Keramiktechnik - Ceramic engineering

Simulation der Außentemperatur des Space Shuttles auf über 1.500 °C (2.730 °F) beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre
Lagerkomponenten aus 100 % Siliziumnitrid Si 3 N 4
Brotmesser aus Keramik

Keramiktechnik ist die Wissenschaft und Technologie der Herstellung von Objekten aus anorganischen, nichtmetallischen Materialien. Dies geschieht entweder durch Wärmeeinwirkung oder bei niedrigeren Temperaturen durch Fällungsreaktionen aus hochreinen chemischen Lösungen. Der Begriff umfasst die Reinigung von Rohstoffen, das Studium und die Herstellung der betreffenden chemischen Verbindungen, ihre Bildung zu Komponenten und die Untersuchung ihrer Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften.

Keramische Materialien können eine kristalline oder teilkristalline Struktur mit weitreichender Ordnung auf atomarer Skala aufweisen. Glaskeramiken können eine amorphe oder glasartige Struktur mit begrenzter oder kleiner atomarer Ordnung aufweisen. Sie werden entweder aus einer beim Abkühlen erstarrenden Schmelze gebildet, durch Wärmeeinwirkung geformt und gereift oder bei niedrigen Temperaturen chemisch synthetisiert, beispielsweise durch Hydrothermal- oder Sol-Gel- Synthese.

Durch den besonderen Charakter keramischer Werkstoffe ergeben sich viele Anwendungen in der Werkstofftechnik , Elektrotechnik , Verfahrenstechnik und im Maschinenbau . Da Keramiken hitzebeständig sind, können sie für viele Aufgaben eingesetzt werden, für die Materialien wie Metall und Polymere ungeeignet sind. Keramische Materialien werden in einer Vielzahl von Branchen verwendet, darunter Bergbau, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Raffinerie, Lebensmittel- und chemische Industrie, Verpackungswissenschaft, Elektronik, Industrie- und Übertragungselektrik sowie geführte Lichtwellenübertragung.

Geschichte

Das Wort " Keramik " leitet sich vom griechischen Wort κεραμικός ( keramikos ) ab, was Keramik bedeutet . Es ist verwandt mit der älteren indogermanischen Sprachwurzel „brennen“. "Keramik" kann als Substantiv im Singular verwendet werden, um sich auf ein keramisches Material oder ein Produkt der keramischen Herstellung zu beziehen, oder als Adjektiv. Keramik ist die Herstellung von Dingen aus keramischen Materialien. Die Keramiktechnik hat sich, wie viele Wissenschaften, nach heutigen Maßstäben aus einer anderen Disziplin entwickelt. Die Werkstofftechnik wird bis heute mit der Keramiktechnik gruppiert.

Die Fliesenverglasungslinie von Leo Morandi (um 1945)

Abraham Darby verwendete zum ersten Mal Koks im Jahr 1709 in Shropshire, England, um die Ausbeute eines Schmelzprozesses zu verbessern. Koks wird heute häufig zur Herstellung von Hartmetallkeramiken verwendet. Potter Josiah Wedgwood eröffnete 1759 die erste moderne Keramikfabrik in Stoke-on-Trent , England. Der österreichische Chemiker Carl Josef Bayer , der für die Textilindustrie in Russland arbeitete, entwickelte 1888 ein Verfahren zur Abtrennung von Tonerde aus Bauxiterz . Das Bayer-Verfahren wird immer noch zur Reinigung von Aluminiumoxid für die Keramik- und Aluminiumindustrie verwendet. Brüder Pierre und Jacques Curie entdeckt piezoelectricity in Seignettesalzlösung um 1880. Piezoelectricity eine der wichtigsten Eigenschaften ist Elektrokeramik .

EG Acheson erhitzte 1893 eine Mischung aus Koks und Ton und erfand Carborundum oder synthetisches Siliziumkarbid . Etwa zur gleichen Zeit wie Acheson synthetisierte Henri Moissan auch SiC und Wolframcarbid in seinem Elektrolichtbogenofen in Paris. Karl Schröter verwendete Flüssigphasensinter zur Bindung oder „Zement“ Moissans Wolframcarbidteilchen mit Kobalt in 1923 in Deutschland. Zementierte (metallgebundene) Hartmetallschneiden erhöhen die Standzeit von Schneidwerkzeugen aus gehärtetem Stahl erheblich . WH Nernst entwickelte in den 1920er Jahren in Berlin kubisch stabilisiertes Zirkonoxid . Dieses Material wird als Sauerstoffsensor in Abgassystemen verwendet. Die Haupteinschränkung bei der Verwendung von Keramik in der Technik ist die Sprödigkeit.

Militär

Soldaten, die während des Irak-Krieges 2003 durch IR-transparente Nachtsichtbrillen gesehen wurden

Die militärischen Anforderungen des Zweiten Weltkriegs förderten Entwicklungen, die einen Bedarf an Hochleistungsmaterialien schufen und die Entwicklung der Keramikwissenschaft und -technik beschleunigten. In den 1960er und 1970er Jahren wurden als Reaktion auf Fortschritte in der Atomenergie, Elektronik, Kommunikation und Raumfahrt neue Arten von Keramiken entwickelt. Die Entdeckung der keramischen Supraleiter im Jahr 1986 hat intensive Forschungen zur Entwicklung supraleitender keramischer Teile für elektronische Geräte, Elektromotoren und Transportmittel angespornt.

Im militärischen Bereich besteht ein zunehmender Bedarf an hochfesten, robusten Materialien, die Licht im sichtbaren (0,4–0,7 Mikrometer) und mittleren Infrarotbereich (1–5 Mikrometer) des Spektrums übertragen können. Diese Materialien werden für Anwendungen benötigt, die eine transparente Panzerung erfordern . Transparente Panzerung ist ein Material oder ein Materialsystem, das optisch transparent ist und dennoch vor Splittern oder ballistischen Einschlägen schützt. Die Hauptanforderung an ein transparentes Panzerungssystem besteht darin, nicht nur die vorgesehene Bedrohung zu besiegen, sondern auch eine Mehrfachtrefferfähigkeit mit minimierter Verzerrung der umgebenden Bereiche bereitzustellen. Transparente Panzerfenster müssen auch mit Nachtsichtgeräten kompatibel sein. Es werden neue Materialien gesucht, die dünner und leichter sind und eine bessere ballistische Leistung bieten.

