Janko Auerswald - Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis

Keramiken basieren auf Ionenbindungen (oder stark polarer Atombindung) zwischen Metallen und Nichtmetallen. Sie sind im undotierten Zustand Isolatoren. Sie zeichnen sich durch einen hohen E-Modul, einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sehr gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Korrosion und Verschleiß sowie durch eine geringere Dichte als Metalle aus. Sie sind jedoch spröde und nicht verformbar. Ihre Kristallstruktur ist komplexer aufgebaut als die einfachen dichten Packungen von Metallen ( Abb. 1.4). Im angelsächsischen Sprachraum zählen auch die amorphen Gläser und anorganische Bindemittel (z. B. Zement) zur Klasse der Ceramics.

Abb. 1.3 Die Elementarzellen von Halbleitern der IV. Hauptgruppe (Si und Germanium in der Diamantstruktur (a)) und von III-V-Halbleitern (z. B. GaAs, eng verwandte Zinkblendestruktur (b)). Grundbaustein beider Strukturen ist ein kfz-Gitter, [1/4, 1/4, 1/4] eingeschoben wurde. Anders betrachtet kann man auchsagen, dass im ersten kfz-Gitter jede zweite Tetraederlücke (oder jeder zweite Achtelwürfel in seiner Mitte) mit einem weiteren Atom besetzt ist.

Abb. 1.4 Struktur von piezoelektrischen Keramiken auf Basis der Perowskit-Struktur. (a) Elementarzelle oberhalb derCurie-Temperatur; (b) Elementarzelle unterhalb der Curie-Temperatur, wo ferro- und piezoelektrische Eigenschaften vorliegen.

Keramiken werden eingesetzt als Kondensator-Dielektrika, Isolatoren, Sensoren und Aktuatoren (Piezos), Ionenleiter (Lambda-Sonde, Brennstoffzellen), Ferritmagnete, superparamagnetische Nanopartikel ohne Hysterese (Induktivitäten) in der Hochfrequenztechnik, als Hochtemperatur-Supraleiter oder als Laserkristalle (mit seltenen Erden dotiert). Der Einsatz von Keramik als Strukturwerkstoff erfolgt vor allem für Anwendungen bei hohen Temperaturen, bei starker Verschleißbeanspruchung oder in der Medizintechnik.

Abb. 1.5 Strukturmodell von Kunststoffen (Polyethylen). Kunststoffe bestehen aus kettenförmigen Makromolekülen mit Tausenden von Atomen. Der Kohlenstoff ist sp 3-hybridisiert, seine vier Bindungsarme zu den Nachbaratomen spannen einen Tetraeder auf.

Polymere Werkstoffe (Kunststoffe) mit Tausenden von Atomen in den Molekülketten basieren auf einem eigenen Strukturmodell ( Abb. 1.5). Sie bestehen aus sehr langen Makromolekülen, die chemisch vernetzt (Elastomere, Duroplaste, Photore-sists) oder nicht vernetzt (Thermoplaste) sein können. Sind Segmente dieser langen Ketten regelmäßig angeordnet, z. B. abschnittsweise parallel, spricht man von teilkristallinen Polymeren, andernfalls von amorphen. Die Bindungen innerhalb der Kettenmoleküle (Primärbindungen) sind sehr starke Atombindungen. Der E-Modul und die Festigkeit werden jedoch definiert durch die schwachen zwischenmolekularen Bindungen. Produkte aus Kunststoff sind billig herstellbar, nicht sehr temperaturbeständig, leicht und besitzen im Normalzustand eine schlechte thermische und elektrische Leitfähigkeit.

Im Bereich der Funktionswerkstoffe werden Polymere eingesetzt als Isolatoren, Kondensator-Dielektrika, Sensoren und Aktuatoren (Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Piezo), Polymere als Matrix für diffusionsgesteuerte Medikamentenabgabe über die Haut oder als Implantat, Substrate für Leiterplatten und Flexprints, Polymerhalbleiter oder als Ionenleiter (Ionenaustauschpolymere) in Brennstoffzellen.

