Prozesse – Gefüge - Eigenschaften keramischer Werkstoffe

Tutorium zur Klausurvorbereitung

Überkritisches Fluid

Thermodynamik der Phasengrenze

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

Kristallwachstum - Keimbildung

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

• Synthese von Reinst-Al2O3

• Sol-Gel Prozess siehe erste Vorlesung

* Chemische Reaktionen sind nicht ausformuliert und nicht vollständig

Oxidkeramik - Al2O3

• 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

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

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

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

Nichtoxidkeramik

Nichtoxidkeramik - SiC

Nichtoxidkeramik - SiC

Nichtoxidkeramik - SiC

Nichtoxidkeramik - SiC

Nichtoxidkeramik - SiC

Einfache Formen, Modulbauweise

Brevier, Technische Keramik

REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE

Spannungsspitzen vermeiden

REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE

Keine scharfen Kerben

Zugspannungen minimieren

REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE

Materialanhäufungen vermeiden

REGELN ZUR GESTALTUNG KERAMISCHER BAUTEILE

KERAMISCHE FASERVERBUNDWERKSTOFFE

Quelle: Krenkel, Uni Bayreuth

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

KERAMIKSPRITZGUSS - CIM

Quelle: IKTS

Beheizbare Kugelmühle

KERAMIKSPRITZGUSS - CIM

Quelle: IKTS

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

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.

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)

SINTERN

SINTERN

SINTERN

Wichtig: - Löslichkeit der Festphase in Flüssigphase- Tschmelz, solid >> Teutektikum

- Gute Benetzung der Festphase durch Schmelze- Geringe Löslichkeit der Schmelze in der Festphase

DISPERGIERUNG IN FLÜSSIGKEITEN

Dispergierung von Partikeln in polaren Flüssigkeiten

-> Oberflächenladungen

-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

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

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

THERMOANALYTIK

THERMOANALYTIK

SAUERSTOFFIONENLEITUNG: BEISPIEL Y2O3-ZrO2

..'

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

SAUERSTOFFIONENLEITUNG: BEISPIEL Y2O3-ZrO2

- 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

WERKSTOFFMECHANIK

Bsp.: Ferroelektrika FERROELEKTRIZITÄT

Unter elektrischer / mechanischer Last:

• Polarisation (Hysterese)

• Geometrieänderung/Deformation

(Schmetterlingskurve)

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

WERKSTOFFMECHANIK