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
11B
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