Keramische Strukturen (Fortsetzung)

Glaskeramik
Keramiken mit einer vollständig glasigen Struktur haben bestimmte Eigenschaften, die sich stark von denen von Metallen unterscheiden. Denken Sie daran, dass beim Abkühlen von Metall im flüssigen Zustand ein kristalliner Feststoff ausfällt, wenn der Schmelzgefrierpunkt erreicht ist. Bei einem glasartigen Material wird die Flüssigkeit jedoch beim Abkühlen immer viskoser. Es gibt keinen scharfen Schmelz- oder Gefrierpunkt. Es geht von flüssig zu einem weichen Kunststofffeststoff über und wird schließlich hart und spröde. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaft kann es in Formen geblasen, gegossen, gerollt, gezogen und auf andere Weise wie ein Metall verarbeitet werden.

Das glasige Verhalten hängt mit der atomaren Struktur des Materials zusammen. Wenn reines Siliciumdioxid (SiO2) miteinander verschmolzen wird, entsteht beim Abkühlen ein Glas, das als glasartige Kieselsäure bezeichnet wird. Die grundlegende Einheitsstruktur dieses Glases ist das Kieselsäuretetraeder, das aus einem einzelnen Siliziumatom besteht, das von vier äquidistanten Sauerstoffatomen umgeben ist. Die Siliziumatome besetzen die Öffnungen (Zwischenräume) zwischen den Sauerstoffatomen und teilen sich vier Valenzelektronen mit den Sauerstoffatomen durch kovalente Bindung. Das Silica-Atom hat vier Valenzelektronen und jedes der Sauerstoffatome hat zwei Valenzelektronen, so dass das Silica-Tetraeder vier zusätzliche Valenzelektronen hat, die es mit benachbarten Tetraedern teilen kann. Die Silikatstrukturen können sich miteinander verbinden, indem sie die Atome in zwei Ecken der SiO2-Tetraeder teilen und Ketten- oder Ringstrukturen bilden. Es bildet sich ein Netzwerk von Siliziumdioxid-Tetraederketten, und bei hohen Temperaturen gleiten diese Ketten leicht aneinander vorbei. Wenn die Schmelze abkühlt, nimmt die thermische Schwingungsenergie ab und die Ketten können sich nicht so leicht bewegen, so dass die Struktur steifer wird. Siliciumdioxid ist der wichtigste Bestandteil von Glas, aber andere Oxide werden hinzugefügt, um bestimmte physikalische Eigenschaften zu ändern oder den Schmelzpunkt zu senken.

Keramisches kristallines oder teilkristallines Material
Die meisten Keramiken enthalten normalerweise sowohl metallische als auch nichtmetallische Elemente mit ionischen oder kovalenten Bindungen. Daher müssen die Struktur der metallischen Atome, die Struktur der nichtmetallischen Atome und das Gleichgewicht der von den Valenzelektronen erzeugten Ladungen berücksichtigt werden. Wie bei Metallen wird die Einheitszelle zur Beschreibung der atomaren Struktur von Keramiken verwendet. Die kubischen und die hexagonalen Zellen sind am häufigsten. Darüber hinaus spielt der Radienunterschied zwischen den metallischen und nichtmetallischen Ionen eine wichtige Rolle bei der Anordnung der Einheitszelle.

In Metallen führte die regelmäßige Anordnung von Atomen in dicht gepackten Ebenen zum Auftreten von Schlupf unter Spannung, was dem Metall seine charakteristische Duktilität verleiht. In Keramiken ist Sprödbruch eher als Schlupf üblich, da sowohl die Anordnung der Atome als auch die Art der Bindung unterschiedlich ist. Die Bruch- oder Spaltebenen von Keramiken sind das Ergebnis von Ebenen regelmäßig angeordneter Atome.

Die Baukriterien für die Kristallstruktur sind:

• Neutralität wahren
• Ladungsgleichgewicht bestimmt chemische Formel
• engste Packung erreichen

Einige der verschiedenen Arten von keramischen Materialien außerhalb der Glasfamilie werden im Folgenden beschrieben.

Silikatkeramik
Wie bereits erwähnt, ist die Siliziumdioxidstruktur die Grundstruktur für viele Keramiken sowie für Glas. Es hat eine interne Anordnung, die aus pyramidenförmigen (tetraedrischen oder vierseitigen) Einheiten besteht. Vier große Sauerstoffatome (0) umgeben jedes kleinere Siliziumatom (Si). Wenn Kieselsäuretetraeder drei Eckatome teilen, produzieren sie Schichtsilikate (Talk, Kaolinit-Ton, Glimmer). Ton ist der Grundrohstoff für viele Bauprodukte wie Ziegel und Fliesen. Wenn Siliziumdioxid-Tetraeder vier Comer-Atome teilen, produzieren sie Gerüstsilikate (Quarz, Tridymit). Quarz entsteht, wenn die Tetraeder in diesem Material regelmäßig und geordnet angeordnet sind. Wenn Siliciumdioxid im geschmolzenen Zustand sehr langsam abgekühlt wird, kristallisiert es am Gefrierpunkt. Wenn jedoch geschmolzenes Siliciumdioxid schneller abgekühlt wird, ist der resultierende Feststoff eine ungeordnete Anordnung, die Glas ist.