: Solche Festkörperkomponenten haben eine weit verbreitete Verwendung für verschiedene Anwendungen in dem elektrooptischen Feld einschließlich gefunden Lichtleitfasern für geführte Lichtwellen - Übertragung, optische Schalter , Laserverstärkern und Linsen , Wirte für Festkörperlaser und optische Fenstermaterialien für Gaslaser, und Infrarot (IR) Wärmesuchgeräte für Raketenleitsysteme und IR-Nachtsicht .

Moderne Industrie

Inzwischen haben sich Industrie, Keramiktechnik und Forschung mit einem Jahresumsatz von mehreren Milliarden Dollar als wichtiges Wissenschaftsgebiet etabliert. Die Anwendungen werden weiter ausgebaut, da Forscher neue Arten von Keramiken entwickeln, die verschiedenen Zwecken dienen.

  • Zur Herstellung von Messern wird Zirkondioxidkeramik verwendet. Die Klinge des Keramikmessers bleibt viel länger scharf als die eines Stahlmessers, ist jedoch spröder und kann beim Fallenlassen auf eine harte Oberfläche brechen.
  • Keramiken wie Aluminiumoxid, Borcarbid und Siliciumcarbid wurden verwendet , kugelsichere Westen , um Kleinwaffen abstoßen Gewehrfeuer. Solche Platten sind allgemein als Traumaplatten bekannt . Ähnliches Material wird wegen des geringen Gewichts des Materials zum Schutz von Cockpits einiger Militärflugzeuge verwendet.
  • In Keramikkugellagern werden Siliziumnitrid- Teile verwendet. Durch ihre höhere Härte sind sie deutlich weniger verschleißanfällig und bieten mehr als die dreifache Lebensdauer. Sie verformen sich auch weniger unter Last, haben also weniger Kontakt mit den Lagerkäfigwänden und können schneller rollen. Bei Anwendungen mit sehr hohen Drehzahlen kann die Reibungswärme beim Walzen Probleme für Metalllager verursachen; Probleme, die durch den Einsatz von Keramik reduziert werden. Keramik ist auch chemisch beständiger und kann in nassen Umgebungen verwendet werden, in denen Stahllager rosten würden. Der größte Nachteil bei der Verwendung von Keramik sind die deutlich höheren Kosten. In vielen Fällen können ihre elektrisch isolierenden Eigenschaften auch in Lagern wertvoll sein.
  • In den frühen 1980er Jahren erforschte Toyota die Produktion eines adiabatischen Keramikmotors, der bei einer Temperatur von über 6000 °F (3300 °C) laufen kann. Keramikmotoren benötigen kein Kühlsystem und ermöglichen somit eine deutliche Gewichtsreduzierung und damit eine höhere Kraftstoffeffizienz. Die Kraftstoffeffizienz des Motors ist auch bei hohen Temperaturen höher, wie das Carnot- Theorem zeigt. Bei einem herkömmlichen Metallmotor muss ein Großteil der aus dem Kraftstoff freigesetzten Energie als Abwärme abgeführt werden, um ein Zusammenschmelzen der Metallteile zu verhindern. Trotz all dieser wünschenswerten Eigenschaften werden solche Motoren nicht produziert, da die Herstellung von Keramikteilen in der erforderlichen Präzision und Haltbarkeit schwierig ist. Unvollkommenheiten in der Keramik führen zu Rissen, die zu einem potenziell gefährlichen Geräteausfall führen können. Solche Motoren sind in Laborumgebungen möglich, aber eine Massenproduktion ist mit der aktuellen Technologie nicht machbar.
  • Die Arbeiten werden bei der Entwicklung von Keramikteilen für getan Gasturbinenmotoren . Gegenwärtig erfordern sogar Schaufeln aus fortschrittlichen Metalllegierungen, die im heißen Abschnitt der Triebwerke verwendet werden, eine Kühlung und eine sorgfältige Begrenzung der Betriebstemperaturen. Mit Keramik hergestellte Turbinenmotoren könnten effizienter arbeiten und Flugzeugen eine größere Reichweite und Nutzlast für eine bestimmte Kraftstoffmenge verleihen.
Kollagenfasern aus gewebtem Knochen
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Knochen
  • In letzter Zeit gab es Fortschritte bei Keramiken, die Biokeramiken einschließen, wie Zahnimplantate und synthetische Knochen. Hydroxyapatit , der natürliche mineralische Bestandteil des Knochens, wurde aus einer Reihe biologischer und chemischer Quellen synthetisch hergestellt und kann zu keramischen Materialien verarbeitet werden. Aus diesen Materialien hergestellte orthopädische Implantate verbinden sich ohne Abstoßung oder Entzündungsreaktionen leicht mit Knochen und anderen Geweben im Körper. Aus diesem Grund sind sie von großem Interesse für Gentransfer- und Tissue-Engineering- Gerüste. Die meisten Hydroxyapatit-Keramiken sind sehr porös und haben keine mechanische Festigkeit und werden verwendet, um orthopädische Vorrichtungen aus Metall zu beschichten, um die Bildung einer Verbindung zum Knochen zu unterstützen, oder als Knochenfüller. Sie werden auch als Füllstoffe für orthopädische Kunststoffschrauben verwendet, um die Entzündung zu reduzieren und die Absorption dieser Kunststoffmaterialien zu erhöhen. Es wird daran gearbeitet, starke, vollständig dichte nanokristalline Hydroxylapatit-Keramikmaterialien für orthopädische Gewichtsbelastungsgeräte herzustellen, die fremde Metall- und Kunststoffmaterialien durch ein synthetisches, aber natürlich vorkommendes Knochenmineral ersetzen. Letztendlich können diese keramischen Materialien als Knochenersatz oder mit dem Einbau von Proteinkollagenen, synthetischen Knochen verwendet werden.
  • Dauerhafte Aktiniden enthaltende keramische Materialien haben viele Anwendungen, wie zum Beispiel in Kernbrennstoffen zum Verbrennen von überschüssigem Pu und in chemisch inerten Quellen von Alpha-Strahlung zur Energieversorgung von unbemannten Raumfahrzeugen oder zur Stromerzeugung für mikroelektronische Geräte. Sowohl die Verwendung als auch die Entsorgung radioaktiver Aktiniden erfordern ihre Immobilisierung in einem dauerhaften Wirtsmaterial. Nuklearmüll langlebige Radionuklide wie Aktinide werden unter Verwendung von chemisch beständigen kristallinen Materialien auf der Basis polykristalliner Keramiken und großer Einkristalle immobilisiert.

