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Keramische Hochtechnologiewerkstoffe 5.7.2011 Dominik Greim.

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Präsentation zum Thema: "Keramische Hochtechnologiewerkstoffe 5.7.2011 Dominik Greim."—  Präsentation transkript:

1 Keramische Hochtechnologiewerkstoffe Dominik Greim

2 Gliederung: 1) Grundlagen – Einleitung und Definition – Eigenschaften – Materialklassen 2) Synthese – Synthese aus der flüssigen, festen und gasförmigen Phase – Precursormethode 3) Amorphes Si 3 B 3 N 7 – Herstellung – Analytik 2

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

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

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

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

7 Phasendiagramm SiC 7www.salmang-scholze.de/Siliciumcarbid.pdf

8 Keramische Materialklassen: Binäre Systeme: - Oxide (Al 2 O 3 ), (ZnO) - Nitride (Si 3 N 4 ), (BN) - Carbide (SiC), (BC) multinäre Systeme (SiBN, SiBNC, SiAlN, SiCO, SiAlON BaTiO 3 ) => Syntheseweg entscheidet über Kristallinität 8

9 Herstellung verschiedener Keramiken: kristalline Keramiken: Carbide: (Acheson-Verfahren) SiO 2 + 3C2CO + α-SiC Nitride: 3SiO 2 + 6C + 2N 2 α-Si 3 N 4 + 6CO amorphe Keramiken: 3SiCl 4 + 4NH 3 Si 3 N 4 + HCl 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36,

15 Si 3 B 3 N 7 : von der Idee zum Produkt 15 Methylamin N-Methylborsilazan Oligomer HMDS TTDS TADB TACB Aufreinigung n-Hexan Aufreinigung n-Hexan Aufarbeitung (Kristallisation, Fest-flüssig-Trennung, Verdampfung - Methylamin, - Methylaminhydrochlorid - n-Hexan N-Methylborsilazan Oligomer Pyrolyse -H 2, -HCN, - CH 4, -N 2 -organische Fragmente (Masseverlust ca. 40%) amorphes Si 3 B 3 N 7 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 Si 3 B 3 N 7 16 XANES: B-K-XANES: Si-K-XANES: 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, Neutronenstreuung: Paarkorrelationsfunktion (PCF):

17 Strukturbestimmung von amorphem Si 3 B 3 N 7 Theoretische Berechnungen: theoretische Modelle zur erweiterten Auswertung der PCFs und Berechnung der Winkelverteilungsfunktionen 17 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, MAS-NMR: 29 Si 15 N 11 B Und weitere Experimente (Spin-echo, Dipolwechselwirkung) Inhomogenität in der Elementverteilung

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

19 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit 19


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