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Prozesse – Gefüge - Eigenschaften keramischer Werkstoffe
Tutorium zur Klausurvorbereitung
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Überkritisches Fluid
Thermodynamik der Phasengrenze
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Oberflächen/Grenzflächen-Energie DGO
4pr2g
Volumen-Energie DGV
4/3pr3DGV
DG=DGV+DGO
Keim
rK=−2𝛾
∆𝐺𝑉
Volumen V r3
Grenzfläche A r2
Aktivierungsenergie ∆𝐺∗ =16𝜋𝛾3
3 ∆𝐺𝑉2
Kristallwachstum - Keimbildung
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Kristallwachstum - Keimbildung
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Kristallwachstum - Keimbildung
Keimwachstum
Weiterwachsen des Keims zum
Makrokristall
Der Keim zieht weitere Bausteine an
Anlagern der Bausteine entsprechend der 3-dim. Periodizität auf den Flächen
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• Synthese von Reinst-Al2O3
• Sol-Gel Prozess siehe erste Vorlesung
* Chemische Reaktionen sind nicht ausformuliert und nicht vollständig
Oxidkeramik - Al2O3
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• Gewinnung von g-Al2O3 Bayer Prozess
• Rohstoff: Bauxit (60-45 %Al2O3, 25-10% Fe2O3, 8-2% SiO2, 3-1% TiO2)
Bauxit
Rotschlamm
Al(OH)3
g-Al2O3
NaOH
H2O
Ga2O3
NaOH Restlauge
Aluminatlauge: Natrium-Aquohydroxo-Komplex: Na+[Al(OH)42H2O]-8H2O
Kristallisationskeime
Oxidkeramik - Al2O3
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Oxidkeramik ZrO2
• Baddeleyit bildet die Basis für die Synthese von Zirkoniumoxid Erhitzung auf T = 2750 °C, Auto-Stiegel-Methode
• Zirkon (ZrSiO4): beide Mineralien sind in der Natur stark mit Hafniumoxid und radioaktiven Oxiden verunreinigt ZrO2 aus Baddeleyit kann nicht für Medizintechnik verwendet werden!!!
• Hf (meist 1-3%) kann durch die chemische Ähnlichkeit zu Zr nicht abgetrennt werden
• Kennzahlen𝜌
𝑔
𝑐𝑚3E (GPa)
𝐾𝐼𝐶(𝑀𝑃𝑎 𝑚)
𝜎𝐵(MPa)
m (1)
5,89 200 6-10 60-1000 15-25
Härte HV10 𝛼 (10−6𝐾−1) l𝑊
𝑚𝐾Tschmelz
(°C)
1300 10 2 2680-2710
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Oxidkeramik - ZrO2
• Thermodynamisch stabile Modifikation unter Normalbedingungen:monoklines ZrO2 (Baddeleyit Struktur)
• Bei T~1170 °C Umwandlung in die tetragonale Phasebei T~2370 °C Umwandlung in die kubische Phase (CaF2-Strukturtyp)
• kubisch tetragonal: nur durch eine Streckung des c-Gitterparameters um 0,3%tetragonal monoklin: Scherung um 9% des Gitters
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Oxidkeramik - ZrO2
• m t Umwandlung Volumenänderung 5-8% Kontraktion bei einer Temperaturerhöhung d. h. bei einer Abkühlung aus der Schmelze findet eine Volumenausdehnung statt
• Umwandlungsverstärkung
• Die Volumenzunahme im Umgebungsbereich eines umwandelnden Kornes Mikrorissbildung
• Phasenumwandlung durch spannugnsüberhöhung an Rissspitze „Verspannen“
Quelle: Stevens Introduction to Zirconia nach: Stevens Introduction to Zirconia
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Nichtoxidkeramik
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Nichtoxidkeramik - SiC
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Nichtoxidkeramik - SiC
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Nichtoxidkeramik - SiC
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Nichtoxidkeramik - SiC
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Nichtoxidkeramik - SiC
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Einfache Formen, Modulbauweise
Brevier, Technische Keramik
REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE
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Spannungsspitzen vermeiden
REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE
Keine scharfen Kerben
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Zugspannungen minimieren
REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE
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Materialanhäufungen vermeiden
REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE
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KERAMISCHE FASERVERBUNDWERKSTOFFE
Quelle: Krenkel, Uni Bayreuth
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KERAMISCHE VERBUNDWERKSTOFFE (CMC)
Vergleich des Bruchverhaltens von monolithischer und Faserverbundkeramik
Unikale Eigenschaften: fest, steif, hochtemperaturstabil und schadenstolerant
Verstärkungsmechanismen:
- Umwandlungsverstärkung
- Gefügedesign / Rissablenkung
- Anisotropes Kornwachstum
- Whiskerverstärkung / Plateletverstärkung
- Faserverbundwerkstoffe
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KERAMIKSPRITZGUSS - CIM
Quelle: IKTS
Beheizbare Kugelmühle
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KERAMIKSPRITZGUSS - CIM
Quelle: IKTS
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KERAMIKSPRITZGUSS - CIM
Thermoplastische Formgebung für
komplex geformte Bauteile
mittlere bis hohe Stückzahlen
Bohrungen
Hinterschneidungen
Gewinde
dünne Wandstärken
feinkörnige Pulver
kleinste Abmessungen
Source: IKTS
Mixing KneadingPowder
+
Binder
Feedstock Rheological Measurements
Injection Moulding Weighing Computed tomography
Weighing
Computed tomography
Computed tomography
Visual inspection
Extraktion Catalytic
Debinding
Thermal
Debinding
Sintering
Finishing
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Quelle: IKTS
Vorteile Komponenten werden Schicht für Schicht aufgebaut neue Designfreiheit Werkzeugfreie Fertigung Kosteneinsparung
ADDITIVE (GENERATIVE) FERTIGUNG
Nachteile
Größenbeschränkung durch begrenzten Bauraum
lange Prozesszeiten (mehrere Stunden)
niedrige Verdichtung und Dichteinhomogenitäten
limitierte Oberflächenqualität
Begrenzung in Multifunktionalität
Stützmaterial nötig
Additive Manufacturing: Herstellung eines Bauteils durch sukzessives Hinzufügen oder Ablagern von Material. Dabei wird das Baumaterial mit der darunter liegenden Schicht verbunden, beispielsweise durch Polymerisieren, Sintern, Schmelzen oder Kleben.
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ADDITIVE FERTIGUNG
Quelle: IKTS
Additive Fertigung
Punkt
3DPPulver
Linie
SLSPulver
EFFPaste, Strang
SLASchlicker
Fläche
SLASchlicker
LOMFolie, Papier
3DP – 3D PrintingSLS – Selective Laser SinteringEFF – Extrusion FreeformingSLA – StereolithographyLOM – Laminated Object Manufacturing
Art der Schichtbildung Partikelbindung durch Binderlösung aufgesprüht durch
Ink-Jet Technik (indirektes Drucken)
Verdrucken einer verdünnten keramischen
Suspension mit flüchtigem
Lösungsmittel auf absorbieren-des
Substrat (direktes Drucken)
Selektive Verfestigung von
Pulvern durch Laserstrahl
Kontinuierliche Extrusion
Aufschmelzen und Erstarren
Polymerisation von geeigneten Harzen
durch Laser, Heizstrahler oder
Licht
Laminieren und Laserschnei-den/
Schneiden mit Werkzeug (bond-first lamination) oder umgekehrt
(cut-first lamination)
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SINTERN
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SINTERN
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SINTERN
Wichtig: - Löslichkeit der Festphase in Flüssigphase- Tschmelz, solid >> Teutektikum
- Gute Benetzung der Festphase durch Schmelze- Geringe Löslichkeit der Schmelze in der Festphase
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DISPERGIERUNG IN FLÜSSIGKEITEN