Glaskeramik

Ein hochfestes Glaskeramik-Kochfeld mit vernachlässigbarer Wärmeausdehnung.

Glaskeramiken haben viele Eigenschaften mit Gläsern und Keramiken gemeinsam. Glaskeramiken weisen eine amorphe Phase und eine oder mehrere kristalline Phasen auf und werden durch eine sogenannte "kontrollierte Kristallisation" hergestellt, die bei der Glasherstellung typischerweise vermieden wird. Glaskeramiken enthalten oft eine kristalline Phase, die zwischen 30 % [m/m] und 90 % [m/m] ihrer Volumenzusammensetzung ausmacht, was zu einer Reihe von Materialien mit interessanten thermomechanischen Eigenschaften führt.

Bei der Verarbeitung von Glaskeramik wird geschmolzenes Glas nach und nach abgekühlt, bevor es wieder erhitzt und geglüht wird. Bei dieser Wärmebehandlung kristallisiert das Glas teilweise . In vielen Fällen werden sogenannte „Nukleierungsmittel“ zugesetzt, um den Kristallisationsprozess zu regulieren und zu kontrollieren. Da in der Regel kein Pressen und Sintern stattfindet, enthalten Glaskeramiken nicht den Volumenanteil an Porosität, der typischerweise in gesinterten Keramiken vorhanden ist.

Der Begriff bezieht sich hauptsächlich auf eine Mischung aus Lithium und Alumosilikaten, die eine Reihe von Materialien mit interessanten thermomechanischen Eigenschaften ergibt. Die kommerziell wichtigsten davon zeichnen sich dadurch aus, dass sie gegenüber einem thermischen Schock unempfindlich sind. Somit sind Glaskeramiken für das Kochen auf der Arbeitsplatte äußerst nützlich geworden. Der negativer Wärmeausdehnungskoeffizient (TEC) der kristallinen Keramikphase kann mit der positiven TEC der glasigen Phase ausgeglichen werden. An einem bestimmten Punkt (~70% kristallin) hat die Glaskeramik einen Netto-TEC nahe Null. Diese Art von Glaskeramik weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf und hält wiederholten und schnellen Temperaturwechseln bis 1000 °C stand.

Verarbeitungsschritte

Der traditionelle Keramikprozess folgt im Allgemeinen dieser Reihenfolge: Mahlen → Chargen → Mischen → Formen → Trocknen → Brennen → Zusammenbau.

Kugelmühle
  • Fräsen ist der Prozess, bei dem Materialien von einer großen Größe auf eine kleinere Größe reduziert werden. Das Mahlen kann das Aufbrechen von zementiertem Material (in diesem Fall behalten die einzelnen Partikel ihre Form) oder das Pulverisieren (das das Mahlen der Partikel selbst auf eine kleinere Größe beinhaltet) beinhalten. Das Mahlen erfolgt im Allgemeinen durch mechanische Mittel, einschließlich Abrieb (bei dem Partikel-zu-Partikel-Kollision, die zum Aufbrechen von Agglomeraten oder zum Scheren der Partikel führt), Kompression (bei der Kräfte ausgeübt werden, die zum Bruch führen) und Schlag (bei dem ein Mahlmedium verwendet wird). oder die Partikel selbst, um Brüche zu verursachen). Die Ausrüstung zum Zerreiben umfasst den Nasswäscher (auch Planetenmühle oder Nassreibungsmühle genannt), der Schaufeln im Wasser hat, die Wirbel erzeugen, in denen das Material kollidiert und aufbricht. Verdichtungsmühlen umfassen die Backenbrecher , Walzenbrecher und Kegelbrecher. Prallmühlen umfassen die Kugelmühle , die Medien hat, die das Material taumeln und zerbrechen. Wellenimpaktoren verursachen Partikel-zu-Partikel-Abrieb und -Kompression.
  • Beim Batching werden die Oxide nach Rezepturen abgewogen und zum Mischen und Trocknen vorbereitet.
  • Das Mischen erfolgt nach Dosierung und ist mit verschiedenen Maschinen, wie Trockenmischen durchgeführt Bandmischer (eine Art cement mixer), Mueller - Mischer und Mops Mühlen . Beim Nassmischen wird im Allgemeinen die gleiche Ausrüstung verwendet.
  • Beim Formen wird das gemischte Material in Formen gebracht, die von Toilettenschüsseln bis hin zu Zündkerzenisolatoren reichen. Das Formen kann umfassen: (1) Extrusion, wie das Extrudieren von "Schnecken", um Ziegel herzustellen, (2) Pressen, um geformte Teile herzustellen, (3) Schlickergießen , wie bei der Herstellung von Toilettenschüsseln, Waschbecken und Ziergegenständen wie Keramikstatuen. Durch das Formen entsteht ein "grünes" Teil, das zum Trocknen bereit ist. Grüne Teile sind weich, biegsam und verlieren mit der Zeit ihre Form. Die Handhabung des grünen Produkts ändert seine Form. Zum Beispiel kann ein grüner Ziegel "gequetscht" werden, und nach dem Quetschen bleibt es so.
  • Trocknen ist das Entfernen von Wasser oder Bindemittel aus dem geformten Material. Die Sprühtrocknung wird häufig verwendet, um Pulver für Pressvorgänge vorzubereiten. Andere Trockner sind Tunneltrockner und periodische Trockner. Bei diesem zweistufigen Verfahren wird kontrolliert Wärme zugeführt. Erstens entfernt Wärme Wasser. Dieser Schritt erfordert eine sorgfältige Kontrolle, da schnelles Erhitzen Risse und Oberflächenfehler verursacht. Der getrocknete Teil ist kleiner als der grüne Teil und spröde, was eine sorgfältige Handhabung erfordert, da ein kleiner Aufprall zu Bröckeln und Brechen führt.
  • Beim Sintern durchlaufen die getrockneten Teile einen kontrollierten Erwärmungsprozess und die Oxide werden chemisch verändert, um eine Bindung und Verdichtung zu bewirken. Der gebrannte Teil ist kleiner als der getrocknete Teil.

