Materialwissenschaft (Fach) / Strukturkeramiken (Kapitel 4, Materialwissenschaft I & II) (Lektion)

Überblick über die wichtigsten Strukturkeramiken

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• Was ist eine Strukturkeramik? Werden hauptsächlich für Bauteile verwendet die mechanische Funktionen erfüllen müssen. Vornehmlich eingesetzt im Maschinenbau, in der chemischen Verfahrenstechnik und in der Biotechnik.  
• Eigenschaften von Strukturkeramiken ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit ausgez. Korrosionsbeständigkeit hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen grosse Härte geringe Dichte (wichtig für schnelle Bauteile) gute Abrasionsbeständigkeit gegen vielzahl von Medien  
• Nachteile von (Struktur) Keramiken hohe Herstellungskosten nur statistisch beschreibbare mechanische Eigenschaften Dies muss durch die Vorteile aufgewogen werden
• a) Wichtigste Vertreter der Strukturkeramiken b) wie nimmt der Kovalente Bindungscharakter zu? welche Eigenschaft nimmt ebenfalls zu? Aluminiumoxid Al2O3 Zirkonoxid ZrO2 Siliziumkarbid SiC Siliziumnitrid Si3N4 Die gebräuchlichen Vertreter der Strukturkeramiken sind alle entweder Oxide, Nitride oder Karbide.   b) der Reihe nach Oxid - Nitrid - Karbid und damit auch die Härte
• Aluminiumoxid: was ist die häufigste Modifikation? wie ist die Struktur? Die häufigste Modifikation ist die α-Modifikation auch Korund genannt. Die einkristalline Form ist Saphir (Merke: Saphir Glas ist kein Glas sondern ein Einkristall!) Ist ein Saphir mit Chromoxid dotiert hat er eine tiefrote Farbe und heisst Rubin Die Sauerstoffanionen im Aluminiumoxid bilden dichtest besetzte Ebenen, welche hexagonal gestapelt sind (ABAB). Die Kationen besetzen 2/3 der zwischen den Sauerstoffebenen vorhandenen Oktaederlücken. Die Aluminiumionen haben eine Koord.Zahl von 6, die O2 Ionen eine von 4.
• Aluminiumoxid Herstellung Aus dem Sedimentgestein Bauxit (aus Oxiden von Al und Fe, sowie verschiedene Silikate) über den Bayer -Prozess extrahiert.
• Al2O3 : Modifikationen und ihre Vor-/Nachteile Die Oxide und Hydroxyde des Aluminiums kommen in etlichen Formen vor. Diese sind aber bei Raumtemperatur alle Metastabil und wandeln wieder in α-Al2O3 . Da einige Umwandlungen mit Volumenänderungen verbunden sind stellt dies ein Problem bei der Sinterung dar. Böhmit: Kleinste Korngrösse. Dient als Ausgangsprodukt für viele Anwendungen. γ-Al2O3 : Lässt sich mit hoher spezifischer Oberfläche herstellen und wird deswegen unteranderem als Katalysatorträger eingesetzt. α-Al2O3 : Hochtemperaturform, als feinstgemahlenes Pulver mit MgO dotiert als Ingenieurkeramik verwendet.    
• ZTA (Zirconia Toughned Alumina) Durch einlagerung von ZRO2 in die Al2O3 Matrix wird die Zähigkeit von Aluminiumoxid verbessert. Der Verstärkungsmechanismus beruht auf der Energie aufzehrenden martensitische (displaziv) Phasenumwandlung des ZrO2. Die Umwandlung erfolgt auf äussere mechanische Spannung --> Intelligente Antwort des Materials. Das Ausmass der Verstärkung kann über den Phasenanteil und die Korngrösse des ZrO2 gesteuert werden.
• Aluminiumoxid Anwendungen Qualitativ schlechtes Aluminiumoxid wird mengenmässig am häufigsten für die Isolation von Zündkerzen in Verbrennungsmotoren verwendet. Hochwertiges Aluminiumoxid: Chipträger und Hüftgelenkskuglen oder andere med. Implantate Pumpenkolben für den Betrieb mit aggressiven oder abrasiven Medien (Textilindustrie und Hochtemperaturbauteile)
• Zirkonoxid ZrO2 hat die Fähigkeit einen laufendnen Riss durch Phasenumwandlung aufzufangen und ist daher dem Aluminiumoxid in den mechanischen Eigenschaften bei RT teilweise überlegen.  
• Struktur von Zirkonoxid ZrO2 ist Polymorph Schmelze --2680 °C--> kubisch, fest --2370 °C--> tetragonal --1170 °C--> monoklin Von tetragonal zu monoklin findet eine diffusionslose Umwandlung mit einer Volumenzunahme von 3-5 % statt. Das führt dazu dass keine Bauteile aus undotiertem ZrO2 hergestellt werden können. Diese würden nach dem Sintern beim Abkühlen in staub zerfallen. Daher wird das Zirkonoxid dotiert. Die dotierelemente hemmen kinetisch die Umwandlung.
• TZP (Tetragonal Zirconia Polycrystals) System aus ZrO2 und Y2O3. Mit ca. 3 mol wird es bei hoher Temperatur (1300-1400 °C) gesintert. Bei RT dichtes Material in metastabiler tetragonaler Symmetrie mit sehr kleinen Körnern (0.3 μm). Das Material ist sehr zäh (KIC ~6) und hochfest mit Bruchfestigkeit von mehr als 1000 MPa.
• PSZ (Partial Stabilized Zirconia) Y2O3 gelöst in Zirkonoxid (mehr als bei TZP), das Material liegt nach der Sinterung (1600-1700°C) in kubischer Modifikation vor. Anschliessend im 2-Phasengebiet (kubisch und tetragonal) getempert. Koharente tetragonale Ausscheidungen in den kubischen Körnern, diese können durch äussere Spannung induziert Umwandeln.
• ZTA (Zirconia Toughened Alumina) Zirkonoxid kann bis zu 15 vol% in Aluminiumoxid eingelagert werden und liegt dann (beides unlöslich ineinander) als 2-Phasensystem im Gleichgewicht vor.
• FSZ (Fully stabilized Zirconia) Durch Zugabe von 8% Y2O3 wird die kubische Struktur bis auf RT stabilisiert. Weil vierwertiges Zirkon durch dreiwertiges Yttrium ersetzt wird enthält FSZ eine signifikante Anzahl Sauerstoffleerstellen (halb so gross wie die Y konzentration). Über diese Leerstellen können Sauerstoffionen wandern. Das Material ist als Sauerstoffsonde und in Hochtemperatur-Brennstoffzellen einsetzbar. FSZ ist mehr einer Gruppe der Funktionskeramiken zuzuordnen als den Strukturkeramiken.
• Zirkonoxid Anwendungen Einsetzbar wenn gute Zähigkeit von keramischen Werkstoffen benötigt wird. Ziehmatrizen für Drahtherstellung oder Kolbeneinsätzen für Verbrennungsmotoren, als Lichtleiterstecker für Glasfaserkabel sowie als Gelenkimplantat und Zahn- und Zahnbrückenmaterial.

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