Keramik

Die physikalischen Eigenschaften jeder keramischen Substanz sind ein direktes Ergebnis ihrer kristallinen Struktur und chemischen Zusammensetzung. Die Festkörperchemie zeigt den fundamentalen Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften wie lokalisierten Dichteschwankungen, Korngrößenverteilung, Art der Porosität und Zweitphasengehalt, die alle mit keramischen Eigenschaften wie der mechanischen Festigkeit σ korreliert werden können die Hall-Petch-Gleichung, Härte, Zähigkeit, Dielektrizitätskonstante und die optischen Eigenschaften transparenter Materialien.

Die Keramographie ist die Kunst und Wissenschaft der Präparation, Untersuchung und Bewertung keramischer Mikrostrukturen. Die Bewertung und Charakterisierung keramischer Mikrostrukturen erfolgt häufig auf ähnlichen räumlichen Skalen wie im aufstrebenden Bereich der Nanotechnologie: von einigen zehn Angström (A) bis zu einigen zehn Mikrometern (µm). Dies liegt typischerweise irgendwo zwischen der minimalen Wellenlänge des sichtbaren Lichts und der Auflösungsgrenze des bloßen Auges.

Die Mikrostruktur umfasst die meisten Körner, Sekundärphasen, Korngrenzen, Poren, Mikrorisse, strukturelle Defekte und Härtegrade. Die meisten mechanischen, optischen, thermischen, elektrischen und magnetischen Masseneigenschaften werden durch die beobachtete Mikrostruktur signifikant beeinflusst. Das Herstellungsverfahren und die Prozessbedingungen werden im Allgemeinen durch die Mikrostruktur angegeben. Die Ursache vieler Keramikfehler liegt in der gespaltenen und polierten Mikrostruktur. Physikalische Eigenschaften, die das Gebiet der Materialwissenschaften und -technik ausmachen, umfassen Folgendes:

Mechanische EigenschaftenBearbeiten

Trennscheiben aus Siliziumkarbid

Mechanische Eigenschaften sind wichtig in Struktur- und Baustoffen sowie textilen Flächengebilden. In der modernen Materialwissenschaft ist die Bruchmechanik ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der mechanischen Leistung von Materialien und Bauteilen. Es wendet die Physik der Spannung und Dehnung, insbesondere die Theorien der Elastizität und Plastizität, auf die mikroskopischen kristallographischen Defekte in realen Materialien an, um das makroskopische mechanische Versagen von Körpern vorherzusagen. Die Fraktographie wird häufig in der Bruchmechanik eingesetzt, um die Ursachen von Fehlern zu verstehen und die theoretischen Fehlervorhersagen mit realen Fehlern zu überprüfen.Keramische Materialien sind üblicherweise ionische oder kovalent gebundene Materialien und können kristallin oder amorph sein. Ein Material, das durch eine der beiden Bindungsarten zusammengehalten wird, neigt zum Bruch, bevor eine plastische Verformung stattfindet, was zu einer schlechten Zähigkeit dieser Materialien führt. Da diese Materialien dazu neigen, porös zu sein, wirken die Poren und andere mikroskopische Unvollkommenheiten zusätzlich als Spannungskonzentratoren, wodurch die Zähigkeit weiter verringert und die Zugfestigkeit verringert wird. Diese kombinieren, um katastrophale Ausfälle zu geben, im Gegensatz zu den duktileren Ausfallarten von Metallen.

Diese Materialien zeigen eine plastische Verformung. Aufgrund der starren Struktur der kristallinen Materialien stehen jedoch nur sehr wenige Gleitsysteme zur Verfügung, um Versetzungen zu bewegen, und so verformen sie sich sehr langsam. Bei den nichtkristallinen (glasigen) Materialien ist die viskose Strömung die dominierende Quelle der plastischen Verformung und auch sehr langsam. Es wird daher in vielen Anwendungen von keramischen Werkstoffen vernachlässigt.Um das spröde Verhalten zu überwinden, hat die Keramikmaterialentwicklung die Klasse der Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe eingeführt, in die Keramikfasern eingebettet sind und mit spezifischen Beschichtungen Faserbrücken über jeden Riss bilden. Dieser Mechanismus erhöht die Bruchzähigkeit solcher Keramiken erheblich. Keramikscheibenbremsen sind ein Beispiel für die Verwendung eines Keramikmatrix-Verbundwerkstoffs, der mit einem bestimmten Verfahren hergestellt wird.

Ice-Templating für verbesserte mechanische EigenschaftenBearbeiten

Wenn Keramik einer erheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt ist, kann sie einem Prozess namens Ice-Templating unterzogen werden, der eine gewisse Kontrolle der Mikrostruktur des keramischen Produkts und damit eine gewisse Kontrolle der mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Keramikingenieure verwenden diese Technik, um die mechanischen Eigenschaften auf ihre gewünschte Anwendung abzustimmen. Insbesondere wird die Festigkeit erhöht, wenn diese Technik angewendet wird. Ice Templating ermöglicht die Erstellung von makroskopischen Poren in einer unidirektionalen Anordnung. Die Anwendungen dieser Oxidverstärkungstechnik sind wichtig für Festoxidbrennstoffzellen und Wasserfiltrationsvorrichtungen.

Um eine Probe durch Eis-Templating zu verarbeiten, wird eine wässrige kolloidale Suspension hergestellt, die das gelöste Keramikpulver gleichmäßig über das Kolloid verteilt enthält, beispielsweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ). Die Lösung wird dann von unten nach oben auf einer Plattform gekühlt, die eine unidirektionale Kühlung ermöglicht. Dies zwingt Eiskristalle, in Übereinstimmung mit der unidirektionalen Kühlung zu wachsen, und diese Eiskristalle zwingen die gelösten YSZ-Partikel zur Erstarrungsfront der Fest-Flüssig-Interphasengrenze, was zu reinen Eiskristallen führt, die unidirektional neben konzentrierten Taschen kolloidaler Partikel aufgereiht sind. Die Probe wird dann gleichzeitig erhitzt und der Druck wird so weit reduziert, dass die Eiskristalle sublimiert werden und die YSZ-Taschen beginnen, zusammen zu glühen, um makroskopisch ausgerichtete keramische Mikrostrukturen zu bilden. Die Probe wird dann weiter gesintert, um die Verdampfung des Restwassers und die endgültige Konsolidierung der keramischen Mikrostruktur abzuschließen.

Beim Ice-Templating können einige Variablen gesteuert werden, um die Porengröße und Morphologie der Mikrostruktur zu beeinflussen. Diese wichtigen Variablen sind die anfängliche Feststoffbeladung des Kolloids, die Abkühlgeschwindigkeit, die Sintertemperatur und -dauer sowie die Verwendung bestimmter Additive, die die Mikrostrukturmorphologie während des Prozesses beeinflussen können. Ein gutes Verständnis dieser Parameter ist wichtig, um die Zusammenhänge zwischen Verarbeitung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften anisotrop poröser Materialien zu verstehen.

Elektrische EigenschaftenBearbeiten

Halbleiter

Einige Keramiken sind Halbleiter. Die meisten davon sind Übergangsmetalloxide, die II-VI-Halbleiter sind, wie Zinkoxid. Während es Aussichten auf die Massenproduktion von blauen LEDs aus Zinkoxid gibt, interessieren sich Keramiker am meisten für die elektrischen Eigenschaften, die Korngrenzeneffekte zeigen. Einer der am häufigsten verwendeten ist der Varistor. Dies sind Geräte, die die Eigenschaft aufweisen, dass der Widerstand bei einer bestimmten Schwellenspannung stark abfällt. Sobald die Spannung über der Vorrichtung die Schwelle erreicht, kommt es zu einem Zusammenbruch der elektrischen Struktur in der Nähe der Korngrenzen, was dazu führt, dass ihr elektrischer Widerstand von einigen Megaohm auf einige hundert Ohm abfällt. Der Hauptvorteil von diesen ist, dass sie viel Energie zerstreuen können, und sie selbstzurückstellen; nachdem die Spannung am Gerät unter den Schwellenwert gefallen ist, wird sein Widerstand wieder hoch. Dies macht sie ideal für Überspannungsschutzanwendungen; Da die Schwellenspannung und die Energietoleranz kontrolliert werden können, finden sie in allen möglichen Anwendungen Verwendung. Die beste Demonstration ihrer Fähigkeit findet sich in Umspannwerken, wo sie eingesetzt werden, um die Infrastruktur vor Blitzeinschlägen zu schützen. Sie reagieren schnell, sind wartungsarm und verschlechtern sich beim Gebrauch nicht merklich, was sie zu idealen Geräten für diese Anwendung macht. Halbleitende Keramiken werden auch als Gassensoren eingesetzt. Wenn verschiedene Gase über eine polykristalline Keramik geleitet werden, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Hinsichtlich der möglichen Gasgemische lassen sich sehr kostengünstige Vorrichtungen herstellen.

Supraleitfähigkeitbearbeiten

Der Meissner-Effekt wurde durch Schweben eines Magneten über einem Cuprat-Supraleiter demonstriert, der durch flüssigen Stickstoff gekühlt wird

Unter bestimmten Bedingungen, wie extrem niedrigen Temperaturen, können einige Keramiken zeigen Hochtemperatur-Supraleitung. Der Grund dafür ist nicht verstanden, aber es gibt zwei Hauptfamilien von supraleitenden Keramiken.