Umformmethoden

Keramikformtechniken umfassen das Werfen, Schlickergießen , Bandgießen, Gefriertgießen , Spritzgießen, Trockenpressen, isostatisches Pressen, heißes isostatisches Pressen (HIP), 3D - Drucken und andere. Verfahren zum Formen von Keramikpulvern in komplexe Formen sind in vielen Bereichen der Technik wünschenswert. Solche Verfahren werden benötigt, um fortschrittliche Hochtemperatur-Strukturteile wie Wärmekraftmaschinenkomponenten und Turbinen herzustellen . Andere Materialien als Keramiken, die in diesen Verfahren verwendet werden, können einschließen: Holz, Metall, Wasser, Gips und Epoxid – von denen die meisten beim Brennen entfernt werden. Ein keramikgefülltes Epoxidharz wie Martyte wird manchmal verwendet, um Baustahl unter den Bedingungen des Auftreffens von Raketenabgasen zu schützen.

Diese Formgebungstechniken sind gut bekannt, um Werkzeuge und andere Komponenten mit Dimensionsstabilität, Oberflächenqualität, hoher (nahezu theoretischer) Dichte und mikrostruktureller Gleichmäßigkeit zu versehen. Die zunehmende Verwendung und Vielfalt von Sonderformen der Keramik trägt zur Vielfalt der einzusetzenden Verfahrenstechniken bei.

Somit werden Verstärkungsfasern und -filamente hauptsächlich durch Polymer-, Sol-Gel- oder CVD-Verfahren hergestellt, aber auch die Schmelzverarbeitung ist anwendbar. Die am weitesten verbreitete Spezialform sind Schichtstrukturen, wobei Tape Casting für elektronische Substrate und Gehäuse herausragend ist. Die Photolithographie ist für die präzise Strukturierung von Leitern und anderen Komponenten für eine solche Verpackung von zunehmendem Interesse. Auch für andere Anwendungen, die von offenen Strukturen wie Brennstoffzellen bis hin zu keramischen Verbundwerkstoffen reichen, sind Tape-Casting- oder Umformverfahren von zunehmendem Interesse.

Die andere Hauptschichtstruktur ist die Beschichtung, bei der das Schmelzsprühen sehr wichtig ist, aber chemische und physikalische Gasphasenabscheidung und chemische (z. B. Sol-Gel- und Polymerpyrolyse) Verfahren finden alle eine zunehmende Anwendung. Neben offenen Strukturen aus geformten Bändern werden zunehmend auch extrudierte Strukturen, wie Wabenkatalysatorträger, und hochporöse Strukturen, einschließlich verschiedener Schäume, beispielsweise retikulierter Schaum , verwendet.

Die Verdichtung von verfestigten Pulverkörpern wird weiterhin überwiegend durch (druckloses) Sintern erreicht. Der Einsatz von Drucksintern durch Heißpressen nimmt jedoch zu, insbesondere bei Nichtoxiden und Teilen einfacher Form, bei denen eine höhere Qualität (hauptsächlich mikrostrukturelle Homogenität) erforderlich ist und größere Abmessungen oder mehrere Teile pro Pressung von Vorteil sein können.

Der Sinterprozess

Siehe auch: Sintermechanismen

Die Prinzipien der sinterbasierten Verfahren sind einfach („Sinter“ hat Wurzeln im englischen „ Cinder “). Das Brennen erfolgt bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Keramik. Sobald ein grob zusammengehaltener Gegenstand namens "Grünkörper" hergestellt ist, wird er in einem Ofen gebrannt , wo atomare und molekulare Diffusionsprozesse zu signifikanten Veränderungen der primären Mikrostrukturmerkmale führen. Dazu gehört auch die graduelle Eliminierung der Porosität , die typischerweise durch eine Nettoschrumpfung und insgesamt begleitet wird die Verdichtung des Bauteils. Dadurch können sich die Poren im Objekt verschließen, was zu einem dichteren Produkt mit deutlich höherer Festigkeit und Bruchzähigkeit führt .

Eine weitere wesentliche Änderung des Körpers während des Brenn- oder Sinterprozesses wird die polykristalline Natur des Festkörpers sein. Während des Sinterns tritt tendenziell ein erhebliches Kornwachstum auf, wobei dieses Wachstum von der Temperatur und der Dauer des Sinterprozesses abhängt. Das Wachstum der Körner führt zu einer Form der Korngrößenverteilung , die einen erheblichen Einfluss auf die endgültigen physikalischen Eigenschaften des Materials hat. Insbesondere verändert ein anormales Kornwachstum, bei dem bestimmte Körner in einer Matrix aus feineren Körnern sehr groß werden, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Keramik erheblich. In dem Sinterkörper, Korngrößen sind ein Produkt der thermischen Verarbeitungsparameter sowie die anfänglichen Partikelgröße oder möglicherweise die Größen der Aggregate oder Partikel - Clustern , die während der Anfangsphase der Bearbeitung entstehen.

Die endgültige Mikrostruktur (und damit die physikalischen Eigenschaften) des Endprodukts wird durch die Form des strukturellen Templats oder des Vorläufers, der in den Anfangsstadien der chemischen Synthese und physikalischen Formung erzeugt wird, begrenzt und unterliegt dieser . Daraus ergibt sich die Bedeutung der chemischen Pulver und Polymerverarbeitung , wie es auf die Synthese von Industriekeramik betrifft, Gläser und Glaskeramiken.

Es gibt zahlreiche mögliche Ausgestaltungen des Sinterprozesses. Einige der gebräuchlichsten beinhalten das Pressen des Grünkörpers, um der Verdichtung einen Vorsprung zu verleihen und die benötigte Sinterzeit zu reduzieren. Manchmal werden organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol hinzugefügt, um den Grünkörper zusammenzuhalten; diese brennen beim Brennen (bei 200–350 °C) aus. Manchmal werden während des Pressens organische Schmiermittel hinzugefügt, um die Verdichtung zu erhöhen. Es ist üblich, diese zu kombinieren und einem Pulver Bindemittel und Schmiermittel zuzusetzen und dann zu pressen. (Die Formulierung dieser organisch-chemischen Additive ist eine Kunst für sich. Dies ist besonders wichtig bei der Herstellung von Hochleistungskeramiken, wie sie milliardenfach in der Elektronik , in Kondensatoren, Induktivitäten , Sensoren etc. verwendet werden.)

Anstelle eines Pulvers kann eine Aufschlämmung verwendet und dann in eine gewünschte Form gegossen, getrocknet und dann gesintert werden. Tatsächlich wird die traditionelle Töpferei mit dieser Art von Methode hergestellt, bei der eine plastische Mischung mit den Händen verwendet wird. Wenn in einer Keramik eine Mischung verschiedener Materialien zusammen verwendet wird, liegt die Sintertemperatur manchmal über dem Schmelzpunkt einer Nebenkomponente – einer Flüssigphasensinterung . Dies führt zu kürzeren Sinterzeiten im Vergleich zum Festkörpersintern. Ein solches Sintern in flüssiger Phase führt zu schnelleren Diffusionsprozessen und kann zu anormalem Kornwachstum führen .

Festigkeit von Keramik

Die Festigkeit eines Materials hängt von seiner Mikrostruktur ab. Die technischen Prozesse, denen ein Material ausgesetzt ist, können seine Mikrostruktur verändern. Zu den verschiedenen Verstärkungsmechanismen, die die Festigkeit eines Materials verändern, gehört der Mechanismus der Korngrenzenverstärkung . Obwohl die Streckgrenze mit abnehmender Korngröße maximiert wird, machen also letztendlich sehr kleine Korngrößen das Material spröde. In Verbindung mit der Tatsache, dass die Streckgrenze der Parameter ist, der die plastische Verformung des Materials vorhersagt, kann man fundierte Entscheidungen darüber treffen, wie die Festigkeit eines Materials in Abhängigkeit von seinen mikrostrukturellen Eigenschaften und dem gewünschten Endeffekt erhöht werden kann.

Die Beziehung zwischen Fließspannung und Korngröße wird mathematisch durch die Hall-Petch-Gleichung beschrieben, die

Dabei ist k y der Verstärkungskoeffizient (eine für jedes Material einzigartige Konstante), σ o ist eine Materialkonstante für die Anfangsspannung für die Versetzungsbewegung (oder den Widerstand des Gitters gegen Versetzungsbewegung), d ist der Korndurchmesser und σ y ist die Fließspannung.

Theoretisch könnte ein Material unendlich stark gemacht werden, wenn die Körner unendlich klein gemacht werden. Dies ist leider unmöglich, da die untere Grenze der Korngröße eine einzelne Elementarzelle des Materials ist. Selbst dann, wenn die Körner eines Materials die Größe einer einzelnen Elementarzelle haben, dann ist das Material tatsächlich amorph, nicht kristallin, da es keine Fernordnung gibt und Versetzungen in einem amorphen Material nicht definiert werden können. Es wurde experimentell beobachtet, dass die Mikrostruktur mit der höchsten Streckgrenze eine Korngröße von etwa 10 Nanometern hat, weil Körner kleiner als diese einem anderen Fließmechanismus unterliegen, dem Korngrenzengleiten. Die Herstellung technischer Materialien mit dieser idealen Korngröße ist aufgrund der Beschränkungen der anfänglichen Partikelgrößen, die den Nanomaterialien und der Nanotechnologie innewohnen, schwierig .

Theorie der chemischen Verarbeitung

Gefügegleichmäßigkeit

In der Verpackung dieses Ergebnisses bei der Verarbeitung von Feinkeramik, die irregulären Korngrößen und Formen in einem typischen Pulver häufig zu einem ungleichmäßigen Packungs Morphologien führten Dichteschwankungen in dem Pulverpresslings. Auch eine unkontrollierte Agglomeration von Pulvern aufgrund anziehender Van-der-Waals-Kräfte kann zu mikrostrukturellen Inhomogenitäten führen.

Unterschiedliche Spannungen, die als Ergebnis einer ungleichmäßigen Trocknungsschrumpfung entstehen, stehen in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit, mit der das Lösungsmittel entfernt werden kann, und hängen somit stark von der Porositätsverteilung ab. Solche Spannungen wurden in verfestigten Körpern mit einem Übergang von plastisch zu spröde in Verbindung gebracht und können der Rissausbreitung im ungebrannten Körper nachgeben, wenn sie nicht entlastet werden.

Außerdem verstärken sich während des Sinterprozesses häufig Schwankungen in der Packungsdichte des Presslings bei der Vorbereitung für den Ofen, was zu einer inhomogenen Verdichtung führt. Es hat sich gezeigt, dass einige Poren und andere strukturelle Defekte, die mit Dichtevariationen verbunden sind, eine nachteilige Rolle beim Sinterprozess spielen, indem sie wachsen und somit die Endpunktdichten begrenzen. Es hat sich auch gezeigt, dass Differenzspannungen, die aus inhomogener Verdichtung resultieren, zur Ausbreitung von inneren Rissen führen und somit zu den festigkeitsbestimmenden Fehlern werden.

Es erscheint daher wünschenswert, ein Material so zu verarbeiten, dass es hinsichtlich der Verteilung der Komponenten und der Porosität physikalisch einheitlich ist, anstatt Partikelgrößenverteilungen zu verwenden, die die Gründichte maximieren. Die Eindämmung einer gleichförmig dispergierten Anordnung stark wechselwirkender Partikel in Suspension erfordert eine vollständige Kontrolle über die Partikel-Partikel-Wechselwirkungen. Monodisperse Kolloide bieten dieses Potenzial.

Monodisperse Pulver von kolloidalem Siliciumdioxid können daher zum Beispiel ausreichend stabilisiert werden, um einen hohen Ordnungsgrad im kolloidalen Kristall oder polykristallinen kolloidalen Feststoff, der aus der Aggregation resultiert , sicherzustellen . Der Ordnungsgrad scheint durch die Zeit und den Raum begrenzt zu sein, die für die Herstellung längerfristiger Korrelationen zulässig sind.

Solche defekten polykristallinen kolloidalen Strukturen scheinen die grundlegenden Elemente der Wissenschaft von kolloidalen Materialien im Submikrometerbereich zu sein und bieten daher den ersten Schritt zur Entwicklung eines genaueren Verständnisses der Mechanismen, die an der Mikrostrukturentwicklung in anorganischen Systemen wie polykristallinen Keramiken beteiligt sind.

Selbstmontage

Ein Beispiel für eine supramolekulare Anordnung.

Selbstorganisation ist der gebräuchlichste Begriff in der modernen wissenschaftlichen Gemeinschaft, um die spontane Aggregation von Teilchen (Atome, Moleküle, Kolloide, Mizellen usw.) ohne den Einfluss äußerer Kräfte zu beschreiben. Gruppen solcher Partikel sind dafür bekannt , sich in montieren thermostabile, strukturell gut definierten Arrays sehr erinnert an eine der 7 Kristallsystemen zu finden in der Metallurgie und der Mineralogie (zB flächenzentrierte kubische , kubisch raumzentrierte , etc.). Der grundlegende Unterschied in der Gleichgewichtsstruktur liegt in jedem einzelnen Fall im räumlichen Maßstab der Elementarzelle (oder Gitterparameter ).

Somit entwickelt sich die Selbstorganisation als neue Strategie in der chemischen Synthese und Nanotechnologie . Die molekulare Selbstorganisation wurde in verschiedenen biologischen Systemen beobachtet und liegt der Bildung einer Vielzahl komplexer biologischer Strukturen zugrunde. Molekulare Kristalle, Flüssigkristalle, Kolloide, Micellen, Emulsionen , phasengetrennte Polymere, dünne Filme und selbstorganisierte Monoschichten stellen alle Beispiele für die Typen hochgeordneter Strukturen dar, die unter Verwendung dieser Techniken erhalten werden. Das Unterscheidungsmerkmal dieser Methoden ist die Selbstorganisation ohne äußere Kräfte.

Außerdem sind die hauptsächlichen mechanischen Eigenschaften und Strukturen von biologischen Keramik, Polymerverbundstoffe , Elastomere und zellulären Materialien werden neu bewertet, mit einem Schwerpunkt auf Bioinspirierte Materialien und Strukturen. Traditionelle Ansätze konzentrieren sich auf Designmethoden biologischer Materialien unter Verwendung konventioneller synthetischer Materialien. Dazu gehört eine aufstrebende Klasse mechanisch überlegener Biomaterialien, die auf mikrostrukturellen Merkmalen und Designs der Natur basieren. Die neuen Horizonte wurden in der Synthese von bioinspirierten Materialien durch Prozesse identifiziert, die für biologische Systeme in der Natur charakteristisch sind. Dazu gehört die nanoskalige Selbstorganisation der Komponenten und die Entwicklung hierarchischer Strukturen.

Keramische Verbundwerkstoffe

Porsche Carrera GT der Carbon-Keramik (Siliziumkarbid) Verbundscheibenbremse

In den letzten Jahren ist ein erhebliches Interesse an der Herstellung von keramischen Verbundwerkstoffen entstanden. Während an Kompositen mit einem oder mehreren nichtkeramischen Bestandteilen ein beträchtliches Interesse besteht, gilt die größte Aufmerksamkeit Kompositen, bei denen alle Bestandteile keramisch sind. Diese umfassen typischerweise zwei keramische Bestandteile: eine kontinuierliche Matrix und eine dispergierte Phase aus keramischen Partikeln, Whiskern oder kurzen (gehackten) oder kontinuierlichen keramischen Fasern . Die Herausforderung besteht wie bei der nasschemischen Verarbeitung darin, eine gleichmäßige bzw. homogene Verteilung der dispergierten Partikel- oder Faserphase zu erreichen.

Betrachten Sie zunächst die Verarbeitung von partikulären Verbundwerkstoffen. Die partikuläre Phase von größtem Interesse ist tetragonales Zirkoniumoxid wegen der Zähigkeit, die durch die Phasenumwandlung von der metastabilen tetragonalen in die monokline kristalline Phase erreicht werden kann, auch bekannt als Umwandlungszähigkeit . Es besteht auch ein erhebliches Interesse an der Dispergierung von harten, nichtoxidischen Phasen wie SiC, TiB, TiC, Bor , Kohlenstoff und insbesondere Oxidmatrizen wie Aluminiumoxid und Mullit . Es besteht auch Interesse daran, andere Keramikteilchen einzubringen, insbesondere solche mit stark anisotroper Wärmeausdehnung. Beispiele umfassen Al 2 O 3 , TiO 2 , Graphit und Bornitrid.

Einkristall aus Siliziumkarbid

Bei der Verarbeitung von partikulären Kompositen geht es nicht nur um die Homogenität der Größe und räumlichen Verteilung der dispergierten und Matrixphasen, sondern auch um die Kontrolle der Matrixkorngröße. Es gibt jedoch eine gewisse eingebaute Selbstkontrolle aufgrund der Hemmung des Matrixkornwachstums durch die dispergierte Phase. Obwohl teilchenförmige Verbundwerkstoffe im Allgemeinen eine erhöhte Beständigkeit gegen Beschädigung, Versagen oder beides bieten, sind sie immer noch ziemlich empfindlich gegenüber Inhomogenitäten der Zusammensetzung sowie anderen Verarbeitungsfehlern wie Poren. Daher benötigen sie eine gute Verarbeitung, um wirksam zu sein.

