Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Eigenschaften der (Struktur)keramik Nachteile: begrenzte Duktilität niedrige Bruchdehnung niedrige Risszähigkeit streuende Festigkeitseigenschaften Thermoschockempfindlichkeit Vorteile: hohe Formstabilität niedrige Dichte hohe Härte chemische Beständigkeit Hochtemperaturbeständigkeit Biokompatibel Woran liegt das ?  Bindung und Struktur Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Bindung und Struktur Bindungstypen metallisch ionisch kovalent gemischt Typische Kristallstrukturen Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Kristallstruktur – metallische Bindung (monoatomar) Dichteste Kugelpackungen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Kristallstruktur – metallische Bindung (monoatomar) Kubisch flächenzentrierte EZ (Unit cell FCC) (Ag, Cu, Al, g-Fe) Kubisch raumzentrierte EZ (Unit cell BCC) (W, Mo, Ta, a-Fe) Hexagonal dichtestgepackte EZ (Unit cell HCP) (Mg, Be, a-Ti) Quelle: W. Schatt, H. Worch: Werkstoffwissenschaft Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Die 8-ter Regel: Gilt für alle Bindungstypen! Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Kristallstruktur – ionische Bindung Zwei ineinander gestellte FCC Teilgitter (polyatomar) Quelle: IWE Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Kristallstruktur – ionische Bindung (sterische Erklärung) NaCl Ionenradienverhältnisse und Koordinationen Quelle: H. Salmang, H.Scholze: Keramik, Teil I Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Kristallstruktur – ionische Bindung 0,85 0,51 0.45 Vergleich von experimentellen und berechneten Ionenabständen (nach Shannon und Prewitt / Werte in pm) Ionenradien bestimmen die Struktur Strukturvielfalt  Eigenschaftsvielfalt Quelle: H. Salmang, H.Scholze: Keramik, Teil I Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Kristallstruktur – ionische Bindung (physikalische Erklärung) Coulomb, Born Meyer, van der Waals, Nullpunktsenergie U = Gitterenergie [J/mol] z = Ionenladung N0=Avogadro ρ = Abstoßungskoeffizient CN = Koordinierungszahl ν = Schwingungsfrequenz E = Pan + Pab r0 - Gleichgewichtsabstand Quelle: W. Schatt, H. Worch: Werkstoffwissenschaft Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Die 8-ter Regel: Gilt für alle Bindungstypen! Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Übergang von Ionen- zur Kovalent Bindung Bindung: stark gerichtet geringe Symmetrie Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Übergang von Ionen- zur Kovalentbindung / Typische Keramiken ionisch kovalent SiO2 Si3N4 SiC Elektronegativitätsdifferenz 1,54 1,14 0,65 Kovalenter Bindungsanteil [%] 68 75 85 Mikrohärte [GPa] 10 8 - 19 20 - 30 (fused quartz) Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramiken weisen ionisch-kovalente Mischbindungen auf Elektronegativitätsdifferenz Ionischer Bindungsanteil Mikrohärte [GPa] 20-30 8-19 12 18-23 10-15 Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Bindung Allgemein / Pauli-Prinzip Hybridisierung Anti-Bindend Bindend Quelle: IWE Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Bändermodell im Festkörper (für einen bestimmten Abstand r) Kann auf alle Bindungstypen übertragen werden ! Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung „Kristallrichtungs“-Abhängigkeit der Bandstruktur  Anisotropie Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe wichtig für optische und elektrische Eigenschaften ! Quelle: Handbook of Ceramics Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Transparent sub-µm Sintered Corundum (-Al2O3) for new Applications Advanced technology special processing/ Hot isostatic pressing Transparent sub-µm Sintered Corundum (-Al2O3) for new Applications Increased strength (4-pt = 700 MPa) transparency Application Optics Dental technology Cutting tools Ballistic (Dragunov test passed for:) © Fraunhofer IKTS + some mm Al2O3 coating 42 % weight saving Pure bulletproof glass 33 mm thickness ~ 63 kg/m2 53 mm thickness ~ 108 kg/m2

Advanced technology special processing/ Hot isostatic pressing Pa Pi Pa >> Pi Pa =1000 - 2000 bar Pi  0 Nutzraum: D 300 mm x 450 mm Parameter: 2000°C, 2000 bar Ar