VerbundwerkstoffeDurch Kombinationen verschiedener Werkstoffklassen entstehen Verbundwerkstoffe mit besonderen Eigenschaften, welche die Nachteile der einzelnen Komponenten kompensieren. So verleihen Fasern aus sprödem Glas dem Duroplast Epoxidharz eine höhere Temperaturbeständigkeit und Steifigkeit, ohne dass sich der LeiterplattenwerkstoffFR 4 spröde verhält. Ein offenes Thema ist aber das Recycling von Verbundwerkstoffen.

Amorphe Werkstoffe ) besitzen eine Nah-, aber keine Fernordnung ( Abb. 1.6). Die Abstände zwischen benachbarten Atomen oder Ionen entsprechen wegen der chemischen Bindung ungefähr denen der kristallinen Phase, d. h. zwischen 0.1 und 0.5nm. Aber es gibt kein Kristallgitter, weil die Bindungswinkel variieren. Beispiele für amorphe Stoffe sind anorganische Gläser wie Fensterglas, Lichtwellenleiter aus Quarzglas, thermoschockbeständiges Borosilikatglas oder chemisch gehärtetes Gorilla-Glas von Smartphones. Zu den amorphen Werkstoffen zählen ebenso die metallischen Gläser für Transformatoren ohne Ummagnetisierungsverluste oder amorphe Kunststoffe wie Polymethylmethacrylat (PMMA, Plexiglas).

Abb. 1.6 (a) Amorphes Quarzglas mit Nahordnung. Innerhalb der SiO 4-Tetraeder gibt es definierte Abstände der Silizium- und Sauerstoffionen und damit eine Nahordnung. Es gibt aber keine Fernordnung wegen der unregelmäßigen Bindungswinkel benachbarter Tetraeder. (b) Vereinfachte zweidimensionale Struktur des regelmäßigen Quarzkristalls mit Nah- und Fernordnung. Die 3D-Strukturen der Tetraeder sind zur besseren Anschaulichkeit in einer Ebene dargestellt.

Einkristalline Bauteile sind teuer und erfüllen spezielle Aufgaben. Das ganze Bauteil besteht aus einem einzigen Kristall. Bekannte Beispiele sind die hochreinen Halbleiter für die Elektronik oder für MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), einkristalline Turbinenschaufeln für den heißesten Bereich in Flugzeug- oder Gasturbinen hinter der Brennkammer, piezoelektrische Quarzkristalle als Taktgeber für die gleichnamigen Uhren, Einkristalle für Laser und andere optische Komponenten oder Saphir in Messfenstern und Uhrengläsern.

Die meisten Bauteile in der Praxis sind polykristallin . Sie bestehen aus unzähligen Kristallen, deren Größe zwischen einigen Nanometern und einigen Zentimetern variieren kann. Diese kleinen Kristallite werden auch als Körner bezeichnet. Typische Korngrößen liegen zwischen einigen zehn und einigen 100 μm. Die schmalen Bereiche geringerer Ordnung zwischen den Körnern heißen Korngrenzen und sind ca. 10-100 nm breit.

Der Begriff der Tropie beschreibt die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften von Werkstoffen. Die physikalischen Eigenschaften eines Gases, einer Flüssigkeit (auch Schmelzen) oder eines amorphen Festkörpers verhalten sich in allen Richtungen des Raumes gleich. Man bezeichnet diese Stoffe als isotrop (griechisch: iso = gleich).

Die Eigenschaften amorpher Werkstoffe sind immer isotrop.

Abb. 1.7 (a) Einkristalline Turbinenschaufel aus einem Flugzeugtriebwerk; (b) einkristalliner Silizium-Wafer für Halbleiter und MEMS. Der Wafer hat die kubische Diamantstruktur, wobei die Oberfläche eine {001}-Ebene (Würfelfläche) ist und die flachen Kanten rechts und links parallel zu einer (110)-Richtung (Flächendiagonalen) verlaufen. Entlang dieser Richtungen kann Silizium am einfachsten gesägt werden (Spaltrichtungen).