Teilchenförmige Verbundstoffe wurden auf kommerzieller Basis durch einfaches Mischen von Pulvern der beiden Bestandteile hergestellt. Obwohl dieser Ansatz hinsichtlich der erreichbaren Homogenität von Natur aus begrenzt ist, ist er am leichtesten an die bestehende Keramikproduktionstechnologie anpassbar. Andere Ansätze sind jedoch von Interesse.

Wolframkarbid Fräsmeißel

Vom technologischen Standpunkt aus besteht ein besonders wünschenswerter Ansatz zur Herstellung von teilchenförmigen Verbundstoffen darin, die Matrix oder ihren Vorläufer auf feine Teilchen der dispergierten Phase mit guter Kontrolle der anfänglichen dispergierten Teilchengröße und der resultierenden Matrixbeschichtungsdicke zu beschichten. Grundsätzlich sollte man in der Lage sein, die höchste Homogenität der Verteilung zu erreichen und dadurch die Verbundleistung zu optimieren. Dies kann auch andere Auswirkungen haben, wie beispielsweise das Erzielen einer nützlicheren Verbundleistung in einem Körper mit Porosität, was für andere Faktoren, wie beispielsweise die Begrenzung der Wärmeleitfähigkeit, erwünscht sein könnte.

Es gibt auch einige Möglichkeiten, die Schmelzverarbeitung zur Herstellung von Keramik-, Partikel-, Whisker- und Kurzfaser- und Endlosfaser-Verbundwerkstoffen zu verwenden. Durch Festkörperfällung nach dem Erstarren der Schmelze sind offensichtlich sowohl teilchenförmige als auch Whisker-Verbundstoffe denkbar. Dies kann in einigen Fällen auch durch Sintern erreicht werden, wie bei ausscheidungsgehärtetem, teilstabilisiertem Zirkonoxid. Ebenso ist es bekannt, keramische eutektische Mischungen gerichtet erstarren zu lassen und damit uniaxial ausgerichtete Faserverbunde zu erhalten. Eine derartige Verbundstoffverarbeitung war typischerweise auf sehr einfache Formen beschränkt und leidet daher aufgrund der hohen Bearbeitungskosten unter ernsthaften wirtschaftlichen Problemen.

Offensichtlich gibt es für viele dieser Ansätze Möglichkeiten, Schmelzguss zu verwenden. Potentiell noch wünschenswerter ist die Verwendung von aus der Schmelze abgeleiteten Partikeln. Bei diesem Verfahren erfolgt das Abschrecken in einer festen Lösung oder in einer feinen eutektischen Struktur, in der die Partikel dann durch typischere Verfahren zur Verarbeitung von Keramikpulver zu einem brauchbaren Körper verarbeitet werden. Es gab auch vorläufige Versuche, das Schmelzsprühen als Mittel zur Bildung von Verbundstoffen durch Einführen der dispergierten Partikel-, Whisker- oder Faserphase in Verbindung mit dem Schmelzsprühverfahren zu verwenden.

Andere Verfahren neben Schmelzinfiltration keramische Verbundwerkstoffe mit langer Faserverstärkung herzustellen sind chemische Dampfinfiltration und die Infiltration von Faservorformen mit organischer Vorstufe , die nach der Pyrolyse eine Ausbeute amorphe Keramikmatrix, zunächst mit einer geringen Dichte. Durch wiederholte Zyklen von Infiltration und Pyrolyse wird einer dieser Typen von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix hergestellt. Die chemische Gasphaseninfiltration wird zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff und Siliziumkarbid verwendet, die mit Kohlenstoff- oder Siliziumkarbidfasern verstärkt sind .

Neben vielen Prozessverbesserungen sind niedrigere Faserkosten der erste von zwei Hauptanforderungen an Faserverbundwerkstoffe. Der zweite Hauptbedarf besteht in Faserzusammensetzungen oder -beschichtungen oder in der Verbundstoffverarbeitung, um den Abbau zu reduzieren, der sich aus der Hochtemperatur-Verbundstoffexposition unter oxidierenden Bedingungen ergibt.

Anwendungen

Triebwerk aus Siliziumnitrid. Links: Im Prüfstand montiert. Rechts: Im Test mit H 2 /O 2 -Treibmitteln

Die Produkte der technischen Keramik sind Fliesen im verwendeten Programm Space Shuttle , Gasbrenner Düsen , ballistischen Schutz , Kernbrennstoff Uranoxid - Pellets, bio-medizinische Implantate , Jet - Engine Turbine Blades und Raketen Bugspitze.

Seine Produkte werden oft aus anderen Materialien als Ton hergestellt und aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften ausgewählt. Diese lassen sich wie folgt klassifizieren:

Keramik kann in vielen technologischen Industrien verwendet werden. Eine Anwendung sind die Keramikfliesen auf dem Space Shuttle der NASA , mit denen es und die zukünftigen Überschall-Raumflugzeuge vor der sengenden Hitze beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre geschützt werden. Sie werden auch häufig in der Elektronik und Optik verwendet. Neben den hier aufgeführten Anwendungen wird Keramik auch als Beschichtung in verschiedenen technischen Fällen eingesetzt. Ein Beispiel wäre eine keramische Lagerbeschichtung über einem Titanrahmen, der für ein Flugzeug verwendet wird. In letzter Zeit umfasst das Gebiet neben traditionellen polykristallinen Materialien auch die Untersuchung von Einkristallen oder Glasfasern, und deren Anwendungen überschneiden sich und ändern sich schnell.