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Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Typische Kristall-Strukturen in der Keramik // AB Typen Zinkblende - Gitter Wurtzit - Gitter NaCl - Gitter eckenverknüpfte Tetraeder Vertreter: b- SiC Vertreter: MgO, CaO, FeO Vertreter: AlN Quelle: H. Salmang, H.Scholze: Keramik, Teil I Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Typische Kristall-Strukturen in der Keramik // AB2 Typen SiO2 TiO2 CaF2 ZrO2 CeO2 Kation KN 4 6 8 Hoch-Cristobalit SiO2 Tetraeder Rutil TiO2 Oktaeder Fluorit CaF2 Hexaeder Quelle: H. Salmang, H.Scholze: Keramik, Teil I Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Tetraeder - Strukturen Möglichkeiten der Verknüpfung von [SiO4] – Tetraedern (● = Si4+ , ○ = O2-) Quelle: H. Salmang, H.Scholze: Keramik, Teil I Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Oktaeder - Strukturen Face sharing Edge sharing Corner sharing Hexagonal barium titanate Rutile (AB2) Perowskite (ABO3) Face, edge and corner sharing oxygen ion octahedra of the ferroelectric BaTiO3 (perowskit-structure, er=2000) and rutile TiO2 (er=100) Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Typische Kristall-Strukturen in der Keramik // AB2 Typen Quelle:IWE Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Verstärkungsmechanismen für Keramik Umwandlungssstabilisierung für das System ZrO2 Monoklin (RT) a = 515 nm b = 521 nm c = 532 nm b = 99°15 Tetragonal a = 364 nm c = 527 nm -8% V-Schrumpf Kubisch (HT) a = 527 nm Quelle: Salmang, Scholze: Keramik Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Verstärkungsmechanismen für Keramik Umwandlungssstabilisierung für das System ZrO2 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Schmelze ca.2680°C Hochtemperaturform a-ZrO2 (kubisch) ca.2300°C Hochtemperaturform b-ZrO2 (tetragonal) r ~ 6,00 g/cm³ 8% Volumendehnung bei Abkühlung ca.1170°C Baddeleyit (RT) (monoklin) Dilatometerkurven von ZrO2 nach Curtis r ~ 5,56 g/cm³ nichtstabilisiertes reines ZrO2 mit 5Mol-% CaO teilstabilisiertes ZrO2 mit 19,8 Mol-% CaO vollständig stabilisiertes ZrO2 Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Phasendiagramm Yttriumoxid (Y2O3) – Zirkonoxid (ZrO2) Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe (a) Transformation zone ahead and around crack tip. (b) Surface grinding induces the martensitic transformation, which in turn creates compressive surface layers and a concomitant increase in strength Ks = shielding factor Umwandlungsdehnung Const (1) Umwandlungs- Zone Quelle: Mechanical Properties, S. 384 Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Typische Kristall-Strukturen in der Keramik // ABO3 Typen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Quelle: IWE Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Piezoelektrizität – direkter piezoelektrischer Effekt Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Orientierungspolarisation / Ferroelectric ceramics Unit cell of barium titanate: a) cubic paraelectric state ( a = 0.3996 nm, T = 120 °C > TC), b)tetragonal ferroelectric state (a = 0.3992, c = 0.4036 nm, T = 20 °C < TC.) Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Ferroelectric hysteresis, EC = coercive field, PS = saturation polarization Pr = remanent polarization Butterfly curve Permanenter Dipol Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Bei TC verschwindet P aber nicht e ! Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Typische Kristall-Strukturen in der Keramik // AB2O4 (AO·B2O3) Typen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Spinell Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Ceramic super conductors ( Fh Aalen)

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Fazit Im Vergleich zu Metallen weisen Keramiken komplexere Strukturen auf In der Regel besitzen diese Strukturen eine geringere Symmetrie => weniger Gleitebenen, höhere Bindungsenergie Keramiken haben normalerweise keine Duktilität Bevor im Weiteren die mechanischen Eigenschaften behandelt werden, soll eine kurze Einführung in die elektrischen Eigenschaften erfolgen. Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Ionen- und Elektronenleitung verschiedener Werkstoffe Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe TiO Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Elektrische Leitung, Stöchiometrie Warum sind Metalle Leiter (Bsp. Mg, Al) ? Warum ist TiO2 ein Isolator und thermodynamisch das stabilste Ti-Oxyd? Warum ist Al2O3 ein Isolator und thermodynamisch das stabilste Al-Oxyd Welche Stöchiometrie haben Nb-Oxide, Zr-Oxide ? Warum ist TiO ein elektronischer Leiter ? Warum ist TiO2-x, x<1 ein n-Halbleiter ? Warum ist ZnO ein Isolator ? Warum ist ZnO1-x ein n-HL ? Leitfähigkeitsmechanismus LSM ? Leitfähigkeitsmechanismus YSZ ? Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Ionen- und Elektronenleitung verschiedener Werkstoffe TiO Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Kathodenseite (SOFC): Leitungsmechanismus Hopping-Leitung am Beispiel LaMnO3 hohe Temperatur notwendig! Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Kathodenseite (SOFC): Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von LaMnO3 durch Dotierung mit Sr bzw. Co Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Ionenleitung am YSZ Ähnlicher Mechanismus wie für das Elektronen Hopping beim LSM  aber beim YSZ findet ein Ionen-Hopping (Leerstellenwanderung) im chemischen Gradienten statt Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Yttriumdotierung im Festelektrolyten Zirkonoxid (ZrO2) Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Yttriumdotiertes Zirkonoxid Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Dotierung Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Yttriumdotiertes Zirkonoxid Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Aufbau und Funktionsweise einer Lambda-Sonde Pt1 Pt2 Abgas Lambda-Sonden Lambda < >1 R – Gaskonstante F – Faraday‘sche Konstante Die Sondenspannung (EMK) ist von der Temperatur (T) und den beiden O2-Partialdrücken im Abgas und Referenzgas abhängig. Pt wirkt als Katalysator (Oxidation bzw. Reduktion von Sauerstoff) Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Temperaturabhängigkeit der l - Sondenspannung Die Regelung eines Verbrennungsmotors erfolgt um l=1 (stöchiometrische Verbrennung), da dort die stärkste Änderung des Sondensignals vorliegt. Eine Regelung im Bereich < 1(fett) oder > 1 (mager) ist mit diesem Sondentyp nicht möglich, da die Temperaturabhängigkeit größer ist als die Änderung der Sondenspannung bei Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Sondenspannung / mV Luft / Kraftstoff – Verhältnis / l Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung

Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramische Werkstoffe 01 Struktur und Bindung