Ferroelektrizität und supersetsEdit

Piezoelektrizität, eine Verbindung zwischen elektrischer und mechanischer Reaktion, wird von einer großen Anzahl keramischer Materialien gezeigt, einschließlich des Quarzes, der zur Zeitmessung in Uhren und anderer Elektronik verwendet wird. Solche Vorrichtungen verwenden beide Eigenschaften von Piezoelektrika, indem sie Elektrizität verwenden, um eine mechanische Bewegung zu erzeugen (die Vorrichtung anzutreiben) und dann diese mechanische Bewegung verwenden, um Elektrizität zu erzeugen (ein Signal zu erzeugen). Die gemessene Zeiteinheit ist das natürliche Intervall, das erforderlich ist, damit Elektrizität in mechanische Energie und wieder zurück umgewandelt werden kann.

Der piezoelektrische Effekt ist im Allgemeinen stärker in Materialien, die auch Pyroelektrizität aufweisen, und alle pyroelektrischen Materialien sind ebenfalls piezoelektrisch. Diese Materialien können verwendet werden, um zwischen thermischer, mechanischer oder elektrischer Energie umzuwandeln; Zum Beispiel baut ein pyroelektrischer Kristall, der unter keiner angelegten Spannung abkühlen gelassen wird, nach der Synthese in einem Ofen im Allgemeinen eine statische Ladung von Tausenden von Volt auf. Solche Materialien werden in Bewegungssensoren verwendet, bei denen der winzige Temperaturanstieg eines warmen Körpers, der in den Raum eintritt, ausreicht, um eine messbare Spannung im Kristall zu erzeugen.

Pyroelektrizität zeigt sich wiederum am stärksten in Materialien, die auch den ferroelektrischen Effekt aufweisen, bei dem ein stabiler elektrischer Dipol durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes ausgerichtet oder umgekehrt werden kann. Pyroelektrizität ist auch eine notwendige Folge der Ferroelektrizität. Dies kann verwendet werden, um Informationen in ferroelektrischen Kondensatoren, Elementen ferroelektrischer RAM, zu speichern.

Die gebräuchlichsten solchen Materialien sind Bleizirkonattitanat und Bariumtitanat. Abgesehen von den oben genannten Anwendungen wird ihre starke piezoelektrische Reaktion beim Design von Hochfrequenzlautsprechern, Wandlern für Sonar und Aktuatoren für Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskope ausgenutzt.

Positiver thermischer Koeffizientbearbeiten

Siliziumnitrid-Raketentriebwerk. Links: Im Prüfstand montiert. Recht: Getestet mit H2 / O2-Treibmitteln

Temperaturerhöhungen können dazu führen, dass Korngrenzen in einigen halbleitenden keramischen Materialien, meist Mischungen von Schwermetalltitanaten, plötzlich isolierend werden. Die kritische Übergangstemperatur kann über einen weiten Bereich durch Variationen in der Chemie eingestellt werden. In solchen Materialien fließt Strom durch das Material, bis die Joule-Erwärmung es auf die Übergangstemperatur bringt, an welcher Stelle der Stromkreis unterbrochen wird und der Stromfluss aufhört. Derartige Keramiken werden als selbstgesteuerte Heizelemente beispielsweise in Heckscheibenabtaukreisen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Bei der Übergangstemperatur wird die dielektrische Reaktion des Materials theoretisch unendlich. Während ein Mangel an Temperaturkontrolle eine praktische Verwendung des Materials in der Nähe seiner kritischen Temperatur ausschließen würde, bleibt der dielektrische Effekt auch bei viel höheren Temperaturen außergewöhnlich stark. Titanate mit kritischen Temperaturen weit unterhalb der Raumtemperatur sind im Zusammenhang mit Keramikkondensatoren aus genau diesem Grund zum Synonym für „Keramik“ geworden.

Optische EigenschaftenBearbeiten

Cermax Xenon-Bogenlampe mit synthetischem Saphir-Ausgangsfenster

Optisch transparente Materialien konzentrieren sich auf die Reaktion eines Materials auf einfallende Lichtwellen eines Wellenlängenbereichs. Frequenzselektive optische Filter können verwendet werden, um die Helligkeit und den Kontrast eines digitalen Bildes zu verändern oder zu verbessern. Die geführte Lichtwellenübertragung über frequenzselektive Wellenleiter beinhaltet das aufstrebende Gebiet der Faseroptik und die Fähigkeit bestimmter glasartiger Zusammensetzungen als Übertragungsmedium für einen Bereich von Frequenzen gleichzeitig (Multimode-Glasfaser) mit geringer oder keiner Interferenz zwischen konkurrierenden Wellenlängen oder Frequenzen. Diese resonante Art der Energie- und Datenübertragung über elektromagnetische (Licht-) Wellenausbreitung ist zwar leistungsschwach, aber praktisch verlustfrei. Lichtwellenleiter werden als Bauelemente in Integrierten optischen Schaltungen (z.B. b. Leuchtdioden, LEDs) oder als Übertragungsmedium in optischen Nah- und Fernkommunikationssystemen eingesetzt werden. Für den aufstrebenden Materialwissenschaftler ist auch die Empfindlichkeit von Materialien gegenüber Strahlung im thermischen Infrarot (IR) des elektromagnetischen Spektrums von Wert. Diese wärmesuchende Fähigkeit ist für so unterschiedliche optische Phänomene wie Nachtsicht und IR-Lumineszenz verantwortlich.

Daher besteht im militärischen Bereich ein zunehmender Bedarf an hochfesten, robusten Materialien, die die Fähigkeit besitzen, Licht (elektromagnetische Wellen) im Sichtbaren (0,4 – 0.7 mikrometer) und mittleren Infrarot (1 – 5 Mikrometer) Regionen des Spektrums. Diese Materialien werden für Anwendungen benötigt, die eine transparente Panzerung erfordern, einschließlich Hochgeschwindigkeitsraketen und -hülsen der nächsten Generation sowie Schutz vor improvisierten Sprengkörpern (IED).In den 1960er Jahren entdeckten Wissenschaftler von General Electric (GE), dass unter den richtigen Herstellungsbedingungen einige Keramiken, insbesondere Aluminiumoxid (Aluminiumoxid), durchscheinend gemacht werden können. Diese lichtdurchlässigen Materialien waren transparent genug, um das in Natriumhochdruckstraßenlaternen erzeugte elektrische Plasma einzudämmen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden weitere Typen transparenter Keramiken für Anwendungen wie Nasenkegel für wärmesuchende Flugkörper, Fenster für Kampfflugzeuge und Szintillationszähler für Computertomographen entwickelt.

In den frühen 1970er Jahren leistete Thomas Soules Pionierarbeit bei der Computermodellierung der Lichtdurchlässigkeit durch durchscheinende keramische Tonerde. Sein Modell zeigte, dass mikroskopisch kleine Poren in Keramik, die hauptsächlich an den Verbindungsstellen von mikrokristallinen Körnern eingeschlossen waren, das Licht streuten und eine echte Transparenz verhinderten. Der Volumenanteil dieser mikroskopisch kleinen Poren musste für eine qualitativ hochwertige optische Übertragung weniger als 1% betragen.

Dies ist im Grunde ein Partikelgrößeneffekt. Die Opazität ergibt sich aus der inkohärenten Streuung von Licht an Oberflächen und Grenzflächen. Zusätzlich zu den Poren haben die meisten Grenzflächen in einem typischen Metall- oder Keramikobjekt die Form von Korngrenzen, die winzige Bereiche kristalliner Ordnung trennen. Wenn die Größe des Streuzentrums (oder der Korngrenze) unter die Größe der Wellenlänge des gestreuten Lichts reduziert wird, tritt die Streuung nicht mehr in signifikantem Maße auf.

Bei der Bildung von polykristallinen Materialien (Metalle und Keramiken) wird die Größe der kristallinen Körner weitgehend durch die Größe der kristallinen Partikel bestimmt, die während der Bildung (oder des Pressens) des Objekts im Rohmaterial vorhanden sind. Darüber hinaus skaliert die Größe der Korngrenzen direkt mit der Partikelgröße. Somit eliminiert eine Verringerung der ursprünglichen Partikelgröße unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts (~ 0,5 Mikrometer für kurzwelliges Violett) jegliche Lichtstreuung, was zu einem transparenten Material führt.Vor kurzem haben japanische Wissenschaftler Techniken entwickelt, um Keramikteile herzustellen, die mit der Transparenz herkömmlicher Kristalle (aus einem einzigen Samen gezüchtet) konkurrieren und die Bruchzähigkeit eines Einkristalls übertreffen. Insbesondere Wissenschaftler der japanischen Firma Konoshima Ltd., ein Hersteller von keramischen Baustoffen und Industriechemikalien, haben nach Märkten für ihre transparente Keramik gesucht.Livermore-Forscher erkannten, dass diese Keramiken stark von Hochleistungslasern profitieren könnten, die in der Programmdirektion der National Ignition Facility (NIF) verwendet werden. Insbesondere begann ein Livermore-Forschungsteam, fortschrittliche transparente Keramiken von Konoshima zu erwerben, um festzustellen, ob sie die optischen Anforderungen erfüllen könnten, die für Livermores Festkörper-Wärmekapazitätslaser (SSHCL) erforderlich sind. Livermore-Forscher haben auch Anwendungen dieser Materialien für Anwendungen wie fortschrittliche Treiber für lasergesteuerte Fusionskraftwerke getestet.

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