Luft- und Raumfahrt

  • Triebwerke : Schutz eines heiß laufenden Flugzeugtriebwerks vor Beschädigung anderer Komponenten.
  • Flugzeugzellen : Wird als hochbeanspruchte, hochtemperaturbeständige und leichte Lager- und Strukturkomponente verwendet.
  • Raketennasenkegel: schirmt die Raketeninnenteile vor Hitze ab.
  • Space-Shuttle- Kacheln
  • Weltraumschutt- Ballistische Schilde : Gewebte Schilde aus Keramikfaser bieten einen besseren Schutz gegen Partikel mit Hypergeschwindigkeit (~7 km/s) als gleich schwere Aluminiumschilde .
  • Raketendüsen: Fokussierung von Hochtemperatur-Abgasen des Raketenboosters.
  • Unbemannte Luftfahrzeuge : Die Verwendung von Keramikmotoren in Luftfahrtanwendungen (wie beispielsweise unbemannten Luftfahrzeugen) kann zu verbesserten Leistungsmerkmalen und geringeren Betriebskosten führen.

Biomedizin

Ein Titan - Hüftprothese, mit einem Keramikkopf und Polyethylen - Hüftgelenkspfannen - Schale.

Elektronik

Optisch

Hauptartikel: Transparente Keramik
  • Lichtwellenleiter, geführte Lichtwellenübertragung
  • Schalter
  • Laserverstärker
  • Linsen
  • Infrarotwärmesuchende Geräte

Automobil

Biomaterialien

Hauptartikel: Biomaterialien
Die DNA-Struktur auf der linken Seite (schematisch gezeigt) wird sich selbst zu der durch Rasterkraftmikroskopie sichtbaren Struktur auf der rechten Seite zusammenfügen.

Verkieselung ist in der biologischen Welt weit verbreitet und kommt in Bakterien, einzelligen Organismen, Pflanzen und Tieren (Wirbellose und Wirbeltiere) vor. Kristalline Mineralien, die in einer solchen Umgebung gebildet werden, zeigen oft außergewöhnliche physikalische Eigenschaften (zB Festigkeit, Härte, Bruchzähigkeit) und neigen dazu, hierarchische Strukturen zu bilden, die eine mikrostrukturelle Ordnung über einen Bereich von Längen- oder Raumskalen aufweisen. Die Mineralien werden aus einer an Silizium untersättigten Umgebung, bei neutralem pH-Wert und niedriger Temperatur (0–40 °C) kristallisiert. Die Bildung des Minerals kann entweder innerhalb oder außerhalb der Zellwand eines Organismus erfolgen, und es existieren spezifische biochemische Reaktionen für die Mineralablagerung, die Lipide, Proteine ​​und Kohlenhydrate umfassen.

Die meisten natürlichen (oder biologischen) Materialien sind komplexe Verbundwerkstoffe, deren mechanische Eigenschaften angesichts der schwachen Bestandteile, aus denen sie zusammengesetzt sind, oft hervorragend sind. Diese komplexen Strukturen, die in Hunderten von Millionen Jahren Evolution entstanden sind, inspirieren zum Design neuartiger Materialien mit außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften für hohe Leistung unter widrigen Bedingungen. Ihre prägenden Merkmale wie Hierarchie, Multifunktionalität und Selbstheilungskräfte werden derzeit untersucht.

Die Grundbausteine ​​beginnen mit den 20 Aminosäuren und gehen über zu Polypeptiden, Polysacchariden und Polypeptiden-Sacchariden. Diese wiederum bilden die Basisproteine, die die Hauptbestandteile des „Weichgewebes“ der meisten Biomineralien sind. Mit weit über 1000 möglichen Proteinen betont die aktuelle Forschung die Verwendung von Kollagen, Chitin, Keratin und Elastin. Die „harten“ Phasen werden oft durch kristalline Mineralien verstärkt, die in einer biovermittelten Umgebung keimen und wachsen, die die Größe, Form und Verteilung der einzelnen Kristalle bestimmt. Die wichtigsten Mineralphasen wurden als Hydroxyapatit, Silica und Aragonit identifiziert . Unter Verwendung der Klassifikation von Wegst und Ashby wurden die wichtigsten mechanischen Eigenschaften und Strukturen von biologischen Keramiken, Polymerkompositen, Elastomeren und zellularen Materialien dargestellt. Ausgewählte Systeme jeder Klasse werden mit Schwerpunkt auf der Beziehung zwischen ihrer Mikrostruktur über eine Reihe von Längenskalen und ihrer mechanischen Reaktion untersucht.

Somit erfolgt die Kristallisation anorganischer Materialien in der Natur im Allgemeinen bei Umgebungstemperatur und -druck. Doch die lebenswichtigen Organismen, durch die sich diese Mineralien bilden, sind in der Lage, immer wieder äußerst präzise und komplexe Strukturen zu erzeugen. Das Verständnis der Prozesse, bei denen lebende Organismen das Wachstum kristalliner Mineralien wie Siliziumdioxid steuern, könnte zu bedeutenden Fortschritten auf dem Gebiet der Materialwissenschaften führen und die Tür zu neuen Synthesetechniken für nanoskalige Verbundmaterialien oder Nanokomposite öffnen.

Das schillernde Perlmutt in einer Nautilus- Muschel.

Es wurden hochauflösende Rasterelektronenmikroskop- (REM)-Beobachtungen der Mikrostruktur des Perlmutt- (oder Perlmutt- )Teils der Abalone- Schale durchgeführt. Diese Schalen weisen die höchste mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit aller bekannten nichtmetallischen Substanzen auf. Das Perlmutt aus der Schale der Abalone ist zu einer der am intensivsten untersuchten biologischen Strukturen in der Materialwissenschaft geworden. Deutlich sichtbar in diesen Bildern sind die sauber gestapelten (oder geordneten) Mineralkacheln, die durch dünne organische Schichten getrennt sind, zusammen mit einer Makrostruktur aus größeren periodischen Wachstumsbändern, die zusammen das bilden, was Wissenschaftler derzeit als hierarchische Verbundstruktur bezeichnen. (Der Begriff Hierarchie impliziert einfach, dass es eine Reihe von strukturellen Merkmalen gibt, die über einen weiten Bereich von Längenskalen existieren).

Zukünftige Entwicklungen liegen in der Synthese von bioinspirierten Materialien durch Verarbeitungsmethoden und -strategien, die für biologische Systeme charakteristisch sind. Diese beinhalten die nanoskalige Selbstorganisation der Komponenten und die Entwicklung hierarchischer Strukturen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links