HANDOUT. Vorlesung: Keramik-Grundlagen. Gefüge, Keramographie und Methoden der Strukturuntersuchung

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1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Keramik-Grundlagen Gefüge, Keramographie und Methoden der Strukturuntersuchung Leitsatz: "Die Art und Menge [von] Phasen und Poren, sowie deren Größe, Form, Orientierung und Verteilung wird als Gefüge bezeichnet. Auf atomistischem Massstab rechnet man ferner noch null-, ein-, zwei- und dreidimensionale Kristallbaufehler zu den Gefügebestandteilen, also auch z.b. Zwischengitteratome, Versetzungen und Korngrenzen. Das Gefüge bestimmt wesentlich viele wichtige Eigenschaften keramischer Werkstoffe. Die Ausprägung des Gefüges hängt von vielen Parametern ab, z.b. der Art, Menge, Korngröße und Reinheit der Rohstoffe, dem Mischvorgang, der Formgebung, der Trocknung und den Brennbedingungen." Quelle: [GL-1, S. 144]

2 Keramik-Grundlagen "Gefüge, Keramographie und Methoden der Strukturuntersuchung keramischer Werkstoffe Ziele Grundlagen der keramischen Gefügebildung herleiten können und Untersuchungsmethoden zur qualitativen und quantitativen Gefügeanalyse ableiten können. ð Begriffe, Kennzeichen und Elemente des keramischen Strukturaufbaus nennen können ð Methoden der Strukturuntersuchung einteilen können ð Methodenwahl hinsichtlich Ortsauflösung und Informationsgehalt bewerten können Inhalte Gefüge keramischer Werkstoffe Mikrostruktur, Elemente und Kennzeichen der Strukturbildung Keramographie Methoden, Gefügecharakteristika, Fallbeispiele Methoden der Strukturuntersuchung keramischer Werkstoffe Einteilung, Kennzeichen und Mechanismen der Strukturuntersuchungsmethoden keramischer Werkstoffe

3 Lerntfafel 1 Gefüge keramischer Werkstoffe Werkstoffaufbau und Elemente der Mikrostruktur Schematischer Aufbau eines polykristallinen keramischen Werkstoffgefüges Korngrößenverteilung und entstehende Werkstoffgefüge beim Sintern keramischer Pulver

4 Schematische Darstellung der Gefügeveränderungen beim a) Festphasen-, b) Flüssigphasen- und c) Reaktionssintern mit einer Übergangsschmelze Schrumpfung und Dichteänderung beim isothermen Sintern pulverförmiger Formkörper Lerntafel 2 Keramographie Arbeitsabläufe bei der keramographischen Anschliffherstellung

5 Aufbau des oberflächennahen Bereiches eines mechanisch getrennten und grobgeschliffenen Anschliffes (schematischer Schnitt senkrecht zur Schlifffläche) Schematische Darstellung eines wahren (links) und eines durch Ausbrüche verfälschten porenhaltigen Gefüges (rechts) Schlittenmikrotom Methoden für das keramographische Ätzen

6 Standardpräparationen für dichte Keramiken (halbautomatisch) Standardpräparationen Metallkeramiken (halbautomatisch) Standardpräparationen für poröse und spröde Keramiken (halbautomatisch)

7 Mikrostruktur von TZP Gefüge von teilstabilisiertem ZrO 2 (PSZ) Mikrostruktur von PSZ: Kubische Matrix mit tetragonaler Ausscheidung in 110- Ebene (oben links)

8 Mikrostruktur von CSZ: Grobkörniges einphasiges Gefüge, Stabilisierung durch 8 mol-% Y 2 O 3 Mikrostruktur von ZTA (=Zirconia toughened Alumina) bzw. ZTC (Zirconia toughened Ceramics)

9 Gefüge von ZrO 2 stabilisiertem α-al 2 O 3 ZTA mit hohem ZrO 2 -Anteil als Bruchgefüge Eigenschaften von ZrO 2 Eigenschaften von SiC

10 SiC: Sintermethoden Gefüge von grobem, silicatisch gebundenem Siliciumcarbid (a) und Gefüge von feinem, silicatisch gebundenem Siliciumcarbid (b) Gefüge von flüssigphasengesintertem Siliciumcarbid

11 Gefüge von drucklos gesintertem Siliciumcarbid (SSiC) Gefüge von grobkörnigem drucklos gesintertem Silicium-carbid (SSiC) Gefüge von Silicium infiltriertem Siliciumcarbid (SiSiC)

12 Gefüge von rekristallisiertem Siliciumcarbid (RSiC) Gefüge von Nitrid gebundenem Siliciumcarbid (NSiC) Eigenschaften von Si 3 N 4

13 Gefüge von gasdruckgesintertem Siliciumnitrid Gefüge von reaktionsgebundenem Siliciumnitrid

14 Oberfläche von Aluminiumnitrid Bruchfläche von Aluminiumnitrid Verbundkeramiken: MMC = Metal Matrix Composites Herstellung des Durchdringungsgefüges

15 Gefüge einer partiellen Verstärkung mit Werkstoffübergang Gefügebeispiele von MMCs Lerntfafel 3 Methoden der Strukturuntersuchung keramischer Werkstoffe

16 Prinzip akustischer Mikroskopieverfahren (S-Sender, R-Empfänger, T- Ultraschallübertrager, LS-Laserabrasterung)

17 Punktauflösung moderner hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie Prinzip der Bildentstehung bei der Rastertunnelmikroskopie

18 STM Aufnahme einer (110) Oberfläche von TiO 2. Sauerstoffleerstellen (A), nicht identifiziert (B). Prinzip der Entstehung eines Elektronen-Beugungsdiagrammes im Transmissionselektronenmikroskop

19 Geometrische Anordnung beim Electron BackScattered Diffraction

20 Prinzip der analytischen Elektronenmikroskopie im TEM in Kombination mit spektroskopischen Methoden

21 Schema der Wechselwirkung eines Elektronenstrahls in eienr Oberfläche (a) sowie einer dünnen Folie (b) Ortsauflösung mikrostruktureller und mikroanalyt. Untersuchungsverfahren für keramische Werkstoffe