Dispergierung von Partikeln in polaren Flüssigkeiten
-> Oberflächenladungen
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-60
-40
-20
0
20
40
60
80
0 2 4 6 8 10 12 14
pH-Wert
Zeta
po
ten
tial
in m
V
I IIIIIII
Isoelektrischer Punkt
x10;3: 0,09 µmx50;3: 0,28 µmx90;3: 1,64 µm
x10;3: 3,27 µmx50;3: 6,77 µmx90;3: 13,38 µm
Beispiel: Al2O3 CT 3000Elektrostatisch stabil
Elektrostatisch instabil -> Agglomeration
DISPERGIERUNG IN FLÜSSIGKEITEN
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Ladungsverhältnisse
ESA, ZetaProbe
Viskosität
rheologischeAnalysen (MCR 101)
pH-Wert, Leitfähigkeit
SUSPENSION
Chemische Zusammensetzung
XRD…
Feststoffkonzentration
Partikel
LB, DLS, QICPIC…
Verunreinigungen, Hilfsmittel
ICP-OES, Adsorptions-isotherme, ATR-FTIR
DISPERGIERUNG IN FLÜSSIGKEITEN
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THERMOANALYTIK
Wärmeleitung:- Wärmefluss in einem Feststoff oder ruhenden Fluid infolge eines Temperaturunterschieds- Wärmefluss erfolgt in Richtung der geringeren Temperatur- Transport über…
Gitterschwingung (Phononen)Wärmestrahlung (Photonen) Elektronen
Temperaturleitfähigkeit:- Materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationärenWärmetransports- Info, wie schnell Material auf Temperaturänderung reagiert- Vorhersage von Abkühlprozessen, Simulation von T-Feldern, Lösen der Fourier-DFG für instationärenWärmetransport
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THERMOANALYTIK
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THERMOANALYTIK
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SAUERSTOFFIONENLEITUNG: BEISPIEL Y2O3-ZrO2
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..'
32 322
O
x
OZr
ZrOVOYOY
...'][ OZr VY
x
ZrOZr YVY ]['..'
SAUERSTOFFIONENLEITUNG: BEISPIEL Y2O3-ZrO2
)exp(,
kT
E
T
A eA
e
2/0
,, eeMeA HHE DD
e
MHD - Elektronenmigration
0
eHD - Elektronenbildungsenthalpie (Sprung in Leitungsband)
Defektbildung durch Y2O3-Dotierung
- beweglichere Leerstelle am Y3+ Ion im Fluoritgitter
- unbeweglichere Leerstelle an zwei benachbarten Y3+ Ionen im Fluoritgitter
Elektronenleitung (n-Typ) Ionenleitung (O2-)
)exp(kT
H
T
Aion
D
AM HHH DDD
MHD - Ionenmigration
AHD - Ionenassoziation
Konzentration von Elektronen = 2 x Konzentration von O2--Leerstellen
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SAUERSTOFFIONENLEITUNG: BEISPIEL Y2O3-ZrO2
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- Beschreibt Verhalten von Werkstoffen unter mechanischer Last (konstitutives Verhalten, Versagensverhalten)
ZielstellungVerstehen durch Modellierung (mathematische Beschreibung) des Materialverhaltens mittelsTheorie und Experiment
Grundlagen- Kontinuumsmechanik- Bruchmechanik- Betriebsfestigkeit
(Wöhlerlinie, statistische Methoden)
WERKSTOFFMECHANIK
Versetzungs-/
Molekulardyna
mik
Ab initio (DFT)
Kontinuums-
mechanik
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WERKSTOFFMECHANIK
Bsp.: Ferroelektrika FERROELEKTRIZITÄT
Unter elektrischer / mechanischer Last:
• Polarisation (Hysterese)
• Geometrieänderung/Deformation
(Schmetterlingskurve)
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WERKSTOFFMECHANIK
• (unsymmetrische) Elementarzelle intrinsischer Dipol
• Änderung der Dipolorientierung entsprechend
Kristallsymmetrie: „Umklappen“
• Diskrete Änderung der intrinsischen Polarisation,
Geometrieänderung/Deformation
• Ursache: elektrisches Feld und/oder mechanische
Spannung
Erscheinung – EZ
• Unter elektrischer / mechanischer Last:
• Polarisation (Hysterese)
• Geometrieänderung/Deformation
(Schmetterlingskurve)
Erscheinung – Keramik
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WERKSTOFFMECHANIK