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Keramische Hochtechnologiewerkstoffe

Keramische Hochtechnologiewerkstoffe. 5.7.2011 Dominik Greim. Gliederung:. 1) Grundlagen Einleitung und Definition Eigenschaften Materialklassen 2) Synthese Synthese aus der flüssigen, festen und gasförmigen Phase Precursormethode 3) Amorphes Si 3 B 3 N 7 Herstellung Analytik.

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Keramische Hochtechnologiewerkstoffe

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Presentation Transcript

  1. Keramische Hochtechnologiewerkstoffe 5.7.2011 Dominik Greim

  2. Gliederung: 1) Grundlagen • Einleitung und Definition • Eigenschaften • Materialklassen 2) Synthese • Synthese aus der flüssigen, festen und gasförmigen Phase • Precursormethode 3) Amorphes Si3B3N7 • Herstellung • Analytik

  3. 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

  4. Definition: Keramik: Festkörper, der als wichtigste Komponente und zum größten Teil anorganische nichtmetallische Materialien enthält. => Sowohl kristallin als auch amorph Introductiontoceramics; Kingery, Bowen, Uhlmann 1976 - Wiley Verlag

  5. Eigenschaften • Härte • Hitzebeständigkeit • Steifigkeit • Korrosionsbeständigkeit • elektrische/magnetische/optische Eigenschaften • Biokompatiblität

  6. Erklärung der Eigenschaften geringer Unterschied der Elektronegativität • starke kovalente Bindungsanteile analog zu Diamant - hohe Härte - Hoher Schmelzpunkt • Bevorzugte Elemente bzw. Elementkombinationen: Bsp.: SiC: Ceramics science and technology Vol. 2 - Riedel, Chen - Wiley-VCH 2010

  7. Phasendiagramm SiC www.salmang-scholze.de/Siliciumcarbid.pdf

  8. 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

  9. Herstellung verschiedener Keramiken: kristalline Keramiken: • Carbide: (Acheson-Verfahren) SiO2 + 3C 2CO + α-SiC • Nitride: 3SiO2 + 6C + 2N2α-Si3N4 + 6CO amorphe Keramiken: 3SiCl4 + 4NH3 Si3N4 + HCl Elektrische Spannung Hohe Temp CVD Introductiontoceramics; Kingery, Bowen, Uhlmann 1976 - Wiley Verlag

  10. Synthesewege Synthese in Flüssigphase • Sol-Gel Verfahren • Hydro- und Solvothermale Synthese • Templatunterstützte Synthese Feststoffsynthese • Temperatur • Druck Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44, 208-227

  11. Synthesewege Synthesen 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

  12. Synthesewege Synthesemethoden aus präkeramischen Polymeren • Besondernsinteressant für amorphe Keramiken Synthesemethoden für keramische Materialien; Ralf Riedel, Aleksander Gurlo, Emanuel Ionescu; Chemie unserer zeit, 2010, 44, 208-227 Novel High-Performance Ceramics – AmorphousInorganic Networks fromMolecularPrecursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

  13. Warum amorphe Keramiken? Problemstellung: binäre, kristalline Keramiken zu spröde • 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 zersetzt • Precursormethode Novel High-Performance Ceramics – AmorphousInorganic Networks fromMolecularPrecursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

  14. Precursormethode Anforderunge 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 – AmorphousInorganic Networks fromMolecularPrecursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

  15. Si3B3N7: von der Idee zum Produkt Aufreinigung n-Hexan HMDS TTDS Aufreinigung n-Hexan TTDS TADB TACB Aufarbeitung (Kristallisation, Fest-flüssig-Trennung, Verdampfung - Methylamin, - Methylaminhydrochlorid - n-Hexan N-MethylborsilazanOligomer Methylamin N-MethylborsilazanOligomer Pyrolyse -H2, -HCN, - CH4, -N2 -organische Fragmente (Masseverlust ca. 40%) amorphes Si3B3N7 Novel High-Performance Ceramics – AmorphousInorganic Networks fromMolecularPrecursors, Hans-Peter Baldus, Martin Jansen; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 328-343

  16. Strukturbestimmung von amorphem Si3B3N7 XANES: B-K-XANES: Si-K-XANES: Neutronenstreuung: Paarkorrelationsfunktion (PCF): 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

  17. Strukturbestimmung von amorphem Si3B3N7 MAS-NMR: 29Si 15N 11B Und weitere Experimente (Spin-echo, Dipolwechselwirkung) Theoretische Berechnungen:theoretische Modelle zur erweiterten Auswertung der PCF‘sund Berechnung der Winkelverteilungsfunktionen Inhomogenität in der Elementverteilung 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

  18. Zusammenfassung Breiter Anwendungsbereich durch: • Besondere Härte/Temperaturbeständigkeit • Gut einstellbare Eigenschaften • Skalierbarkeit der Synthese Einschränkung: • Problematische Verarbeitung

  19. Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

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