Keramische Hochtechnologiewerkstoffe 5.7.2011 Dominik Greim

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

Geschichte der Keramik Älteste Funde datiert auf etwa 23.000v. Chr. Wichtiges Kultur- und Gebrauchsgut Thomas Einwögerer: Die jungpaläolithische Station auf dem Wachtberg in Krems, Niederösterreich. Mitteilungen der Prähistorischen Kommission Bd. 34, Wien 2000

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 1976 - Wiley Verlag

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

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

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

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

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 1976 - Wiley Verlag

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, 208-227

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, 208-227

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, 208-227 Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

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, 328-343

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, 328-343

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, 328-343

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, 4244-4263

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, 4244-4263

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

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit