Keramiken und Gläser

Keramiken und Gläser sind anorganische, nichtmetallische Feststoffe – kristalline Keramiken und amorphe Gläser –, deren starke ionische und kovalente Bindungen ihnen eine hohe Härte, thermische und chemische Stabilität sowie ein breites Spektrum an elektrischem und optischem Verhalten verleihen.

Definition

Keramiken und Gläser sind anorganische, nichtmetallische Materialien, entweder kristallin (Keramiken) oder amorph (Gläser), die durch ionische und kovalente Kräfte gebunden sind und sich durch Härte, thermische Stabilität, elektrische Isolation oder kontrollierte Funktion sowie intrinsische Sprödigkeit auszeichnen.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Chemie anorganischer nichtmetallischer Materialien: die Struktur und Bildung von Gläsern durch Vitrifikation einer unterkühlten Flüssigkeit; die kristallinen Struktur- und Funktionskeramiken, einschließlich Oxide, Carbide und Nitride, die aufgrund ihrer mechanischen, thermischen, elektrischen und optischen Eigenschaften verwendet werden; und die Pulververarbeitung und das Sintern, durch die keramische Komponenten zu dichten Körpern konsolidiert werden. Es verbindet Bindung und Mikrostruktur mit der Sprödigkeit, Feuerfestigkeit und dem funktionellen Verhalten dieser Materialien.

Sub-topics

• Keramische Verarbeitung und Sintern
• Glaswissenschaft und Vitrifikation
• Struktur- und Funktionskeramiken

Core questions

• Was unterscheidet ein Glas von einer kristallinen Keramik?
• Wie verleiht die Bindung Keramiken ihre Härte, Feuerfestigkeit und Sprödigkeit?
• Wie werden Funktionskeramiken für elektrische und optische Aufgaben maßgeschneidert?
• Wie werden Keramikpulver zu dichten Komponenten konsolidiert?

Key concepts

• Glasübergang
• Netzwerkbildner und Modifikatoren
• Oxid-, Carbid- und Nitridkeramiken
• Sprödigkeit und Bruch
• Sintern und Verdichtung
• Funktionskeramiken

Key theories

Glasbildung durch Vitrifikation

Wenn eine Schmelze schnell genug abgekühlt wird, um die Kristallisation zu umgehen, wird sie zu einer zunehmend viskosen unterkühlten Flüssigkeit, die am Glasübergang zu einem amorphen Feststoff erstarrt; netzwerkbildende Oxide bilden das für Glas charakteristische zufällige dreidimensionale Netzwerk.

Bindung, Mikrostruktur und Keramikeigenschaften

Starke, gerichtete ionisch-kovalente Bindungen machen Keramiken hart, steif und thermisch sowie chemisch stabil, aber auch spröde, da es nur wenige Möglichkeiten zur Verformung ohne Bindungsbruch gibt; die Mikrostruktur, insbesondere Porosität und Korngröße, steuert dann Festigkeit und Funktion.

Clinical relevance

Keramiken und Gläser sind in der gesamten Technologie unverzichtbar: Strukturkeramiken liefern verschleiß- und hitzebeständige Komponenten, Funktionskeramiken dienen als Kondensatoren, Sensoren und Festelektrolyte, optische Gläser bilden Linsen und Fasern, und Biokeramiken werden in Implantaten verwendet – Anwendungen, die alle in den hier beschriebenen Bindungen und Mikrostrukturen wurzeln.

History

Keramiken und Gläser gehören zu den ältesten Ingenieurmaterialien, doch ihr wissenschaftliches Verständnis ist jüngeren Datums: Zachariasens Theorie des zufälligen Netzwerks von 1932 erklärte die Glasstruktur, und Kingerys Arbeit Mitte des 20. Jahrhunderts etablierte die Keramikwissenschaft, indem sie Verarbeitung, Mikrostruktur und Eigenschaften miteinander verknüpfte und ein empirisches Handwerk in eine quantitative Materialdisziplin verwandelte.

Key figures

• W. David Kingery
• William Houlder Zachariasen

Seminal works

• callister2018
• kingery1976
• shelby2005

Frequently asked questions

Ist Glas ein Feststoff oder eine Flüssigkeit?

Glas ist ein Feststoff. Es ist amorph, es fehlt ihm die langreichweitige kristalline Ordnung der meisten Feststoffe, und es entsteht durch das Erstarren einer unterkühlten Flüssigkeit am Glasübergang. Die alte Behauptung, dass Glas über Jahrhunderte fließt, ist ein Missverständnis; bei Raumtemperatur ist seine Viskosität viel zu hoch für einen messbaren Fluss.

Warum sind Keramiken stark, aber spröde?

Dieselben starken, gerichteten ionischen und kovalenten Bindungen, die Keramiken hart und stabil machen, lassen auch nur wenige Mechanismen für plastische Verformung zu. Ohne leichte Versetzungsbewegung konzentriert sich die angelegte Spannung an Fehlstellen und breitet Risse aus, sodass Keramiken durch spröden Bruch und nicht durch Biegung versagen.