Zement
Zement (Portlandzement) ist einer der Hauptbestandteile von Beton. Es gibt eine Reihe verschiedener Zementsorten, aber ein typischer Portlandzement enthält 19 bis 25% SiO2, 5 bis 9% Al2O3, 60 bis 64% CaO und 2 bis 4% FeO. Zemente werden hergestellt, indem die Tone und der Kalkstein im richtigen Verhältnis gemahlen, in einem Ofen gebrannt und nachgeschliffen werden. Wenn Wasser hinzugefügt wird, zersetzen sich die Mineralien entweder oder verbinden sich mit Wasser, und eine neue Phase wächst in der gesamten Masse. Die Reaktion ist Lösung, Umkristallisation und Ausfällung einer Silikatstruktur. Es ist normalerweise wichtig, die Wassermenge zu kontrollieren, um einen Überschuss zu verhindern, der nicht Teil der Struktur wäre und diese schwächen würde. Die Hydratationswärme (Reaktionswärme bei der Adsorption von Wasser) beim Abbinden des Zements kann groß sein und bei großen Strukturen Schäden verursachen.

Nitridkeramik
Nitride kombinieren die überlegene Härte von Keramiken mit hoher thermischer und mechanischer Stabilität und eignen sich daher für Anwendungen als Schneidwerkzeuge, verschleißfeste Teile und Strukturkomponenten bei hohen Temperaturen. Zinn hat eine kubische Struktur, die vielleicht der einfachste und bekannteste Strukturtyp ist. Kationen und Anionen liegen beide an den Knoten separater fcc-Gitter. Die Struktur bleibt unverändert, wenn die Ti- und N-Atome (Gitter) ausgetauscht werden.

Ferroelektrische Keramik
Abhängig von der Kristallstruktur stimmen in einigen Kristallgittern die Zentren der positiven und negativen Ladungen auch ohne Anwendung eines externen elektrischen Feldes nicht überein. In diesem Fall wird gesagt, dass im Kristall eine spontane Polarisation vorliegt. Wenn die Polarisation des Dielektrikums durch ein elektrisches Feld verändert werden kann, spricht man von ferroelektrisch. Ein typisches keramisches Ferroelektrikum ist Bariumtitanat, BaTiO3. Ferroelektrische Materialien, insbesondere polykristalline Keramiken, sind sehr vielversprechend für verschiedene Anwendungsbereiche wie piezoelektrische / elektrostriktive Wandler und elektrooptische.

Phasendiagramm
Das Phasendiagramm ist wichtig für das Verständnis der Bildung und Kontrolle der Mikrostruktur der Mikrostruktur von Mehrphasenkeramiken, genau wie bei mehrphasigen metallischen Werkstoffen. Auch Nichtgleichgewichtsstrukturen sind in Keramiken noch häufiger anzutreffen, da die komplexeren Kristallstrukturen schwieriger zu keimen und aus der Schmelze zu wachsen sind.

Unvollkommenheiten in Keramik
Unvollkommenheiten in Keramikkristallen umfassen Punktfehler und Verunreinigungen wie in Metallen. Bei Keramiken wird die Defektbildung jedoch stark vom Zustand der Ladungsneutralität beeinflusst, da die Erzeugung von Bereichen unausgeglichener Ladungen einen hohen Energieaufwand erfordert. In Ionenkristallen führt die Ladungsneutralität häufig zu Defekten, die als Ionenpaare mit entgegengesetzter Ladung oder als mehrere nahe gelegene Punktdefekte auftreten, bei denen die Summe aller Ladungen Null ist. Ladungsneutrale Defekte umfassen die Frenkel- und Schottky-Defekte. Ein Frenkel-Defekt tritt auf, wenn sich ein Wirtsatom in eine nahe gelegene interstitielle Position bewegt, um ein Leerstands-Interstitial-Kationenpaar zu erzeugen. Ein Schottky-Defekt ist ein Paar benachbarter Kationen- und Anionenleerstellen. Ein Schottky-Defekt tritt auf, wenn ein Wirtsatom seine Position verlässt und sich an die Oberfläche bewegt, wodurch ein Leerstellen-Leerstellen-Paar entsteht.

Manchmal kann sich die Zusammensetzung geringfügig ändern, um zu einer ausgeglicheneren Atomladung zu gelangen. Feststoffe wie SiO2, die eine genau definierte chemische Formel haben, werden stöchiometrische Verbindungen genannt. Wenn die Zusammensetzung eines Feststoffs von der chemischen Standardformel abweicht, wird der resultierende Feststoff als nichtstöchiometrisch bezeichnet. Nichtstöchiometrie und die Existenz von Punktdefekten in einem Festkörper sind oft eng miteinander verbunden. Anionenleerstellen sind die Quelle der Nichtstöchiometrie in SiO2-x,

Die Einführung von Verunreinigungsatomen in das Gitter ist wahrscheinlich unter Bedingungen, bei denen die Ladung aufrechterhalten wird. Dies ist der Fall bei elektronegativen Verunreinigungen, die ein Gitteranion oder elektropositive Substitutionsverunreinigungen ersetzen. Dies ist wahrscheinlicher für ähnliche Ionenradien, da dies die für die Gitterverzerrung erforderliche Energie minimiert. Defekte treten auf, wenn die Ladung der Verunreinigungen nicht ausgeglichen ist.