Struktur- und Funktionskeramiken

Strukturkeramiken sind kristalline anorganische Feststoffe, die aufgrund ihrer Härte, Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Hitze und Verschleiß ausgewählt werden, während Funktionskeramiken aufgrund einer elektrischen, magnetischen oder optischen Reaktion wie dielektrischem, piezoelektrischem oder ionischem Verhalten ausgewählt werden.

Definition

Strukturkeramiken sind kristalline anorganische nichtmetallische Werkstoffe, die primär aufgrund ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften eingesetzt werden; Funktionskeramiken sind solche, die für eine spezifische elektrische, magnetische oder optische Funktion verwendet werden, die sich aus ihrer Kristallstruktur und Defektchemie ergibt.

Scope

Dieses Thema behandelt kristalline technische Keramiken, die nach der genutzten Eigenschaft geordnet sind: Strukturkeramiken wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, die für mechanische und thermische Leistungen verwendet werden; und funktionelle (elektronische) Keramiken wie die Perowskit-Titanate, die als Kondensatoren, Piezoelektrika und Sensoren eingesetzt werden, zusammen mit Ferriten und Festelektrolyt-Oxiden. Es verknüpft Zusammensetzung und Mikrostruktur mit Bruchzähigkeit, Feuerfestigkeit und funktioneller Reaktion.

Core questions

• Welche Keramiken dienen strukturellen Zwecken und was verleiht ihnen Festigkeit und Feuerfestigkeit?
• Wie kann die intrinsische Sprödigkeit von Keramiken gemildert werden?
• Welche kristallchemischen Merkmale machen eine Keramik dielektrisch, piezoelektrisch oder ionisch leitfähig?
• Wie beeinflussen Zusammensetzung und Mikrostruktur die Funktion von Keramiken?

Key concepts

• Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Siliziumkarbid
• Bruchzähigkeit und Fehlerkontrolle
• Umwandlungsverstärkung
• Perowskit-Dielektrika und Piezoelektrika
• Ferrite
• Festelektrolyt-Keramiken

Key theories

Verstärkung von Strukturkeramiken

Da Keramiken vor dem Bruch nur geringfügig deformieren, hängt ihre Zuverlässigkeit von der Kontrolle von Fehlern und von Verstärkungsmechanismen ab, wie der spannungsinduzierten Phasenumwandlung in Zirkonoxid, die Energie an einer Rissspitze absorbiert und die Bruchzähigkeit erhöht.

Kristallchemie von Funktionskeramiken

Die funktionelle Reaktion resultiert aus der Struktur: Perowskit-Titanate zeigen eine hohe Permittivität und Piezoelektrizität aufgrund einer polaren Verzerrung, Ferrite ordnen sich magnetisch durch Superaustausch, und defektdotierte Oxide leiten Ionen durch Leerstellen – jeweils durch Zusammensetzung und Mikrostruktur abstimmbar.

Mechanisms

Bei der Umwandlungsverstärkung wandelt sich eine metastabile Phase in der Nähe einer Rissspitze mit einer Volumenänderung um, die den Riss schließt und Energie absorbiert; bei Funktionskeramiken speichern polare Gitterverzerrungen Ladung und koppeln an Dehnung, während durch Dotierung eingebrachte Sauerstoffleerstellen Ionenstrom leiten.

Clinical relevance

Strukturkeramiken liefern Schneidwerkzeuge, Motor- und Turbinenkomponenten sowie verschleißfeste und biomedizinische Implantate, während Funktionskeramiken die Grundlage für Mehrschichtkondensatoren, piezoelektrische Aktuatoren und Sensoren, magnetische Ferritkerne und Festoxid-Brennstoffzellen-Elektrolyte bilden.

History

Die Keramikwissenschaft des 20. Jahrhunderts, begründet von Kingery, verwandelte traditionelle Töpferei und Feuerfestmaterialien in ein quantitatives Feld, das Verarbeitung, Mikrostruktur und Eigenschaften miteinander verknüpfte. Die Entdeckung der Umwandlungsverstärkung in Zirkonoxid in den 1970er Jahren verlieh Keramiken eine nutzbare Zähigkeit, während parallele Arbeiten an Titanat-Dielektrika und Piezoelektrika die Elektronik-Keramikindustrie schufen.

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

Was macht Zirkonoxid zäher als die meisten Keramiken?

Zirkonoxid kann so verarbeitet werden, dass eine metastabile kristalline Phase bei Raumtemperatur erhalten bleibt. In der Nähe eines sich ausbreitenden Risses löst die Spannung eine Umwandlung dieser Phase mit einer leichten Volumenausdehnung aus, die den Riss zusammendrückt und Energie absorbiert, wodurch die Bruchzähigkeit stark erhöht wird.

Warum werden Perowskit-Titanate in der Elektronik so häufig eingesetzt?

Die Perowskit-Struktur von Titanaten wie Bariumtitanat ermöglicht eine kleine polare Verzerrung, die eine sehr hohe dielektrische Permittivität und piezoelektrische Kopplung bewirkt. Durch Anpassung von Zusammensetzung und Mikrostruktur können diese Eigenschaften für Kondensatoren, Sensoren und Aktuatoren abgestimmt werden.