Keramische Hochtechnologiewerkstoffe

5.7.2011

Dominik Greim

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Gliederung:1) Grundlagen

– Einleitung und Definition– Eigenschaften– Materialklassen

2) Synthese– Synthese aus der flüssigen, festen und gasförmigen Phase– Precursormethode

3) Amorphes Si3B3N7

– Herstellung– Analytik

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Geschichte der Keramik

• Älteste Funde datiert auf etwa

23.000v. Chr.

• Wichtiges Kultur- und Gebrauchsgut

Thomas Einwögerer: Die jungpaläolithische Station auf dem Wachtberg in Krems, Niederösterreich. Mitteilungen der Prähistorischen Kommission Bd. 34, Wien 2000

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Definition:

Keramik: Festkörper, der als wichtigste Komponente und zum größten Teil anorganische nichtmetallische Materialien enthält.

=> Sowohl kristallin als auch amorph

Introduction to ceramics; Kingery, Bowen, Uhlmann 1976 - Wiley Verlag

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Eigenschaften• Härte• Hitzebeständigkeit• Steifigkeit• Korrosionsbeständigkeit• elektrische/magnetische/optische

Eigenschaften• Biokompatiblität

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Erklärung der Eigenschaftengeringer Unterschied der ElektronegativitätÞ starke kovalente Bindungsanteileanalog zu Diamant- hohe Härte- Hoher SchmelzpunktÞ Bevorzugte Elemente bzw. Elementkombinationen:

Bsp.: SiC:

Ceramics science and technology Vol. 2 - Riedel, Chen - Wiley-VCH 2010

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Phasendiagramm SiC

www.salmang-scholze.de/Siliciumcarbid.pdf

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Keramische Materialklassen:

• Binäre Systeme: - Oxide (Al2O3), (ZnO)

- Nitride (Si3N4), (BN)

- Carbide (SiC), (BC)

• „multinäre“ Systeme (SiBN, SiBNC, SiAlN, SiCO, SiAlON BaTiO3)

=> Syntheseweg entscheidet über Kristallinität

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Herstellung verschiedener Keramiken:

kristalline Keramiken:• Carbide: (Acheson-Verfahren)

SiO2 + 3C 2CO + α-SiC• Nitride:

3SiO2 + 6C + 2N2 α-Si3N4 + 6CO

amorphe Keramiken:

3SiCl4 + 4NH3 Si3N4 + HCl

Elektrische Spannung

Hohe Temp

CVD

Introduction to ceramics; Kingery, Bowen, Uhlmann 1976 - Wiley Verlag

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SynthesewegeSynthese in Flüssigphase• Sol-Gel Verfahren• Hydro- und Solvothermale Synthese• Templatunterstützte SyntheseFeststoffsynthese• Temperatur• Druck

Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44, 208-227

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SynthesewegeSynthesen aus der Gasphase

Für technische Anwendungen meist zu geringes Verhältnis Produkt/Zeit bzw. Produkt/Platz

Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44, 208-227

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SynthesewegeSynthesemethoden aus präkeramischen Polymeren

Þ Besonderns interessant für amorphe Keramiken

Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44, 208-227

Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

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Warum amorphe Keramiken?Problemstellung: binäre, kristalline Keramiken zu

sprödeÞ Amorphe „multinäre“ Keramik, da Kristalle bevorzugt

entlang Netzebene bzw. entlang Grenzflächen zwischen Kristalliten brechen

Wahl der Elemente: unterschiedliche KZ und Koordinationspolyeder

Abschrecken aus Schmelze unmöglich, da sich Keramik vor dem Schmelzen zersetztÞ Precursormethode

Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

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PrecursormethodeAnforderunge an den Precursor:• Kovalente Bindungen zwischen Elementen der fertigen

Keramiken müssen bereits enthalten sein• Richtiges Verhältnis der Komponenten der fertigen

Keramik• Hohes Molekulargewicht des entstehenden

Oligomers/Polymers• Geringer Anteil an abspaltbaren Fragmenten

Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

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Si3B3N7: von der Idee zum Produkt

Methylamin N-Methylborsilazan Oligomer

HMDS TTDS

TTDSTADB TACB

Aufreinigung

n-Hexan

Aufreinigung

n-Hexan

Aufarbeitung (Kristallisation, Fest-flüssig-Trennung,

Verdampfung

- Methylamin, - Methylaminhydrochlorid

- n-Hexan

N-Methylborsilazan Oligomer

Pyrolyse

-H2, -HCN, - CH4, -N2

-organische Fragmente(Masseverlust ca. 40%)

amorphes Si3B3N7

Novel High-Performance Ceramics – Amorphous Inorganic Networks from Molecular Precursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

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Strukturbestimmung von amorphem Si3B3N7

XANES:B-K-XANES:

Si-K-XANES:

The Route to the Structure Determination of Amorphous Solids: A Case Study of the Ceramic SiBN; Martin Jansen, J. Christian Schön, Leo van Wüllen; Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4244-4263

Neutronenstreuung:

Paarkorrelationsfunktion (PCF):

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Strukturbestimmung von amorphem Si3B3N7

Theoretische Berechnungen: theoretische Modelle zur erweiterten Auswertung der PCF‘s und Berechnung der Winkelverteilungsfunktionen

The Route to the Structure Determination of Amorphous Solids: A Case Study of the Ceramic SiBN; Martin Jansen, J. Christian Schön, Leo van Wüllen; Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4244-4263

MAS-NMR:

29Si

15N

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Und weitere Experimente(Spin-echo, Dipolwechselwirkung)

Inhomogenität in der

Elementverteilung

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ZusammenfassungBreiter Anwendungsbereich durch:• Besondere Härte/Temperaturbeständigkeit• Gut einstellbare Eigenschaften• Skalierbarkeit der SyntheseEinschränkung:• Problematische Verarbeitung

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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit