Keramik: Atomarer Aufbau und Grundeigenschaften

Question 1

Welche Bindung haben Metalle?

Answer 1

Metallische Bindung:

• max 3 Elektronen auf Valenzschalen
• gemeinsames Elekronengas wird gebildet
• positiv geladenes Kationgitter bleibt zurück

Question 2

Welche Bindungen haben Keramiken?

Answer 2

• ionische Bindungen
• kovalente Bindungen
• Mischbindungen:
• metallisch –> Carbide
• ionisch –> Oxidkeramiken
• kovalent –> Oxidkeramiken

Question 3

Welche Bindungen besitzen Kunststoffe?

Answer 3

• Kovalente Bindungen
• Van-der-Waals-Bindungen

Question 4

Beschrifte die Abbildung

Answer 4

Question 5

Welche Eigenschaften von Keramiken hängen mit der Bindungsstärke zusammen?

Answer 5

• Schmelzpunkt –> je höher die Bindung, desto höher (kovalent sehr hoch)
• E-Modul
• Härte

Question 6

Formel Ionischer Bindungsanteil

Answer 6

delta X = Differenz Elektronegativität

Question 7

Beschrifte die Abbildung

Question 8

Oxidkeramiken:

Bindungstyp, Eigenschaften und Beispiel

Answer 8

• ionische Bindung >60%
• Festigkeitsabnahme bei hohen Temperaturen
• Beständigkeit in oxidischer Atomsphäre
• Bsp: Al₂O₃, Al₂TiO, SiO₂

Question 9

Nicht-Oxidkeramiken

Bindungstyp, Eigenschaft, Beispiele

Answer 9

• ionische Bindung < 40% (Nitride)
• ionische Bindung <25% (Karbide)
• hohe chemische und thermische Stabilität
• hohe Festigkeit und Härte
• geringe Dukilität

SiC, B₄C, Si₃N₄ , BN, AlN

Question 10

Formel Atomabstand und Koordinationszahl

Answer 10

Atomabstand ~ r_a + r_b

Koordinationszahl ~ r_a / r_b

Question 11

Zirkonoxid

(Gitterstruktur + Eigenschaften)

Answer 11

• Fluoridstruktur
• Kationsgitter: kfz
• Anionengitter: kp
• Koordinationszahl (Kationen bzgl. Anionen): 8
• Besetzung der Oktaederlücken: 50%
• Stabilitätsbereich: 2370-2690 Grad

Question 12

Alpha-Aluminiumoxid

(Gitterstruktur + Eigenschaften)

Answer 12

• Korundstruktur (Alpha-Al₂O₃)
• Anionengitter: hex
• Kationengitter: trigonal
• Leerstellengitter: trigonal
• Koordinationszahl: 6
• Besetzung der Oktaederlücken: 67%

Question 13

Wann geht die Stabilität einer Keramik verlaufen in Bezug auf Anion und Kationen?

Answer 13

–> wenn das Kation keine Anionen mehr berührt

Question 14

Alpha-SiliziumKarbis (Eigenschaften + Aufbau)

Answer 14

–> Alpha- SiC mit Wurzitstruktur

• überwiegend kovalent (hohe Festigkeit)
• Si Untergitter : hex
• Einlagerungen von C in die Tetraederlücken des Si-Gitters
• Einlagerung von Si in die Tetraederlücken des C-Gitters

Question 15

Beta-SiliziumKarbis (Eigenschaften + Aufbau)

Answer 15

Beta-SiC mit Zinkblendestruktur

• überwiegend kovalente Bindung
• Si-Untergitter: kfz
• Einlagerungen von C in die Tetraederlücken
• Einlagerung von Si in die Tetraederlücken des C-Gitters

Question 16

Alpha und Beta Siliziumnitrid (Aufbau + Eigenschaften)

Question 17

Alpha/Beta SiliziumNitrid (Aufbau + Eigenschaften)

Answer 17

• hexagonal Alpha/Beta Si₃N₄
• 3D Netzwerk –> SiN₄ Tetraeder
• kovalente Bindung

Unterschied: Abstand der 0001-Ebene in <0001> Richtung bei Alpha doppelt so groß wie bei Beta

–> Beta Si₃N₄ hat höheren Diffsionskoeffzienten

Question 18

Bohrnitrid (Aufbau + Eigenschaften)

Answer 18

• BN
• hexagonale Kristallstruktur
• kovalente Bindung in den Schichten
• Van-der-Waals Bindung zwischen den Schichten
• -> schwache Bindung senkrecht zu Schichten

–> starkte anisotrope Eigenschaften

Question 19

Polymorphie + Beispiel am Zirkonoxid

Question 20

Versetzungen und Gleitsysteme bei kovalenten und ionischen Bindungen

Answer 20

kovalente Bindungen:

• hohe Aktivierungsenergie für Versetzungen benötigt
• keine plastische Verformung

ionische Bindung:

• Gleitsystem zwischen Anionen und Kationen
• nur Stufenversetzungen auf Doppelebenen möglich

–> wenige Gleitsysteme (meist weniger als 5, somit Bedinung für plastische Verformung nicht erfüllt)

-nur bei hoher Temperatur möglich

Question 21

Herleitung warum es keine selten plastische Verformung bei Keramiken gibt

Answer 21

• Bruch setzt bei niedrigen Temperaturen vor Plastizität ein
• -> erst ab Temperaturen über 1000 Grad möglich

–> es gilt σ_k > σ_real

–> Grund für spröden Charakter bei Zugbeanspruchung

–> plastische Verformung nur bei Druckbeanspruchung möglich

Question 22

Formeln:

• theoretische Zugfestigkeit
• reale Zerreißfestigkeit
• kritische Schubspannung

Question 23

Formel thermischer Ausdehnungskoeffizient + Beispiele einer Werkstoffe und Abhängigkeiten

Answer 23

• bei ionischen Oxiden größer, bei kovalenten Nicht-Oxiden kleiner
• ist Richtungsabhängig

Question 24

Formel Wärmeleitfähigkeit

Answer 24

Question 25

Wie hängen Wärme- und Elektrische Leitfähigkeit von der Temperatur ab?

Answer 25

• Wärmeleitfähigkeit nimmt mit zunemender Temperatur ab
• Elektrische Leitfähigkeit nimmt mit zunehmener Temperatur zu

Question 26

Beschrifte die Abbildung

Answer 26

Question 27

Wie entstehen nicht kristalline Keramiken (Gläser)?

Answer 27

-Abkühlprozess wird sehr schnell vollzogen

–> keine vollständige Keimbildungs- und Keimwachstumsphase möglich

Question 28

Welche Sorten von Gläsern gibt es?

Answer 28

• Kieselgläser
• Alklai-Erdalkali-Silikatgläser
• Borosilikatgläser
• Alumosilikatgläser
• Bleisilikatgläser

Question 29

Wie hängt die Visoksität von Gläsern mit der Temperatur zusammen?

Answer 29

–> je höher die Temperatur, desto höher die Viskosität

Question 30

Wie werden Glaskeramiken hergestellt und was ist ihr Vorteil

Answer 30

1. Glas erzeugen
2. Formgebung

2-3 Abschrecken auf RT

3. Keimbildung bei erhöhter Temperatur
4. Kristallisation bei konstanter Temperatur

(4* Abkühlen)

Vorteil –> einfache Herstellung eines Glases, jedoch mit Eigenschaften von kristallinen Keramiken