flüssigphase Sol-Gel Verfahren
Hydro- und Solvothermale Synthese Templatunterstützte Synthese Feststoffsynthese Temperatur Druck Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44,

11 Synthesewege Synthesen aus der Gasphase Für technische Anwendungen meist zu geringes Verhältnis Produkt/Zeit bzw. Produkt/Platz Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44,

12 Synthesewege Synthesemethoden aus präkeramischen Polymeren
Besonderns interessant für amorphe Keramiken Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44, Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36,

13 Warum amorphe Keramiken?
Problemstellung: binäre, kristalline Keramiken zu spröde Amorphe „multinäre“ Keramik, da Kristalle bevorzugt entlang Netzebene bzw. entlang Grenzflächen zwischen Kristalliten brechen Wahl der Elemente: unterschiedliche KZ und Koordinationspolyeder Abschrecken aus Schmelze unmöglich, da sich Keramik vor dem Schmelzen zersetzt Precursormethode Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36,

14 Precursormethode Anforderunge an den Precursor:
Kovalente Bindungen zwischen Elementen der fertigen Keramiken müssen bereits enthalten sein Richtiges Verhältnis der Komponenten der fertigen Keramik Hohes Molekulargewicht des entstehenden Oligomers/Polymers Geringer Anteil an abspaltbaren Fragmenten Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36,

15 Si3B3N7: von der Idee zum Produkt
Aufreinigung n-Hexan HMDS TTDS Aufreinigung n-Hexan TTDS TADB TACB Aufarbeitung (Kristallisation, Fest-flüssig-Trennung, Verdampfung - Methylamin, - Methylaminhydrochlorid - n-Hexan N-Methylborsilazan Oligomer Methylamin N-Methylborsilazan Oligomer Pyrolyse -H2, -HCN, - CH4, -N2 -organische Fragmente (Masseverlust ca. 40%) amorphes Si3B3N7 Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36,

16 Strukturbestimmung von amorphem Si3B3N7
XANES: B-K-XANES: Si-K-XANES: Neutronenstreuung: Paarkorrelationsfunktion (PCF): The Route to the Structure Determination of Amorphous Solids: A Case Study of the Ceramic SiBN; Martin Jansen, J. Christian Schön, Leo van Wüllen; Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45,

17 Strukturbestimmung von amorphem Si3B3N7
MAS-NMR: 29Si 15N 11B Und weitere Experimente (Spin-echo, Dipolwechselwirkung) Theoretische Berechnungen: theoretische Modelle zur erweiterten Auswertung der PCF‘s und Berechnung der Winkelverteilungsfunktionen Inhomogenität in der Elementverteilung The Route to the Structure Determination of Amorphous Solids: A Case Study of the Ceramic SiBN; Martin Jansen, J. Christian Schön, Leo van Wüllen; Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45,

18 Zusammenfassung Breiter Anwendungsbereich durch:
Besondere Härte/Temperaturbeständigkeit Gut einstellbare Eigenschaften Skalierbarkeit der Synthese Einschränkung: Problematische Verarbeitung

19 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit