In welchen Feldern werden Hochleitsungskeramiken hauptsächlich verwendet?
- Energietechnik (Brennstoffzelle, Wärmetauscher)
- Elektronik (Gehäuse, Kondensatoren, Sensoren...)
- Medizintechnik (Hüftgelenksprothese, Knochenersatz...)
- Verkehrstechnik (Kipphebelbeläge, Turbolader...)
- Fertigungstechnik (Schneidwerkstoffe, Schleifstoffe)
- Maschinenbau (Gleitlager, Piezostellglieder)
Welche sind die drei keramischen Branchen und was sind ihre Hauptprodukte?
Traditionelle Silikatkeramik:
Geschirr, Fliesen, Sanitär, Ziegel, Zierkeramik...
Feuerfeste Werkstoffe:
Formsteine und Feuerbetone aus speziellen Werkstoffen, Anlagenkomponenten, Funktionselemente usw. für die Metallurgie, Glaserzeugung, Energietechnik, Müllverbrennung, Zementherstellung...
Hochleistungskeramik:
Für spezielle technische Anwendungen entwickelt.
-> Strukturkeramik (mechanisch/tribologisch hoch belastet)
-> Funktionskeramik (medizinisch, elektrisch, magnetisch...)
Geschirr, Fliesen, Sanitär, Ziegel, Zierkeramik...
Feuerfeste Werkstoffe:
Formsteine und Feuerbetone aus speziellen Werkstoffen, Anlagenkomponenten, Funktionselemente usw. für die Metallurgie, Glaserzeugung, Energietechnik, Müllverbrennung, Zementherstellung...
Hochleistungskeramik:
Für spezielle technische Anwendungen entwickelt.
-> Strukturkeramik (mechanisch/tribologisch hoch belastet)
-> Funktionskeramik (medizinisch, elektrisch, magnetisch...)
Woraus bestehen feuerfeste Erzeugnisse und welche Einsatzgebiete gibt es?
Feuerfeste Erzeugnisse bestehen teilweise aus natürlichen/synthetischen Rohstoffen und sind für chemische Angriffe bei hohen Temperaturen entwickelt worden.
Bsp.: Schlacken- & Gaskorrosion, Temperaturwechsel, Hochtemperaturfestigkeit
Sie sind meist sehr grobkörnig (> 100 Mikrometer)
Bsp.: Schlacken- & Gaskorrosion, Temperaturwechsel, Hochtemperaturfestigkeit
Sie sind meist sehr grobkörnig (> 100 Mikrometer)
Wie lautet die Definition der Keramik? (G)
Keramische Werkstoffe sind
In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung meist über 800°C.
Gelegentlich geschieht die Formgebung auch bei erhöhter Temperatur oder gar über den Schmelzfluss mit anschließender Kristallisation.
- anorganisch, nichtmetallisch,
- in Wasser schwer löslich
- und zu wenigstens 30 % kristallin.
In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung meist über 800°C.
Gelegentlich geschieht die Formgebung auch bei erhöhter Temperatur oder gar über den Schmelzfluss mit anschließender Kristallisation.
Wie ist die chemische Bindung von Keramiken charakterisiert und in welchen Formen tritt sie auf?
Sie ist durck stark lokalisierte Elektronen charakterisiert.
Formen:
Formen:
- stabile Kationen/Anionen mit Edelgaskonfiguration
- kovalente Orbitalbindungen
- Mischbindungen
- manchmal metallische Bindungen
Wie lauten die Schritte des keramischen Herstellungsprozesses und was passiert jeweils?
1. Pulveraufbereitung - Formgebung:
Bei Raumtemperatur wird das Pulver aufbereitet und zum Grünkörper (kreideähnliche Vorform) geformt.
2. Brand/Sintern:
Erfolgt bei 70-80% der Schmelztemperatur.
Hier finden irreversible chemische Prozesse und Gefügeveränderungen statt. (mögliche Gefügedefekte)
3. Endbearbeitung:
Bsp.: Schleifen, Polieren
Erst danach ist das Bauteil fertig. (manchmal teuerster Schritt)
Bei Raumtemperatur wird das Pulver aufbereitet und zum Grünkörper (kreideähnliche Vorform) geformt.
2. Brand/Sintern:
Erfolgt bei 70-80% der Schmelztemperatur.
Hier finden irreversible chemische Prozesse und Gefügeveränderungen statt. (mögliche Gefügedefekte)
3. Endbearbeitung:
Bsp.: Schleifen, Polieren
Erst danach ist das Bauteil fertig. (manchmal teuerster Schritt)
Welche drei Arten der Aufbereitung werden entsprechend des Feuchtegehalts unterschieden? In welchen Verarbeitungsverfahren werden sie meist eingesetzt? (G)
Nassaufbereitung:
Feuchtaufbereitung:
Trockenaufbereitung:
- Pulversuspensionen in meist alkoholischen Mitteln.
- > 25% Flüssigkeit
- Schlickerguss, Folienguss
Feuchtaufbereitung:
- knetbare Massen, meist mit Additiven
- 5 - 25% Flüssigkeit
- Strangpressen
Trockenaufbereitung:
- rieselfähige Pulver-Granulate
- < 5% Flüssigkeit
- axiales und isostatisches Pressen
Wie läuft die Feuchtaufbereitung genau ab?
Traditionelle Art der Aufbereitung tonkeramischer Massen (Tone, Kaoline).
Typische Kristallitgröße: wenige Mikrometer (keine weitere Zermahlung)
Allerdings fallen oft Dezimeter große Klumpen an, die im Kollergang mühlsteinähnlich zermahlen und im anschließenden Walzwerk zerdrückt werden.
Typische Kristallitgröße: wenige Mikrometer (keine weitere Zermahlung)
Allerdings fallen oft Dezimeter große Klumpen an, die im Kollergang mühlsteinähnlich zermahlen und im anschließenden Walzwerk zerdrückt werden.
Welche drei Arten der Formgebung gibt es?
Nassformgebung:
Feuchteghalt: > 25%
Schlicker in Formen gegossen oder auf Bändern zu Folie.
Feuchtformgebung:
Feuchteghalt: 5-25%
Knetbare Massen mittels Pressen/Spritzgießen (Spriztguss mit 40-60% Kunststoffen)
Trockenformgebung:
Feuchtegehalt: < 5%
Pulver-Granulate durch axiales/isostatisches Pressen geformt.
Feuchteghalt: > 25%
Schlicker in Formen gegossen oder auf Bändern zu Folie.
Feuchtformgebung:
Feuchteghalt: 5-25%
Knetbare Massen mittels Pressen/Spritzgießen (Spriztguss mit 40-60% Kunststoffen)
Trockenformgebung:
Feuchtegehalt: < 5%
Pulver-Granulate durch axiales/isostatisches Pressen geformt.
Wie funktioniert der Schlickerguss und welche zwei Arten gibt es?
Eine Suspension (25-35% feucht) wird durch eine poröse, wassersaugende Form Wasser entzogen und so Scherben (feste Form) gebildet.
Hohlgussverfahren (Innenkontur der Form) [oben]
Kerngussverfahren (Form komplett gefüllt) [unten]
Hohlgussverfahren (Innenkontur der Form) [oben]
Kerngussverfahren (Form komplett gefüllt) [unten]
Was sind Vor/Nachteile von Schlickerguss?
Vorteile:
Nachteile:
- Hohe Stückzahlen möglich
- mittlere Präzision (wenig Nacharbeit)
- geringe Werkzeugentwicklungskosten (1-5T€)
Nachteile:
- Formen verschleißen schnell
- schlechte Oberflächengüten,
- langwieriger Rücktrocknungsprozess (bis 3 Tage)
- sensible Prozesswasserführung
Was wird durch Foliengießen hergestellt und wie läuft der Prozess ab? (G)
Herstellung großflächiger dünner keramischer Substrate (dicke von 25 Mikrometer bis 1,5 mm).
Mögliche Bauteile:
Keramisches Pulver wird in organischen/wässrigen Lösungen mit Bindern, Verflüssigern und Plastifizierern dispergiert.
Auf ein Stahlband gegossen und getrocknet.
Mögliche Bauteile:
- Kondensatoren
- piezoelektrische Bauteile
- Halbleiter
- Wärmetauscher
Keramisches Pulver wird in organischen/wässrigen Lösungen mit Bindern, Verflüssigern und Plastifizierern dispergiert.
Auf ein Stahlband gegossen und getrocknet.
Was sind Vor/Nachteile vom Strangpressen?
Vorteile:
Nachteile:
- kontinuierliche Produktion möglich
- fast vollständig automatisierbar
Nachteile:
- Mundstücke und Schnecken verschleißen schnell
- mittlere Oberflächengüten
- mittlere Präzision (Nacharbeit erforderlich)
- mittlere Werkzeugentwicklungskosten (20-50T€)
- Verzug beim Trocknen und Brennen
- nur recht einfache Geometrien möglich
Wie werden die Massen für das Strangpressen plastifiziert und was ist bei ihrer Bearbeitung zu beachten?
Plastifizierung erfolgt...
Die Extrusion führt zu Texturen in den Teilen.
Dabe ist zu beachten das S-förmige Makrotexturen meist zur Zerstörung der Bauteile führen.
- bei ton/kaolinhaltigen Massen durch Wasser
- bei oxidischen/nichtoxidischen Massen durch Bindersysteme
Die Extrusion führt zu Texturen in den Teilen.
Dabe ist zu beachten das S-förmige Makrotexturen meist zur Zerstörung der Bauteile führen.
Welche Arten von Entbindern, für den Spritzgießprozess, gibt es und wie funktionieren sie?
Entbindern bedeutet die Binder/Plastifizierer aus dem Grünkörper auszutreiben. (Wichtig für die Verarbeitung)
Thermisch:
Verdampfen, Oxidieren
Lösen:
in organischen Lösungsmitteln, in Wasser, in CO2 unter Hochdruck
Kapillar:
durch Heraussaugen des geschmolzenen Kunststoffs
Thermisch:
Verdampfen, Oxidieren
Lösen:
in organischen Lösungsmitteln, in Wasser, in CO2 unter Hochdruck
Kapillar:
durch Heraussaugen des geschmolzenen Kunststoffs
Welche zwei Arten der Trockenformgebung gibt es?
Was sind ihre Eigenschaften?
Was sind ihre Eigenschaften?
Trockenformgebung bei 0-5% Wassergehalt.
Axiales Trockenpressen:
Isostatisches Trockenpressen:
Axiales Trockenpressen:
- Stempelpressen
- Druck 50-600 MPa
- einfache Geometrien
- keine Hinterschneidungen
- gute Maßhaltigkeit
Isostatisches Trockenpressen:
- Flexible Gummimatrizen
- Druck bis 300 MPa
- komplexe Formen
- starker Verzug
Welche Vorgänge umfasst der Begriff Sintern?
Zum Sintern gehören alle physikalisch-chemischen Vorgänge in einem Formkörper. (Kinetik der Konsolidierung)
Beispiel:
Beispiel:
- Wärmebehandlung (unterhalb Schmelzpunkt)
- Verringerung Porenvolumen durch Schwindung
- Verfestigung durch Sinterhalsbildung/Korngrenzen
Welche vier Arten von Energie stehen für die atomaren Transportmechanismen zur Verfügung?
- Chemische Energie + Erniedrigung des chemischen Potenzials + Grund: Reaktion, Oxidation, Korrosion...
- Elastische Energie (Verzerrungsenergie) + Erniedrigung des elastischen Potenzials + Grund: Ausheilen von Gitterdefekten/Spannung/Dehnung
- Oberflächenenergie + Grund: Erniedrigung der Gesamtoberfläche
- Grenzflächenergie + Grund: Verringerung der Granzflächen (Kornwachstum)
Was gilt für das Kornwachstum nach dem Prinzip der Verdampfung und Kondensation?
Es entstehen entweder kugelige Teilchen (Minimierung der Oberflächenenergie durch geringste Fläche).
Oder es bilden sich facettierte Kristalle (Minimierung der Oberflächenenergie durch niedrigenergetischste Kristallfläche).
Oder es bilden sich facettierte Kristalle (Minimierung der Oberflächenenergie durch niedrigenergetischste Kristallfläche).
: spezifische Oerflächenergie
: Atomvolumen, Leerstellenvolumen
Inwiefern gleichen sich Gesetzmäßigkeiten und Triebkraft der Transportmechanismen "Verdampfung und Kondensation", "Oberflächendiffusion" und "Korngrenzendiffusion"?
Es gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten.
Die Triebkräfte sind unterschiedlich:
Die Triebkräfte sind unterschiedlich:
| Mechanismus | Triebkraft |
| Verdampfung und Kondensation | Dampfdruckunterschied |
| Oberflächendiffusion | Oberflächenspannung |
| Korngrenzendiffusion | Grenzflächenspannung |
-Gesetz genannt.
Was verhindert die plastische Verformung von Keramik? (G)
Es verhindern:
die plastische Verformung
- hohe Bindungsstärken
- lokalisierte Elektronen (Ionen, Orbitale)
- große Verschiebungsdistanzen (Burgers-Vektoren)
- niedrige Kristallsymmetrien (geringe Anzahl Gleitrichtungen (von-Mises-Kriterium)
die plastische Verformung
ab.
: allgemeine Länge
: allgemeine Spannung
Wie lauten die 5 Grundannahmen der Bruchstatistik?
- Die Bruchfestigkeit (spröder Festkörper) ist statistisch verteilt (Gefügeinhomogenitäten).
- Körper verhält sich bis zum Bruch linear elastisch.
- Der Bruch geht von Oberflächen-oder Volumenfehlern aus.
- Versagensrelevant sind ausschließlich Zugspannungen.
- Die Festigkeit ist durch die schwächste Stelle bestimmt.
Was ist die Theorie hinter der Weibull-Statistik?
„Modell des schwächsten Gliedes“
Prinzip: Kette
Gesamte Kette versagt, wenn das schwächste Glied bricht.
Es gibt keine Wechselwirkung der Glieder (Defekte) untereinander.
Das Bauteil wird in kleine Volumenelemente zerlegt. Versagenswahrscheinlichkeit des Gesamtkörpers ist bestimmt durch Versagenswahrscheinlichkeit jedes einzelnen Volumenelementes.
Prinzip: Kette
Gesamte Kette versagt, wenn das schwächste Glied bricht.
Es gibt keine Wechselwirkung der Glieder (Defekte) untereinander.
Das Bauteil wird in kleine Volumenelemente zerlegt. Versagenswahrscheinlichkeit des Gesamtkörpers ist bestimmt durch Versagenswahrscheinlichkeit jedes einzelnen Volumenelementes.
Was sind die 6 Schritte der Weibull-Statistik?
1. Bruchspannungen (Biege/Zugversuch) bestimmen. (Probe 1-n)
2. Bruchwahrscheinlichkeiten zuordnen (Festigkeitswerte nach Größe ordnen)
3. Weibull-Gleichung zweimal logarithmieren
4. Erstellen des doppelt logarithmischen „Weibull-Diagramms“
5. Graphische Ermittlung der Weibull-Parameter
6. Entlogarithmierung
2. Bruchwahrscheinlichkeiten zuordnen (Festigkeitswerte nach Größe ordnen)
3. Weibull-Gleichung zweimal logarithmieren
4. Erstellen des doppelt logarithmischen „Weibull-Diagramms“
5. Graphische Ermittlung der Weibull-Parameter
6. Entlogarithmierung
Über welche Mittel kann man die Gefügefehler beherrschen?
- Verwendung hochreiner Pulver (99,9..... %)
- Verwendung extrem feiner Pulver (< 10 μm)
- Sorgfältige Aufbereitung (« 1 μm)
- Sorgfältige Formgebung
- Kontrolle des Sinterprozesses: + Vermeidung von Kornwachstum + geringe Restporosität + Vermeidung von Porenwachstum
- Sorgfältige Endbearbeitung
Worauf zielen Verstärkungsmechanismen ab und welche Strategien gibt es?
Alle Verstärkungsmechanismen zielen darauf ab, die Bruchenergie eines Werkstoffes durch entsprechende Gefügeoptimierung zu erhöhen.
Strategien:
Die meisten führen zu einem mehrphasigen Gefüge, also Dispersionskeramiken bzw. Verbundwerkstoffe.
Strategien:
- Bruchfläche erhöhen
- Riss ablenken
- Riss stoppen
- Rissflanken zusammenhalten
- Zugspannungen abbauen
- Druckspannungen aufbauen
Die meisten führen zu einem mehrphasigen Gefüge, also Dispersionskeramiken bzw. Verbundwerkstoffe.
Wie kann man beispielsweise die Zugpspannung in einem Gefüge minimieren? (G)
Indem man mehr Poren einbaut.
Ausgehend von einem atomar scharfen Riss wird die Spannung um einige Zehnerpotenzen erniedrigt wenn er auf eine Pore trifft.
Wichtig: Der E-Modul sinkt! Außerdem darf der Porendurchmesser nicht die kritische Länge erreichen!
Ausgehend von einem atomar scharfen Riss wird die Spannung um einige Zehnerpotenzen erniedrigt wenn er auf eine Pore trifft.
Wichtig: Der E-Modul sinkt! Außerdem darf der Porendurchmesser nicht die kritische Länge erreichen!
Wie funktioniert die Partikelverstärkung/Rissfrontbiegung?
Energie verbrauchender Schritt: Aufbau einer Gegenspannung (Linienspannung) in Gegenrichtung zur Rissausbreitung.
Voraussetzung: Riss bleibt an der Teilchenkette
hängen (baucht sich bei weiterer Lasterhöhung nur zwischen den Partikeln aus).
Voraussetzung: Riss bleibt an der Teilchenkette
hängen (baucht sich bei weiterer Lasterhöhung nur zwischen den Partikeln aus).
).
: unkritisch, immer unter R-Kurve.
: Rissfortschritt von 
bis 
.
: oberhalb R-Kurve, katastrophaler Bruch.
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Author: fcfan
Main topic: Werkstoffkunde
Topic: Werkstoffkunde Kunststoffe
School / Univ.: RWTH Aachen
Published: 11.02.2019
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