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1KLS Materialwissenschaft
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3Materialwissenschaft Éder Cícero Adão Simêncio
42016 von Editora e Distribuidora Educacional S.A. Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieser Veröffentlichung darf ohne vorherige schriftliche Genehmigung des Herausgebers und Vertriebspartners in irgendeiner Form oder auf andere Weise, elektronisch oder mechanisch, einschließlich Fotokopieren, Aufzeichnen oder einer anderen Art von Informationsspeicher- und Übertragungssystem, reproduziert oder übertragen werden. Educacional SA Präsident Rodrigo Galindo Bachelor-Akademischer Vizepräsident Mário Ghio Júnior Akademischer Rat Dieter S. S. Paiva Camila Cardoso Rotella Emanuel Santana Alberto S. Santana Lidiane Cristina Vivaldini Olo Cristianendra Lisa Danna Danielly Nunes Andrade Noé Ana Lucia Jankovic Barduchi Grasiele Aparecida Lourenço Paulo Heraldo Costa do Valle Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Technischer Korrektor João Carlos dos Santos Herausgeber Emanuel Santana Lidiane Cristina Vivaldini Olo Cristiane Lisandra Danna André Augusto de Andrade Ramos Erick Silva Griep Adilson Braga Quellen Diogo Ribeiro Garcia egtb Herausgeber International Cataloging Data in Publication (CIP) S588c Simêncio, Éder Cícero Adão Materialwissenschaft / Éder Cícero Adão Simêncio. Londrina: Editora e Distribuidora Educacional S.A., p. ISBN-Materialien. I. Titel. CDD Editora e Distribuidora Educacional S.A. Avenida Paris, 675 Parque Residencial João Piza CEP: Londrina PR editora.educacional@kroton.com.br Homepage:
5Inhalt Einheit 1 Atomstruktur und chemische Bindungen Abschnitt Einführung in die Materialwissenschaft Abschnitt Klassifizierung von Materialien Abschnitt Das Atom und seine Struktur Abschnitt Chemische Bindungen und intermolekulare Kräfte Einheit 2 Kristallstrukturen Abschnitt Kristallstrukturen Abschnitt Kristallsysteme Abschnitt Kristallunvollkommenheiten Abschnitt Diffusion Einheit 3 Eigenschaften von Materialien Abschnitt Abschnitt „Eigenschaften metallischer Materialien“ Abschnitt „Eigenschaften keramischer Materialien“ Abschnitt „Eigenschaften polymerer Materialien“ Abschnitt „Eigenschaften von Verbundwerkstoffen“ Einheit 4 Abschnitt „Materialverarbeitung und Leistung“ Abschnitt „Verarbeitung und Leistung metallischer Materialien“ Abschnitt „Verarbeitung und Leistung keramischer Materialien“ Abschnitt „Verarbeitung und Leistung polymerer Materialien“ Verarbeitung und Leistung von Verbundwerkstoffen
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7Worte des Autors Willkommen zur Einführung in das Studium der Materialwissenschaften. In diesem Buch erfahren Sie, dass diese Wissenschaft aus dem Bedürfnis des Menschen entstand, Materialien zur Verfügung zu haben, die er in bestimmten Projekten anwenden konnte, was folglich eine technologische und soziale Entwicklung ermöglichte. Das Hauptziel dieser Studie besteht darin, Ihnen zu helfen, die wichtigen Zusammenhänge zwischen chemischen Strukturen, Verarbeitung, Eigenschaften und Leistung eines Materials zu verstehen. Wenn Sie diese Beziehungen verstehen, können Sie geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auswählen, um die erwarteten Leistungsmerkmale sowohl hinsichtlich der Service- als auch der Verarbeitungseigenschaften zu erfüllen. Das Buch ist wie folgt aufgebaut: In Einheit 1 befassen wir uns mit einigen historischen und mit der Zusammensetzung von Materialien zusammenhängenden Aspekten, d große Gruppen. In Einheit 2 werden die wichtigsten kristallinen Strukturen verschiedener Materialtypen und ihre kristallinen Systeme sowie die Arten von Unvollkommenheiten oder strukturellen Defekten vorgestellt, die bei der Festkörperdiffusion wichtig sind. In Einheit 3 lernen wir die wichtigsten Eigenschaften von Metall-, Keramik-, Polymer- und Verbundwerkstoffen kennen. In Einheit 4 schließen wir unser Studium mit der Leistungsfähigkeit und Verarbeitung verschiedener Materialklassen ab. Das Studium der vier Unterrichtseinheiten in diesem Buch umfasst daher die vier Säulenkomponenten der Materialwissenschaft. Bei der Entwicklung dieses Lehrbuchs und der anderen Materialien dieser Disziplin wurde die aktive Lernmethode „Flipped Classroom“ oder „Inverted Room“ verwendet. Bei dieser Methodik sind Sie als Student der Protagonist und Mittelpunkt des Lehrprozesses, der Ihnen ein aktives, integratives und forschendes Lernen ermöglicht. Nutzen Sie dieses Material sinnvoll, da es über einige Eigenschaften verfügt, die Ihr Lernen beschleunigen werden, wie z. B. Dialogsprache, interaktive Links, aktualisiertes und interdisziplinäres Material. Gutes Studium und ein tolles Semester. Menschen werden nicht im Schweigen geschaffen, sondern in Worten, in der Arbeit, in der Tat-Reflexion. (Paulo Freire)
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9Einheit 1 Atomstruktur und chemische Bindungen Einladung zum Lernen Liebe Studierende, willkommen zu unserer ersten Einheit des Materialwissenschaftslehrbuchs. In diesem Buch werden Sie in das Universum der grundlegenden Eigenschaften, Eigenschaften und Anwendungen verschiedener Arten von Materialien eingeführt, die in verschiedenen Ingenieurprojekten verwendet werden: Mechanik, Produktion, Bauwesen, Chemie und andere Wissensgebiete. Wenn Sie diese Wissenschaft verstehen, können Sie die Natur von Materialien verstehen, sodass Sie intelligente Entscheidungen darüber treffen können, welche Materialien für eine bestimmte Anwendung angesichts der Leistungs- und Verarbeitungseigenschaften am besten geeignet sind. Lassen Sie uns nun ein wenig darüber nachdenken: Welche Materialien werden in der Industrie am häufigsten verwendet und sind Teil unseres täglichen Lebens? Es ist ganz einfach: Sie lesen dieses Material und schauen auf einen Computerbildschirm, ein Tablet oder ein Smartphone, und diese Komponenten bestehen aus mehreren Teilen, die aus Kunststoff bzw. Polymeren bestehen. Aber obwohl Polymere schon seit Jahrzehnten bekannt sind, sind sie keine so alten Materialien. Wenn Sie nun in die Vergangenheit reisen, werden Sie feststellen, dass Holz, Steine und Metalle von Anfang an verwendet wurden und für die Entwicklung von Zivilisationen sehr wichtig waren, so sehr, dass Anthropologen historische Zeiten anhand der von verschiedenen Zivilisationen verwendeten Materialien definieren, z wie der Steinzeit, Kupfer, Bronze und Eisen. In der heutigen Welt ist die Innovation und Entwicklung neuer Materialien eine der großen Herausforderungen für Wissenschaftler und Forscher. Sollen wir unsere Herausforderungen beginnen? Sie sind frischgebackener Ingenieur und haben eine Traineestelle im Bereich Forschung und Entwicklung (F&E) beim Automobilhersteller Nintai gewonnen, einem japanischen Industriezweig, der seine Präsenz ausbauen will
10U1-Leistung auf dem brasilianischen Markt. Die Automobilindustrie ist ein Zentrum für die Entwicklung neuer Materialien, insbesondere von Materialien, die mechanische Beständigkeit mit Dichte kombinieren. In diesem ersten Schritt werden Sie in das Universum der Materialien eingeführt, später lernen Sie die verschiedenen Klassifizierungen kennen. Später werden Sie die Bedeutung der Atomstruktur und schließlich die Bedeutung chemischer Bindungen für Materialien verstehen. Aber das sind nur einige Beispiele. Als Leiter des Forschungs- und Entwicklungsbereichs von Nintai garantiere ich, dass wir noch viele weitere Herausforderungen haben werden, und ich frage Sie: Was wissen Sie über die Erforschung neuer Materialien? Verstehen Sie die Bedeutung der Chemie für Materialien? Kennen Sie die unterschiedlichen Eigenschaften von Polymeren, Keramiken und Metallen? Und Verbundwerkstoffe? Haben Sie schon einmal von dieser Materialklasse gehört? Dies ist erst der Anfang unserer Reise. Herzlichen Glückwunsch zu Ihrer Position und willkommen in unserem Team. Gut gemacht! 8 Atomstruktur und chemische Bindungen
11U1 Abschnitt 1.1 Einführung in die Materialwissenschaft Offener Dialog Die Materialwissenschaft ist eine relativ neue Wissenschaft. Das Angebot an Studiengängen wie Werkstofftechnik oder Technologen ist vor allem im Vergleich zu anderen Ingenieurdisziplinen neu. Der erste in Lateinamerika angebotene Studiengang für Werkstofftechnik liegt weniger als fünfzig Jahre zurück, während der erste in Brasilien angebotene Ingenieurstudiengang im Jahr 1699, im 17. Jahrhundert, auf Anordnung von Dom Pedro II. stattfand, so dass die Gebäude im kolonialen Brasilien nicht vollständig waren abhängig von den Ingenieuren, die aus Portugal kommen (BORGES; CANAS, 2005). In der Geschichte der Materialwissenschaften finden wir einige interessante Kuriositäten wie die Geschichte von Charles Goodyear und die Entdeckung des vulkanisierten Gummis, der die Produktion der ersten Reifen auslöste, sowie die Geschichte von Bibendum. Aber wer war Bibendum? Nun, das ist vielleicht keine so einfache Frage, aber Sie kennen ihn sicherlich, haben ihn schon einmal getroffen oder ihn einfach gesehen, als Sie irgendwo auf der Durchreise waren. Das ist richtig, Sie haben es bestimmt irgendwo gefunden. Um Ihnen bei Ihrer Recherche zu helfen, diskutieren wir in diesem Abschnitt die historischen Perspektiven der Materialwissenschaften, definieren wichtige Begriffe wie Struktur und Eigenschaft, stellen Beispiele vor, die diese Begriffe in Beziehung setzen, und lernen die wichtigsten Arten von Materialien kennen. Wir werden auch sehen, dass die Verfügbarkeit und der Preis dieser Ressourcen oft entscheidende Faktoren in einem Projekt sind, ebenso wie die Verarbeitung und Leistung dieser Materialien. Nutzen Sie zusätzlich zu diesem Material die verschiedenen Basisbibliographien und Ergänzungsbibliographien, die in unseren Bibliotheken verfügbar sind, und erkunden Sie die Online-Zeitschriften, die Ihnen kostenlos zur Verfügung gestellt werden. Heute ist Ihr erster Tag in unserem Unternehmen. Als unser angehender Ingenieur haben Sie Kontakt zu unseren Forschern, die nach neuen Materialien und Innovationen in der Automobilindustrie suchen. Das Hauptziel dieser Studien ist die Vermarktung von Atomstrukturen und chemischen Bindungen 9
12Der brasilianische U1 ist ein Auto, das einige Unterschiede zu unseren Mitbewerbern aufweist, wie z. B. Sicherheit, geringere Kosten und geringer Kraftstoffverbrauch. An diesem ersten Tag befassen Sie sich mit den historischen Aspekten der Materialwissenschaft und identifizieren die wichtigsten Materialien, die von den Industrien unserer Branche verbraucht werden. Diese Umfrage ist wichtig, damit Sie sich mit unserem Arbeitsumfeld vertraut machen und über genügend Informationen verfügen, damit Sie uns in unserem wöchentlichen Treffen die Grundpfeiler der Materialwissenschaft und die wichtigsten Arten von Materialien vorstellen können, die wir bei Nintai verwenden. Nicht zu übersehen: Der Einsatz von Materialien ist seit Beginn der menschlichen Existenz berüchtigt. Man kann sich vorstellen, wie schwierig es war, in der Vorgeschichte zu überleben. Die ersten Menschen kannten eine begrenzte Anzahl von in der Natur verfügbaren Materialien wie Holz, Leder, Steine und Felsen. Somit fällt die Geschichte der Materialwissenschaft mit dem Fortschritt der Menschheit selbst zusammen. Wenn wir uns die antiken Zivilisationen ansehen, werden wir feststellen, dass die bekanntesten Namen, die sich auf diese Zeit beziehen, auf den Arten von Materialien basieren, die bei der Herstellung von Waffen und Werkzeugen verwendet wurden . In der Steinzeit wurden beispielsweise Steine und Felssplitter als Waffen eingesetzt, wie Sie in Abbildung 1.1 sehen können. Abbildung 1.1 Prähistorischer Speer und Messer aus Holz und Steinen Quelle: < Zugriff am: 4. Januar Bereits in der Kupferzeit, auch bekannt als Chalkolithikum (Stein + Kupfer), gibt es erste Spuren der Verwendung dieses Metalls in Waffen und Utensilien. Dieser Zeitraum reicht bis in die Zeit v. Chr. zurück. Abbildung 1.2 zeigt einige Beispiele für Waffen, die in dieser Zivilisationsperiode verwendet wurden. 10 Atomstruktur und chemische Bindungen
13U1 Abbildung 1.2 Speer und Messer aus der Kupfersteinzeit Quelle: < Zugriff am: 4. Januar In der Bronze- und Eisenzeit entdeckten unsere Vorfahren, wie sie ihre Waffen und Werkzeuge von besserer Qualität herstellen konnten als die aus Holz, Knochen und Steinen. Eine interessante Beobachtung ist, dass wir zwar nicht das Zeitalter der Keramik kennen, das Vorhandensein von Vasen und Krügen aus gebranntem Ton, die als Haushaltsgegenstände verwendet wurden, jedoch bereits seit v. Chr. bekannt ist. Mehr suchen Möchten Sie etwas mehr über die Geschichte der Zivilisationen und die Entwicklung von Materialien erfahren? Dann lesen Sie: NAVARRO, R. F. Die Evolution der Materialien. Teil 1: Von der Vorgeschichte bis zur Frühen Neuzeit. Electronic Journal of Materials and Processes, v. 1, nein. 1, S. 1-11, verfügbar unter: < pdf>. Zugriff am: 4. Januar Die Entdeckung und Entwicklung neuer Herstellungstechniken und neuer Materialien begleitete die Entwicklung der Gesellschaft. Auf diese Weise gelangen wir direkt ins 19. Jahrhundert, eine Zeit, die von wichtigen Forschungen und Entdeckungen in den Bereichen Chemie, Physik, Mathematik und Ingenieurwesen geprägt war. Es war diese Forschung, die uns die Grundlage für die verschiedenen technologischen Fortschritte lieferte, die wir im 20. Jahrhundert sahen und die wir heute im 21. Jahrhundert genießen. Möchten Sie ein Beispiel? Wenn wir die Reifen nicht hätten, wie würden Sie dann zur Arbeit, zur Uni und zu den lang ersehnten Urlaubsreisen fahren? Es wäre sicherlich nicht so schnell und bequem wie heute, und diese Leichtigkeit verdanken wir den ausführlichen Studien des Amerikaners Charles Goodyear, der nach jahrelanger Forschung und mit viel Beharrlichkeit eines Tages versehentlich eine Mischung aus Atomstruktur und Gummi fallen ließ chemische Bindungen 11
14U1 und Schwefel auf einer heißen Platte. Charles stellte fest, dass diese Mischung bei Kontakt mit der heißen Platte nicht schmolz. Auf diese Weise kam er zu dem Schluss, dass die Zugabe von Schwefel und Wärme den Gummi widerstandsfähiger machte, und untersuchte daher den Zusammenhang zwischen Temperatur und Erhitzungszeit, um einen Gummi von besserer Qualität, also einen undurchlässigen Gummi, zu erhalten. Natürlich wurden nach dieser Entdeckung weitere Studien durchgeführt und der gesamte Prozess, den wir als Vulkanisation kennen, verbessert und patentiert. Obwohl Charles Goodyear Inhaber mehrerer Patente war, führte er ein einfaches Leben mit finanziellen Schwierigkeiten und starb, ohne die Lorbeeren seiner Forschung zu ernten. Eine Kuriosität ist, dass das berühmte Reifenunternehmen, das den Nachnamen des Forschers trägt, Goodyear, eine Hommage an Charles ist. Ihre Kinder und Nachkommen waren nie Teil des Unternehmens. Nachdenken Lassen Sie uns innehalten und über die Worte dieses führenden Forschers nachdenken: Ein Mann hat nur dann Anlass zur Reue, wenn er sät und niemand erntet. Charles Goodyear Ich bin nicht bereit, mich darüber zu beschweren, dass ich gepflanzt habe und andere die Früchte gesammelt haben.“ Charles Goodyear Charles‘ Studien zur Vulkanisation förderten die Entwicklung duroplastischer Kunststoffe aus Naturkautschuk. Im Jahr 1856 patentierte der Engländer Alexander Parker Parkesin, den ersten synthetischen Stoff Kunststoff ersetzte Elfenbein. Unabhängig vom Wissensgebiet. In Frankreich betrieben die Brüder Édouard Michelin und André Michelin 1889 eine kleine Gummifabrik, als ein Radfahrer auftauchte, der eine Reparatur an seinem Fahrradreifen benötigte. Dabei Mal wurden die Reifen auf die Felge geklebt und diese Reparatur dauerte, glauben Sie mir, drei Tage, da der reparierte Reifen über Nacht trocknen musste. Deshalb war Édouard so begeistert, dass er seinen Bruder davon überzeugte, 12 Atomstrukturen und chemische Bindungen zusammenzustellen
15U1 entwickelte eine eigene Version von Reifen, die nicht auf die Felge geklebt werden mussten. 1891 patentierten die Michelin-Brüder abnehmbare Reifen und drei Jahre später, als er an der Weltausstellung in Lyon teilnahm, bemerkte Édouard, dass die Reifen in seinem Stand in der Form eines Mannes ohne Arme gestapelt waren, also Bibendum, die berühmte Michelin-Marionette geboren. (Abbildung 1.3). Abbildung 1.3 Michelin-Maskottchen, Bibendum Quelle: < Zugriff am: 4. Januar Do it yourself Die Geschichte der Materialwissenschaft wurde dank beharrlicher und mutiger Wissenschaftler geschrieben. Wie wäre es, wenn Sie über andere kuriose Geschichten aus diesem Universum recherchieren würden? Unter Materialwissenschaft versteht man die Untersuchung der Beziehung zwischen den Strukturen und Eigenschaften von Materialien. Wissenschaftler in diesem Bereich entwickeln oder synthetisieren neue Materialien, während die Aufgabe des Ingenieurs darin besteht, neue Produkte und Herstellungsverfahren unter Verwendung innovativer oder bereits bekannter Materialien mit vorgegebenen Eigenschaften zu entwickeln (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Es ist eine ziemliche Herausforderung! Heutzutage sind mehr Arten von Materialien bekannt, die uns für den Einsatz in den unterschiedlichsten Projekten zur Verfügung stehen, die wir uns vorstellen können (ASHBY; JONES, 2007). Zunächst muss jedoch definiert werden, was wir unter Struktur verstehen: Kurz gesagt bezieht sich die Struktur eines Materials auf die Anordnung seiner inneren Komponenten, von der atomaren Ebene und der Organisation der Atome von der Mikro- bis zur Makroskala (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Wir müssen auch definieren, was eine Materialeigenschaft ist: Im Allgemeinen handelt es sich um eine Eigenschaft des Materials im Hinblick auf die Stärke der Reaktion auf einen bestimmten Reiz, der auf das Material ausgeübt wird, beispielsweise auf Licht, das von einem polierten Metall reflektiert wird Oberfläche (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Materialeigenschaften werden in verschiedene Gruppen eingeteilt: mechanisch, elektrisch, optisch, thermisch und magnetisch. Atomstruktur und chemische Bindungen 13
16U1 am Beispiel: Die Reflexion von Licht auf einer Metalloberfläche ist eine optische Eigenschaft von Metall. Wenn wir unser brandneues Mobiltelefon katastrophal auf den Boden fallen lassen und der Bildschirm gesprungen oder die Ecken zerdrückt sind, sprechen wir von den mechanischen Eigenschaften der Materialien werden bei der Herstellung dieser Geräte verwendet. Diese Eigenschaften werden in Zukunft in unserem Lehrbuch besprochen und Sie können die Zusammenhänge zwischen den unterschiedlichen Reaktionen der Materialien und ihren jeweiligen Eigenschaften analysieren. Seien Sie versichert! Die Entwicklung und Erforschung neuer Materialien sichert uns ein angenehmeres Leben in puncto Lebensqualität. Könnten Sie in einer Welt ohne Internet, Technologien und ohne den Komfort Ihres Zuhauses leben? Es würde mir sicherlich schwer fallen, aber Tatsache ist, dass viele technologische Fortschritte uns eine längere und bessere Lebenserwartung beschert haben. Dank innovativer Materialien ist es uns gelungen, Sonnenenergie einzufangen und in Strom umzuwandeln, wir produzieren immer schnellere und sicherere Transportmittel und natürlich darf ich die Kommunikationsmittel und unser unverzichtbares Smartphone nicht vergessen. Diese Technologie ist jedoch nicht auf diese Studienrichtungen beschränkt. Im Gesundheitsbereich beispielsweise zeigt sich die Bedeutung von Materialien für orthopädische Prothesenprojekte, die früher aus Metallen, Holz und Kunststoffen hergestellt wurden und jetzt durch Kohlenstofffasern ersetzt werden . Wenn wir Nachrichten lesen, haben wir oft den Eindruck, wir wären in einem Science-Fiction-Film, aber die Realität ist, dass wir bereits 3D-Drucker für Stammzellen, Blutgefäße, Haut, Knorpel, Knochen und in naher Zukunft auch für den Druck haben von Organen. Abbildung 1.4 zeigt einen 3D-Drucker, der einen biologischen Prototyp druckt, während Abbildung 1.5 eine Herzklappengewebeprobe zeigt, die ebenfalls mit derselben Technologie gedruckt wurde. Abbildung 1.4 Biologisches Prototyping 3D-Drucker Quelle: < Zugriff: 5. Januar Atomstruktur und chemische Bindungen
17U1 Abbildung 1.5 Von einem 3D-Drucker hergestelltes Herzklappengewebe Quelle: < Zugriff am: 5. Januar Ich hoffe, Sie fragen sich an dieser Stelle: Wie ist es möglich, neue Materialien zu entdecken oder die bereits bekannten zu erneuern? Und wie können Sie Komponenten, Teile und Produkte herstellen, die den Anforderungen einer bestimmten Anwendung entsprechen? Wenn wir die Informationen interpretieren, die wir bereits haben, können wir den Schluss ziehen, dass die Nachfrage nach einem bestimmten Material aus dem Bedürfnis des Menschen resultiert. Anschließend ist es notwendig, die Struktur und Eigenschaften zu verstehen, damit wir zwei weitere sehr wichtige Komponenten untersuchen können , die Verarbeitung und Leistung dieser Materialien. . Abbildung 1.6 stellt die Grundprinzipien der Materialwissenschaft dar, auch bekannt als Tetraeder der Materialwissenschaft. Abbildung 1.6 Materialwissenschaftlicher Tetraeder Quelle: < Zugriff am: 5. Jan. Somit ist es möglich, die Zusammenhänge zu beobachten, die wir in einem Projekt zwischen Leistung/Kosten, Synthese/Verarbeitung, Struktur/Zusammensetzung und Eigenschaften berücksichtigen müssen. Sehen wir uns ein reales Beispiel dafür an, wie wichtig diese Beziehungen sind. Diamant und Graphit sind Materialien, die ausschließlich aus Atomen mit atomarer Struktur und chemischen Bindungen bestehen 15
18U1 Wasserstoff und Kohlenstoff, die sich nur in Bezug auf die Art der intermolekularen Bindung und die räumliche Anordnung, also die Struktur, unterscheiden. Es macht den Unterschied! Diamanten entstehen tief in der Erde unter extrem hohen Temperaturen und Drücken und haben unter anderem folgende Eigenschaften: hohe Festigkeit und Härte, ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und niedrige elektrische Leitfähigkeit. Graphit hingegen ist relativ weich, hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Abbildung 1.7 zeigt Diamant und Graphit mit ihren jeweiligen Atomstrukturen. Abbildung 1.7 Diamant, Graphit und ihre jeweiligen Atomanordnungen Quelle: < Zugriff am: 5. Januar Wie sieht es mit den Kosten dieser beiden Materialien aus? Sie sind genau das Gegenteil: Eine Frau würde niemals einen Verlobungsring mit Graphit akzeptieren. Wortschatz Nintai: Wort japanischen Ursprungs, das ins Portugiesische übersetzt bedeutet Ausdauer, Geduld und Ausdauer. Auszubildender: Auszubildender (train-ni) s m+f (Englisch) berufstätig, in der Regel ein frischgebackener Absolvent oder am Anfang seiner Karriere, der in einem bestimmten Unternehmen einen praktischen Lernprozess durchläuft. Keine Angst vor Fehlern Die Zeit vergeht wie im Flug, wenn wir beschäftigt sind, nicht wahr? Heute ist bereits unser erstes wöchentliches Treffen. Du bist unser neuster F&E-Auszubildender und Logo 16 Atomstruktur und chemische Bindungen
19U1 erhielt an seinem ersten Tag die Aufgabe, die historischen Aspekte der Materialwissenschaft zu untersuchen, die wichtigsten Materialien zu identifizieren, die wir hier in Nintai verwenden, und herauszufinden, welche Säulen diese Wissenschaft stützen. Deshalb hoffen wir, in Ihrer Präsentation zu finden, dass die Materialwissenschaft aus dem Bedürfnis des Menschen entstanden ist, neue Produkte zu schaffen, die unsere Lebensqualität irgendwie verbessern. Sie müssen verstehen, dass die Entwicklung eines neuen Produkts von der Disziplin, dem Engagement und der Ausdauer eines Wissenschaftlers abhängt und dass diese Verpflichtungen auf das akademische Leben übertragen werden müssen. Bei der Durchführung einer bibliografischen Untersuchung für Ihre Forschung sollte klar sein, dass diese Quellen glaubwürdig sein müssen, wie zum Beispiel: wissenschaftliche Artikel, die in internationalen und nationalen Fachzeitschriften, Standardbibliografien und Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. Übrigens, wie ist dein Englisch? Wir verfügen immer noch über viele bibliografische Referenzen im Bereich der Ingenieurwissenschaften, die in unserer Sprache nicht existieren. Die neuesten Forschungsergebnisse mit großer Bedeutung für das akademische Umfeld werden in internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht. Im Hochschulbereich ist es nicht akzeptabel, fertige Arbeiten anderer Studierender als Referenz zu verwenden oder Websites mit Inhalten zu verwenden, die sich an Oberstufenschüler richten. Sie haben diesen Schritt bereits geschafft. Während Ihres Studiums konnten Sie die wichtigsten Materialien identifizieren, die wir kennen und auch in einem großen Automobilhersteller verwendet werden: Metall-, Keramik-, Polymer- und Verbundwerkstoffe. Diese Materialien weisen sehr unterschiedliche Eigenschaften auf, die mit der Säule der Materialwissenschaft im Einklang stehen, und inzwischen sollten Sie bereits zu dem Schluss gekommen sein, dass es die Wechselbeziehung zwischen Verarbeitung, Struktur, Eigenschaften und Leistung ist, die es uns ermöglicht, mit einigen Materialien zu arbeiten die gleiche Zusammensetzung haben und so unterschiedliche physikalische, chemische Aspekte und Eigenschaften aufweisen. Während Ihres Studiums haben Sie nicht nur die Geschichten anderer Forscher kennengelernt, die zur Entwicklung von Materialien beigetragen haben, sondern auch verstanden, dass die Entwicklung eines neuen Produkts von Disziplin, Hingabe und Ausdauer abhängt. Und hängt davon nur die Entwicklung eines neuen Materials ab? Nein, das sind Verpflichtungen, die wir in unserem persönlichen, beruflichen und vor allem akademischen Leben eingehen können. Die technologische Entwicklung, die wir genießen, ist das Ergebnis langjähriger Forschung und des großen Engagements vieler Wissenschaftler. Die Lektion, die Sie gelernt haben müssen, ist, durchzuhalten. Aufmerksamkeit Wenn Sie wissen, wie Sie gute bibliografische Referenzen recherchieren und verwenden, wird Ihre Arbeit glaubwürdiger. Im Berufsleben eines Ingenieurs ist die Teilnahme an Besprechungen gängige Praxis. Wir müssen immer Projekte, Termine und Probleme abstimmen. Atomstruktur und chemische Bindungen 17
20U1 Merken Unter Materialwissenschaft versteht man die Untersuchung der Beziehung zwischen den Strukturen und Eigenschaften von Materialien. Weiterkommen Üben Sie mehr Unterricht. Wir fordern Sie heraus, das Gelernte in die Praxis umzusetzen, indem Sie Ihr Wissen auf neue Situationen am Arbeitsplatz übertragen. Machen Sie die Aktivitäten und vergleichen Sie sie dann mit Ihren Klassenkameraden. Einführung in die Materialwissenschaft. Kenntnisse über Konzepte, die es dem Studierenden ermöglichen, 1. Allgemeine Kompetenz geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, die den gewünschten Eigenschaften entsprechen. Artikulieren Sie bibliografische Übersichten und verfassen Sie einen Originaltext, identifizieren Sie die grundlegenden Eigenschaften von Materialien. 2. Polymere Lernziele, die in Zukunft vertieft werden, und untersuchen Sie die Zusammenhänge zwischen Verarbeitung, Struktur, Eigenschaften und Leistung. Analyse bibliografischer Quellen, technologische Entwicklung von 3. Verwandte Inhalte Materialwissenschaft, Identifizierung verschiedener Materialklassen und ihrer grundlegenden Eigenschaften. Sie sind Werkstoffingenieur und wurden für die Arbeit in einer Pflanzenölindustrie eingestellt. Derzeit wird die gesamte Ölproduktion in Glasflaschen abgefüllt. Aufgrund der instabilen Wirtschaft ist der Preis dieser Flaschen jedoch exponentiell gestiegen. Sie stehen vor der Herausforderung, eine Umfrage durchzuführen und ein neues Material vorzuschlagen, um die Glasflaschen, in denen Öle abgefüllt werden, zu ersetzen. Dieses Material darf keine Wechselwirkungen mit dem Produkt eingehen und beispielsweise den Geschmack verändern. Es muss sicher, widerstandsfähig und kostengünstiger sein. An dieser Stelle ist es auch wichtig, auf die Umweltauswirkungen dieses neuen Materials hinzuweisen, idealerweise sollte es wiederverwendet werden. Bei der bibliografischen Erhebung müssen Sie zuverlässige und seriöse Quellen im akademischen Umfeld vorlegen. Nach dieser Überprüfung kommt man zu dem Schluss, dass für diesen Zweck verschiedene Polymermaterialien verwendet werden, wobei der Schwerpunkt auf Polyvinylchlorid (PVC) liegt. PVC ist aufgrund seiner Vielseitigkeit eines der am besten untersuchten Polymere. Seine Anwendungen gehen über die Branche 5 hinaus. Lösung des Situationsproblems – unter anderem Schuhe, Verpackungen, Verbindungsschläuche. In diesem speziellen Fall ist PVC ungiftig und erfüllt die Erwartungen an das Produkt. Es handelt sich um ein unschädliches Material mit wünschenswerter Schlagfestigkeit, einem guten Aussehen und einem relativ kostengünstigen Material. Zusätzlich zu all diesen angesprochenen Punkten ist PVC ein zu 100 % recycelbares Material. 18 Atomstruktur und chemische Bindungen
21U1 Mehr suchen Der wissenschaftliche Artikel: Entwicklung von mit Kiefernresten verstärktem PVC als Ersatz für herkömmliches Holz in verschiedenen Anwendungen bietet weitere Informationen zu den verschiedenen Anwendungen dieses Kunststoffs. Dieser Artikel ist verfügbar unter: < arttext&pid=s &lng=pt&nrm=iso>. Zugriff am: 22. April Stellen Sie sicher, dass Sie Ihr Wissen erweitern! Machen Sie es wichtig 1. In der Menschheitsgeschichte ist es möglich, die Bedeutung verschiedener Materialien zu erkennen, und zwar so sehr, dass einige wichtige Zivilisationsperioden nach der Verwendung des Materials benannt werden. Abbildung 1.8 Haushaltsutensilien Quelle: < Zugriff am: 6. Januar Markieren Sie bei der Analyse der obigen Abbildung die richtige Alternative zur Zeit der Zivilisation: a) Dies ist die Zeit, die als Bronzezeit bekannt ist. b) Die Utensilien stammen aus der Kupferzeit. c) Die Abbildung bezieht sich auf Objekte aus der Kupfersteinzeit. d) Die präsentierten Objekte wurden von Archäologen gefunden und stellen die Eisenzeit dar. e) Die Abbildung zeigt Utensilien, die in der Steinzeit verwendet wurden. Atomstruktur und chemische Bindungen 19
22U1 2. Materialwissenschaft ist für Wissenschaftler und Ingenieure das, was eine Farbpalette für einen Künstler ist. So wie ein Maler verschiedene Gemälde schaffen kann, indem er verschiedene Farbtöne verwendet und erfindet, können Forscher verschiedene Materialien aus den Elementen des Periodensystems herstellen oder die Eigenschaften vorhandener Materialien ändern. Daher ist es richtig zu behaupten, dass die Grundprinzipien der Materialwissenschaft sind: a) Verarbeitung, Struktur, Eigenschaften und Leistung. b) Verarbeitung, Synthese, Struktur und Zusammensetzung. c) Verarbeitung, Eigenschaften, Leistung und Kosten. d) Synthese, Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften. e) Synthese, Struktur und Leistung. 3. Zur wissenschaftlichen Methodik erklären Lakatos und Marconi (2007): [...] Populäres Wissen unterscheidet sich vom wissenschaftlichen Wissen weder durch die Wahrhaftigkeit noch durch die Natur des bekannten Objekts: Was sie unterscheidet, ist die Form, der Modus oder das Methode und Instrumente des Wissens. Markieren Sie die richtige Alternative im Hinblick auf wissenschaftliche Forschung: a) Populäres Wissen unterscheidet sich von wissenschaftlichem Wissen durch die Richtigkeit der Informationen. b) Technologische Fortschritte sind das Ergebnis gelegentlicher Ereignisse im akademischen Umfeld. c) Wissenschaftliche Forschung trägt zur Verbesserung des menschlichen Lebens und zur technologischen Entwicklung bei. d) Wissenschaftliches Wissen unterscheidet sich vom populären Wissen durch die Herkunft des bekannten Gegenstandes. e) Die wissenschaftliche Methodik sieht keine Systematisierung von Ideen vor. 20 Atomstruktur und chemische Bindungen
23U1 Abschnitt 1.2 Klassifizierung von Materialien Offener Dialog Herzlich willkommen, heute absolvieren Sie eine weitere Woche hier bei uns als Auszubildender im Forschungs- und Entwicklungslabor von Nintai Motors. Letzte Woche haben wir Sie gebeten, die Grundpfeiler der Materialwissenschaft zu erforschen: Verarbeitung, Struktur, Eigenschaften und Leistung, und Sie haben verstanden, wie wichtig die Wechselbeziehung zwischen diesen Komponenten ist, und Sie haben auch erkannt, dass eine bestimmte Eigenschaft eines Materials direkt davon abhängt im Zusammenhang mit seiner chemischen Struktur, Verarbeitung und Leistung. Ein Beispiel, das wir verwendet haben, waren Diamant und Graphit, erinnern Sie sich? Diese Materialien bestehen aus denselben chemischen Elementen, weisen jedoch unterschiedliche intermolekulare Bindungen und unterschiedliche Atomanordnungen auf und haben daher unterschiedliche Eigenschaften: Diamant beispielsweise ist das härteste Material, das wir kennen, während Graphit weich ist und sich leicht abnutzt. In dieser Studie haben Sie ein wenig über die Geschichte der Materialwissenschaft erfahren und gesehen, wie viel Zeit, Studium und Hingabe Forschung erfordert. Bei der Recherche für Ihre Präsentation haben Sie auch festgestellt, wie wichtig es ist, verlässliche bibliografische Referenzen wie Bücher, wissenschaftliche Artikel, die in Fachzeitschriften mit akademischer Anerkennung veröffentlicht wurden, renommierte Lehreinrichtungen und andere zu verwenden. Dieses Lernen wird sicherlich jedes Mal notwendig sein, wenn Sie einen neuen Job annehmen, recherchieren oder sogar etwas Neues über ein bestimmtes Thema lernen müssen. Genau wie jetzt wird Nintai einen Stand auf der Auto Show haben und wir müssen Innovationen einbringen. Derzeit bestehen die Böden unserer Mini-Autos aus Stahlblech, allerdings ist das Auto relativ schwer, was den Kraftstoffverbrauch erhöht. Sie müssen nach Alternativen suchen und uns einen Vorschlag für ein neues Material unterbreiten, das als Ersatz für Stahl für diese Anwendung verwendet werden kann. Für Sie ist es sehr wichtig, über die Eigenschaften dieses neuen Materials nachzudenken, wie zum Beispiel: Was sind die interessantesten Eigenschaften, die seinen Ersatz rechtfertigen? Wie wird dieses Material hergestellt? Dies sind Punkte, die Teil Ihres Vorschlags sein sollten. In dieser Einheit lernen Sie Konzepte kennen, mit denen Sie geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auswählen können, um die erwarteten Leistungsmerkmale sowohl hinsichtlich der Service- als auch der Verarbeitungseigenschaften zu erfüllen. Darin Atomstruktur und chemische Bindungen 21
24Nach U1-Forschung wird es auch notwendig sein, dieses neue Material kurz in die wichtigsten Metall-, Keramik-, Polymer- und Verbundwerkstofftypen einzuteilen. Fertig für die Arbeit? Wir nutzen die Gelegenheit, um Ihnen eine gute Recherche zu wünschen und einen Gedanken an den amerikanischen Chirurgen Marxwell Maltz zu hinterlassen: Das Leben ist voller Herausforderungen, die, wenn sie kreativ genutzt werden, zu Chancen werden. Das darf nicht fehlen. Es stehen Tausende von Materialien für den Einsatz in den unterschiedlichsten Anwendungen zur Verfügung, sei es im Bereich Technik, Gesundheit oder unserem täglichen Leben. Die meisten der uns bekannten Materialien werden anhand ihrer chemischen Zusammensetzung und interatomaren Bindungsstärken in drei Hauptklassen eingeteilt. Diese drei Klassifizierungen sind metallisch, keramisch und polymer. Es gibt jedoch einige Materialien, die eine Kombination aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien darstellen und zu sogenannten Verbundwerkstoffen führen. Abbildung 1.9 zeigt jeweils ein Beispiel für jeden Materialtyp: a) Metall, b) Keramik, c) Polymer und d) Verbundwerkstoff. Abbildung 1.9 Materialbeispiele Quelle: < < commons/f/f4/cattien_ceramic_bowl.png>;
25U1, dass Sie verstehen, wie wichtig es ist, sich mit der Atomstruktur und den Bindungen zwischen Atomen zu befassen. Metalle sind gute elektrische Leiter, weil sie über viele freie Elektronen verfügen, das heißt, Elektronen können sich frei von einem Atom zum anderen bewegen. Die leichte Beweglichkeit dieser freien Elektronen macht Metalle auch zu guten Wärmeleitern. Abbildung 1.10 zeigt Kupfer, das in der Natur vorkommt und bereits zu Draht verarbeitet wird. Abbildung 1.10 Natives Kupfer und Kupferdraht Quelle: < und < commons/1/19/lautsprecherkabel_makro_nah.jpg>. Zugriff am 28. September Assimile Nach der Verarbeitung wird Kupfer (Zusammensetzung/Struktur) bereits in Form von Drähten als elektrischer Leiter (Eigenschaften) in elektrischen Netzwerken (Leistung) verwendet. Haben Sie gesehen, wie es möglich ist, die Grundlagen der Materialwissenschaft zu erkennen? Keramik wird traditionell als anorganisches festes Material definiert, das aus metallischen und nichtmetallischen Elementen besteht. Die meisten davon sind: Oxide wie Aluminiumoxid, besser bekannt als Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ); Nitride wie Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ) und Karbide wie Siliziumkarbid (SiC). Zement und Glas sind Beispiele für traditionelle Keramikmaterialien und werden aus Tonmineralien und relativ einfachen Herstellungsverfahren hergestellt. Was ihre Eigenschaften angeht, weisen Keramiken im Allgemeinen eine geringe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Härte, Beständigkeit und Sprödigkeit auf. Allerdings gibt es bereits Studien mit diesen Materialien, die die Bruchfestigkeit deutlich verbessern. Darüber hinaus können Keramiken je nach Verarbeitung dicht oder leicht, transparent, durchscheinend oder undurchsichtig sein (ASKELAND; WRIGHT, 2014). Im Vergleich zu Metallen und Polymeren sind Keramikmaterialien widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen und raue Umgebungen. Sehen wir uns also ein Beispiel für die Anwendung dieser Materialien unter diesen extremen Bedingungen an: den Einsatz beim Bau von Raumfähren und Flugzeugen. Zu diesen Anwendungen gehören Wärmeschutzsysteme in Raketenabgaskegeln, Isolierplatten für Space-Shuttles, Triebwerkskomponenten und Beschichtungen. Atomstruktur und chemische Bindungen 23
26U1-Keramik ist in das Windschutzscheibenglas vieler Flugzeuge eingebettet. Diese Beschichtungen sind klar und leiten Elektrizität, um das Glas bei Nebel und Eis klar zu halten. Keramikfasern werden als Wärmeisolatoren und Hitzeschilde gegen Brände in Flugzeugen und Raumfähren eingesetzt. Abbildung 1.11 zeigt die Raumfähre Discovery, die erstmals 1984 gestartet wurde und ihre letzte Mission im Jahr 2011 hatte, mit einem Wärmeschutzsystem, das Siliziumdioxid und andere Materialien nutzte. Abbildung 1.11 Space Shuttle Discovery Quelle: < und < en.wikipedia.org/wiki/space_shuttle_orbiter>. Access 28 Sep Das Wärmeschutzsystem von Discovery schützte Passagiere vor einer Kälte von -121 °C im Weltraum und einer Wiedereintrittstemperatur von °C in die Erdumlaufbahn. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wie wichtig die Entwicklung neuer Materialien ist. Mehr suchen Möchten Sie weitere Anwendungen von Keramikmaterialien in extremen Umgebungen kennenlernen? Lesen Sie den Artikel unter:
27U1 (Polyethylen), Duroplaste bzw. Duroplaste (Epoxidharz) und Elastomere (Neopren). Diese Materialien können natürlich vorkommende Materialien wie Gummi oder synthetische Materialien wie Polyvinylchlorid (PVC) sein. Eine der wichtigen Eigenschaften von Polymermaterialien ist ihre geringe Dichte, daher wird das Verhältnis zwischen ihrer spezifischen Masse und ihrer Steifigkeit mit metallischen und keramischen Materialien verglichen. Polymere haben sehr unterschiedliche Eigenschaften, das heißt, wir können ein hartes und sprödes Polymer und ein duktiles und flexibles Polymer haben. Bakelit beispielsweise ist ein hartes, zerbrechliches und wärmeisolierendes Polymer und wird aufgrund dieser Eigenschaften unter anderem bei der Herstellung von Griffen für Töpfe und Schalter verwendet. Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) ist ein flexibles und duktiles Polymer und wird häufig bei der Herstellung von Flaschen und Schläuchen verwendet. Wie andere Materialien sind Polymere für verschiedene technologische Anwendungen von großer Bedeutung und für bestimmte Anwendungen sehr attraktiv. Der ungezügelte Verbrauch dieser Materialien hat jedoch zu einem ernsthaften Umweltproblem geführt. Viele Kunststoffe sind nicht recycelbar und viele andere werden falsch entsorgt, was zu einer Ansammlung von Müll auf den Straßen, Flüssen, Wäldern und Ozeanen führt. Eine einfache Plastiktüte braucht in der Natur durchschnittlich 400 Jahre, um sich zu zersetzen. Wir können sehen, wie viel Plastik und anderer Müll an den Stränden landet (Abbildung 1.12). Abbildung 1.12 Meeresverschmutzung Quelle: < Zugriff am: 18. Januar Neben dem Problem der Umweltbelastung besteht ein weiterer Nachteil von Polymermaterialien in der Zersetzung bei relativ niedrigen Temperaturen. Atomstruktur und chemische Bindungen 25
28U1 Reflect Glauben Sie, dass es in unserem Land öffentliche Maßnahmen gibt, die das Recycling von Kunststoffen fördern? Wenn ja, sind sie effizient? Es ist Zeit, diese Reflexion anzustellen! Verbundstoffe Ein Verbundwerkstoff kann als die Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien definiert werden, von denen jedes seine spezifischen Eigenschaften hat, die zusammen ein neues Material mit Kombinationen von Eigenschaften ergeben, die bei einem isolierten Material nicht beobachtet werden. Das Ziel der Entwicklung eines Verbundmaterials besteht darin, ein neues Material zu erhalten, das die besten Eigenschaften der Materialien, aus denen es besteht, vereint. Diese Materialien sind durch die Kombination von Metallen, Keramik und Polymeren möglich. Der überwiegende Teil besteht aus einem Verstärkungsmaterial mit guter mechanischer Festigkeit und geringer Dichte, umgeben von einer Matrix aus Klebeharz, meist duktil oder hart, wie z. B. Epoxidharz (CALLISTER; RETHWISH, 2012). Veranschaulichen Sie, wie ein Verbundwerkstoff besser hergestellt wird. Der Link unten ist für ein Video, das zeigt, wie man aus Glasfaser und Harz eine Form aus einem Stück herstellt. Verfügbar unter: < watch?v=fcqo8t7zxmw>. Zugriff am: 18. Januar Glasfaser ist eines der klassischen Beispiele für Verbundwerkstoffe, aber auch Beton und Reifen gehören zu dieser Art von Material. Glasfaser besteht aus kleinen Glasfasern, die von einem Polymerharz umgeben sind. Diese Art von Material wird als faserverstärkter Verbundwerkstoff bezeichnet. Beton ist ein Verbundwerkstoff, der durch Mischen von Zement (Matrix), Sand und Kies (Partikel) entsteht. Diese Art von Material wird als partikelverstärkter Verbundwerkstoff bezeichnet. Kohlenstoff/Epoxid ist als Strukturverbundwerkstoff bekannt, bei diesem Verbundtyp ist neben den Materialeigenschaften auch die geometrische Gestaltung der Strukturelemente äußerst wichtig. Abbildung 1.13 zeigt ein in der Luftfahrtindustrie verwendetes Carbon/Epoxid-Laminat, das aus überlappenden Lagen von mit Epoxidharz umwickelten Kohlefaserdecken hergestellt wird. In dieser Branche spielen Verbundlaminate eine wichtige Rolle als Ersatz für Metalllegierungen. Sie weisen hervorragende Eigenschaften wie Steifigkeit und mechanische Festigkeit auf und unterstützen außerdem hohe Betriebstemperaturen. 26 Atomstruktur und chemische Bindungen
29U1 Abbildung 1.13 Kohlenstoff-Epoxid-laminierter Strukturverbundwerkstoff. Quelle: vom Autor erstellt. Do it yourself Verbundwerkstoffe werden in den unterschiedlichsten Situationen eingesetzt. Führen Sie eine Suche durch und listen Sie andere Arten von Verbundwerkstoffen auf, die in der Textilindustrie verwendet werden. Fortschrittliche Materialien Die Suche nach neuen Materialien ist in der Materialwissenschaft unaufhörlich, sodass Materialien, die in Hochtechnologieanwendungen verwendet werden, als fortschrittliche Materialien bezeichnet werden. Normalerweise entstehen diese Materialien aus der Verbesserung einiger Eigenschaften bestehender Materialien und neuer Materialien, die eine hohe Leistung bieten. Fortschrittliche Materialien können in Halbleiter, Biomaterialien, intelligente Materialien und Nanomaterialien unterteilt werden. Halbleiter Halbleitermaterialien weisen Eigenschaften auf, die zwischen elektrisch leitenden und isolierenden Materialien liegen, beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit. Diese Materialien werden bei der Herstellung verschiedener Arten elektronischer Geräte verwendet, die in integrierten Schaltkreisen, Leistungsgeräten und optischen Sensoren verwendet werden (ASKELAND; WRIGHT, 2014). Halbleitermaterialien waren für die Revolution in der Elektronikindustrie von entscheidender Bedeutung und hatten direkte Auswirkungen auf unser Leben. Abbildung 1.14 zeigt Beispiele für integrierte Schaltkreise aus Halbleitermaterialien. Atomstruktur und chemische Bindungen 27
30U1 Abbildung 1.14 Mit Halbleitermaterialien hergestellte Schaltung Quelle: < Zugriff am: 19. Januar Biomaterialien Die sogenannten Biomaterialien sind Materialien, die im Allgemeinen aus vielen Komponenten bestehen und natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein können. Biomaterialien werden in medizinischen Anwendungen häufig verwendet, um natürliche Funktionen zu ergänzen, zu verbessern oder zu ersetzen. Zwei wichtige Eigenschaften dieser Materialien sind Ungiftigkeit und Kompatibilität mit Körpergewebe. Intelligente Materialien Intelligente Materialien sind revolutionäre Materialien, die ihre Eigenschaften durch externe Kontrollen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, pH-Wert oder Magnetfelder erheblich verändern. Grundsätzlich erfordert ein intelligentes Material einen Sensor, der für die Erkennung des Eingangssignals verantwortlich ist, und einen Aktor, der eine bestimmte Reaktions- und Angemessenheitsfunktion ausführt. Formgedächtnislegierungen, piezoelektrische Keramiken und magnetokonstriktive Materialien sind einige Beispiele für Materialien, die in Aktoren verwendet werden. Nanomaterialien Nanomaterialien sind Materialien, die metallische, keramische, polymere oder Verbundwerkstoffe sein können, die Strukturen im Nanometerbereich (10–9 nm) aufweisen und derzeit für Anwendungen in den Bereichen Gesundheit, Elektronik, Kosmetik, Textilien und Informationstechnologie untersucht werden. Keine Angst vor Fehlern Ein neuer Job ist immer eine große Herausforderung, nicht wahr? Der Direktor von Nintai versicherte, dass Sie vor vielen Herausforderungen stehen werden. In Zukunft werden wir an der Automobilausstellung teilnehmen und diese Woche waren Sie für die Erforschung möglicher Materialien verantwortlich. 28 Atomstruktur und chemische Bindungen
31U1, das als Ersatz für die Stahlbleche verwendet wird, die als Böden in unseren Mini-Autos verwendet werden. Was sind die interessantesten Eigenschaften dieses neuen Materials und was rechtfertigt seinen Ersatz? Wie wird dieses Material hergestellt? Im Rahmen dieser Forschung war es auch notwendig, dieses neue Material kurz in die Haupttypen Metall, Keramik, Polymer und Verbundwerkstoff einzuteilen. Nach dem Sammeln von Informationen und mehreren Umfragen ist es wichtig, dass Sie zu dem Schluss gekommen sind, dass der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Automobilen zunimmt und eine Realität ist, die wir bereits erleben. Eines der Materialien, die Stahlbleche ersetzen könnten, ist Carbon-Epoxid-Laminat. Dieses Material wird als Verbundmaterial klassifiziert. Mit Epoxidharz laminierte Verbundwerkstoffe sind Materialien, die im Vergleich zu Stahlblechen eine geringe Dichte aufweisen und gleichzeitig eine hervorragende mechanische Festigkeit und Härte sowie eine gute Leistung unter Ermüdungsbedingungen bieten. Es handelt sich um Materialien, die relativ hohen Temperaturen standhalten, eine gute chemische Beständigkeit und thermische Stabilität aufweisen. Die geringe Dichte dieser Materialien führt zu leichteren und damit im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch sparsameren Autos, was den Ersatz von Stahlplatten als Autoböden rechtfertigt. Achtung Der Artikel mit dem Titel: Thermografische Untersuchung von Aufprallschäden in kohlenstofffaserverstärkten Polymermatrixlaminaten von TARPANI, J. R. et al. präsentiert eine Studie über Verbundwerkstoffe, die in der Luftfahrtindustrie verwendet werden und mittels Infrarot-Thermografie bewertet wurden. Verfügbar unter: < =S >. Zugriff am: 20. Januar Diese Verbundmaterialien mit einer Polymermatrix verwenden ein Verstärkungsmaterial, in diesem Fall eine Kohlefaserdecke, die in eine Polymermatrix, das Epoxidharz, eingewickelt ist. Die Schichten der Kohlenstoffschicht sind in bestimmten Ausrichtungen angeordnet, sodass wir die gewünschten Eigenschaften haben, vor allem geringe Dichte und mechanische Schlagfestigkeit. Es könnten jedoch auch andere Verbundwerkstoffe verwendet werden, beispielsweise mit Kohlenstofffasern verstärkte thermoplastische Matrixlaminate, sogenannte PPS-C-Laminate. Mehr suchen Das Video im folgenden Link stellt die Herstellung von Verbundwerkstoffen vor. Verfügbar unter: < Zugriff am: 20. Januar Atomstruktur und chemische Bindungen 29
32U1 Der Einsatz von Verbundwerkstoffen ist nicht auf Branchen beschränkt, die echte Forschungs- und Innovationsentwicklungszentren sind, wie die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Hierbei handelt es sich um Materialien, die unter anderem in der Textilindustrie, im Tiefbau, bei der Reparatur und Verstärkung von Bauwerken, beim Bau von Viadukten, Fußgängerbrücken und Brücken sowie bei der Herstellung von Brillen verwendet werden. Herzlichen Glückwunsch zu den Schlussfolgerungen. Diese Herausforderung hat Sie dazu gebracht, erneut über die Säulen der Materialwissenschaft nachzudenken. Weiterkommen Üben Sie mehr Unterricht. Wir fordern Sie heraus, das Gelernte in die Praxis umzusetzen, indem Sie Ihr Wissen auf neue Situationen am Arbeitsplatz übertragen. Machen Sie die Aktivitäten und vergleichen Sie sie dann mit Ihren Klassenkameraden. Klassifizierung von Materialien Kenntnisse über Konzepte, die es dem Schüler ermöglichen, 1. Allgemeine Kompetenz geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, die den gewünschten Eigenschaften entsprechen. Wählen und identifizieren Sie Materialien mit geringer Dichte und guten mechanischen Eigenschaften, formulieren Sie in der Forschung gewonnene Informationen und beobachten Sie das Tetraeder der Materialwissenschaft. Aufbau, Eigenschaften, Verarbeitung und Leistung von 3. Materialbezogene Inhalte. Auswahl von Materialien mit geringer Dichte. Als Autoliebhaber haben Sie sich entschieden, die internen Komponenten Ihres Autos anzupassen, insbesondere die Anordnung der hinteren Lautsprecher. Einer Ihrer Freunde, der mit Ihnen zusammenarbeitet, hat Ihnen vorgeschlagen, ein Stück Holz zu bauen oder einen Tischler zu engagieren. 4. Beschreibung der Situation – Problem, wer diese Arbeit problemlos erledigen könnte. Allerdings beherrschen Sie die Tischlerkunst kaum und haben derzeit nicht genug Geld, um das Stück zu bestellen. Wie konnten Sie diese Anpassung vornehmen? Welches Material könnte verwendet werden? Bei einer Suche im Internet ist es möglich, mehrere Verbundwerkstoffe zu identifizieren, beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoffe, Holz selbst, das als natürlicher Verbundwerkstoff gilt, und Kohlefasern. In diesem Fall könnten wir Holz ausschließen, da wir weder das Geld haben, um den Auftrag zu bezahlen, noch die Kunst des Tischlerhandwerks beherrschen; Unsere 5. Möglichkeiten zur Fehlerbehebung sind Kohlefaserverbundwerkstoffe und Glasfaser. Wenn wir derzeit erforschen, wie Kohlefaserverbundwerkstoffe hergestellt werden, müssten wir ein Vakuum erzeugen, und der Herstellungsprozess ist komplizierter als der Glasfaserprozess. Fiberglas ist ein vielseitiges Material und wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Dieses Material wird häufig bei der Herstellung von Komponenten für Automobile verwendet. 30 Atomstruktur und chemische Bindungen
33U1 Vor Jahren war dieses Material in Formel-1-Autos weit verbreitet und wurde durch Kohlefaser ersetzt, da letztere eine höhere mechanische Beständigkeit aufweist. In unserem Auto ist Fiberglas das am besten geeignete Material. Zuerst müssen Sie die Abmessungen des Teils messen, das in das Auto eingebaut werden soll. Anschließend müssen Sie diese Maße in einen Schaumstoffblock einzeichnen, aus dem das Teil geschnitzt wird. Auf diesen Schaum wird ein Trennspray aufgetragen, anschließend wird das Harz aufgetragen und ruhen gelassen, bis es vollständig getrocknet ist. Dieser Schritt wird je nach zu verwendendem Harz und Herstellerangabe einige Male wiederholt. Zusätzlich wird die Glasfaser vom Harz durchtränkt und unter das trockene Harz gelegt. Glasfaser wird bis zur gewünschten Teildicke hinzugefügt. Abschließend wird eine glatte Schicht Glasfaserspachtel aufgetragen, die später geschliffen wird. Fiberglas ist ein leichtes, relativ kostengünstiges Material mit geringer Dichte, das eine gute mechanische Festigkeit und Schlagfestigkeit aufweist und das ideale Material für die Herstellung des Teils ist, das an Ihr Auto angepasst wird. Fiberglas kann in vielen anderen Anwendungen verwendet werden. Machen Sie es wichtig 1. Die Säule der Materialwissenschaft, auch als Tetraeder dieser Wissenschaft bekannt, stellt die Wechselbeziehung zwischen Verarbeitung, Struktur, Eigenschaften und Leistung dar. Basierend auf diesen Komponenten werden Materialien üblicherweise in vier große Gruppen eingeteilt. Sehen Sie sich die Alternative an, die die wichtigsten Materialklassifizierungen darstellt: a) Metalle, Keramik und Leiter. b) Metalle, Polymere, Keramik und Verbundwerkstoffe. c) Metalle, Keramik, Polymere und Elastomere. d) Laminate, Polymere, Metalle und Verbundwerkstoffe. e) Polymere, Elastomere, Verbundwerkstoffe und Laminate. 2. Keramische Materialien werden in verschiedenen Anwendungen verwendet, von einfachen Haushaltsgegenständen wie einer Tasse bis hin zur Verwendung als Abdeckung für Raumfähren. Markieren Sie die richtige Alternative, die diese Materialklasse am besten definiert: a) Es handelt sich um anorganische Feststoffe, die zwischen Metallatomen gebildet werden. b) Es handelt sich um feste organische Materialien, die zwischen Atomen von Metallen und Nichtmetallen gebildet werden. Atomstruktur und chemische Bindungen 31
34U1 c) Es handelt sich um anorganische Feststoffe, die zwischen metallischen Elementen und Edelgasen gebildet werden. d) Es handelt sich um anorganische Feststoffe, die zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen gebildet werden. e) Es handelt sich um feste organische Materialien, die zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen gebildet werden. 3. In einer der Perioden antiker Zivilisationen begann man, ein bestimmtes Material zur Herstellung von Waffen und Gebrauchsgegenständen zu verwenden, und heute wissen wir, dass diese Materialien etwa einem Viertel der Masse des Planeten entsprechen. Auf welche Materialklasse bezieht sich die Passage? a) Keramik b) Kunststoffe c) Halbleiter d) Verbundwerkstoffe e) Metalle 32 Atomstruktur und chemische Bindungen
35U1 Abschnitt 1.3 Das Atom und seine Struktur Offener Dialog Hallo, willkommen wieder zu unserem Studium der Materialwissenschaften. Als wir unsere Unterrichtseinheit begannen, sahen wir, dass die Materialwissenschaft auf dem Zusammenhang zwischen Zusammensetzung, Verarbeitung, Eigenschaften und Leistung basiert. Sie haben verstanden, dass es nicht möglich ist, ein neues Material zu entwickeln, ohne vorher über all diese Komponenten nachzudenken, und dass diese Entwicklung Disziplin, Konzentration und Hingabe erfordert, die wichtige Eigenschaften sind, die bei guten Studenten und guten Fachleuten zu finden sind. In einem zweiten Schritt erfuhren wir, dass Materialien in vier große Gruppen eingeteilt werden: Metalle, Keramik, Polymere und Verbundwerkstoffe. Kurz gesagt können wir sagen, dass Metalle Substanzen sind, die aus einem einzelnen metallischen Element oder aus mehr als einem metallischen Element bestehen, was wir als metallische Legierung bezeichnen. Keramische Materialien sind anorganische Feststoffe, die zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen gebildet werden. Polymere hingegen sind organische Verbindungen mit hoher Molekülmasse und langen Ketten, die durch Polymere gebildet werden, während Verbundstoffe als die Kombination von zwei oder mehr Materialien definiert werden, die zu bestimmten Eigenschaften führen. Ein Verständnis der Materialwissenschaften ermöglicht es Ihnen, geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, um die erwarteten Leistungsmerkmale zu erfüllen, sowohl hinsichtlich der Service- als auch der Verarbeitungseigenschaften. Aber jetzt frage ich Sie: Warum sind diese Materialien manchmal so unterschiedlich und weisen gegensätzliche Eigenschaften auf wie Metalle und Keramik? Die Antwort auf diese Frage liegt in der Untersuchung interatomarer Bindungen und der geometrischen Anordnung von Atomen. In diesem Abschnitt gehen wir jedoch kurz auf die Atomstruktur ein, um Ihnen eine solide Grundlage zu geben und so zu verstehen, wie sich die Atomstruktur auf die Eigenschaften, das Verhalten und die Anwendungen von Materialien auswirkt. Machen wir uns an die Arbeit: Diese Woche müssen wir im Rahmen des Projekts, das Nintai auf der Auto Show vorstellen wird, etwas mehr über die Atomstruktur verstehen. Sind Sie als unser F&E-Azubi bereit, uns den Aufbau eines Atoms zu erklären? Gibt es einen Unterschied zwischen Atomgewicht und Atommasse? Ist es in der Materialwissenschaft wichtig, alle Atommodelle zu studieren? Was Atomstruktur und chemische Bindungen 33
36Bedeutet U1, dass sich ein Atom im Grundzustand befindet? Am Ende dieses Abschnitts sollten Sie in der Lage sein, alle diese Fragen zu beantworten, damit wir die erste Komponente des Materialwissenschafts-Tetraeders verstehen können, die wir untersuchen werden: ZUSAMMENSETZUNG/STRUKTUR. Gutes Studium! Nicht zu übersehen: Ein Atom besteht aus einem sehr kleinen Kern, der von sich bewegenden Elektronen umkreist wird. Der Kern besteht aus subatomaren Teilchen, die Neutronen und Protonen genannt werden. Neutronen sind, wie der Name schon sagt, elektrisch neutrale Teilchen, während Protonen und Elektronen positive bzw. negative elektrische Ladungen tragen. Die von jedem Elektron und Proton getragene elektrische Ladung beträgt 1 Coulomb (C). An diesem Punkt ist es leicht zu verstehen, dass die Elektronen aufgrund der elektrostatischen Anziehung um den Kern herum verbleiben, das heißt, Protonen und Elektronen haben entgegengesetzte elektrische Ladungen, die sich gegenseitig anziehen. Protonen und Neutronen haben extrem kleine Massen in der Größenordnung von 1 kg, während Elektronen eine noch geringere Masse von 9 kg haben. Die Anzahl der Protonen im Kern wird als Ordnungszahl (Z) bezeichnet. Zum Beispiel hat ein Zinkatom 30 Protonen in seinem Kern, daher ist seine Ordnungszahl gleich 30. Es ist bemerkenswert, dass bei einem elektrisch neutralen Atom die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen ist, d. h Anzahl der Ladungen Positive Ladungen entsprechen der Anzahl negativer Ladungen und das Atom bleibt neutral. Abbildung 1.15 zeigt eine schematische Darstellung der Zusammensetzung eines Atoms. Abbildung 1.15 Schematische Darstellung eines Atoms Quelle: angepasst von < Zugriff am: 4. Februar Atomstruktur und chemische Bindungen
37U1 Ein weiteres wichtiges Konzept, das Sie in Ihrem Studium der allgemeinen Chemie sicherlich gehört haben, ist das der Atommasse (A). Die Atommasse ist die Gesamtmasse der Protonen und Neutronen, die sich im Atomkern befinden. Allerdings ist es in der Natur möglich, Elemente zu finden, die zwar die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben (ATKINS; JONES, 2006). In Abbildung 1.16 kann man beobachten, dass die drei Atome gemeinsam die gleiche Anzahl an Protonen (p), also die gleiche Ordnungszahl (Z), haben. Es handelt sich also um drei Atome des chemischen Elements Wasserstoff. Wasserstoffatome gibt es mit unterschiedlicher Neutronenzahl und das führt zu unterschiedlichen Atommassen. Diese Atome werden Isotope genannt. Abbildung 1.16 zeigt jeweils das Wasserstoffatom namens Protium mit nur einem Proton im Kern und der völligen Abwesenheit von Neutronen. In der Mitte der Figur befindet sich der Wasserstoff Deuterium, der im Kern ein Proton und ein Neutron besitzt. Und schließlich das Tritium-Wasserstoffatom mit einem Proton und zwei Neutronen im Kern. Abbildung 1.16 Schematische Darstellung von Wasserstoffatomen: Protium, Deuterium und Tritium Quelle: angepasst von < Zugriff am: 4. Februar Assimile-Isotope sind Atome desselben chemischen Elements mit derselben Ordnungszahl, d. h. derselben Anzahl an Protonen und unterschiedlichen Massen atomar. Nachdem man die Konzepte der Ordnungszahl und der Atommasse verstanden hat, wird es klarer, sich das Konzept des Atomgewichts anzueignen. Nach Callister und Rethwisch (2012) ist das Atomgewicht definiert als der gewichtete Durchschnitt der Massen natürlich vorkommender Isotope eines Atoms. Die atomare Masseneinheit (eins) wird durch das häufigste Isotop des Kohlenstoffatoms, Kohlenstoff 12 (C 12 ), definiert und entspricht 1/12 seiner Atommasse. Gleichung 1.1 stellt die Beziehung zwischen Atommasse (A), Ordnungszahl (Z) und Neutronen (N) dar. Atomstruktur und chemische Bindungen 35
38U1 A Z + N (1.1) Das Atomgewicht kann als Verhältnis von eins zu einem Atom oder Molekül ausgedrückt werden, wird jedoch oft als Masse (in Gramm) pro Mol Materie angegeben. Somit haben wir die Äquivalenz: 1 Atom/Atom = 1 g/mol. Die Anzahl der Atome oder Moleküle in einem Mol beträgt 6 und wird Avogadro-Zahl genannt. Werden wir die Anwendung dieser Konzepte sehen? In einem Mol Silber (Ag) mit der Ordnungszahl 47 haben wir 6 Atome und 107,87 g oder 107,87 amu. Berechnungen der Atommasse und der Avogadro-Zahl sind wichtig, um die Strukturen und Eigenschaften von Materialien besser zu verstehen. Beispiel: Ist es möglich, die Anzahl der Atome in einer 100-g-Probe Kupfer zu berechnen? Um dieses Problem zu lösen, müssen wir lediglich eine einfache Dreierregel aufstellen. Mithilfe des Periodensystems ermitteln wir den Atommassenwert von Kupfer von 63,55 g in 6 Atomen. Also berechnen wir einfach für 100 g: Anzahl der Cu-Atome = ( ).(, g Atome / mol ) 23 = 948, , 55 g / mol Do it yourself Jetzt ist es Zeit für Sie zu üben: Verwenden Sie das vorherige Problem als Leitfaden, Berechnen Sie die Anzahl der Atome in 100-g-Proben von Eisen und Silizium. Nachdem wir nun die atomare Zusammensetzung verstanden haben, werden wir die Bedeutung einiger Atommodelle für das Verständnis der Materialwissenschaften erkennen. Das Atommodell hat sich im Laufe der Zeit verändert. Seit Jahrhunderten beschäftigen sich mehrere Wissenschaftler mit der Erforschung des Atoms und haben verschiedene Modelle vorgeschlagen, die irgendwie dazu beigetragen haben, zum aktuellen Modell zu gelangen. Um die Eigenschaften von Materialien zu verstehen, wenden wir uns direkt dem Atommodell zu, das vom dänischen Physiker Niels Henrik David Bohr vorgeschlagen wurde, der für grundlegende Beiträge zum Verständnis der Atomstruktur verantwortlich ist und einer der Vorreiter der Quantentheorie ist. In Bohrs Atommodell bewegen sich Elektronen in eindeutigen und genau definierten Orbitalen um den Kern, wie in Abbildung 1.17 gezeigt, die eine Darstellung des Neonatoms (Ne) zeigt, dessen Ordnungszahl der Atomstruktur und den chemischen Bindungen entspricht
39U1 Abbildung 1.17 Bohr-Atommodell für das Neonatom (Ne) Quelle: angepasst von < Zugriff am: 5. Februar In diesem Modell ist es möglich, spezifische Energiewerte für Elektronen zu quantifizieren. Im Bohr-Modell kann das Elektron Energie absorbieren und einen Quantensprung auf ein zulässiges Niveau (Umlaufbahn) höherer Energie ausführen sowie durch Energieemission auf ein zulässiges Niveau niedrigerer Energie springen. Dieses Atommodell war der erste Versuch, das Verhalten von Elektronen in Atomen hinsichtlich ihrer Position und Energie zu beschreiben. Natürlich wurde das Bohr-Modell abgelöst, da es eine Reihe anderer elektronenbezogener Verhaltensweisen nicht erklären konnte. Später schlug Louis de Broglie das Dualitätsprinzip vor, das besagt, dass jedes Elektron sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften aufweist. In diesem Modell bewegt sich das Elektron nicht mehr wie ein Teilchen in einer bestimmten Umlaufbahn, sondern die Bewegung des Elektrons ist mit einer bestimmten Wellenlänge verbunden. Später formulierte Heisenberg das Unsicherheitsprinzip, das kurz und bündig besagt, dass es nicht möglich ist, die Position und Geschwindigkeit des Elektrons gleichzeitig zu bestimmen. Schließlich schlug Erwin Schrödinger 1926 die berühmte Schrödinger-Gleichung vor, mit der es möglich ist, die maximale Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Positionsbestimmung eines Elektrons zu berechnen (ATKINS; JONES, 2006). Mehr suchen Möchten Sie mehr über die Schrödinger-Gleichung erfahren, lesen Sie den Artikel mit dem Titel: Vier Alternativen zur Lösung der Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom. Verfügbar unter: < php?script=sci_arttext&pid=s >. Zugriff am: 5. Februar Zusätzlich zu der Gleichung, die es uns ermöglicht, die Wahrscheinlichkeit der Positionsbestimmung eines Elektrons zu berechnen, schlug Schrödinger vor, dass jedes Elektron durch eine Reihe von Atomstrukturen und chemischen Bindungen spezifiziert wird 37
40U1 von vier Parametern, die Quantenzahlen genannt werden. Diese Zahlen beschreiben den Zustand eines Elektrons, seinen Abstand vom Kern, seine räumliche Ausrichtung und die Art des Orbitals, in dem es sich wahrscheinlich befindet. Es gibt vier Quantenzahlen: Die Hauptquantenzahl (n) gibt den wahrscheinlichsten Abstand des Elektrons vom Kern, also das Energieniveau, an und kann Werte gleich n = 1, 2, 3, 4, 5 annehmen. 6 und 7. Je größer der Wert von n, desto weiter ist das Elektron vom Kern entfernt und desto größer sind das Atom und das Orbital. Dies ist die einzige Quantenzahl, die mit Bohrs Atommodell verknüpft ist. Die zweite Quantenzahl oder Drehimpulsquantenzahl des Orbitals für jeden Wert von l gibt ein bestimmtes Energieunterniveau s, p, d und f an, das durch den Wert der Hauptquantenzahl begrenzt ist. Die dritte Quantenzahl oder magnetische Quantenzahl (ml) gibt die Anzahl der Orbitale und die Orientierung innerhalb der Unterschalen an. Bei einem Wert von l ist ml ein Bereich von l bis +l. Die Energiezustände (Orbitale) werden grafisch dargestellt durch. In den Energieunterebenen s, p, d und f gibt es jeweils einen, drei, fünf und sieben Energiezustände. Im Gegensatz zur dritten Quantenzahl ist die spinmagnetische Quantenzahl (ms) oder vierte Quantenzahl nicht von den anderen Quantenzahlen abhängig. Es bezeichnet die Spinorientierung jedes Elektrons, das einen Spin von +1/2 (dargestellt durch) oder -1/2 (dargestellt durch) haben kann. Beim Füllen der Orbitale ist es wichtig, die Hundsche Regel zu beachten, die besagt: Alle Elektronen mit Spin +1/2 müssen zuerst verteilt werden. Anschließend werden Elektronen mit einem Spin von -1/2 innerhalb des Orbitals gepaart. Um zu verstehen, wie man die verschiedenen elektronischen Zustände mit Elektronen füllt, ist es notwendig, ein anderes Quantenkonzept zu verwenden, das als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt ist. Nach diesem Prinzip hat jeder elektronische Zustand maximal zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins. Auf diese Weise halten die Energieunterniveaus s, p, d und f jeweils zwei, sechs, zehn und vierzehn Elektronen. Tabelle 1.1 zeigt die Energieunterniveaus, l, ml, die Anzahl der Orbitale, Elektronen pro Unterniveau und eine grafische Darstellung der Orbitale. Tabelle 1.1 Energieunterebenen und Bahndrehimpulsquantenzahlen (l) und magnetische Quantenzahl (m l ) Energieunterebene l m l Anzahl der Orbitale Elektronen pro Unterebene Grafische Darstellung der s-Orbitale p 1-1,0, d 2-2,- 1,0,+ 1, f 3-3,-2,-1,0,+1,+2, Quelle: vom Autor erstellt. Reflektieren Welche vier Quantenzahlen charakterisieren das Elektron mit der höchsten Energie im Stickstoffatom (Z=7)? 38 Atomstruktur und chemische Bindungen
41U1 Die Darstellung der Verteilung von Elektronen in Energieniveaus und Unterniveaus wird als elektronische Konfiguration bezeichnet. Im Allgemeinen wird die elektronische Konfiguration verwendet, um die Orbitale eines Atoms in seinem Grundzustand zu beschreiben, das heißt, wenn die Elektronen die niedrigstmöglichen Energieniveaus einnehmen. Viele physikalische und chemische Eigenschaften von Elementen hängen mit ihrer jeweiligen elektronischen Konfiguration zusammen. Valenzelektronen beispielsweise sind die Elektronen in der äußersten Schale (Energieniveau) und bestimmen die Einzigartigkeit jedes chemischen Elements. Die aufsteigende Reihenfolge der von Elektronen gefüllten Energieniveaus ist gleich: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d und 7p . Es ist jedoch nicht notwendig, sich diese Reihenfolge zu merken. Eine einfachere und einfachere Möglichkeit ist die Verwendung des Pauling-Energiediagramms. Denken Sie daran, dass Paulings Energiediagramm einer der Inhalte war, die im Kurs „Allgemeine und experimentelle Chemie“ behandelt wurden. Schauen Sie sich dieses Material an. Die elektronische Konfiguration jedes chemischen Elements ist für jede Position im Periodensystem einzigartig. Dabei wird das Energieniveau durch die Periode und die Anzahl der Elektronen durch die Ordnungszahl angegeben. Das Periodensystem ist ein unglaublich nützliches Werkzeug, in dem chemische Elemente nach Ordnungszahl, Elektronenkonfiguration und chemischen Eigenschaften geordnet sind. Diese Reihenfolge zeigt den periodischen Trend, die Elemente derselben Spalte weisen beispielsweise ähnliche Verhaltensweisen und Eigenschaften auf. Abbildung 1.18 zeigt ein modernes Periodensystem mit dem neuen, im Labor synthetisierten chemischen Element Unonium (Uuo) mit der Ordnungszahl 118. Abbildung 1.18 Modernes Periodensystem Quelle: < Zugriff am: 6. Februar Atomstruktur und chemische Bindungen 39
42U1 Das Periodensystem kann verwendet werden, um Beziehungen zwischen den Eigenschaften von Elementen zu ermitteln und die Eigenschaften neuer Elemente vorherzusagen, die noch nicht entdeckt oder synthetisiert wurden. Keine Angst, Fehler zu machen. Wir sind am Ende eines weiteren Tages angelangt, als Sie als unser F&E-Auszubildender von Nintai Automotive Industry aufgefordert wurden, wichtige Fragen für das zukünftige Verständnis der verschiedenen Materialien zu beantworten. Dazu begannen wir unsere Studien mit dem Atom und seiner atomaren Struktur, gingen Bohrs atomare und wellenmechanische Modelle, Quantenzahlen, elektronische Konfiguration und schließlich das Periodensystem durch. Nachdem Sie diese Themen studiert haben, sollten Sie antworten: Wie ist die Zusammensetzung eines Atoms? Gibt es einen Unterschied zwischen Atomgewicht und Atommasse? Ist es in der Materialwissenschaft wichtig, alle Atommodelle zu studieren? Was bedeutet es, wenn man sagt, dass sich ein Atom im Grundzustand befindet? An diesem Punkt können Sie bereits schlussfolgern: Das Atom besteht aus einem sehr kleinen Kern, der aufgrund der elektrostatischen Anziehung von sich bewegenden Elektronen umkreist wird. Dieser Kern besteht aus subatomaren Teilchen, die Neutronen und Protonen genannt werden. Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen, während Protonen und Elektronen positive bzw. negative elektrische Ladungen haben. Die Atommasse ist die Gesamtmasse der Protonen und Neutronen im Atomkern, während das Atomgewicht als gewichteter Durchschnitt der Massen der natürlich vorkommenden Isotope eines Atoms definiert ist. Isotope sind Elemente, die die gleiche Anzahl an Protonen und eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben. Alle Atommodelle haben in irgendeiner Weise dazu beigetragen, zum aktuellen Atommodell zu gelangen. In den Materialwissenschaften stechen vor allem die Untersuchung des Bohrschen Atommodells und des mechanischen Wellenmodells hervor. Diese Modelle sind wichtig für die Charakterisierung von Elektronen aus der Menge der vier Quantenzahlen. Quantenzahlen beschreiben den Zustand eines Elektrons, seine Entfernung vom Kern, seine räumliche Ausrichtung und die Art des Orbitals, in dem es sich wahrscheinlich befindet. Die Hauptquantenzahl (n) gibt den wahrscheinlichsten Abstand des Elektrons vom Kern an, die Bahndrehimpulsquantenzahl (l), die die Form des Orbitals bestimmt, die magnetische Quantenzahl (ml), die die Anzahl der Orbitale angibt und die Orientierung innerhalb der Unterebenen und die Spinmagnetquantenzahl (ms), die die Spinorientierung jedes Elektrons angibt. Wenn wir sagen, dass sich ein Atom im Grundzustand befindet, meinen wir, dass die Elektronen die niedrigstmöglichen Energieniveaus einnehmen. 40 Atomstruktur und chemische Bindungen
43U1 Mehr suchen Das Video unter dem Link unten bietet eine Erklärung zu Quantenzahlen. Verfügbar unter: < wiu0y2vi&list=plksgsmd1sk6ju73grykhvqs8yktxfh7oh&index=3>. Zugriff am: 20. Januar Das Verständnis des Atoms und der Atomstruktur lieferte uns eine solide Grundlage, damit wir das Studium der Materialwissenschaften fortsetzen können. Nochmals herzlichen Glückwunsch zu der in diesem Abschnitt geleisteten Arbeit und zu Ihrem Engagement. Weiterkommen Üben Sie mehr Unterricht. Wir fordern Sie heraus, das Gelernte in die Praxis umzusetzen, indem Sie Ihr Wissen auf neue Situationen am Arbeitsplatz übertragen. Machen Sie die Aktivitäten und vergleichen Sie sie dann mit Ihren Klassenkameraden. Das Atom und seine Struktur. Kenntnisse über Konzepte, die es dem Schüler ermöglichen, 1. Allgemeine Kompetenz geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, die den gewünschten Eigenschaften entsprechen. Identifizieren Sie die Strukturen des Atoms; Konzepte verstehen 2. Lernziele für Atommasse und -gewicht; Wenden Sie die Elektronenkonfiguration an, analysieren Sie sie und weisen Sie auf die vier Quantenzahlen hin. 3. Verwandter Inhalt Atommodelle und Periodensystem. Ein Nintai-Konkurrent gab in der Presse bekannt, dass die im Jahr 2016 hergestellten Autos Karosserien aus 100 % Aluminium haben werden. 4. Beschreibung der Problemsituation Wie entsteht das Aluminiumatom im Grundzustand? Ist es möglich, seine Elektronenkonfiguration zu bestimmen? Was ist mit den vier Quantenzahlen? Mithilfe eines Periodensystems extrahieren wir einige wichtige Informationen aus dem Aluminiumatom. Aluminium hat die Ordnungszahl 13, hat also im Grundzustand 13 Protonen und 13 Elektronen. Es kann auch nachgewiesen werden, dass Aluminium eine Atommasse von 26,98 amu oder 26,98 g/mol hat. Bei Kenntnis der Ordnungszahl ist es möglich, deren 5. Lösung des Situationsproblems bzw. der elektronischen Konfiguration anhand des Pauling-Energiediagramms durchzuführen. Somit gilt: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 Aus der elektronischen Verteilung lassen sich die vier Quantenzahlen bestimmen: Hauptquantenzahl (n) = 3 (Das äußerste Energieniveau ist Niveau 3). Atomstruktur und chemische Bindungen 41
44U1 Quantenzahl des Drehimpulses des Orbitals (l) = 1 (In der elektronischen Verteilung wird beobachtet, dass das Unterniveau mit der höchsten Energie das Unterniveau p ist, das einen Wert gleich 1 hat). Magnetische Quantenzahl (m I ) = -1 (Wir wissen, dass die p-Unterebene 3 Orbitale hat. Im Aluminiumatom hat die p-Unterebene nur 1 Elektron. Wenn wir also die Orbitale füllen, haben wir gemäß der Hundschen Regel nur 1 Elektron) Zahl Spinmagnetisches Quantum (m s ) = +1/2 Lass es 1 zählen. Atome bestehen aus subatomaren Teilchen. Wählen Sie die richtige Alternative aus, die das subatomare Teilchen mit einer positiven elektrischen Ladung darstellt. a) Protonen b) Elektronen c) Neutronen d) Kern e) Protonen und Neutronen 2. Vervollständigen Sie die Lücken im Satz: Die und haben extrem kleine Massen in der Größenordnung von 1,67 x kg, während die eine noch kleinere Masse von 9 haben, 11xkg. a) Neutronen, Elektronen, Protonen b) Elektronen, Neutronen, Protonen c) Protonen, Elektronen, Neutronen d) Elektronen, Protonen, Neutronen e) Protonen, Neutronen, Elektronen 42 Atomstruktur und chemische Bindungen
45U1 3. Die als Protium, Deuterium und Tritium bekannten Wasserstoffatome sind Isotope, das heißt, sie haben die gleiche Anzahl an Protonen. In diesem Fall ist die Aussage richtig: a) Das Deuterium-Wasserstoffatom hat ein Proton und zwei Neutronen im Kern. b) Das Protium-Wasserstoffatom hat ein Proton und zwei Neutronen im Kern. c) Tritium-Wasserstoffatom hat zwei Protonen und ein Neutron im Kern. d) Das Deuterium-Wasserstoffatom hat zwei Protonen und ein Neutron im Kern. e) Tritium-Wasserstoffatom hat ein Proton und zwei Neutronen im Kern. Atomstruktur und chemische Bindungen 43
46U1 44 Atomstruktur und chemische Bindungen
47U1 Abschnitt 1.4 Chemische Bindungen und intermolekulare Kräfte Offener Dialog Lieber Student, Willkommen zu unserem letzten Abschnitt von Einheit 1 Materialwissenschaft. In dieser Einheit wurden Sie in das Studium von Materialien eingeführt und haben die Bedeutung einer guten bibliografischen Recherche verstanden, wie wichtig Engagement für den Erfolg ist, und Sie haben etwas über die Beharrlichkeit einiger wichtiger Forscher in dieser Wissenschaft erfahren. Sie haben verstanden, dass die Materialwissenschaft auf der Wechselbeziehung zwischen der Zusammensetzung, der Verarbeitung, den Eigenschaften und der Leistung eines bestimmten Materials basiert. Sie haben gelernt, Materialien in verschiedene Gruppen einzuteilen: Metalle, Keramik, Polymere und Verbundwerkstoffe, und haben auch festgestellt, dass sich Neues entwickelt und entdeckt wird Materialien sind mit dem Bedürfnis der Gesellschaft verbunden. Anschließend begannen wir mit der Untersuchung des Atoms und seiner Struktur, wodurch wir verstehen konnten, dass das Atom aus einem sehr kleinen Kern besteht, der subatomare Teilchen enthält, die Protonen, Neutronen und Elektronen genannt werden. Wir haben gesehen, dass der Kern bewegliche Elektronen hat, die ihn umkreisen. In dieser Studie verstehen wir auch die Konzepte der Ordnungszahl, der Atommasse und des Atomgewichts sowie die Beziehung, die zwischen ihnen besteht. Sie haben auch verstanden, wie wichtig es ist, die Avogadro-Zahl zu kennen, um die Anzahl der Atome in einer Probe zu berechnen, und wir haben herausgefunden, dass Schrödinger zusätzlich zu der Gleichung, mit der wir die Wahrscheinlichkeit zur Bestimmung der Position eines Elektrons berechnen können, auch vorgeschlagen hat, jedes Elektron zu spezifizieren durch seine Quantenzahlen. Kenntnisse in diesen Themen ermöglichen Ihnen die Auswahl geeigneter Materialien für eine bestimmte Anwendung. Kommen wir also zu unserer letzten Herausforderung in dieser Einheit: Als unser Auszubildender im F&E-Labor von Nintai wissen Sie, wie wichtig Materialien sind, die ein gutes Verhältnis zwischen mechanischer Beständigkeit x Dichte für unser Unternehmen aufweisen. Wäre es vor diesem Hintergrund und zur Kostenreduzierung möglich, die in der Automobilverkabelung verwendeten Kupferdrähte durch ein anderes Material zu ersetzen? Welche Art von Material würde verwendet werden? Welche chemischen Eigenschaften sind für Ihre Wahl relevant? Durch die Untersuchung verschiedener chemischer Bindungen und intermolekularer Kräfte werden Sie verstehen, warum eine Materialklasse eine bestimmte Eigenschaft oder Eigenschaft gemeinsam haben kann. Nicht verstanden? Ich vereinfache: Der Baustein, die Atomstruktur und die chemischen Bindungen 45
48U1 Ein Porzellanbecher oder eine Porzellantasse sind Beispiele für gängige Keramikmaterialien. Diese Gegenstände zerbrechen, wenn sie aus einer bestimmten Höhe auf den Boden fallen. Warum? Andererseits vertragen dieselben Materialien hohe Temperaturen und ich frage Sie noch einmal: Warum? Die Antworten auf diese Fragen und auf die Herausforderung dieser Einheit finden Sie im Verständnis ionischer, kovalenter und metallischer Bindungen sowie im Verständnis intermolekularer Kräfte. Gutes Studium! Nicht zu übersehen Alle existierenden Materialien bestehen aus Atomen. Diese Atome werden durch Kräfte zusammengehalten, die als interatomare Bindungen oder chemische Bindungen bezeichnet werden und wie Federn wirken, die jedes Atom mit seinem Nachbarn verbinden. Die Art dieser interatomaren Bindungen führt zu den unterschiedlichen Eigenschaften von Materialien, ein klassisches Beispiel: Graphit und Kohlenstoff, beide bestehen aus Kohlenstoff, weisen jedoch aufgrund der Art der chemischen Bindung unterschiedliche Eigenschaften auf. Wir wissen, dass Atome in Materialien unterschiedlich angeordnet sind, weshalb andere Aspekte wichtig sind, wie zum Beispiel die Anzahl, Länge und der Winkel dieser Bindungen. Chemische Bindungen werden in primäre und sekundäre Bindungen eingeteilt. Bei Primärbindungen werden Elektronen abgegeben oder geteilt, um eine stabilere Elektronenkonfiguration zu bilden, da alle Atome der Elemente im Periodensystem mit Ausnahme der Edelgase eine unvollständige Schale haben. Abbildung 1.19 zeigt beispielsweise ein Natriumatom (Na) und ein Chloratom (Cl). Das Natriumatom hat einen Kern mit 11 Protonen und 11 Elektronen, die seine Energiehülle umkreisen. Es wird beobachtet, dass Natrium in der äußersten Schale nur ein Valenzelektron besitzt. Das Chloratom hat 17 Protonen im Kern und 17 Elektronen in seiner Umlaufbahn, in der letzten Energieschicht hat das Chloratom jedoch 7 Elektronen. Abbildung 1.19 Natriumatome (Na) und Chloratome (Cl). Quelle: vom Autor erarbeitet. 46 Atomstruktur und chemische Bindungen
49U1 Die primäre Bindung entsteht, wenn das Natriumatom sein Valenzelektron abgibt und dadurch seine äußerste Schale gefüllt wird (8 Elektronen), während das Chloratom, das in der letzten Schale nur sieben Elektronen hat, das Elektron vom Natrium erhält und damit die Bindung vervollständigt äußerste Schale mit acht Elektronen (Abbildung 1.20). Abbildung 1.20 Stabile Konfiguration der Atome Natrium (Na) und Chlor (Cl). Quelle: vom Autor erstellt. Assimilation Die Oktettregel bezieht sich auf die Tendenz des Atoms, vorzugsweise acht Elektronen in der letzten Valenzschale zu haben, d. h. die atomare Tendenz, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben, um die elektronische Konfiguration des nächsten Edelgases zu erreichen und so stabilere Verbindungen zu bilden. Es gibt drei Arten von Primärbindungen: ionische, kovalente und metallische. Ionenbindungen sind starke Bindungen und können zwischen zwei Elementen auftreten, wenn eines von ihnen eine kleine Anzahl von Elektronen in der Valenzschale hat (z. B. Metall) und das andere eine fast gefüllte Valenzschale hat (z. B. Nichtmetall). Natrium gibt sein Valenzelektron ab, um die letzte Schale des Chloratoms zu vervollständigen. Somit wird das Chloratom, das dieses Elektron anzieht, zu einem negativ geladenen Ion (Cl – ), während das Natriumatom, das das Elektron abgibt, zu einem positiven Ion (Na + ) wird. Die Anziehungskraft zwischen diesen entgegengesetzt geladenen Ionen besteht darin, dass sie die primären Ionenbindungen bilden. Diese Art der Bindung ist ungerichtet, das heißt, die Größe der Bindung ist in allen Richtungen um die Ionen herum gleich (CALLISTER; RETHWISH, 2012), was Freiheit bei der Atompackung ermöglicht. Wichtig ist, dass Ionen mit entgegengesetztem Vorzeichen einander umgeben müssen, um die Bindungen zwischen Atomen aufrechtzuerhalten (Abbildung 1.21). Abbildung 1.21 Schematische Darstellung des Kristalls von Natriumchlorid (NaCl) Quelle: < Zugriff am: 18. Februar Atomstruktur und chemische Bindungen 47
50U1 Aufgrund all dieser Eigenschaften sind Materialien mit überwiegend ionischen Bindungen harte, spröde Materialien, haben eine hohe Schmelztemperatur und sind gute thermische und elektrische Isolatoren. Ionenbindungen sind die wichtigste Bindungsart in keramischen Materialien. Eine andere Art von Primärbindung sind kovalente Bindungen. Bei kovalenten Bindungen wird eine stabile Konfiguration durch die gemeinsame Nutzung von Elektronen zwischen benachbarten Atomen erreicht. Zwei kovalent gebundene Atome teilen sich mindestens ein Elektron von jedem Atom, wodurch diese Art der Bindung gerichtet wird. Abbildung 1.22 zeigt ein Methangasmolekül (CH 4 ), in dem Kohlenstoffatome kovalente Bindungen mit Wasserstoffatomen eingehen und so acht Elektronen in seiner letzten Valenzschale vervollständigen. Die gemeinsame Nutzung von Elektronen wird in Abbildung 1.22 beobachtet und durch die gepunkteten Kreise hervorgehoben. Abbildung 1.22 Schematische Darstellung des Methanmoleküls (CH 4 ) Quelle: vom Autor erarbeitet. Wie ionische Bindungen können kovalente Bindungen sehr stark sein, wie sie beispielsweise in Diamant vorkommen, was zu Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt, einem hohen Elastizitätsmodul, einer hohen Härte und einer geringen Wärmeleitfähigkeit führt. Diese Art der Verbindung findet sich in keramischen Materialien auf Basis von Silikaten, Gläsern und Polymermaterialien. Es ist sehr interessant festzustellen, dass ein so hartes Material wie Diamant und ein relativ weiches Material wie ein Polymer beide kovalente Bindungen enthalten. Diese Unterschiede sind nicht nur auf die Bindungen innerhalb der Moleküle zurückzuführen, sondern auch auf die Bindungen, die die Moleküle zusammenhalten. Ein weiterer relevanter Punkt ist, dass wir interatomare Bindungen haben können, die teilweise ionisch und teilweise kovalent sind. Um beispielsweise den Prozentsatz des ionischen Charakters einer Bindung zu berechnen, können wir die folgende Gleichung verwenden: 2 % = { 1 exp[ (, 0 25)( X A XB )]} 100 (1.1) 48 Atomstruktur und chemische Bindungen
51U1 Wobei X A und X B den Elektronegativitätswerten jedes Elements entsprechen. Auf diese Weise berechnen wir den ionischen Charakter von Natriumchlorid (NaCl), wobei wir wissen, dass die Elektronegativitätswerte für Natrium- und Chloratome 0,9 bzw. 3,0 betragen. 2 % = { 1 exp[ (, 0 25)( 30, 09, )]} 100 % = { 1 exp[ (, 0 25)( 441, )]} 100 % = { 1 exp[ 110, ]} 100 % = { 1 0, 33} 100 % = { 067, } 100 % = 67 Natriumchlorid hat also 67 % ionische Bindungen. Tatsächlich haben nur sehr wenige Verbindungen eine rein ionische oder kovalente Bindung, d. h. je größer die Trennung der Elemente im Periodensystem, desto größer ist der ionische Charakter der Bindung. Die erhöhte Tendenz zur Bildung einer Ionenbindung ist eine Folge der erhöhten Elektronegativität zwischen Elementen. Je näher diese Werte beieinander liegen, desto kovalenter ist die Art der Bindung. Berechnen Sie selbst den prozentualen Ionencharakter für Magnesiumchlorid (MgCl 2 ) und Silberchlorid (AgCl) und wissen Sie, dass die Elektronegativitätswerte wie folgt sind: Mg = 1,2; Cl = 3,0 und Ag = 1,9 Die letzte Art der Primärbindung ist schließlich die Metallbindung. In diesen Bindungen werden die Valenzelektronen gespendet und bilden ein gemeinsames Elektronenmeer und werden somit von allen Atomen des Metalls geteilt, das heißt, die Elektronen können sich praktisch frei entlang aller Atome des Metalls bewegen und bilden ein Meer aus Elektronen. Wenn Atome ihre Valenzelektronen abgeben, bilden sie Ionen, die durch die Elektronenwolke um sie herum zusammengehalten werden, wie wir in der Abbildung sehen können. Acht Elektronen und eine stabile elektronische Konfiguration erhalten. Genau diese Bewegung der Valenzelektronen macht metallische Werkstoffe auch bei relativ niedrigen Temperaturen zu guten Stromleitern. Bei Metallbindungen sind die Bindungen, genau wie bei kovalenten Bindungen, ungerichtet. Aufgrund dieser Eigenschaft weisen Metalle eine gute Duktilität auf, d. h. die Fähigkeit des Metalls, sich vor oder bis zum Bruch zu verformen. Atomstruktur und chemische Bindungen 49
52U1 Abbildung 1.23 Darstellung der Elektronenbewegung in einem Metall Quelle: < Zugriff am: 18. Februar Im Allgemeinen haben metallische Materialien relativ hohe Schmelzpunkte und Elastizitätsmodule, eine gute elektrische Leitfähigkeit und metallischen Glanz. Neben Primärbindungen gibt es noch weitere schwächere Bindungen, sogenannte Sekundärbindungen. Solche Bindungen kommen in den meisten Materialien vor, ihre Wirkung wird jedoch oft von der Stärke der Primärbindungen überschattet. Sekundärbindungen bilden keine Bindungen durch Abgabe oder gemeinsame Nutzung von Valenzelektronen. Diese Bindungen entstehen normalerweise, wenn eine ungleichmäßige Ladungsverteilung auftritt, wodurch ein sogenannter Dipol entsteht, bei dem die Gesamtladung Null ist, aber ein Ende des Atoms im Vergleich zum anderen Ende eine leicht positive oder negative Ladung aufweist. Diese Dipole können durch eine zufällige Fluktuation von Elektronen um ein normalerweise symmetrisches elektrisches Feld im Atom erzeugt werden. Sobald sich an einem Atom ein zufälliger Dipol bildet, bildet sich am benachbarten Atom ein induzierter Dipol. Dies ist die Art von Bindung, die in Stickstoffgasmolekülen (N 2 ) vorkommt und als Van-der-Waals-Bindung bekannt ist (Abbildung 1.24). Abbildung 1.24 Schematische Darstellung der Van-der-Waals-Verbindung Quelle: vom Autor erstellt. Eine sekundäre Bindung kann aufgrund einer asymmetrischen Anordnung der positiven und negativen Bereiche auch dann bestehen, wenn wir einen permanenten Dipol in einem Molekül haben. Moleküle mit einem permanenten Dipol können elektrisch einen Dipol induzieren. 50 Atomstruktur und chemische Bindungen
53symmetrisches U1 auf benachbarten Molekülen und bilden so eine schwache Bindung, oder sie können Bindungen mit anderen permanenten Dipolmolekülen eingehen. Materialien, die überwiegend über diese Bindungsart verfügen, weisen niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen auf. Es gibt drei Arten von Van-der-Waals-Anleihen, die wichtigste sind jedoch die sogenannten Londoner Kräfte. Bei diesen Bindungen kommt es zu Wechselwirkungen zwischen induzierten Dipolen in Atomen oder Molekülen, ein Beispiel ist Tetrachlorkohlenstoff (CCl 4 ). Eine andere Art von Sekundärbindung ist die Wasserstoffbindung, die auch als permanente Dipolbindung bekannt ist. Diese Bindungsart ist die stärkste Form der Sekundärbindung und entsteht aus der polaren Natur von Molekülen, die Wasserstoffatome enthalten. Abbildung 1.25 zeigt die schematische Darstellung der Wasserstoffbindung zwischen Wassermolekülen (H 2 O). Das einzelne Elektron der Wasserstoffatome wird mit dem Sauerstoffatom geteilt, sodass das Ende der Bindung, das den Wasserstoff enthält, positiv geladen wird und somit eine starke Anziehungskraft auf das benachbarte Molekül mit dem positiv geladenen Ende ausübt. Abbildung 1.25 Schematische Darstellung der Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen Quelle: < Zugriff am: 19. Februar Die Schmelz- und Siedepunkte von Materialien, die Wasserstoffbrückenbindungen enthalten, sind aufgrund dieser Art der Bindung ungewöhnlich hoch für ihr Atomgewicht. Mehr suchen Der Artikel mit dem Titel: Katalytische Keramikmaterialien auf Basis von Hexaaluminat von Erdalkalimetallen (Ba und Ca): Synthese und Strukturanalyse führt zur Untersuchung keramischer Materialien und zeigt die Bedeutung der in diesen Materialien vorhandenen Verbindungsart. Verfügbar unter: < php?pid=s &script=sci_arttext>. Zugriff am: 19. Februar Atomstruktur und chemische Bindungen 51
54U1 Zusätzlich zu den Bindungsarten ist es wichtig, die Bindungskräfte und -energien zu verstehen. Wenn Atome sehr nahe beieinander sind, übt jedes Atom eine abstoßende (FR) oder anziehende (FA) Kraft auf das andere aus, deren Stärke vom atomaren Abstand (r) abhängt. Diese Kräfte hängen mit der Energie jedes Atoms (E) zusammen und können mathematisch durch die Beziehung (Gleichung 1.2) ermittelt werden: de F ouf = (1.2) A R dr Wobei E = Bindungsenergie und r = Atomtrennungsabstand. Die resultierende Kraft (F) ist die Summe der anziehenden und abstoßenden Kräfte (Gleichung 1.3), während das atomare Gleichgewicht erreicht wird, wenn die Summe dieser Kräfte gleich Null ist (Gleichung 1.4): F = F + F (1.3) F A A R + F =0 (1.4) R Reflektieren Sehen Sie sich die Diagramme von Kraft und potentieller Energie x interatomarer Trennung in Rethwischs Buch an (CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. Materials Science and Engineering: An Introduction. 8. Auflage, Rio, Januar : LTC, 2012). Keine Angst davor, Fehler zu machen. Wir haben das Ende einer weiteren Phase erreicht. Als unser F&E-Auszubildender bei Nintai haben Sie bereits begonnen zu verstehen, wie wichtig es für uns ist, über Materialien zu verfügen, die ein gutes Verhältnis zwischen mechanischer Beständigkeit und Dichte aufweisen. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte und der Kostenreduzierung fordern wir Sie auf, ein potenzielles Material zum Ersatz von Kupferdrähten zu finden, die in der elektrischen Verkabelung von Automobilen verwendet werden. Welches Material können wir verwenden? Welche chemischen Eigenschaften sind für Ihre Wahl relevant? Zum Abschluss dieser Unterrichtseinheit können Sie bereits zu folgendem Schluss kommen: Kupfer ist ein Übergangsmetall mit der Ordnungszahl 29. Es ist ein Element, das nur ein Valenzelektron in seiner letzten Schicht (4s 1 ) hat und nur metallische Bindungen dazwischen eingeht seine Atome. Diese Eigenschaften rechtfertigen die hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit und die hohe Einsatzfähigkeit in Form von Drähten in der elektrischen Verkabelung von Kraftfahrzeugen. 52 Atomstruktur und chemische Bindungen
55U1 Die Reduzierung der Masse eines Autos ist für die Automobilindustrie äußerst wichtig, da der Einbau neuer elektronischer Komponenten wie elektronischer Panels, mehrerer Airbags usw. die Endmasse erheblich erhöht, was dazu führt, dass das Auto mehr Kraftstoff verbraucht. So gibt es bereits Studien, die Aluminiumdrähte als Alternative zu Kupfer verwenden. Aluminium ist ein Metall mit der Ordnungszahl 13, das in seiner letzten Schicht drei Valenzelektronen (3s 2 3p 1 ) besitzt. Wie wir in diesem Abschnitt untersucht haben, wissen wir, dass es diese Elektronen sind, die die Bindungen zwischen seinen Atomen herstellen, das heißt, es sind diese Valenzelektronen, die Teil der elektronischen Wolke sein werden, die in metallischen Bindungen zu finden ist. Aluminium ist ein weiches, duktiles und korrosionsbeständiges Metall. Eine seiner Haupteigenschaften ist jedoch seine geringe Dichte verbunden mit einer hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, was es zu einer praktikablen Option für den Ersatz von Kupferdrähten durch Aluminiumdrähte macht. Infolgedessen deuten einige Studien auf eine Reduzierung der Endmasse elektrischer Leitungen in Automobilen um 48 % hin. Diese Massenergebnisse und die Eigenschaften von Aluminium (Drähten) machen es zu einem potenziellen Ersatz für Kupferdrähte. Mehr suchen Das Video im folgenden Link enthält eine kurze Erläuterung des Herstellungsprozesses von Aluminiumdraht. Verfügbar unter: < com/watch?v=kftrxwsmphi>. Zugriff am: 19. Februar Auch hier ist es wichtig zu verstehen, dass wir, um eine bestimmte Eigenschaft und Leistung eines Materials zu erreichen, über die Säulen der Materialwissenschaft nachdenken müssen, die Sie sicherlich bereits kennen: Struktur/Zusammensetzung, Verarbeitung, Eigenschaften und Leistung. Zunächst lernte man die Struktur und Zusammensetzung von Kupferatomen kennen, um später dieselben Eigenschaften für Aluminiumatome zu untersuchen und zu erforschen. Nachdem Sie diese Komponenten für Aluminium detailliert beschrieben haben, haben Sie festgestellt, dass dieses Element geeignete Eigenschaften für unser Projekt aufweist, und haben damit abgeschlossen, dass der Herstellungsprozess von Aluminiumdrähten unseren Leistungserwartungen entspricht. Glückwunsch! Engagement, Ehrlichkeit und Ausdauer sind die Schlüsselwörter für eine glänzende Karriere. Atomstruktur und chemische Bindungen 53
56U1 In der Praxis vorankommen Üben Sie mehr Anleitung Wir fordern Sie auf, das Gelernte in die Praxis umzusetzen, indem wir Ihr Wissen auf neue Situationen übertragen, denen Sie möglicherweise im Arbeitsumfeld begegnen. Machen Sie die Aktivitäten und vergleichen Sie sie dann mit Ihren Klassenkameraden. Chemische Bindungen und intermolekulare Kräfte. Kenntnis von Konzepten, die es dem Studierenden ermöglichen, 1. Allgemeine Kompetenz geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, die den gewünschten Eigenschaften entsprechen. 2. Lernziele Identifizieren Sie die verschiedenen Arten interatomarer Bindungen. 3. Primäre Links und sekundäre Links zu verwandten Inhalten. Ein Schmuckunternehmen hat mehrere Beschwerden von seinen Kunden erhalten, die Eheringe aus Silber (Ag) gekauft haben. Kunden bemängeln, dass sie im Neuzustand glänzten, aber bei alltäglichem Gebrauch waren alle Ringe zerkratzt. 4. Beschreibung der Problemsituation und nicht mehr so glänzend wie vorher. Warum hat Silber diese Eigenschaften? Beeinflussen die Arten der interatomaren Bindungen diese Eigenschaften? Könnten wir ein besseres Produkt anbieten? Als? Reines Silber ist ein sehr weiches Metall, ein Beweis dafür sind unsere Verlobungsringe für eine Braut. Im Neuzustand reflektieren sie das Licht aufgrund der glänzenden und spiegelnden Oberfläche intensiv. Allerdings sind nach tage- oder wochenlangem Gebrauch häufig Kratzer zu sehen und der Glanz ist nicht mehr so intensiv. Silber ist ein metallisches Element mit der Ordnungszahl 47 und wird als Übergangsmetall eingestuft. Es ist das chemische Element mit der höchsten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, selbst im Vergleich zu Kupfer. Silber bildet zwischen seinen Atomen metallische Bindungen, was die hervorragende elektrische Leitfähigkeit begründet. Es ist ein weiches Metall 5. Lösung des Situationsproblems, das nur ein Valenzelektron in der äußersten Schale (5s1) hat und Teil der Elektronenwolke ist. Da es sich um ein sehr weiches Material handelt, ist bei der Herstellung von Schmuck die Verwendung von Silberlegierungen angezeigt, das heißt, dem Silber werden andere Metalle zugesetzt, die es widerstandsfähiger machen. Einige Beispiele sind Silber und Gold sowie Silber- und Kupferlegierungen. Bei Silber- und Kupferlegierungen gilt: Je höher der Kupferanteil, desto härter die Metalllegierung. Bei der Herstellung von Ringen wird häufig Silber 980 verwendet oder Silber 980 enthält 980 Teile Ag und 20 Teile Kupfer, während Silber 1000 in seiner Zusammensetzung nur Silberatome enthält. Achtung: Bei metallischen Bindungen sind die Valenzelektronen der Atome praktisch frei und bewegen sich entlang aller Atome des Metalls und bilden ein Elektronenmeer. 54 Atomstruktur und chemische Bindungen
57U1 Lass es zählen 1. Chemische Bindungen werden in primäre und sekundäre Bindungen eingeteilt. Wir können sagen, dass die Bindung, in der die Abgabe des Valenzelektrons eines Metalls erfolgt, das die Valenzschale eines Nichtmetalls füllt, wie folgt bezeichnet wird: a) Metallische Bindung b) Kovalente Bindung c) Ionenbindung d) Londoner Kräfte e) Bindung von Wasserstoff 2. In Bindungen wird eine stabile Konfiguration durch die Elektronen zwischen benachbarten Atomen erreicht. Diese Art von Link ist. Markieren Sie die Alternative, die die Lücken richtig füllt: a) kovalent, teilend, gerichtet. b) metallisch, teilend, ungerichtet. c) ionisch, teilend, gerichtet. d) ionisch, empfangend, ungerichtet. e) kovalent, empfangend, gerichtet. 3. Magnesiumoxid (MgO) ist ein weißes, wasserunlösliches Pulver, das hauptsächlich in Düngemitteln und in der Abwasseraufbereitung verwendet wird. Da wir wissen, dass die Elektronegativität von Magnesium 1,2 und die von Sauerstoff 3,5 beträgt, können wir sagen, dass dieses Oxid einen ionischen Anteil von a) 1,7 % b) 73 % c) 35 % d) 17 % hat. e) 0,73 % Atomstruktur und chemische Bindungen 55
58U1 56 Atomstruktur und chemische Bindungen
59U1 Referenzen ASHBY, M.; JONES, D. Werkstofftechnik: Eine Einführung in Eigenschaften, Anwendungen und Design. 3. Aufl. São Paulo: Campus, S. v. 1. ASKELAND; DR.; WRIGHT, W. J. Materialwissenschaft. São Paulo: Cengage Learning, S. ATKINS; P.; JONES, L. Prinzipien der Chemie: Das moderne Leben in Frage stellen. 3. Aufl. Porto Alegre: Bookman, S. BORGES, J. J. V. B.; CANAS, A. J. D. C. Eine Chronologie der Geschichte der militärischen Hochschulbildung in Portugal. Revista Militar, n , p , CALLISTER, W.; RETHWISH, D. G. Materialwissenschaft und -technik: eine Einführung. 8. Aufl. São Paulo: LTC, S. CANEVAROLO, S. Wissenschaft der Polymere. 2. Aufl. São Paulo: Artliber, S. CUSTODIO, R. et al. Vier Alternativen zur Lösung der Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom. Neue Chemie, Sao Paulo, v. 25, nein. 1. Januar/Februar Verfügbar am: < =S >. Zugriff am: 5. Februar WIRTSCHAFTS-TV-INFORMATIONEN MIT WERT. So wird's gemacht: Aluminiumdraht. Verfügbar am: < Zugriff am: 19. Februar FLORIO, D. Z. de et al. Keramische Materialien für Brennstoffzellen. p , Verfügbar am: < Zugriff am: 22. April MARCONI, M. A.; LAKATOS E. M. Grundlagen der wissenschaftlichen Methodik. São Paulo: Atlas, S. LAKATOS, E.M.; MARCONI, M. A. Grundlagen der wissenschaftlichen Methodik. 6. Aufl. São Paulo: Atlas, S. NAVARRO, R. F. Die Evolution der Materialien. Teil 1: Von der Vorgeschichte bis zur Frühen Neuzeit. Electronic Journal of Materials and Processes, v. 1, nein. 1, S. 1-11, SHACKELFORD, J. F. Materialwissenschaft. 6. Aufl. São Paulo: Pearson Education do Brasil, S. Atomstruktur und chemische Bindungen 57
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61Einheit 2 Kristallstrukturen Einladung zum Studium Willkommen zur zweiten Einheit des Materialwissenschaftslehrbuchs. In der ersten Einheit untersuchen wir die historischen Aspekte der Materialwissenschaft und lernen die wichtigsten Materialklassifizierungen zwischen Metallen, Keramiken, Polymeren und Verbundwerkstoffen kennen. Darüber hinaus haben wir gesehen, dass es andere Materialien gibt, die als intelligente Materialien, Halbleiter, Biomaterialien und Nanomaterialien klassifiziert werden. Wir haben auch gelernt, dass die Materialwissenschaft die Wechselbeziehung zwischen Zusammensetzung/Struktur, Eigenschaften, Verarbeitung und Leistung untersucht, und zufällig ist unser Buch auch in vier Einheiten gegliedert, die es uns ermöglichen, jede Komponente dieser Wissenschaft in jeder einzelnen zu studieren. In der ersten Einheit untersuchen wir die Zusammensetzung von Materialien und die Atomstruktur. Wir verstehen, dass das Verhalten subatomarer Teilchen, die unterschiedlichen interatomaren Bindungen und die Kräfte und Bindungsenergien dazu führen, dass die Materialien unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In dieser zweiten Einheit legen wir den Schwerpunkt auf das Studium der Kristallstruktur, wir werden die verschiedenen Arten der Anordnung von Atomen und das Konzept der Elementarzelle, des Polymorphismus und der Allotropie verstehen, wir werden die verschiedenen Kristallsysteme kennen lernen und schließlich werden wir sehen Wir werden die Arten von Unvollkommenheiten in Festkörpern kennen lernen und das Phänomen der Diffusion verstehen. Am Ende der Studien in dieser Einheit werden Sie einige weitere Konzepte kennen, die es Ihnen ermöglichen, geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, um die erwarteten Leistungsmerkmale sowohl hinsichtlich der Gebrauchs- als auch der Verarbeitungseigenschaften zu erfüllen. Vorbereitet? Kommen wir also zu unserer zweiten großen Herausforderung. Ein großes metallurgisches Unternehmen stellt mehrere Metalllegierungen her und hat kürzlich in die Produktion von Alpha-Eisen (α-Eisen) investiert. ein Käufer
62U2, das an dieser Produktion interessiert ist, beabsichtigt, die ferromagnetische Eigenschaft von α-Eisen in Anwendungen zu nutzen, die unterschiedliche Arbeitstemperaturen erfordern. Sie als technischer Verkäufer des Hüttenwerks führen diese Verhandlung. Im ersten Schritt charakterisieren Sie die kristalline Struktur von α-Eisen und erklären dem Kunden anschließend das Phänomen der Polymorphie und kristalliner Systeme. Im dritten Schritt müssen Sie die möglichen Unvollkommenheiten erklären, die kristalline Feststoffe aufweisen können. Schließlich ist es wichtig, dass Sie dem Kunden klar machen, wie wichtig die Atomdiffusion für Metalle und ihre Legierungen ist. Wenn Sie diese vier Schritte gut umsetzen, wird der Kunde sicherlich sehr zufrieden sein und Sie werden ein großartiges Geschäft für das Unternehmen und Ihre Karriere abschließen. Gute Studien und gute Verhandlungen. 60 kristalline Strukturen
63U2 Abschnitt 2.1 Kristalline Strukturen Offener Dialog Sie haben Ihre Karriere vor einiger Zeit als Auszubildender in einem Automobilunternehmen begonnen und arbeiten heute bereits als technischer Verkäufer in einem Hüttenwerk! Das Leben ist einfach so, voller Herausforderungen und großartiger Lernmöglichkeiten, und Sie verfügen über die Eigenschaften, die die wichtigsten Unternehmen von einem Mitarbeiter erwarten: Entschlossenheit, Lern- und Wachstumsbereitschaft, Ausdauer und Pluralität in ihren Aktivitäten. Haben Sie bereits ein F&E-Labor besucht und gelernt, wie wichtig gute Forschung ist und wie man sie durchführt, so wie Chemie, Physik und Mathematik für das Studium der Materialwissenschaften von grundlegender Bedeutung sind, die in der Wechselbeziehung zwischen Zusammensetzung, Verarbeitung und Eigentum strukturiert sind? und Leistung. Jetzt arbeitet er hier in diesem metallurgischen Werk als unser technischer Berater und wird einen Kunden betreuen, der die ferromagnetischen Eigenschaften unseres α-Eisens in einigen Anwendungen nutzen wird. Dieser Kunde teilte uns jedoch zuvor mit, dass das Metall in Anwendungen verwendet wird, die bei unterschiedlichen Temperaturen stattfinden. Wird es möglich sein, die ferromagnetischen Eigenschaften von α-Eisen bei jeder Arbeitstemperatur zu nutzen? Glauben Sie, dass diese spezifische Eigenschaft mit einer besonderen Eigenschaft des Metalls zusammenhängt? Wenn ja, ist es möglich, dass Temperaturschwankungen das metallurgische Verhalten des Metalls beeinflussen? Ist diese Charakterisierung möglich? Bevor Sie Antworten geben, ist es wichtig, dass Sie verstehen, wie die Atome in einem Material dreidimensional organisiert sind, also das Konzept der Elementarzelle verstehen. Um die atomare Organisation zu verstehen, werden Atome als starre Kugeln betrachtet, sodass es möglich ist, das Volumen jeder Elementarzelle zu berechnen und die Anzahl der inneren Atome in der Zelle vorherzusagen sowie die Anzahl benachbarter Atome zu bestimmen -Koordinationsnummer genannt. Schließlich werden Sie den atomaren Packungsfaktor und die spezifische Dichte chemischer Elemente anhand ihrer atomaren Anordnung verstehen. Das Verständnis der in dieser Einheit behandelten Themen ist für den Aufbau der neuen Partnerschaft zwischen unserem metallurgischen Unternehmen und dem neuen Kunden von entscheidender Bedeutung. Der unterzeichnete Vertrag und der abgeschlossene Verkauf werden ein großer Schritt in Ihrer beruflichen Laufbahn sein und die behandelten Themen werden Sie auf weitere wichtige Konzepte und Aspekte aufmerksam machen, die bei der Auswahl eines geeigneten Materials für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen. Kristallstrukturen 61
64U2 darf nicht fehlen Die Eigenschaften von Materialien sind das Ergebnis der Kombination ihrer atomaren Eigenschaften wie Zusammensetzung, interatomare Bindung und Kristallstruktur. Die kristalline Struktur bezieht sich auf die Anordnungen, die Atome annehmen können, wenn sich Materialien im festen Zustand befinden, und beschreibt eine hochgeordnete Struktur, die aufgrund der Beschaffenheit ihrer Bestandteile symmetrische Muster bildet. Zum größten Teil werden die Partikel, aus denen ein ionisches, molekulares, kovalentes oder metallisches Feststoffmaterial besteht, durch starke Anziehungskräfte zusammengehalten, und für die Zwecke dieser Studie betrachten wir die atomaren Positionen von Atomen, Molekülen oder Ionen sind im Raum fixiert. Die Bestandteile eines Festkörpers können auf zwei Arten angeordnet sein: a) wenn sie ein weiträumiges, sich wiederholendes dreidimensionales Muster bilden, das als Kristallgitter bezeichnet wird, und so einen kristallinen Festkörper erzeugen, und b) wenn es kein langreichweitiges, sich wiederholendes dreidimensionales Muster gibt. dimensionales Muster und bildet so einen Körper. amorph, vom griechischen amorphos, was „ohne Form“ bedeutet (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Abbildung 2.1 zeigt Beispiele für kristalline und amorphe Feststoffe, Abbildung 2.1a zeigt den Opal-Edelstein, ein Beispiel für einen amorphen Feststoff, der bei der Herstellung von Schmuck verwendet wird (Abbildung 2.1b), und in Abbildung 2.1c haben wir Stibnit, einen kristallinen Feststoff bestehend aus Antimon und Schwefel. Abbildung 2.1 Beispiele für amorphe und kristalline Feststoffe Quelle: vom Autor erstellt. Mehr suchen Der Artikel Chemie der (Nano-)Materialien bietet einen Überblick über die verschiedenen Aspekte im Zusammenhang mit der Chemie der Materialien und Nanomaterialien. Verfügbar unter: < =S >. Zugriff am: 5. März Kristalline Feststoffe oder Kristalle haben unterschiedliche innere Strukturen, die wiederum zu unterschiedlichen flachen Oberflächen oder Flächen führen. Die Flächen schneiden sich in Winkeln, die für jede Substanz charakteristisch sind, und wenn sie Röntgenstrahlen ausgesetzt werden, erzeugt jede Struktur auch ein eindeutiges Muster, das zur Identifizierung des Materials verwendet werden kann. Diese charakteristischen Winkel spiegeln die räumliche Regelmäßigkeit der Anordnung der 62 Kristallstrukturen wider
65Periodisches U2 von Atomen, Molekülen oder Ionen. Auf diese Weise wird die Gesamtheit eines Kristalls ausgehend von seiner kleinsten wiederkehrenden Einheit, der sogenannten Elementarzelle, dargestellt. Wenn zum Beispiel ein Ziegelhaufen ein Kristall wäre, was wäre dann seine Elementarzelle (wiederholende Einheit)? Es ist sehr einfach, in einem Stapel Ziegel wäre die Elementarzelle ein einzelner Ziegel, der sich dreidimensional wiederholt (Abbildung 2.2). Abbildung 2.2 Darstellung einer Elementarzelle eines Ziegelstapels Quelle: Angepasst von < Fruggo.jpg>. Zugriff am: 5. März Die Elementarzelle ist die kleinste sich wiederholende Einheit, die das Muster einer Struktur vollständig beschreibt. Jede Elementarzelle hat sechs Seiten und jede Seite ist ein Parallelogramm. Konventionell wird angenommen, dass Atome oder Ionen feste Kugeln mit definierten Durchmessern sind und dass die Eckpunkte des Parallelogramms mit den Massenschwerpunkten der Atome zusammenfallen müssen (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Beispielsweise können metallische Materialien zu kristallinen Strukturen erstarren, die vier Arten von Elementarzellen aufweisen: Einfach kubisch (CS): In CS hat jedes Atom sechs nächste Nachbaratome (Abbildung 2.3a) und befinden sich an den acht Ecken des Würfels ( Abbildung 2.3b) und nur 1/8 seiner Masse befindet sich innerhalb der Elementarzelle in oktaedrischer Anordnung (Abbildungen 2.3c und 2.3d). Auf diese Weise befindet sich innerhalb der CS-Elementarzelle nur ein Atom, weshalb Metalle in dieser Struktur aufgrund einer ineffizienten Atompackung nicht kristallisieren, da nur 52 % ihres Gesamtvolumens gefüllt sind. Die Anzahl benachbarter Atome wird auch Koordinationszahl genannt, eine einfache kubische Zelle hat also die Koordinationszahl sechs. Die atomare Anordnung einer einfachen kubischen Elementarzelle ist in Abbildung 2.3 in verschiedenen Perspektiven dargestellt. Kristallstrukturen 63
66U2 Abbildung 2.3 Einfache kubische Elementarzelle (CS) Quelle: vom Autor erstellt. Mehr suchen Greifen Sie auf den Link zu und sehen Sie sich eine Animation über die CS-Elementarzelle an. Verfügbar am: < Zugriff am: 5. März Das einzige Element, das in einer einfachen kubischen Elementarzelle kristallisiert, ist Polonium (Po), ein radioaktives und äußerst giftiges Element. Nachdenken Vor Kurzem war Polonium Gegenstand der Medien auf der ganzen Welt. Du weißt, warum? Besuchen Sie den Link und finden Sie heraus, warum! Verfügbar unter: < com/mundo/noticia/2016/01/concluded-investigacao-sobre-murder-of-ex-Russian-spy.html>. Zugriff am: 5. März Kubisch körperzentriert (BCC): Die BCC-Elementarzelle ist eine effizientere Art der Atompackung und bei reinen Elementen weitaus häufiger anzutreffen. Darin hat jedes Atom acht nächste Nachbaratome (Abbildung 2.4a), daher ist die Koordinationszahl gleich acht und 68 % seines besetzten Volumens (Abbildungen 2.4b und 2.4c). Die kubisch-raumzentrierte Elementarzelle verfügt zusätzlich zu den Atomen an den Ecken über ein Zentralatom, sodass es in der BCC-Elementarzelle zwei Atome gibt. Abbildung 2.4 zeigt die atomare Anordnung einer kubisch-raumzentrierten Elementarzelle. 64 Kristallstrukturen
67U2 Abbildung 2.4 Körperzentrierte kubische Elementarzelle (BCC) Quelle: vom Autor erstellt. Die Alkalimetalle, Barium und verschiedene Übergangsmetalle sind Beispiele für kristalline Feststoffe, die sich zu BCC-Elementarzellenstrukturen verfestigen. Sehen Sie sich eine Animation über die CCC-Elementarzelle an und beobachten Sie die dreidimensionale Atomanordnung. Verfügbar unter: < watch?v=0z8con9k66c>. Zugriff am: 5. März Flächenzentriertes Kubisches (CFC): Eine weitere sehr effiziente Art der Atompackung, die häufig in Metallen zu finden ist, ist die flächenzentrierte kubische Elementarzellen-Kristallstruktur. Bei CFC befinden sich die Atome an jedem Eckpunkt und in den Mittelpunkten aller Flächen des Würfels (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Abbildung 2.5 zeigt die atomare Anordnung einer kubisch-flächenzentrierten Elementarzelle. Die Atome an den Eckpunkten werden von acht Elementarzellen geteilt, während die Atome in der Mitte der Flächen von zwei Elementarzellen geteilt werden (Abbildung 2.5c), außerdem hat jedes Atom eine Koordinationszahl von zwölf (Abbildungen 2.5a und 2.5b). ). Die FCKW-Zelle besteht aus vier Atomen und ist zu 74 % ihres Gesamtvolumens besetzt. Aluminium, Kupfer, Silber und Gold sind einige der Metalle, die FCKW-Kristallstrukturen aufweisen. Abbildung 2.5 Flächenzentrierte kubische Elementarzelle (CFC) Quelle: vom Autor erstellt. Kristallstrukturen 65
68U2 Mehr suchen Sehen Sie sich den Link für eine Animation über die CFC-Elementarzelle an. Verfügbar unter: < Zugriff am: 5. März Compact Hexagonal (HC): Die effizienteste Art der Atompackung in kristallinen Strukturen ist die kompakte hexagonale Zelle (Abbildung 2.6). Die HC-Zelle wird durch abwechselnde Atomschichten gebildet, in denen die erste und dritte Schicht die tetraedrischen Hohlräume einnehmen, in denen jedes Atom sechs Atome in seiner eigenen Ebene und drei Atome in der Schicht darüber und drei unter seiner Ebene berührt, auf diese Weise das HC hat eine Koordinationszahl von zwölf (Abbildung 2.6a). Die HC-Zelle enthält an jedem Scheitelpunkt und in jeder Mitte der sechseckigen Fläche ein Atom und kann mit der atomaren Ordnung „a-b-a-b-a-b“ beschrieben werden (Abbildung 2.6b). In der kompakten sechseckigen Zelle nehmen die Atome 74 % des Gesamtvolumens der Elementarzelle ein (Abbildungen 2.6c und 2.6d) Abbildung 2.6 Kompakte hexagonale Elementarzelle (HC) Quelle: erstellt vom Autor Assimile Sehen Sie sich eine Animation über die CFC-Elementarzelle an. Verfügbar unter: < Zugriff am: 5. März Zusätzlich zu der charakteristischen Koordinationszahl für jede Elementarzelle. Ein weiteres sehr wichtiges Merkmal kristalliner Strukturen ist der Atompackungsfaktor (AEF), der die Summe der Kugelvolumina aller inneren Atome einer Elementarzelle dividiert durch das Volumen der Elementarzelle ist (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). ), wie in Gleichung 2.1 dargestellt: FEA = Volumen der Atome in einer Elementarzelle = V Gesamtvolumen der Elementarzelle VE (2.1) c Vor der Berechnung der FEA kristalliner Strukturen müssen jedoch VE und Vc für jede Einheit berechnet werden Zelle. Das Volumen der Atome in einer Elementarzelle (VE) wird durch Gleichung 2.2 angegeben: 66 Kristallstrukturen
69U2 V n 4 3 π R 3 E = ( ) (2.2) Wobei: n die Anzahl der Atome innerhalb der Elementarzelle und das Volumen einer Kugel ist. 4 3 R 3 π ist Für die Berechnung von Vc wird das Verhältnis zwischen der Länge der Elementarzelle (a) und dem Atomradius (R) verwendet, um das Volumen des Würfels, also das Gesamtvolumen des Würfels, zu bestimmen Elementarzelle dargestellt in Gleichung 2.3: VC = a 3 (2.3) Für jeden Typ von Elementarzelle gibt es eine bestimmte Beziehung von a und R, die in der folgenden Tabelle 2.1 angegeben ist: Tabelle 2.1 Arten, Längen und Volumina von Elementarzellen Elementarzelle Länge von a R Volumen V c CS 2R 8R 3 CCC 3 4R 64R CFC 2R 2 16R 2 HC 2R * c 1, 633a* Quelle: Angepasst von Askeland und Wright (2016). 3 24R 2 Die Kenntnis des Typs der Elementarzelle und der Kristallstruktur eines Festkörpers ermöglicht die Berechnung seiner theoretischen spezifischen Masse ρ durch Gleichung 2.4: ρ = na (2.4) VN c A Wobei n = Anzahl der Atome, die jeder Elementarzelle zugeordnet sind , A = Atomgewicht, V c = Elementarzellenvolumen und N = Atome A 6, mol (Avogadro-Zahl). Rhodium hat beispielsweise einen Atomradius von 0,134 nm, eine CFC-Kristallstruktur und ein Atomgewicht von 102,91 g/mol. Berechnen Sie seine spezifische Masse. Antwort: 3 Dies sind Daten: Die FCKW-Struktur hat n = 4, VC = 16R 2 und die Rh-Atommasse A = 102,91 g/mol und die Avogadro-Zahl. Da wir wissen, dass die spezifische Masse in g/cm 3 angegeben wird, transformieren wir zunächst die Einheit des Atomradius: Kristallstrukturen 67
70U2 R = 0,134 nm = 1,34 x 10-8 cm. Somit gilt: ρ = na = V c N A na ( 16R 3 2) N A ( 4 Atome/Elementarzelle)(102,91 g/mol) = [ 16. (, cm ) 3 2 ] (6, Atome/mol) einheitlich Zelle 411, 64 = = 12, 55 g/cm 3 32, 79 Keine Angst vor Fehlern Das metallurgische Unternehmen, in dem wir arbeiten, stellt mehrere Metalllegierungen her. Wir haben jedoch einen Kunden, der aufgrund seiner ferromagnetischen Eigenschaften am Kauf unseres α-Eisens interessiert ist. Als technischer Berater betreuen Sie den Kunden, der uns zuvor mitgeteilt hat, dass das Metall in Anwendungen eingesetzt wird, die bei unterschiedlichen Temperaturen stattfinden. Wird es möglich sein, die ferromagnetischen Eigenschaften von α-Eisen bei jeder Arbeitstemperatur zu nutzen? Glauben Sie, dass diese spezifische Eigenschaft mit einer besonderen Eigenschaft des Metalls zusammenhängt? Wenn ja, ist es möglich, dass Temperaturschwankungen das metallurgische Verhalten des Metalls beeinflussen? Ist diese Charakterisierung möglich? Anhand der behandelten Themen konnten wir erkennen, dass es sich um amorphe Festkörper handelt, bei denen es kein sich über große Entfernungen wiederholendes dreidimensionales Muster gibt, und um kristalline Festkörper, die ein sich über große Entfernungen wiederholendes dreidimensionales Muster bilden, das als Kristallgitter bezeichnet wird. Die Elementarzelle ist die kleinste wiederkehrende Einheit, die das Kristallgittermuster vollständig beschreibt. Die Charakterisierung von α-Eisen ist anhand von Untersuchungen der Kristallstruktur möglich. α-Eisen ist bei Temperaturen unter 910 °C stabil, hat eine BCC-Elementarzellen-Kristallstruktur und unter diesen Bedingungen ist eines seiner Hauptmerkmale, dass es ferromagnetisch ist. Bei Temperaturen über 910 °C bis 1390 °C ist das α-Eisen jedoch nicht mehr stabil und bildet Elementarzellen-γ-Eisen FCKW, bei Temperaturen über 1390 °C bis zum Erreichen des Schmelzpunktes findet bei 1539 °C eine erneute Umwandlung in δ-Eisen statt, welches hat eine BCC-Elementarzelle, die der von α-Eisen entspricht. Bei Temperaturen über 771 °C weist α-Eisen jedoch nicht mehr die Eigenschaft auf, ferromagnetisch zu sein, und wird paramagnetisch. Daher ist es für den Kunden nicht möglich, dieses Material bei Arbeitstemperaturen einzusetzen, bei denen die Umwandlung von α-Eisen erfolgt, da diese Eigenschaft direkt mit der Art der Elementarzelle und der Temperatur zusammenhängt. Abbildung 2.7 zeigt eine Darstellung der Fe-Elementarzellen als Funktion der Temperatur. 68 Kristallstrukturen
71U2 Abbildung 2.7 Transformationen von Elementarzellen als Funktion der Temperatur Quelle: vom Autor erstellt. Fortschritte in der Praxis Beschreibung des Situationsproblems Kristallstrukturen Metallisches Kobalt ist aufgrund seines attraktiven Aussehens, seiner Härte und Oxidationsbeständigkeit ein Element, das in der Galvanisierung verwendet wird. Es wird mit Eisen, Nickel und anderen Metallen legiert und in Strahlturbinen und Gasturbinengeneratoren verwendet, bei denen eine hohe Temperaturfestigkeit wichtig ist. Kobalt ist wie Eisen ferromagnetisch und diese Eigenschaft hängt im ersten Fall mit der Temperatur und der Art der Elementarzelle zusammen. Kann man also sagen, dass Kobalt bei den gleichen Temperaturen die gleichen Elementarzellentypen aufweist wie Eisen? Ist es jedoch möglich, dass Kobalt bei den gleichen Temperaturen ähnliche Kristallstrukturen wie Eisen aufweist? Denken Sie daran: Die Eigenschaften von Materialien sind das Ergebnis der Kombination ihrer atomaren Eigenschaften wie Zusammensetzung, interatomare Bindung und Kristallstruktur. Lösung der Problemsituation Kobalt ist ein chemisches Element mit dem Symbol Co und der Ordnungszahl 27. Kobalt kommt wie Nickel in der Natur nicht rein vor, seine reine Form wird durch Schmelzen, also durch extraktive Metallurgie, gewonnen. Kobalt ist ein silbergraues, glänzendes Hartmetall. Kobalt ist wie Eisen ferromagnetisch und kommt in zwei Strukturen vor: Kristallstrukturen 69
72Kristallographisch U2: kompakt hexagonal und kubisch flächenzentriert. Bei Raumtemperatur bis 477 °C weist es eine HC-Struktur auf, während es sich bei höheren Temperaturen im Bereich von 477 °C bis 1490 °C um FCKW handelt. Der Energieunterschied ist jedoch so gering, dass in der Praxis das zufällige Verwachsen der beiden Strukturen häufig vorkommt. Daraus können wir schließen, dass die ferromagnetischen Eigenschaften von Metallen nicht nur von der Art der Struktur abhängen. Beim Vergleich von Eisen mit Kobalt fällt auf, dass die Metalle unterschiedliche Kristallstrukturen aufweisen, während Eisen bei 477 °C eine kubisch-raumzentrierte Struktur aufweist und keine Arten von Elementarzellentransformationen beobachtet werden, während Kobalt bei dieser Temperatur eine hexagonale Elementarzelle aufweist kompakt (Abbildung 2.8). Abbildung 2.8 Vergleich zwischen den Kristallstrukturen von Kobalt und Eisen. Quelle: vom Autor ausgearbeitet. Lass es zählen 1. Was die kristalline Struktur betrifft, ist es richtig, was gesagt wird in: a) Es bezieht sich auf die Anordnungen, die Atome annehmen können, wenn Materialien im festen Zustand sind. b) Bezieht sich auf die interatomaren Bindungen von Materialien im gasförmigen Zustand. c) Bezieht sich auf die Art der Verarbeitung, der das Material im festen Zustand unterzogen wird. d) Bezieht sich auf die Anordnungen, die Atome annehmen können, wenn sich Materialien im flüssigen Zustand befinden. e) Bezieht sich auf die interatomaren Bindungen von Materialien im flüssigen Zustand. 70 kristalline Strukturen
73U2 2. Ein Körper, der durch ein sich über große Entfernungen wiederholendes dreidimensionales Muster gebildet wird, kann verschiedene Arten von Elementarzellen haben. Die Aussage bezieht sich auf: a) Polystyrol b) amorpher Feststoff c) Polymer d) Elastomer e) kristalliner Feststoff 3. Die kleinste wiederkehrende Einheit, die das Muster einer Struktur vollständig beschreibt, heißt: a) Netzwerkparameter b) bindende ionische c) Einheit Zelle d) Atom e) Elektron Kristallstrukturen 71
74U2 72 Kristallstrukturen
75U2 Abschnitt 2.2 Offener Dialog zu kristallinen Systemen Lieber Student, willkommen zu Abschnitt 2.2 der Materialwissenschaft. In diesem neuen Job als technischer Verkäufer für ein metallurgisches Unternehmen werden Sie sicherlich viel lernen, schließlich ist es ein anderer Job als der, den Sie früher in Ihrem alten Job gemacht haben. Um einen wichtigen Kunden richtig bedienen zu können, mussten Sie verstehen, dass es kristalline Feststoffe und amorphe Feststoffe gibt. Wussten Sie, dass ein kristalliner Feststoff eine Regelmäßigkeit der Atomanordnung aufweist, also eine sich wiederholende Einheit mit großer Reichweite, die Elementarzelle genannt wird? und dass die Eigenschaften der Materialien von der Art der Einheitszelle und folglich von der Art der gebildeten Kristallstruktur abhängig sind. So haben Sie die verschiedenen Elementarzellen des kubischen Systems kennengelernt: einfach kubisch, kubisch raumzentriert, kubisch flächenzentriert und kompakt hexagonal; und Sie konnten dem Kunden erklären, dass die ferromagnetische Eigenschaft von α-Eisen erst bei Temperaturen unter 771 °C zum Vorschein kommt und dass es eine BCC-Kristallstruktur aufweist, außerdem haben Sie den Kunden gewarnt, dass bei Temperaturen über 910 °C α-Eisen nicht mehr stabil ist und bildet CFC-Elementarzellen-γ-Eisen, das andere Eigenschaften als α-Eisen aufweist. Überzeugt von seinen Ausführungen kamen beim Kunden neue Zweifel auf, etwa: Ist α-Eisen bei Temperaturen unter 771 °C ein sehr hartes Metall? Hat es eine hohe Steifigkeit? Ist es ein unflexibles Metall? Damit diese Fragen richtig beantwortet werden und unser Kunde zufrieden ist, ist es notwendig, dass Sie weitere wichtige Eigenschaften der Kristallstruktur kennen. In diesem Abschnitt werden zunächst zwei sehr ähnliche Konzepte behandelt, die sich auf die Untersuchung der Kristallstruktur, des Polymorphismus und der Allotropie beziehen. Anschließend werden Sie die sieben verschiedenen Kristallsysteme untersuchen und feststellen, dass sich in der Praxis alle Kristalle in einem dieser Systeme bilden. Später werden Sie verstehen, dass es von den sieben Kristallsystemen vierzehn mögliche Kristallgitter gibt und dass es bei der Arbeit mit festen Materialien normalerweise notwendig ist, eine Atomposition innerhalb der Elementarzelle, eine Richtung oder eine kristallographische Ebene anzugeben. Das Verständnis dieser Themen wird Ihnen helfen, andere wichtige Konzepte und Aspekte kennenzulernen, die bei der Auswahl eines geeigneten Materials für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen. Der Vertriebssektor ist für ein Unternehmen grundlegend und unerlässlich. Die Durchführung und der Abschluss dieses wichtigen Verkaufs hängt direkt von seiner Vorbereitung und seinem technischen Wissen über die Produkte ab, die in der metallurgischen Anlage hergestellt werden, und in diesem Fall über kristalline Strukturen 73
76Konkret sprechen wir bei U2 vom α-Eisen. Mit dem Verständnis dieser Themen kennen Sie weitere wichtige Konzepte und Aspekte, die bei der Auswahl eines geeigneten Materials für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen. Gut gemacht! Nicht zu übersehen Polymorphismus ist ein bekanntes Phänomen, wenn ein Feststoff in mehr als einer Form oder Kristallstruktur existiert. Polymorphismus ist der Allotropie sehr ähnlich, allerdings wird Allotropie zur Beschreibung elementarer Festkörper verwendet, während Polymorphismus für Verbindungen verwendet wird. Im Allgemeinen wird für jedes kristalline Material der Begriff Polymorphismus verwendet. Zu den allotropen Formen von Kohlenstoff gehören beispielsweise Diamant (wo die Kohlenstoffatome in einer tetraedrischen Gitteranordnung gebunden sind); Graphit (in dem Kohlenstoffatome in einem hexagonalen Gitter schichtweise miteinander verbunden sind); Lonsdaleit (die Atome sind hexagonal angeordnet); Graphen (lose Graphitschichten); Fullerene (bei denen Kohlenstoffatome in einer kugelförmigen, röhrenförmigen oder ellipsoiden Form miteinander verbunden sind) und in jüngerer Zeit wurden auch andere Allotrope entdeckt, wie Buckminsterfulleren, auch Buckyball genannt, und Kohlenstoffnanoröhren. Buckminsterfulleren weist in einem zweidimensionalen Muster ein Muster aus zwölf regelmäßigen Fünfecken und zwanzig regelmäßigen Sechsecken auf. Kohlenstoffnanoröhren hingegen sind Graphitschichten, das heißt, sie sind in verschiedene Richtungen gerollte Graphene, die Röhren mit halbkugelförmigen Fullerenkappen an ihren Enden erzeugen (ASKELAND; WRIGHT, 2014). Bei der allotropen Umwandlung haben alle Kohlenstoffallotrope die gleiche Zusammensetzung, d. h. sie sind reiner Kohlenstoff, aber die Materialien haben drastisch unterschiedliche Eigenschaften aufgrund der unterschiedlichen Atomanordnungen in jedem Allotrop, d. h. der unterschiedlichen Kristallsysteme (ASKELAND; WRIGHT, 2014). Abbildung 2.9 zeigt acht Allotrope aus reinem Kohlenstoff, die jeweils dargestellt werden durch: a) Diamant; b) Graphit; c) Lonsdaleit; d) Buckminsterfulleren; e) C540-Fulleren; f) C70-Fulleren; g) amorpher Kohlenstoff; und h) Kohlenstoffnanoröhren. Abbildung 2.9 Darstellung von acht Allotropen aus reinem Kohlenstoff Quelle: < Zugriff am: 18. März Kristallstrukturen
77U2 Suche weiter Der Artikel Kohlenstoff-Nanostrukturen (Nanoröhren, Graphen): quo vadis? stellt die chemischen Herausforderungen bei der Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren vor. Verfügbar unter: < Zugriff am: 15. März Viele Keramiken wie Siliziumdioxid (SiO 2 ) und Zirkonoxid (ZrO 2 ) sind Beispiele für polymorphe Materialien. In diesem Fall folgt die Volumenänderung der Umwandlung der kristallinen Struktur beim Abkühlen oder Erhitzen Wenn diese Bedingungen nicht ordnungsgemäß kontrolliert werden, kann die Volumenänderung dazu führen, dass das Keramikmaterial brüchig und spröde wird. Abbildung 2.10 zeigt Zirkonoxid, das bei Raumtemperatur (25 °C) bis 1170 °C eine stabile monokline Kristallstruktur aufweist. Oberhalb dieser Temperatur wandelt sich monoklines Zirkoniumdioxid bis 2370 °C in eine stabile tetragonale Struktur um. Oberhalb von 2370 °C wandelt sich Zirkonium in tetragonales Zirkoniumdioxid um in eine stabile kubische Form bis zu 2370 °C mit einer Schmelztemperatur von 2680 °C. Zirkonoxid kann auch eine orthorhombische Form annehmen, wenn es hohen Drücken ausgesetzt wird (ASKELAND; WRIGHT, 2014). Aufgrund seiner hohen Beständigkeit und seiner Inertheit in einer physiologischen Umgebung wird Zirkonoxid häufig als Ersatz für metallische Materialien in Zahnprothesen verwendet. Abbildung 2.10 Kristallstrukturen von Zirkonoxid bei verschiedenen Temperaturen. Quelle: vom Autor erstellt. Mehr suchen Sehen Sie sich die Lösung einer Aufnahmeprüfungsfrage zu Kohlenstoffallotropen an. Verfügbar unter: < watch?v=ch5cvoktvem>. Zugriff am: 15. März Die Strukturen aller bekannten Kristalle können nach der Symmetrie der Elementarzellen klassifiziert werden. Es gibt insgesamt sieben grundsätzlich unterschiedliche Typen dieser Zellen, die sich in der relativen Länge der Kanten und den zwischen ihnen gebildeten Winkeln unterscheiden . Jede Elementarzelle hat sechs Seiten und jede Seite ist ein Parallelogramm. Die atomaren oder ionischen Anordnungen kristalliner Materialien werden durch sieben Kristallsysteme beschrieben, die in Abbildung 2.11 dargestellt sind: kubisch, hexagonal, tetragonal, Kristallstrukturen 75
78U2 rhomboedrisch (trigonal), orthorhombisch, monoklin und triklin. Die Kristallstruktur wird durch die Längen a, b und c sowie durch die drei Winkel α, β und γ, die als Kristallgitterparameter bezeichnet werden, charakterisiert. Assimilieren Einige Eigenschaften wie Verformung unter Last, elektrische und thermische Leitfähigkeit und Elastizitätsmodul können je nach Kristallorientierung sowie den Eigenschaften von Eisen variieren. Abbildung 2.11 Kristalline Systeme Quelle: angepasst von < Zugriff am: 21. März Unter den kristallinen Systemen ist das kubische System das mit dem höchsten Grad an Symmetrie, während das trikline System die niedrigste Symmetrie aufweist. Obwohl es nur sieben Kristallsysteme oder -formen gibt, gibt es vierzehn verschiedene Kristallgitter, die zu Ehren von Auguste Bravais ( ), einem der ersten französischen Kristallographen, das Bravais-Gitter genannt werden. Das Bravais-Gitter weist die folgenden Kristallgitter auf: 3 kubische Typen, 1 rhomboedrischer Typ, 4 orthorhombische Typen, 2 tetragonale Typen, 1 hexagonaler Typ, 1 trikliner Typ und 2 monokline Typen (Abbildung 2.12). 76 Kristallstrukturen
79U2 Abbildung 2.12 Bravais-Netzwerk Quelle: vom Autor ausgearbeitet. In der Praxis weisen alle Kristalle eines dieser Arten von Kristallsystemen auf. Einige Verbindungen mit demselben System weisen jedoch unterschiedliche Gitterparameter auf, bei denen es sich um Faktoren handelt, die von der chemischen Zusammensetzung und der Größe der Atome in der Elementarzelle abhängen. Reflektieren Ist die Veränderung von Kristallstrukturen und -gittern immer mit einer Veränderung der Materialeigenschaften verbunden? Normalerweise ist es notwendig, einen Punkt, eine Richtung oder eine kristallographische Ebene von Atomen anzugeben (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Einige Eigenschaften wie Verformung unter Last, elektrische und thermische Leitfähigkeit und Elastizitätsmodul können je nach Kristallorientierung sowie den Eigenschaften von Eisen variieren. Die Position eines beliebigen Punktes innerhalb der Elementarzelle kann anhand seiner Koordinaten als gebrochene Vielfache der Längen der Kanten der Elementarzelle angegeben werden. Abbildung 2.13 zeigt eine Elementarzelle mit den jeweiligen Koordinaten der Atome an den Ecken des Würfels und den Gitterparametern unter der Annahme einer Kanteneinheit von 1. Kristallstrukturen 77
80U2 Abbildung 2.13 Elementarzelle mit Atomkoordinaten der Eckpunkte und Netzwerkparametern Quelle: vom Autor erstellt. Zur Bestimmung eines Punktes, einer Richtung oder einer kristallographischen Ebene werden einige allgemeine Regeln verwendet: Miller-Indizes (Notationen zur Definition von Ebenenfamilien im Bravais-Gitter) werden verwendet, um Gitterebenen und -richtungen auszudrücken; x, y, z sind die Achsen; a, b, c sind die Gitterparameter (Elementarzellenlänge entlang einer Seite); h, k, l sind die Miller-Indizes für Ebenen und Richtungen, die als Ebenen (hkl) und Richtungen [hkl] ausgedrückt werden; Es gibt keine Kommas zwischen den Indizes. Negative Zahlen werden durch einen Schrägstrich über der Zahl dargestellt. Beispiel: - 2 wird als 2 dargestellt. Miller-Indizes werden anhand einiger Verfahren ermittelt: Wenn die Ebene durch den Ursprung verläuft, wählen Sie eine äquivalente Ebene aus oder verschieben Sie den Ursprung. Bestimmen Sie den Schnittpunkt der Ebene mit den Achsen hinsichtlich a, b und c; Man kann davon ausgehen, dass eine Ebene parallel zu einer Achse einen Schnittpunkt im Unendlichen hat 1 0 = ; Wandeln Sie die Werte in die kleinste ganze Zahl um und stellen Sie sie in Klammern dar. 78 Kristallstrukturen
81U2 als Beispiel: Bestimmen Sie anhand der in Abbildung 2.14 gezeigten Ebene die Miller-Indizes: Abbildung 2.14 Elementarzelle Quelle: vom Autor erstellt. Auflösung: Wir können beobachten, dass die Ebene die x-, y- und z-Achse schneidet. Wir haben also: Die Miller-Indizes für die in der Elementarzelle gezeigte Ebene sind gleich (111). Quelle: vom Autor erarbeitet. Abbildung 2.15 zeigt die Miller-Indizes für die verschiedenen kristallographischen Ebenen. Die Pfeile zeigen auf die Ursprünge, die zur Bestimmung der Miller-Indizes verwendet wurden. Abbildung 2.15 Kristallographische Ebenen Quelle: vom Autor erarbeitet. Machen Sie es selbst Bestimmen Sie anhand der in der folgenden Abbildung gezeigten Ebenen die Miller-Indizes: Kristallstrukturen 79
82U2 Keine Angst davor, Fehler zu machen Sie haben kürzlich einen Job als technischer Verkäufer bei einem metallurgischen Unternehmen gewonnen, das verschiedene Metalllegierungen herstellt. Sicherlich hat Sie dieser neue Job herausgefordert und Ihnen neue Aspekte der Materialwissenschaft beigebracht. Sie bedienen einen wichtigen Kunden, der am Kauf von α-Eisen für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen interessiert ist. Zunächst fragte der Kunde, ob es möglich sei, die ferromagnetische Eigenschaft von α-Eisen bei verschiedenen Temperaturen zu nutzen, und Sie konnten kompetent erklären, dass diese Eigenschaft von Eisen nur bei Temperaturen unter 771 C zum Ausdruck kommt. Zufrieden hatte der Kunde neues Zweifel wie: Ist α-Eisen bei Temperaturen unter 771 °C ein sehr hartes Metall? Hat es eine hohe Steifigkeit? Ist es ein unflexibles Metall? Und Sie konnten diese Fragen erneut beantworten: α-Eisen weist bei Temperaturen unter 771 °C eine BCC-Kristallstruktur und ein kubisches Kristallsystem auf. Das kubische Kristallsystem hat die drei kristallographischen Achsen a, b und c von gleicher Größe und senkrecht zueinander, das heißt, α, β und γ haben Winkel gleich 90. Die Kristallstruktur von α-Eisen ist Teil der sogenannten Bravais Gitter. Zu den Eigenschaften von α-Eisen gehören Formbarkeit, Flexibilität und geringe Steifigkeit, Eigenschaften, die mit dem kristallinen System zusammenhängen. Abbildung 2.16 zeigt die Kristallstruktur von α-Eisen, auch Ferrit genannt, in der die Eisenatome in einer BCC-Anordnung (größere Atome) angeordnet sind und die Kohlenstoffatome (kleinere Atome) als Zwischengitterfehler vorliegen. Abbildung 2.16 Kristallstruktur von α-Eisen. Quelle: < Zugriff am: 21. März Wenn es um ein metallisches Material geht, kann man sagen, dass dieses Material durch Scherung oder durch das Verschieben einer Atomebene des Kristalls verformt wird, was das Vorhandensein von Verunreinigungen oder Defekten im Kristall mit sich bringt Anordnung. Kubisch-kristalline Metalle wie α-Eisen verformen sich überwiegend durch Gleiten, bei dem eine Atomebene über eine benachbarte Ebene gleitet. Das α-Eisen zeigt die Spaltungsebene, d. h. die Art und Weise, in der das α-Eisen entlang paralleler Ebenen fragmentiert oder bricht oder bricht, entsprechend [100]. 80 kristalline Strukturen
83U2 Fortschritte in der Praxis Beschreibung des Situationsproblems Kristalline Systeme Topas ist ein häufig in Schmuck verwendeter Stein mit der chemischen Formel Al 2 (F,OH) 2 SiO 4 und ein Mineral, das als Edelstein eingestuft ist. Abbildung 2.17 zeigt einige Beispiele dieses Minerals. Abbildung 2.17 Topas Quelle: < Zugriff am: 22. März Ist es möglich zu bestimmen, in welchem System Topas kristallisiert? Welche Kristallrichtungen gibt es? Lösung der Problemsituation Topas kristallisiert in einem orthorhombischen System, in dem alle zwischen den Kanten gebildeten Winkel gleich 90 sind und die Längen der Kanten unterschiedlich sind, wie in Abbildung dargestellt. Auf diese Weise sind die Netzwerkparameter gleich α = β = γ = 90 (Winkel) und a b c (Kantenlänge). Abbildung 2.18 Orthorhombisches System Quelle: < Zugriff am: 21. März Die Spaltungsebene des Topas ist gleich [001]. Kristallstrukturen 81
84U2 Make It Count 1. Dieses natürliche Phänomen ist bekannt, wenn eine feste Verbindung in mehr als einer Form oder Kristallstruktur vorliegt. Der obige Text bezieht sich auf: a) Elementarzelle b) Allotropie c) Polymorphismus d) Kristallisation e) Bravais-Gitter 2. Die oben dargestellten Allotrope sind Allotrope welchen chemischen Elements? a) Kobalt b) Graphit c) α-Eisen d) Fluor e) Kohlenstoff 3. Analysieren Sie die folgende Abbildung: Aus der Analyse der Abbildung lässt sich Folgendes feststellen: a) Dies ist die kristalline Struktur von Diamant, in der die Atome von Kohlenstoff sind in einer tetraedrischen Gitteranordnung gebunden. b) Dies ist die kristalline Struktur von Diamant, in der die Kohlenstoffatome in einer hexagonalen Anordnung verbunden sind. c) Dies ist die Struktur von Graphit, bei der die Kohlenstoffatome schichtweise in einem hexagonalen Netzwerk miteinander verbunden sind. d) Dies ist die Struktur von Graphit, bei der die Kohlenstoffatome schichtweise in einem tetraedrischen Netzwerk miteinander verbunden sind. e) Dies ist die kristalline Struktur von Diamant, in der die Kohlenstoffatome in einer kubischen Strukturanordnung verknüpft sind. 82 Kristallstrukturen
85U2 Abschnitt 2.3 Kristallunvollkommenheiten Offener Dialog Lieber Student, sind Sie bereit, einen anderen Abschnitt der Materialwissenschaften zu studieren? Es ist eine dynamische und sehr interessante Studie, jeden Tag entstehen neue Ideen, neue Bedürfnisse, die zur Entwicklung neuer Materialien führen und die meisten davon sind Materialien, die uns Komfort bringen. Sehen wir uns einige Beispiele an: Wer schläft nach einem anstrengenden Arbeits- oder Studientag nicht gerne auf einem Kissen aus viskoelastischem Schaumstoff, im Volksmund als NASA-Kissen bekannt? Es ist wirklich schön und bequem! Aber ist die Materialwissenschaft nur bei der Schaumstoffherstellung von Nutzen? Natürlich nicht! Es ist in unserem täglichen Leben und sogar in den schönsten Momenten unseres Lebens präsent, wie zum Beispiel bei der Geburt eines Kindes. Könnte es sein, dass unsere Eltern oder Großeltern so viele Möglichkeiten, Farben und Größen an Wegwerfwindeln hatten? Oder besser gesagt: Gab es Wegwerfwindeln bereits? Sicherlich hatten viele unserer Eltern diese Möglichkeit nicht. Dieses und viele andere Beispiele sind in gewisser Weise Früchte des Studiums der Materialwissenschaften. Jede Woche lernen Sie ein neues Fach dieser Wissenschaft, das Ihnen in diesem neuen Job helfen soll. Als technischer Verkäufer eines metallurgischen Unternehmens verhandeln Sie über den Verkauf einer Menge α-Eisen an einen sehr anspruchsvollen Kunden und jedes Mal hat dieser eine neue Frage. Dieser Verkauf ist für das Metallurgieunternehmen von großer Bedeutung, insbesondere in der aktuellen Krise. Der Kunde wird α-Eisen in verschiedenen Anwendungen und unter verschiedenen Temperaturbedingungen verwenden und Sie haben bereits erklärt, dass α-Eisen nur bei Temperaturen unter 771 °C ferromagnetisch ist, und später erklärten Sie, warum dieses Metall mit einer kubischen Körperstruktur im Zentrum formbar ist , flexibel und weist eine geringe Steifigkeit und Eigenschaften auf, die mit dem kristallinen System zusammenhängen. Während dieses Gesprächs haben Sie dem Kunden jedoch mitgeteilt, dass es möglich sei, die Steifigkeit von α-Eisen zu erhöhen, und dass das Metall nicht frei von Verunreinigungen und Defekten sei. Und der Kunde fragte ihn noch einmal: Was sind das für Verunreinigungen? Und welche Arten von Defekten kann α-Eisen aufweisen? Wenn Sie diesen Abschnitt studieren, werden Sie verstehen, was Verunreinigungen in festen Materialien bedeuten. Sie werden auch verstehen, dass die Zugabe von Verunreinigungen absichtlich erfolgen kann, wenn wir einige anfängliche Eigenschaften von Materialien ändern möchten. Sie werden verstehen, dass Festkörper verschiedene Arten von Fehlern aufweisen und diese identifizieren und unterscheiden können. Kristallstrukturen 83
86U2 Zur Beantwortung dieser Fragen greifen Sie erneut auf materialwissenschaftliche Studien zurück und lernen am Ende wichtige Konzepte und Aspekte kennen, die bei der Auswahl eines geeigneten Materials für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen. Sollen wir also mit dem Studium beginnen? Viel Glück! Es darf nicht fehlen. Die im vorherigen Abschnitt untersuchten kristallinen Strukturen stellen eine idealisierte und vereinfachte Struktur dar, sodass sie zum Verständnis vieler wichtiger Prinzipien verwendet werden kann, die das Verhalten von Festkörpern bestimmen. Im Gegensatz dazu enthalten echte Kristalle eine große Anzahl von Defekten, die von der Menge an Verunreinigungen bis zum Fehlen von Atomen oder Ionen reichen, und diese Defekte oder Unvollkommenheiten tragen zu den Eigenschaften von Materialien bei. Es stimmt, dass sich das Wort „Defekt“ auf etwas Schlimmes oder Unerwünschtes bezieht. In Materialstudien werden Defekte jedoch absichtlich verwendet, um die Eigenschaften eines Materials zu manipulieren. Beispielsweise ist das Hinzufügen von Legierungselementen zu einem Metall eine Möglichkeit, einen Defekt in den Kristall einzuführen. Es gibt einige grundlegende Arten von Defekten in einem kristallinen Feststoff: Punktdefekte; lineare Defekte; Grenzflächendefekte und volumetrische Defekte. Punktdefekte sind Bereiche, in denen ein Atom fehlt oder sich das Atom in einer unregelmäßigen Region in der Kristallstruktur befindet. Punktdefekte umfassen: Lücken, selbstinterstitielle, substitutionelle und interstitielle Verunreinigungen. Die Lücke ist der einfachste Defekt und wie der Name schon sagt, wird die Abwesenheit eines Atoms im Kristallgitter beobachtet (Abbildung 2.19). Abbildung 2.19 Zweidimensionale Darstellung einer Lücke Quelle: < Zugriff am: 17. März Nach mehr suchen Der Link verfügbar unter: < diffusion.gif> (Zugriff am: 17. März) zeigt ein GIF, in dem man die Bewegung von Lücken beobachten kann das Kristallgitter. 84 Kristallstrukturen
87U2-Löcher sind häufige Defekte, insbesondere bei hohen Temperaturen, wenn Atome häufig in Bewegung sind und zufällig ihre Position ändern, wodurch leere Gitterplätze zurückbleiben. Die meisten Fälle von Diffusion (Massentransport durch Atombewegung) treten nur aufgrund des Vorhandenseins von Löchern auf. Mit Gleichung 2.5 lässt sich die Anzahl der Löcher in einem Kristallgitter bestimmen: Ql Nl = N exp (2,5) kt Dabei ist N die Gesamtzahl der Atomplätze, Ql die für die Bildung eines Lochs erforderliche Energie und T die absolute Temperatur in Kelvin und k ist die Boltzmann-Konstante (8, ev/Atom.k oder 1, J/Atom.K). Die Gesamtzahl der Atomplätze wird aus Gleichung 2.6 berechnet: N N Aρ = A (2.6) In diesem Ausdruck ist N A die Avogadro-Zahl, ρ die spezifische Masse und A das Atomgewicht. Somit ist zu beobachten, dass die Anzahl der Lücken exponentiell als Funktion der Temperatur zunimmt. Bestimmen wir zum Beispiel die Anzahl der Löcher in Eisen bei 900 °C, wobei wir wissen, dass die spezifische Masse von Eisen 7,65 g/cm 3, das Atomgewicht 55,85 g/mol, die Avogadro-Zahl 6, Atome/mol und Energie beträgt Die Bildung eines Lochs beträgt 1,08 eV/Atom. N l Ql N A Ql = N kt = ρ A exp exp kt (, Atome/mol)(7,65 g/cm ) 108, ev/atom = exp 5 55, 85 g/mol (, ev/atom.k) 1173k , , ev/atom = exp 5 55, 85 (, ev/atom.k)1173k = (, )exp( 1068, )= ( 8, ).( 2, ) = 19, 10 Löcher. cm 18 3 Die Anzahl der Lücken wird üblicherweise auf folgende Weise dargestellt: Als Funktion von Kubikzentimetern 1, Lücken/cm 3 oder 1, cm -3 ; oder Kubikmeter 1, Lücken/m3 oder 1, m -3. Kristallstrukturen 85
88U2 Do-it-yourself Bestimmen Sie analog zur Übung im Beispiel die Anzahl der Löcher für Eisen bei 1500 °C. Eine andere Art von Punktdefekten ist der Selbstinterstitielle Defekt, d. h. ein Atom des Kristallgitters wird verschoben und eingestaucht Eine Interstitial-Site bedeutet, dass es sich um eine Region handelt, die unter normalen Umständen nicht besetzt wäre. Verunreinigungen gelten auch als punktuelle Defekte und sind vom Typ der Substitutionsverunreinigung, bei der ein anderes Atom als die Atome, die das Kristallgitter bilden, ein Atom der Struktur ersetzt und im Allgemeinen Unterschiede von maximal 15 % des Radius des Atoms aufweisen ursprüngliche Struktur. Ein Beispiel für substitutionelle Verunreinigungsatome sind die Zinkatome in Messing. Zinkatome haben einen Radius von 0,133 nm und ersetzen einige Kupferatome, die einen Radius von 0,128 nm haben. Zwischengitteratome sind viel kleiner als die Gitteratome. Diese Arten von interstitiellen Verunreinigungsatomen passen in den leeren Raum zwischen Atomen in der Kristallstruktur. Es ist wichtig hervorzuheben, dass die Zugabe von Verunreinigungen auch zur Bildung einer festen Lösung führen kann, die entsteht, wenn die Zugabe von gelöstem Stoff (Element in geringerer Menge) zum Wirtsmaterial (Materiallösungsmittel in größerer Menge) keine Lösung verursacht Veränderung der Kristallstruktur. Abbildung 2.20 zeigt die verschiedenen Arten von Punktfehlern. Abbildung 2.20 Punktdefekte Quelle: angepasst von < Zugriff am: 17. März Eine weitere häufige Art von Defekten sind lineare Defekte, wobei Versetzungen die häufigste Art sind. Versetzungen sind ein Defekt, bei dem einige Atome in der Kristallstruktur falsch positioniert sind. Die Hauptfunktion von Versetzungen in der Mikrostruktur besteht darin, den Strömungswiderstand und die anschließende plastische Verformung kristalliner Feststoffe bei normalen Temperaturen zu steuern. Versetzungen sind auch am Kristallwachstum und an Grenzflächenstrukturen zwischen Kristallen beteiligt und werden erzeugt und bewegt, wenn eine Spannung ausgeübt wird. Es gibt zwei Grundtypen von Versetzungen, die Kantenversetzung und die Spiralversetzung. Tatsächlich sind die meisten Versetzungen wahrscheinlich eine Mischung aus Kanten- und Spiralformen. Die Kantenversetzung kann leicht als zusätzliche Halbebene von Atomen in einer kristallinen Struktur dargestellt werden. Diese Halbebenen werden oft als die 86 Kristallstrukturen bezeichnet.
89U2-Versetzungslinien aufgrund der Ausrichtung der Atome entlang einer Linie (Abbildung 2.21). Bei der Kantenversetzung werden die interatomaren Bindungen in der Nähe der Versetzungslinie deutlich verzerrt. Das Verständnis der Versetzungsbewegung ist entscheidend für das Verständnis der plastischen Verformung von Materialien. Eine Verformung tritt auf, wenn sich eine Verschiebung durch einen Kristall bewegt. Abbildung 2.21 Kantenversetzung Quelle: < Zugriff am: 17. März Die Versetzung bewegt sich ähnlich wie eine Raupe, dh jeweils nur ein kleines Stück. Die Versetzung in der oberen Hälfte des Kristalls gleitet Ebene für Ebene von links nach rechts, beginnend bei Position A bis B, bis sie rechts vom Kristall eine Einheit des interatomaren Abstands bildet. Daher wird ein kleiner Teil der interatomaren Bindungen während der Versetzungsbewegung aufgebrochen. In Abbildung 2.22 wird die Bewegung einer Versetzung beobachtet, wenn der Kristall einer Scherspannung ausgesetzt wird und eine Einheit des interatomaren Abstands bildet. Abbildung 2.22 Nichtkonformitätsbewegung Quelle: angepasst von < Zugriff am: 18. März Kristallstrukturen 87
90U2 Die Größe und Richtung der mit einer Versetzung verbundenen Netzwerkverzerrung werden durch einen Burgers-Vektor ausgedrückt, der durch b dargestellt wird, wie in Abbildung 2.23 dargestellt (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Abbildung 2.23 Burgers-Vektor Quelle: < Zugriff am: 18. März Reflect Haben Sie verstanden, wie die Bewegung einer Meinungsverschiedenheit erfolgt? Und dass es einer mexikanischen Ola sehr ähnlich ist? Das Video „Dislocation Movement“, verfügbar unter: < (abgerufen am: 20. März 2016), zeigt die Bewegung einer Versetzung in einem kristallinen Material. Die spiralförmige Luxation ist etwas schwieriger darzustellen. Die Art einer Versetzung wird durch die relative Ausrichtung der Versetzungslinie und des Burgers-Vektors definiert. Bei einer Kantenversetzung stehen sie senkrecht, bei einer Spiralversetzung sind sie parallel. Abbildung 2.24 zeigt die Bewegungsdarstellung einer Spiralversetzung. Abbildung 2.24 Bewegung einer spiralförmigen Versetzung Quelle: < Zugriff am: 18. März Kristallstrukturen
91U2-Grenzflächendefekte sind zweidimensionale Defekte, die in Kristallen auftreten, bei denen das Material normalerweise kristalline Strukturen oder unterschiedliche kristallographische Orientierungen aufweist. Diese Defekte können unterteilt werden in: Außenflächen, Korngrenzen, Phasengrenzen und Zwillingsgrenzen. Bei äußeren Oberflächendefekten hat jedes Atom auf der Oberfläche nicht mehr die richtige Koordinationszahl und die Atombindungen sind bereits aufgebrochen und die Atome befinden sich somit in einem höheren Energiezustand. Eine weitere Art von Grenzflächenfehlern ist die Korngrenze, die Grenze, an der ein anderes Korn endet und beginnt. Feststoffe bestehen im Allgemeinen aus einer Reihe von Körnern, deren Länge und Übergang ihrer Kristallorientierung im Verhältnis zu einem benachbarten Korn variieren können. Wenn der Unterschied zwischen den Kristallorientierungen der Körner gering ist, spricht man von einer Kleinwinkel-Korngrenze, während von einer Großwinkel-Korngrenze gesprochen wird, wenn diese Orientierungsfehlanpassung groß ist. Abbildung 2.25 zeigt eine schematische Darstellung der Korngrenzen und eine mikroskopische Aufnahme eines polykristallinen Metalls, wobei die Korngrenzen durch Säureätzung nachgewiesen wurden. Abbildung 2.25 Schema der unteren und oberen Korngrenzen und Transmissionselektronenmikroskopaufnahme eines polykristallinen Metalls. Quelle: vom Autor erstellt. Die Korngröße kann durch die Abkühlgeschwindigkeit gesteuert werden, wenn ein Material geschmolzen oder wärmebehandelt wird. Im Allgemeinen entstehen durch schnelles Abkühlen kleinere Körner, während durch langsames Abkühlen größere Körner entstehen. Die Korngröße kann mit der von der American Society for Testing and Materials (ASTM American Society of Testing and Materials) entwickelten Methode bestimmt werden, bei der mehrere Vergleichstabellen mit zugeordneten Zahlen von 1 bis 10 verwendet werden, die als Korngrößenzahl bezeichnet wird. Um diese Methode anwenden zu können, muss eine Probe ordnungsgemäß vorbereitet und mit einer 100-fachen Vergrößerung fotografiert werden, sodass die Korngröße anhand der Körner bestimmt wird, die den Körnern im Mikrobild am ähnlichsten sind. Der Vergleich der Tabellen zur Bestimmung der Korngröße bezieht sich auf die durchschnittliche Anzahl der Körner pro Quadratzoll bei einer Vergrößerung von 100. Diese Parameter werden durch Gleichung 2.7 in Beziehung gesetzt: N n = 2 1 (2.7) Kristallstrukturen 89
92U2 Wobei n die Korngrößenzahl darstellt. Eine weitere Art von Fehlern, die in festen Materialien vorkommen, sind volumetrische Fehler. Es ist üblich, sie basierend auf der Kombination von Partikelgröße und Wirkung in vier Klassen einzuteilen: Niederschläge sind kleine Partikel, die durch eine Festkörperreaktion in die Matrix eingebracht werden und die Festigkeit von Strukturlegierungen erhöhen; Dispergiermittel sind größere Partikel, die sich wie eine zweite Phase verhalten und zusätzlich das Verhalten der primären Phase beeinflussen; Einschlüsse sind im Allgemeinen unerwünschte Bestandteile im Gefüge; Hohlräume (oder Poren) werden durch Gase verursacht, die während der Erstarrung eingeschlossen werden, oder durch lose Kondensation im festen Zustand und sind fast immer unerwünschte Defekte. Ohne Angst vor Fehlern Wir sind am Ende der Studie in diesem Abschnitt angelangt und an diesem Punkt sollten Sie als technischer Verkäufer im Hüttenwerk in der Lage sein, die Fragen des Kunden zu beantworten: Was sind diese Verunreinigungen? Und welche Arten von Defekten kann α-Eisen aufweisen? Verunreinigungen gelten auch als punktuelle Defekte und sind vom Typ der Substitutionsverunreinigung, bei der ein anderes Atom als die Atome, die das Kristallgitter bilden, ein Atom der Struktur ersetzt und im Allgemeinen Unterschiede von maximal 15 % des Radius des Atoms aufweisen ursprüngliche Struktur. Ein Beispiel für substitutionelle Verunreinigungsatome sind die Zinkatome in Messing. Zinkatome haben einen Radius von 0,133 nm und ersetzen einige Kupferatome, die einen Radius von 0,128 nm haben. Zwischengitteratome sind viel kleiner als die Gitteratome. Diese Arten von interstitiellen Verunreinigungsatomen passen in den leeren Raum zwischen Atomen in der Kristallstruktur. Es ist wichtig hervorzuheben, dass die Zugabe von Verunreinigungen auch zur Bildung einer festen Lösung führen kann, die entsteht, wenn die Zugabe von gelöstem Stoff (Element in geringerer Menge) zum Wirtsmaterial (Materiallösungsmittel in größerer Menge) keine Lösung verursacht Veränderung der Kristallstruktur. Abbildung 2.26 zeigt schematisch, was mit α-Eisen- und Kohlenstoffatomen passieren könnte. Das Kristallgitter wird gedehnt, indem interstitielle gelöste Stoffe hinzugefügt werden, was zu Spannungen führt. Im Fall von α-Eisen wäre der gelöste Stoff Kohlenstoff und Eisen das Lösungsmittel. Die Kohlenstoffatome an den Zwischengitterplätzen erzeugen ein Spannungsfeld, das Verschiebungsbewegungen verhindert und somit die mechanische Festigkeit erhöht. 90 Kristallstrukturen
93U2 Abbildung 2.26 Diagramm interstitieller Verunreinigungen Quelle: < Zugriff am: 28. März Alpha-Eisen kann wie andere feste Materialien verschiedene Arten von Defekten aufweisen, wie zum Beispiel: punktuelle Defekte; lineare Defekte; Grenzflächendefekte und volumetrische Defekte. Und wie wir oft beobachten, ist das Vorhandensein dieser Mängel entscheidend für Materialien mit bestimmten Eigenschaften. Fortschritte in der Praxis Beschreibung der Problemsituation Kristallunvollkommenheiten Ein Materialingenieur hat bei der Durchführung einer Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Analyse die in Abbildung gezeigte mikroskopische Aufnahme erhalten. Als für das Labor verantwortlicher Techniker muss unser Freund einen Bericht über dieses Material erstellen Das ist Molybdändisulfid (MoS 2 ), ein weißer Feststoff, der aufgrund seiner geringen Reibungseigenschaften als Schmiermittel verwendet wird. Der Ingenieur muss auf die Konzepte zurückgreifen, die er im Studiengang Materialwissenschaft an der Hochschule gelernt hat. Abbildung 2.27 Durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) aufgenommene Mikroaufnahme. Quelle: < Zugriff am: 28. März. Kristallstrukturen 91
94U2 Ist es möglich, anhand der Mikroaufnahme die Arten von Defekten in der Kristallstruktur von Molybdändisulfid zu identifizieren, die in den Bericht aufgenommen werden sollten? Lösung der Problemsituation Das vorgestellte Schliffbild von Molybdändisulfid zeigt zwei Arten von Defekten: In Abbildung 2.27a ersetzen Molybdänatome (Mo) Schwefelatome (S), das heißt, sie gelten als Verunreinigungen und punktuelle Defekte. Punktdefekte vom Typ der Substitutionsverunreinigung liegen vor, wenn ein anderes Atom als die Atome, die das Kristallgitter bilden, ein Atom der Struktur substituiert und im Allgemeinen Unterschiede von maximal 15 % des Radius des Atoms der ursprünglichen Struktur aufweisen. In Abbildung 2.27b haben wir eine andere Art von punktuellen Fehlern, die Lücken. Diese Art von Defekt kommt besonders bei hohen Temperaturen sehr häufig vor und tritt auf, wenn Atome häufig in Bewegung sind und zufällig ihre Position ändern, wodurch leere Gitterplätze zurückbleiben. In der in Abbildung 2.27b gezeigten Mikroaufnahme ist es möglich, das Fehlen von Schwefelatomen (S) zu beobachten, die die Lücke verursachen. Zählen Sie 1. Punktdefekte sind Bereiche, in denen ein Atom fehlt oder sich das Atom in einer unregelmäßigen Region in der Kristallstruktur befindet. Prüfen Sie die Alternative, die nur Arten von punktuellen Defekten aufweist: a) Lücken und Risse b) Selbstinterstitielle und substitutionelle Verunreinigungen c) Lücken und Poren d) Selbstinterstitielle und Korngrenzen e) Interstitielle Verunreinigungen und Risse 2. Kenntnis der spezifischen Masse Silber beträgt 9,5 g/cm 3, das Atomgewicht beträgt 107,9 g/mol, die Avogadro-Zahl beträgt 6, Atome/mol und die Energie der Lochbildung beträgt 1,10 eV/Atom, die Anzahl der Löcher von Silber beträgt 800 C ist gleich: a) , Löcher. m 3 b) , Lücken. cm 3 c), Lücken. cm 3 d) , Lücken. cm 3 e), Lücken. m 3 92 Kristallstrukturen
95U2 3. Die folgende Abbildung stellt eine häufige Art von Defekten in kristallinen Feststoffen dar, wie angegeben: Quelle: vom Autor erarbeitet. Markieren Sie die Alternative, die diesen Fehlertyp korrekt darstellt. a) Substitutionelle Verunreinigung b) Interstitielle Verunreinigung c) Leerstellen d) Poren e) Versetzungen Kristallstrukturen 93
96U2 94 Kristallstrukturen
97U2 Abschnitt 2.4 Verbreitung Offener Dialog Lieber Student, Willkommen zurück! In diesem letzten Abschnitt von Einheit 2 werden wir uns mit der Atomdiffusion befassen, einem sehr wichtigen Phänomen, das uns hilft zu verstehen, warum Materialien, die einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wie z. B. Metalle, Verbesserungen in ihren Eigenschaften zeigen. Die Untersuchung der Diffusion hilft uns, die Zusammenhänge zwischen Struktur, Verarbeitung, Eigenschaften und Leistung eines Materials zu analysieren. Anhand der Diffusionsmechanismen werden wir verstehen, wie es möglich ist, Verunreinigungsatome in kristalline Feststoffe einzuführen und welchen Zusammenhang es mit Zeit und Temperatur gibt. Darüber hinaus werden wir verstehen, dass für das Auftreten der Diffusionsphänomene das Vorhandensein von Unvollkommenheiten im Kristallgitter erforderlich ist, wie z. B. Lückendefekte und Defekte, bei denen sich Atome in einer Zwischengitterposition befinden. In unserem täglichen Leben kommt es häufig vor, dass Geräte verwendet werden, bei denen einige Teile oder Materialien vor der Anwendung/Verwendung einem Diffusionsprozess unterliegen. Und wo finden wir diese Stücke oder Materialien in unserem täglichen Leben? Möchten Sie ein Beispiel für ein Objekt, bei dem das Phänomen der Diffusion auftritt? Die Plastikflaschen! Bei der Herstellung von Plastikflaschen wird Kohlendioxid (CO 2 ) freigesetzt. Beginnen wir nun mit Ihrer letzten Herausforderung für diese Einheit: Als technischer Verkäufer eines metallurgischen Unternehmens verhandeln Sie über den Verkauf einer großen Charge α-Eisen an einen sehr anspruchsvollen Kunden. Das Alpha-Eisen wird in verschiedenen Anwendungen und bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen eingesetzt, der Kunde hat ihn jedoch aufgrund von Geschäftsgeheimnissen nicht über die genaue Anwendung informiert. Genau aus diesem Grund wurden Sie nach einigen Eigenschaften des Materials gefragt, beispielsweise nach den Eigenschaften, die es bei bestimmten Temperaturen aufweist. Im letzten Kontakt haben Sie klargestellt, dass Alpha-Eisen sowie andere feste Materialien verschiedene Arten von Mängeln aufweisen können, wie zum Beispiel: punktuelle Mängel; lineare Defekte; Grenzflächendefekte und volumetrische Defekte. Und dass das Vorhandensein dieser Mängel oft entscheidend dafür ist, dass Materialien bestimmte Eigenschaften haben. Doch der Kunde ist nicht nur anspruchsvoll, sondern auch sehr neugierig und stellt eine neue Frage: Wie ist es möglich, die Härte von Alpha-Eisen zu erhöhen? Ist es beispielsweise möglich, die Härte dieses Teils bei einem Stahlzahnrad zu erhöhen? Durch das Studium dieses Abschnitts werden Sie in der Lage sein, die beiden Diffusionsmechanismen zu beschreiben und die Hauptunterschiede zwischen ihnen aufzuzeigen. Sie haben auch die Möglichkeit, Kristallstrukturen 95 zu berechnen
98U2 ist der Diffusionskoeffizient für ein bestimmtes Material bei einer bekannten Temperatur. Am Ende dieses Abschnitts lernen Sie wichtige Konzepte und Aspekte kennen, die bei der Auswahl eines geeigneten Materials für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden müssen. Denken Sie daran, dass dies Ihre letzte Gelegenheit ist, den Kunden zu überzeugen und den Verkauf abzuschließen. Gutes Studium und viel Glück! Nicht zu übersehen: Diffusion ist ein Phänomen, das im Inneren fester, flüssiger und gasförmiger Materialien auftritt und allgemein als der Fluss von Atomen oder Spezies von einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration definiert werden kann und im Wesentlichen von der Konzentration abhängt Gradient und Temperatur (ASKELAND; WRIGHT, 2014). In Fällen, in denen das Konzept der Diffusion mit einer bestimmten Art von Material verbunden ist, findet man häufig Definitionen, die spezifischere Begriffe in Bezug auf die Art des Materials verwenden, wie zum Beispiel: - Diffusion ist das Phänomen des Transports von Materie durch Bewegung: atomar (in Metallen), Ionen (in Keramik) und Makromolekülen (in Polymeren), die vom Konzentrationsgradienten und der Temperatur abhängen. Derzeit müssen mehrere wichtige technologische Prozesse die Zunahme oder Abnahme der Diffusion steuern, beispielsweise die Oberflächenhärtung von Stählen, die elektrische Leitfähigkeit leitfähiger Keramikmaterialien, mikroelektronische Komponenten und optische Fasern (ASKELAND; WRIGHT, 2014). Und wann kommt es zur Diffusion? Sehen wir uns einige Beispiele an: Schauen Sie sich Abbildung 2.28 an. Darin sind einige Partikel in einem Glas Wasser gelöst. Anfangs sind diese Partikel dicht beieinander oder gruppiert (Abbildung 2.28a). Später wird beobachtet, dass sich die Partikel, wenn sie sich zufällig im Wasser bewegen, schließlich zufällig und gleichmäßig verteilen und die Diffusion weiterhin stattfindet. Auch ohne Wasser Strömung (Abbildung 2.28b). Abbildung 2.28 Schematische Darstellung der Partikeldiffusion in einem flüssigen Medium Quelle: < Zugriff am: 9. April Kristallstrukturen
99U2 Das gleiche Phänomen kann beobachtet werden, wenn wir ein paar Tropfen violetten Farbstoffs in ein Becherglas mit Wasser tropfen. Es ist viel einfacher, die Diffusion des Farbstoffs in Wasser zu verstehen, indem man die verschiedenen in der Abbildung gezeigten Becher betrachtet. Zunächst sind die Farbstoffpartikel gruppiert und durch zufällige Bewegungen verteilen sich diese Partikel gleichmäßig und homogen im Wasser, ohne Bereiche mit unterschiedlichen Tintenkonzentrationen. Abbildung 2.29 Diffusion von violettem Farbstoff in Wasser Quelle: < Zugriff am: 9. April In festen Materialien ist das Phänomen dasselbe, es ist jedoch nicht so einfach zu beobachten, aber wir können eine Analogie zur Diffusion von violettem Farbstoff ziehen. Stellen wir uns einen Kupferbarren und einen Zinnbarren vor, die zwischen den beiden Flächen in engem Kontakt stehen (Abbildung 2.30). Abbildung 2.30 Schematische Darstellung von Kupfer (Cu)- und Zinn (Sn)-Stäben und ihren jeweiligen Atomen. Quelle: vom Autor ausgearbeitet. Wenn die Stäbe für eine bestimmte Zeit auf eine hohe Temperatur (unterhalb der Schmelztemperatur) erhitzt und dann abgekühlt würden, würde eine chemische Analyse das anzeigen, was in Abbildung 2.31 dargestellt ist, nämlich die Kupferatome, die mit den Zinnatomen diffundierten die Zinnatome, die mit den Kupferatomen diffundierten. Dieser Vorgang, bei dem Atome eines Metalls in ein anderes Metall diffundieren (wandern), wird Interdiffusion oder Verunreinigungsdiffusion genannt. Abbildung 2.31 Schematische Darstellung der Verunreinigungsdiffusion (Cu-Sn) Quelle: vom Autor erarbeitet. Kristallstrukturen 97
100U2 Suche weiter Der Artikel mit dem Titel „Diffusion in keramischen Materialien: Eine Vorstudie“ stellt und diskutiert das Phänomen der Diffusion in keramischen Materialien, bei dem das Auftreten einer Interdiffusion nachgewiesen werden konnte. Verfügbar am: < Zugriff am: 9. April Diffusion tritt nicht nur zwischen verschiedenen Metallen oder verschiedenen Festkörpern auf, dieses Phänomen tritt auch in reinen Festkörpern auf, in denen Atome ihre Position ändern und vom gleichen Typ sind, ohne dass sich die Zusammensetzung ändert. Diese Art der Diffusion wird Autodiffusion genannt. Damit ein Atom oder eine Spezies seine Position ändert, sind zwei Bedingungen notwendig: Erstens muss eine leere benachbarte Position (Nachbar) vorhanden sein und das Atom muss über genügend Energie verfügen, um die chemischen Bindungen zwischen seinen benachbarten Atomen aufzubrechen, was zu einer Verzerrung in der Position führt Kristallgitter. während Ihrer Bewegung. Diese Energie hat ihren Ursprung in Schwingungen und ermöglicht es dem Atom, sich entlang des Kristallgitters zu bewegen. Aufgrund der Größe der Schwingungsenergien ist jedoch nur ein kleiner Teil der Atome in der Lage, sich zu bewegen. Der Anteil der Atome nimmt mit steigender Temperatur zu (CALLISTER; RETHWISH, 2013). Insbesondere in metallischen Materialien erfolgen die Bewegungen von Atomen hauptsächlich durch Diffusion in Löchern und interstitielle Diffusion. Wie der Name schon sagt, kommt es bei der Lochdiffusion zu einer Bewegung des Atoms und des vorhandenen Lochs im Kristallgitter des Metalls, wobei das Atom die Position des Lochs einnimmt und das Loch beginnt, die Position des Atoms einzunehmen (Abbildung 2.32). Abbildung 2.32 Diffusion durch Löcher Quelle: < Zugriff am: 10. April Reflect Die Anzahl der Löcher nimmt als Funktion der Temperatur zu. Wie hängt dieses Phänomen mit der Diffusion zusammen? Die interstitielle Diffusion ist eine andere Art der Atombewegung, bei der Atome, die sich ursprünglich an einer Zwischengitterposition befanden, zu einer benachbarten, leeren Zwischengitterposition wandern (Abbildung 2.33). 98 Kristallstrukturen
101U2 Abbildung 2.33 Interstitielle Diffusion Quelle: vom Autor erarbeitet. Dieser Mechanismus wird bei der Interdiffusion von Verunreinigungen beobachtet, deren Radien klein genug sind, um diese Zwischenräume zu besetzen, wie z. B. Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatome. Bei diesem Mechanismus sind keine Lücken erforderlich, damit die Artenbewegung stattfinden kann. In den meisten Metallen erfolgt diese Art der Diffusion schneller als die Diffusion durch Löcher, und zwar gerade wegen ihrer kleineren Atomgröße und damit ihrer leichten Bewegung. In keramischen Materialien diffundieren Kationen, die kleiner sind, schneller als Anionen (ASKELAND; WRIGHT, 2014). Eine Atom- oder Ionenbewegung ist nur möglich, wenn ausreichend Energie bereitgestellt wird und diese Spezies in eine neue Position springen kann. Damit die Spezies diese neue Position einnehmen kann, muss jedoch zunächst eine Energiebarriere namens Aktivierungsenergie (Q) überwunden werden. . Die Geschwindigkeit, mit der Atome, Ionen und andere Partikel in ein Material diffundieren, kann mit dem J-Fluss gemessen werden. Zum besseren Verständnis beziehen wir uns jedoch nur auf Atome. Der Fluss J entspricht der Anzahl der Atome, die sich pro Flächeneinheit und Zeiteinheit im stationären Zustand entlang einer einzelnen Richtung (x) bewegen, und wird durch Gleichung 2.8 bestimmt, auch bekannt als erstes Ficksches Gesetz: J = D dc (2.8) dx wobei D ist die Proportionalitätskonstante (m 2 /s), das negative Vorzeichen gibt die Richtung der Diffusion gegen den DC-Konzentrationsgradienten an, d. h. von der höchsten zur niedrigsten dx-Konzentration (CALLISTER; RETHWISH, 2013). In den meisten Situationen kommt es jedoch zu einer vorübergehenden oder instationären Diffusion, bei der der Diffusionsfluss und die Gradientenkonzentration an einem bestimmten Punkt innerhalb des Feststoffs mit der Zeit variieren. Daher ist das zweite Ficksche Gesetz notwendig, ausgedrückt durch Gleichung 2.9: c = t x D C (2.9) x Wenn festgestellt wird, dass der Diffusionskoeffizient D keine Funktion der Position x und der Konzentration C des diffundierenden Atoms ist, lautet die Gleichung entspricht dem zweiten Fickschen Gesetz, lässt sich vereinfacht nach Gleichung 2.10 umschreiben: Kristallstrukturen 99
102U2 2 c = C D 2 (2.10) t x Die Lösung dieses Ausdrucks hängt von den Anfangs- und Randbedingungen in jeder spezifischen Situation ab und eine der Lösungen wird in Gleichung 2.11 ausgedrückt: C C x s C C 0 0 x = 1 erf 2 Dt (2.11 ) Na wobei C x die Konzentration in einer Tiefe x nach einer Zeit t darstellt, C s die konstante Konzentration an der Oberfläche ist, C 0 die anfängliche gleichmäßige Konzentration von Atomen ist, die in das Material diffundieren, und erf (x/2 Dt ) ist die Fehlerfunktion von Gauß. Assimile: Die Gaußsche Fehlerfunktion, auch Fehlerfunktion genannt, wurde entwickelt, um das Integral der Normalverteilung zu berechnen. Einige Faktoren wie die Temperatur beeinflussen die Diffusion. Der Temperaturanstieg liefert die Wärmeenergie, die Atome und Ionen benötigen, um die Aktivierungsenergie zu überwinden. Die Abhängigkeit der Diffusionskoeffizienten hängt mit der Temperatur oder der Wärmeenergie über Gleichung 2.12 zusammen: Qd D= D exp (2.12) 0 RT wobei D 0 eine präexponentielle Konstante unabhängig von der Temperatur (m 2 /s) ist, R das Universelle ist ideale Gaskonstante ( 1, oder mol.cal, 314J 862 oder, ev K mol. K atomk. ), T ist die absolute Temperatur (K) und Q d ist die Aktivierungsenergie für die Diffusion. In der Regel sind die Aktivierungsenergien bei der interstitiellen Diffusion niedriger als bei der Lochdiffusion. Tabelle 2.2 zeigt einige Werte der Aktivierungsenergien für die Diffusion von Atomen in einigen Materialien, die in Paaren dargestellt werden, die als Diffusionspaare bezeichnet werden und die Kombination des Atoms eines chemischen Elements in der Diffusion in einer bestimmten Matrix (Wirtsmetall) darstellen. Niedrige Werte der Aktivierungsenergie weisen auf eine leichtere Diffusion hin, während hohe Werte auf eine schwierigere Diffusion hinweisen. Bei der Selbstdiffusion ist die Aktivierungsenergie die Energie, die benötigt wird, um ein Loch zu erzeugen und damit das Atom zu bewegen. 100 kristalline Strukturen
103U2 Tabelle 2.2 Diffusionsdaten Diffusionsspezies Wirtsmetall D 0 (m 2 /s) Q d (kj/mol) Fe Fe- α 2,8 x Zn Cu 2,4 x Cu Cu 7,8 x Al Al 2, 3 x C Fe- α 2,8 x Quelle: adaptiert von Callister und Rethwisch (2013). Beispiel: Ist es möglich, den Kohlenstoffdiffusionskoeffizienten bei 600 °C zu bestimmen? Antwort: Unter Verwendung der Daten in Tabelle 2.2 haben wir: D = D 0 exp -Qd RT D = (2,8 x 10-4 m 2 / s) exp (251000J / mol) (8,31J / mol.k)( K ) D = (2,8 x 10-4 m 2 / s) exp[-34,6] D = 2,63 x m 2 / s Diffusionskoeffizientenberechnungen zeigen, wie die Temperatur das Ausmaß der Diffusion verändert. Keine Angst davor, Fehler zu machen. Heute war sicherlich Ihr großer Tag im Unternehmen. Als technischer Verkäufer eines metallurgischen Unternehmens hatten Sie es mit einem sehr anspruchsvollen und sehr neugierigen Kunden zu tun und wurden gefragt, warum α-Eisen bestimmte Eigenschaften habe. Sie haben erklärt, was Verunreinigungen in kristallinen Feststoffen sind, und Ihre letzte Herausforderung bestand darin, zu erklären, ob es möglich ist, die Härte von Alpha-Eisen und Teilen wie Stahlzahnrädern zu erhöhen. Als guter Verkäufer haben Sie sich in diesem Abschnitt mit der Diffusion befasst, die für Metalle als der Transport von Materie durch Atombewegung definiert wird. Derzeit müssen mehrere technologische Prozesse die Zunahme oder Abnahme der Diffusion kontrollieren, wie z. B. die Oberflächenhärtung von Stählen. In diesem Fall können Sie dem Kunden objektiv sagen, dass es möglich ist, die Härte von α-Eisen und die Oberfläche eines Stahlzahnrads zu erhöhen. dank der Diffusion und nutzte Abbildung 2.34, um dem Kunden dieses Phänomen näher zu erklären. Kristallstrukturen 101
104U2 Abbildung 2.34 Schematischer Schnitt eines metallischen Zahnrads mit gehärteter Oberfläche Quelle: angepasst von < Zugriff am: 10. April In Abbildung 2.34 ist zu beobachten, dass die Oberfläche des Zahnrads gehärtet wurde, d. h. die Oberflächenhärte nahm zu. Die äußerste Schicht der Oberfläche wurde durch eine geeignete Wärmebehandlung bei hoher Temperatur gehärtet und ermöglichte die Diffusion von Kohlenstoffatomen aus der Atmosphäre, also die Bewegung ins Innere der Zahnradoberfläche. Die Oberfläche mit der höchsten Härte ist in der Abbildung als dunkler Rand hervorgehoben. Der Anstieg des Kohlenstoffgehalts ist für die Erhöhung der Härte verantwortlich. Auf diese Weise verfügen wir über ein Stahlgetriebe, das eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist. Darüber hinaus konnten Sie erklären, dass es bei der Diffusion zwei Mechanismen gibt: Lochdiffusion und interstitielle Diffusion. Und er erklärte, dass die Diffusion in einem stationären Zustand erfolgt, wenn sich die Strömung nicht mit der Zeit ändert, und dass die Diffusion in einem instationären Zustand erfolgt, wenn sich die Strömung ändert. Sie, ein ausgezeichneter und engagierter Verkäufer, haben das Vertrauen des Kunden gewonnen und schließlich den Verkauf der α-Eisen-Charge abgeschlossen. Glückwunsch! In der Praxis vorankommen Beschreibung der Situation-Problem-Diffusion Heute Morgen bist du ohne Arbeit aufgewacht, hast dich schnell umgezogen und deinen Computer und dein altes Handy in deinen Rucksack gesteckt. Als Sie bei der Arbeit ankamen, stellten Sie sich vor, dass es ein normaler Tag wie alle anderen werden würde, doch kurz vor der Mittagszeit bat Sie der Firmenchef, ihn in seinem Büro zu treffen. Als er das Büro des Direktors betrat, lächelte er breit und dankte ihm für sein Engagement und den hervorragenden Service für einen Kunden sowie für 102 kristalline Strukturen
105U2, Sie haben es geschafft, den Verkauf des α-Eisengrundstücks abzuschließen. Der Regisseur war so glücklich, dass er ihm als Anerkennung für seine Arbeit eine stattliche Geldsumme schenkte. Sie haben sich höflich beim Direktor bedankt und sind ins Einkaufszentrum gegangen, um Ihr Handy gegen das Smartphone einzutauschen, das gerade in den Läden erhältlich ist. Ganz zufrieden, Sie haben das Smartphone gekauft und sind zur Firma zurückgekehrt, als Ihnen klar wurde, dass der Chip in Ihrem alten Handy zu groß für Ihr neues Gerät war, aber heute ist es sehr einfach, Lösungen für einige Probleme zu finden, indem Sie Nachforschungen anstellen Internet, und Sie haben klugerweise eine Vorlage mit den Abmessungen des richtigen Chips ausgedruckt und mit einem Stift den alten Chip ausgeschnitten, ihn in das Smartphone eingesetzt, und leider wurde der Chip vom Gerät nicht erkannt (Abbildung 2.35). . Aus welchen Materialien werden die Chips hergestellt? Wie arbeiten Sie? Und vor allem: Welchen Platz hat die Diffusion in all dem? Abbildung 2.35 Sie und Ihr Chip Quelle: < Zugriff am: 10. April Lösung der Problemsituation Chips finden sich in Mobiltelefonen, Computern, Fernsehern und Smartphones; werden aus Halbleitermaterialien wie Silizium-Einkristallen hergestellt. Damit die Chips richtig funktionieren, werden sie zwei Wärmebehandlungen unterzogen: Bei der ersten diffundieren Verunreinigungsatome aus einer Gasphase, deren Druck konstant gehalten wird, in das Silizium; Die zweite Behandlung dient dazu, die zunächst an der Oberfläche befindlichen Verunreinigungsatome in das Innere des Siliziums zu migrieren, mit dem Ziel, eine gleichmäßigere Verunreinigungskonzentrationsverteilung zu erreichen, ohne den Gesamtverunreinigungsgehalt zu erhöhen. Diese Behandlung wird bei einer höheren Temperatur als im ersten Schritt durchgeführt und einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt, die eine Oxidschicht auf der Oberfläche bildet. Die Verbreitung geschieht dort, wo wir sie am wenigsten erwarten, und jetzt ist es besser, sich in ein Geschäft zu begeben und einen neuen Chip für Ihr Smartphone zu kaufen. Kristallstrukturen 103
106U2 Lassen Sie es zählen 1. Kreuzen Sie die Alternative an, die die Lücken ausreichend füllt: Diffusion ist das Phänomen des Materietransports durch metallische Materialien und hängt von und ab. Derzeit erfordern mehrere wichtige technologische Prozesse eine Diffusionskontrolle, beispielsweise Stahl. a) Ionenverschiebung, kristalline Anordnung, Elementarzelle, Oberflächenhärtung. b) Atombewegung, Konzentrationsgradient, Temperatur, Oberflächenhärtung. c) Verschiebung von Makromolekülen, Kristallanordnung, Temperatur, Elektromagnetismus. d) Atombewegung, Kristallanordnung, Temperatur, Oberflächenhärtung. e) Ionenbewegung, Konzentrationsgradient, Temperatur, Elektromagnetismus. 2. Diffusion findet nicht nur zwischen verschiedenen Metallen oder verschiedenen Festkörpern statt, dieses Phänomen tritt auch in reinen Festkörpern auf, bei denen Atome ihre Position ändern und vom gleichen Typ sind, ohne dass sich die Zusammensetzung ändert. Überprüfen Sie die richtige Alternative, die darstellt, auf welches Phänomen sich der Basistext bezieht: a) Interdiffusion b) Diffusion von Verunreinigungen c) Diffusion durch Lücken d) interstitielle Diffusion e) Selbstdiffusion 3. Beurteilen Sie die Aussagen als wahr (T) oder falsch (F) und Markieren Sie die entsprechende Alternative mit der richtigen Reihenfolge: I. Damit ein Atom oder eine Spezies seine Position ändert, muss lediglich eine freie Nachbarposition vorhanden sein und das Atom muss über ausreichend Energie verfügen, um die chemischen Bindungen zwischen benachbarten Atomen aufzubrechen. II. Die Schwingungsenergie ermöglicht es dem Atom, sich entlang des Kristallgitters zu bewegen und aufgrund der Größe der thermischen Energien einen erheblichen Teil der Atome zu bewegen. 104 Kristallstrukturen
107U2 III. Der Atomfluss entspricht im stationären Zustand einer präexponentiellen Konstante, die unabhängig von Temperatur und Gradientenkonzentration ist. a) Nur ich bin wahr. b) Nur I und II sind wahr. c) I, II und III sind wahr. d) Nur I und III sind wahr. e) Nur II und III sind wahr. Kristallstrukturen 105
108U2 106 Kristallstrukturen
109U2-Referenzen ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Materialwissenschaft. São Paulo: Cengage Learning, S. BERNARDIN, A.M.; RIELLA, H. G. Diffusion in keramischen Materialien: eine Vorstudie. Industriekeramik, Florianópolis, v. 7, nein. 4, Jun./Aug., Verfügbar am: < Zugriff am: 9. April BHADESHIA123. Luxationsbewegung. Verfügbar: < watch?v=3vhkggoyzqk> Zugriff am: 20. März CALLISTER, W.; RETHWISH, D. G. Materialwissenschaft und -technik: eine Einführung. 8. Aufl. São Paulo: LTC, S. HIMOTO, K. SC-Gitter. Verfügbar unter: < watch?v=0arpphbkuys>. Zugriff am: 5. März ManufacturingET. Flächenzentrierte kubische Gitterstruktur (fcc). Verfügbar bei: < Zugriff am: 5. März SHACKELFORD, J. F. Science of Materials. 6. Aufl. São Paulo: Pearson Education do Brasil, S. SHARPEDGELEARNING-KANAL. Sechseckige geschlossen gepackte Mechanik. Verfügbar unter: < Zugriff am: 5. März ZARBIN, A. J. G. Chemistry of (nano)materials. Neue Chemie, Sao Paulo, v. 30, nein. 6, Nov./Dez. Verfügbar am: < =S >. Zugriff am: 5. März ZARBIN, A. J. G.; OLIVEIRA, M. M. Kohlenstoffnanostrukturen (Nanoröhren, Graphen): quo vadis? Neue Chemie, Sao Paulo, v. 36, Nr. 10, S. , Verfügbar unter: < Zugriff am: 15. März Crystalline Structures 107
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111Einheit 3 Eigenschaften von Materialien Einladung zum Studium Willkommen zurück im Lehrbuch der Materialwissenschaften. In der ersten Einheit wurden wir in die Materialwissenschaft eingeführt, die auf dem Zusammenhang zwischen Zusammensetzung/Struktur, Eigenschaften, Verarbeitung und Leistung basiert. Materialien werden üblicherweise in vier Hauptgruppen eingeteilt: Metalle, Keramik, Polymere und Verbundwerkstoffe. Wir haben jedoch gesehen, dass es andere Materialien gibt, die als intelligent klassifiziert werden, nämlich Halbleiter, Biomaterialien und Nanomaterialien. Wir verstehen die Bedeutung des Atoms und wir verstehen, dass das Verhalten subatomarer Teilchen, die unterschiedlichen interatomaren Bindungen sowie die Bindungskräfte und -energien dazu führen, dass Materialien unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In der zweiten Einheit hatten wir die Gelegenheit, das Konzept der Elementarzelle kennenzulernen und uns mit der Untersuchung der kristallinen Struktur zu befassen, wobei wir die verschiedenen Möglichkeiten der Atomanordnung und den Unterschied zwischen Polymorphismus und Allotropie verstanden. Später untersuchten wir die wichtigsten Kristallsysteme und erkannten die Bedeutung kristalliner Unvollkommenheiten und des Diffusionsphänomens. In dieser dritten Einheit lernen wir ein wenig über die verschiedenen Eigenschaften von Materialien, wie z. B. mechanische, elektrische, thermische, magnetische und optische Eigenschaften; Daher werden wir eine weitere Säule der Materialwissenschaft untersuchen: die Eigenschaften. Am Ende dieser Einheit werden Sie einige weitere Konzepte kennen, die es Ihnen ermöglichen, geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, um die erwarteten Leistungsmerkmale sowohl hinsichtlich der Gebrauchs- als auch der Verarbeitungseigenschaften zu erfüllen. Es ist Zeit, sich unserer nächsten Herausforderung zu stellen: Sie wurden mit der Bereitstellung beauftragt
112U3 einige Beratungsunternehmen in einem multinationalen Unternehmen mit mehreren Fachgebieten. Zunächst werden Sie aufgefordert, die Eigenschaften metallischer Werkstoffe zu untersuchen, insbesondere korrosionsbeständiger Metalle, die in so unterschiedlichen Bereichen wie Energie, Öl und Biomedizin eingesetzt werden können. In einem zweiten Moment wird es an der Reihe sein, bei der Gestaltung künstlicher Organe und bei der Verwendung von Keramikmaterialien für Implantate mitzuhelfen. Später unterstützen Sie den Einsatzbereich polymerer Werkstoffe, die als Beschichtung für metallische Werkstoffe und Bauteile entwickelt werden. Schließlich unterstützen Sie einen Unternehmensbereich bei der Herstellung kugelsicherer Westen, die widerstandsfähig und leicht sind und aus einer Art Verbundmaterial bestehen. Student, sei engagiert, lerne, widme dich. Ein berühmter amerikanischer Präsident sagte einmal: Man kann sich der Verantwortung von morgen nicht entziehen, indem man ihr heute ausweicht. (Abraham Lincoln) 110 Eigenschaften von Materialien
113U3 Abschnitt 3.1 Eigenschaften metallischer Materialien Offener Dialog Lieber Student, willkommen zum Abschnitt 3.1 der Materialwissenschaft. Während dieses Kurses wurden Sie herausgefordert, Ihr neues Wissen zur Lösung verschiedener Probleme einzusetzen. Heute kennen Sie die Grundlagen der Materialwissenschaft besser. Wir verstehen bereits die Struktur des Atoms und die interatomaren Bindungen, die die Eigenschaften und Eigenschaften von Materialien direkt beeinflussen. Anschließend galt es, die atomare Organisation zu verstehen, die auch die Eigenschaften von Materialien beeinflusst. In diesem Abschnitt werden Ihnen die wichtigsten Eigenschaften von Metallen vorgestellt, die in Zukunft in den spezifischen Disziplinen jedes Bereichs im Detail untersucht werden. Es ist an der Zeit, über die Gegenwart nachzudenken, über diese neue Herausforderung: Sie wurden beauftragt, als Berater für einen großen multinationalen Konzern zu arbeiten, der in verschiedenen Materialbereichen tätig ist. Seine Karriere als Praktikant in einem Werkstofflabor begann schon sehr früh. Dann bekamen Sie einen Job als technischer Verkäufer bei einem metallurgischen Unternehmen. Diese bisherigen Erfahrungen haben Ihnen genügend Know-how vermittelt, um heute Unternehmen zu beraten, die verschiedene Arten von Materialien verbrauchen und entwickeln. Zu Beginn Ihrer Arbeit haben Sie an einem Treffen mit der Gruppe teilgenommen, die für die Entwicklung von Rohren für die Gas- und Ölförderung verantwortlich ist, da aktuelle Rohre eine geringe Korrosionsbeständigkeit aufweisen und sich mit der Zeit verschlechtern. Folgende Fragen müssen beantwortet werden: Was sind die Haupteigenschaften von Metallen? Was wäre eine Alternative zur Entwicklung einer korrosionsbeständigeren und haltbareren Legierung? In diesem Abschnitt können Sie die Eigenschaften von Metallen identifizieren, die durch die gewonnenen Erkenntnisse über Verunreinigungen in kristallinen Feststoffen verbessert werden. So legen Sie fest, welche Methoden angewendet werden sollen, damit am Ende eine Metalllegierung entsteht, die den Besonderheiten der Verwendung entspricht. Es ist wichtig zu bedenken, dass es neben den vier großen Gruppen noch weitere Materialien gibt. Erinnern Sie sich an Halbleiter, Biomaterialien, Smart Materials und Nanomaterialien? Nanopartikel beispielsweise sind von großem wissenschaftlichen Interesse. Auf der Makro- und Mikroskopskala muss ein Material unabhängig von seiner Größe konstante physikalische Eigenschaften haben, auf der Nanoskala hingegen sind die abhängigen Eigenschaften Eigenschaften von Materialien 111
114Die Größe U3 wird oft beobachtet. Daher können sich die Eigenschaften von Materialien ändern, wenn sie sich der Nanoskala nähern und interessante und unerwartete Eigenschaften aufweisen. Am Ende dieses Abschnitts werden Sie in der Lage sein, der Gruppe der metallischen Werkstoffe zu helfen. Denken Sie einfach darüber nach: Zusammensetzung, Eigenschaften, Verunreinigungen und das beste Ergebnis dieser Kombination, um eine metallische Legierung zu entwickeln, die die erwartete Leistung aufweist, d. h. präsentiert Korrosionsbeständigkeit und längere Haltbarkeit. Gutes Studium! Das darf nicht fehlen. Die Vielseitigkeit der Verwendung metallischer Werkstoffe beweist die große Vielfalt der Eigenschaften von mehr als 70 Metallen im Periodensystem. Die Haupteigenschaften dieser Materialien sind chemische, mechanische, elektrische, thermische, magnetische und optische. Die grundlegende chemische Eigenschaft von Metallen ist die Fähigkeit dieser Elemente, sich mit anderen Metallen oder nichtmetallischen Elementen zu verbinden und eine Vielzahl von Legierungen zu bilden, die ihre ursprünglichen Eigenschaften verbessern, um sie in bestimmten Anwendungen zu verwenden, beispielsweise mit der Kombination von Eisen, Neben Nickel und Chrom gibt es eine Reihe häufig vorkommender Edelstahllegierungen. Austenitische Stähle werden im Tiefbau für strukturelle Zwecke verwendet, ferritische Stähle werden in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren verwendet und martensitische Stähle werden im Bergbau und bei zahnmedizinischen Instrumenten verwendet. Metalle wie Nickel, Vanadium, Molybdän, Kobalt, seltene Erden und die Platingruppe aktivieren katalytische Reaktionen für die Synthese vieler organischer Chemikalien, die aus Erdöl gewonnen werden, und eine Vielzahl von Salzen und Metallverbindungen verbessern die Eigenschaften von Kunststoffprodukten in Bezug auf Farbe, Glanz, Flammwidrigkeit und Beständigkeit gegen Zersetzung. Abbildung 3.1 zeigt die Farben von Übergangsmetallionen in wässriger Lösung und verdeutlicht, warum wir farbige Übergangsmetallverbindungen und -komplexe sehen. Abbildung 3.1 Färbung von Metallionen in wässriger Lösung Quelle: vom Autor erstellt. 112 Materialeigenschaften
115U3 Dies hilft beispielsweise zu erklären, warum Rost (Eisenoxid) orange ist (Abbildung 3.2a) und die Freiheitsstatue aus Kupfer (Abbildung 3.2b1) nicht mehr leuchtend orange und metallisch ist. aus Kupfer, sondern blass grüne Farbe, die durch die Bildung von Kupfercarbonat entsteht, einem Produkt, das durch partielle Oxidation entsteht und die Oberflächen von Metallen wie Kupfer, Bronze oder Messing bedeckt (Abbildung 3.2b2). Abbildung 3.2 Rust und die Freiheitsstatue Quelle: vom Autor erstellt. Mehr suchen Sehen Sie sich auf dem Kanal Manual Mundo einen Flammentest mit Metallsalzen an. Verfügbar am: < Zugriff am: 22. Apr. Die breite Verwendung von Metallen wird auch durch die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gerechtfertigt, die ihre Anwendung in den unterschiedlichsten Kontexten ermöglichen. Zu den mechanischen Eigenschaften dieser Materialien zählen Widerstandsfähigkeit und Duktilität, die den Einsatz dieser Materialien in Maschinen und Strukturen ermöglichen. Metalle und ihre Legierungen zeichnen sich durch Duktilität, Formbarkeit und die Fähigkeit aus, plastisch verformt zu werden (d. h. ohne zu brechen), wodurch sie leicht zu Trägern (Stahlträger für den Bau), Strangpressteilen (Aluminiumrahmen für Türen und Fenster), Münzen und Metall geformt werden können Dosen und verschiedene Befestigungselemente (Nägel und Büroklammern). Die mechanischen Eigenschaften eines Materials sind diejenigen, die eine Reaktion auf eine aufgebrachte Belastung beinhalten. Assimilieren Die mechanischen Eigenschaften eines Materials sind diejenigen, die eine Reaktion auf eine aufgebrachte Last beinhalten. Materialeigenschaften 113
116U3 Die mechanischen Eigenschaften von Metallen beispielsweise bestimmen den Einsatzbereich und legen die voraussichtliche Nutzungsdauer eines Werkstoffs fest. Diese Eigenschaften werden auch zur Identifizierung und Klassifizierung des Materials verwendet. Die häufigsten Eigenschaften sind neben Festigkeit und Duktilität Härte, Schlagzähigkeit und Bruchfestigkeit. Die meisten metallischen Materialien sind anisotrop, was bedeutet, dass ihre Eigenschaften je nach Ausrichtung variieren. Die Variation der Eigenschaften entsteht unter anderem aufgrund der Richtungsabhängigkeit der Mikrostruktur (Textur), die sich bei der mechanischen Umformung oder bei Kaltumformvorgängen bildet. Mechanische Eigenschaften sind im Allgemeinen spezifisch für die Produktform, z. B. Platte, Blech, Extrusion, Formen, Schmieden usw. Darüber hinaus sind mechanische Eigenschaften häufig auf die Richtung der Kornstruktur zurückzuführen. Bei Produkten wie Blechen und Platten wird die Walzrichtung als Längsrichtung bezeichnet, während die Breite des Produkts als Querrichtung und die Dicke als kurze Querrichtung bezeichnet wird. Kornorientierungen in metallischen Produkten nach verschiedenen Prozessen sind in Abbildung 3.3 dargestellt: Abbildung 3.3 Kornorientierungen in metallischen Komponenteneigenschaften? 114 Eigenschaften von Materialien
117U3 Die mechanischen Eigenschaften eines Materials sind nicht konstant und ändern sich häufig als Funktion der Temperatur, der Belastungsgeschwindigkeit und anderer Bedingungen. Beispielsweise führen Temperaturen, die niedriger als Raumtemperatur sind, im Allgemeinen zu einer Erhöhung der Festigkeitseigenschaften metallischer Legierungen; während Duktilität, Bruchfestigkeit und Dehnung normalerweise abnehmen. Temperaturen über Raumtemperatur führen häufig zu einer Verschlechterung der Festigkeitseigenschaften von Metalllegierungen. Es ist auch zu beachten, dass es bei der Messung mechanischer Eigenschaften häufig zu erheblichen Schwankungen bei den erhaltenen Werten kommt. Die Beständigkeit von Metallen gegenüber Druck (Kompression), Dehnung (Zug) und Scherkräften macht sie ideal für strukturelle Zwecke in Gebäuden, Automobilen, Flugzeugrahmen, Rohrleitungen, Brücken, Kabeln und einigen Sportgeräten. Spannung ist eine Belastungsart, bei der die beiden Materialabschnitte auf beiden Seiten einer Ebene dazu neigen, auseinandergezogen oder gedehnt zu werden. Kompression ist das Gegenteil der Zugbelastung und beinhaltet das Pressen des Materials. Bei der Biegebelastung wird eine Last so aufgebracht, dass sich das Material biegt, was auf der einen Seite zu einer Kompression und auf der anderen zu einer Dehnung führt. Beim Scheren wird eine Last parallel zu einer Ebene ausgeübt, wodurch einer der benachbarten Teile desselben Materialkörpers über den anderen gleitet. Unter Torsion versteht man die Ausübung einer Kraft, die dazu führt, dass sich das Material verdreht. Abbildung 3.4 zeigt die Kräfte für die fünf grundlegenden Belastungszustände, und die gepunktete Linie zeigt die halbe Länge der Probe an. Abbildung 3.4 Grundlegende Belastungskräfte Quelle: vom Autor erstellt. Verschleißfestigkeit ist bei Lagern für alle Transportmittel und Maschinen/Werkzeuge von entscheidender Bedeutung, und Ermüdungsfestigkeit ist die Fähigkeit des Metalls, einem Bruch nach wiederholten Verformungen wie Biegen zu widerstehen, was die Verwendung von Metallen in Federn, Hebeln und Zahnrädern ermöglicht. Weitere wichtige Eigenschaften von Metallen sind elektrische Eigenschaften, wobei der Schwerpunkt auf der Leitfähigkeit liegt. Metalle sind hervorragende Wärme- und Stromleiter. Im Allgemeinen nimmt die Leitfähigkeit dieser Materialien mit abnehmender Temperatur zu, Materialeigenschaften 115
118U3, so dass beim absoluten Nullpunkt (-273 °C) die Leitfähigkeit unendlich ist; das heißt, Metalle werden zu Supraleitern. Die Wärmeleitfähigkeit wird in Autokühlern und Küchengeräten genutzt, während die elektrische Leitfähigkeit es der Gesellschaft ermöglicht, Strom über große Entfernungen zu übertragen, um von Stromerzeugungsstationen aus Licht und Strom in die entlegensten Städte zu liefern. Schaltkreise in Haushaltsgeräten, Fernsehgeräten und Computern hängen beispielsweise von der elektrischen Leitfähigkeit ab. Mehr suchen Der Artikel mit dem Titel Supraleiter von niedriger bis hoher Temperatur stellt Magnesiumdiborid vor, das bei einer Temperatur von 40 Kelvin keinen elektrischen Widerstand mehr aufweist. Verfügbar unter: < uol.com.br/sciam/reportagens/supercondutor_de_baixa_temperatura_ em_alta.html>. Zugriff am: 22. April Unter den Metallen sind die effektivsten Stromleiter diejenigen, die über ein einzelnes Valenzelektron verfügen, das sich frei bewegen kann und so starke Abstoßungsreaktionen zwischen den anderen Elektronen fördert. Es gibt auch Halbleitermetalle (oder Metalloide), die eine größere Anzahl an Valenzelektronen (normalerweise vier oder mehr) haben und Strom nicht effizient leiten. Wenn sie jedoch erhitzt oder mit anderen Halbleiterelementen wie Silizium und Germanium dotiert werden, werden sie zu äußerst effizienten elektrischen Leitern. Abbildung 3.5 zeigt einen Magneten, der auf einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatur-Supraleiter schwebt. Abbildung 3.5 Magnet schwebt über einem Supraleiter Quelle: < Zugriff am: 22. April Das in Abbildung 3.5 beobachtete Phänomen entsteht durch den konstanten elektrischen Strom, der über die Oberfläche des Supraleiters fließt und das Magnetfeld des Magneten ausschließt. Der spezifische Widerstand ist eine weitere sehr wichtige elektrische Eigenschaft metallischer Materialien und das Gegenteil der Leitfähigkeit. Diese Eigenschaft bewertet, wie stark 116 Eigenschaften von Materialien sind
119U3, ein Metall, wirkt dem Stromfluss entgegen. Dieser Strom stellt effektiv den Elektromagneten dar und stößt den Magneten ab, der sich auf der Oberfläche des Supraleiters befindet. Metalle haben auch andere Eigenschaften, beispielsweise magnetische Eigenschaften. Ferromagnetismus ist beispielsweise eine Eigenschaft, die in Eisen und vielen anderen Metallen vorkommt. Darüber hinaus können Metalle und Legierungen in einem elektrischen Feld magnetisiert werden und eine Eigenschaft namens Paramagnetismus aufweisen. Die magnetischen Eigenschaften werden in Motoren, Generatoren und elektrischen Lautsprechersystemen für Audiogeräte genutzt. Metalle emittieren Elektronen, wenn sie kurzwelliger Strahlung (z. B. Licht) ausgesetzt oder auf ausreichend hohe Temperaturen erhitzt werden. Beispiele Diese Phänomene werden auf Fernsehbildschirmen, unter Verwendung von Seltenerdoxiden und in einer Vielzahl elektronischer Geräte und Instrumente untersucht. Diese Eigenschaft wird als Emission bezeichnet. Die Fähigkeit von Metallen wie Blei, Strahlung zu absorbieren, wird jedoch als Abschirmung bezeichnet. Denken Sie zum Beispiel an die Schürze, die Zahnärzte bei einer Röntgenuntersuchung zur Verfügung stellen. Auch Metalle haben optische Eigenschaften: Sie glänzen gleichmäßig und sind, mit Ausnahme von Kupfer und Gold, silbrig oder gräulich. Dies liegt daran, dass alle diese Elemente Licht aller Frequenzen absorbieren und es sofort wieder abstrahlen. Metalle bilden mit ihrer reflektierenden Oberfläche Spiegel und ihr Glanz verleiht ihnen das attraktive Aussehen, das bei Schmuck und Münzen so wichtig ist. Die Eigenschaften metallischer Werkstoffe können auf verschiedene Weise verbessert oder verändert werden, entweder durch unterschiedliche Verarbeitungsarten oder durch Zugabe von Verunreinigungen im Makro- bis Nanomaßstab. Auf diese Weise ist es möglich, die Eigenschaften eines Metalls zu verbessern und die für eine bestimmte Anwendung geeigneten und notwendigen Eigenschaften zu erhalten. Ohne Angst vor Fehlern Sie wurden beauftragt, einem multinationalen Unternehmen, das in mehreren Bereichen tätig ist, einige Beratungsleistungen zu erbringen. Zu Beginn seiner Arbeit nahm er an einem Treffen mit der Gruppe teil, die für die Entwicklung von Rohren für die Gas- und Ölförderung verantwortlich ist, da aktuelle Rohre eine geringe Korrosionsbeständigkeit aufweisen und sich mit der Zeit verschlechtern. Sie wurden gefragt: Was sind die Haupteigenschaften von Metallen? Materialeigenschaften 117
120U3 Was wäre eine Alternative zur Entwicklung einer korrosionsbeständigeren und haltbareren Legierung? In diesem Abschnitt haben wir die wichtigsten Eigenschaften metallischer Werkstoffe kennengelernt, beispielsweise chemische, mechanische, elektrische, thermische, magnetische und optische Eigenschaften. Unter den chemischen Eigenschaften sticht die Fähigkeit von Metallen hervor, sich mit anderen Metallen und mit nichtmetallischen Elementen zu verbinden und widerstandsfähigere Legierungen zu bilden, wie zum Beispiel die Kombination unterschiedlicher Konzentrationen von Eisen, Nickel und Chrom, die zu einer Reihe von Legierungen führt Edelstahl. Zu den mechanischen Eigenschaften dieser Materialien zählen: Festigkeit, Duktilität, Härte, Schlagfestigkeit und Bruchfestigkeit. Weitere wichtige Eigenschaften sind elektrischer Natur, wobei der Schwerpunkt auf der Leitfähigkeit liegt. Diese Elemente haben auch magnetische Eigenschaften. Ferromagnetismus ist beispielsweise eine Eigenschaft, die in Eisen und vielen anderen Metallen vorkommt. Diese haben auch optische Eigenschaften: Sie sind gleichmäßig glänzend und mit Ausnahme von Kupfer und Gold silbrig oder gräulich. Dies liegt daran, dass alle Metalle Licht aller Frequenzen absorbieren und es sofort abstrahlen. Studien zu amorphen Metalllegierungen werden entwickelt und charakterisiert. Wenn diese amorphen Legierungen schnell abgekühlt werden (1 Million Grad pro Sekunde), haben ihre Atome keine Zeit, sich wie bei herkömmlichen Metallen geordnet neu anzuordnen. Auf diese Weise haben diese Legierungen im festen Zustand eine amorphe Struktur und können bei Rückkehr in den Gleichgewichtszustand neue Strukturen mit Körnern im Nanometerbereich bilden. Abbildung 3.6 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopie einer Klasse nanostrukturierter Materialien. Abbildung 3.6 Nanostrukturierte Materialien Quelle: < Zugriff am: 22. April Do it yourself Erforschen Sie die verschiedenen Arten nanostrukturierter Materialien und vergleichen Sie sie mit den Eigenschaften klassischer Materialien. Amorphe Legierungen werden als Beschichtung für Rohre zur Gas- und Ölförderung getestet, da sie hervorragende Eigenschaften wie Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aufweisen. 118 Eigenschaften von Materialien
121U3 Fortschritte in der Praxis Beschreibung der Problemsituation Eigenschaften metallischer Werkstoffe Elektrofahrzeuge (EVs) sind Realität. Sie verbrauchen ausschließlich Strom und werden von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben, die mit wiederaufladbaren Batterien betrieben werden (Abbildung 3.7). Abbildung 3.7 Elektroauto Quelle: < Zugriff am: 23. April Elektrofahrzeuge haben gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor mehrere Vorteile, wie zum Beispiel die Energieeffizienz: Elektrofahrzeuge wandeln etwa 59 % bis 62 % der elektrischen Energie aus dem Stromnetz um, während Benzinfahrzeuge nur umwandeln etwa 17 % bis 21 %. Elektrofahrzeuge sind umweltfreundlich, da sie über ihre Abgase keine Schadstoffe ausstoßen. Elektromotoren sorgen für einen leisen, reibungslosen Betrieb und eine stärkere Beschleunigung und erfordern weniger Wartung als herkömmliche Fahrzeuge. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Verringerung der Energieabhängigkeit von nicht erneuerbaren Quellen wie Öl. Es gibt jedoch auch andere vielversprechende und völlig saubere Autoprojekte, nämlich Autos mit Wasserstoffantrieb. In diesen Autos wird der Strom über Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff betrieben werden, an die Motoren geliefert. Eine Herausforderung: Ein Autohersteller arbeitet an einem Projekt für ein Auto mit Wasserstoffantrieb und Sie werden Teil des verantwortlichen Teams sein. Wie würde Wasserstoff gespeichert? Wie könnten metallische Werkstoffe diese Produktion unterstützen? Materialeigenschaften 119
122U3 Lösung der Problemsituation Nanostrukturierte metallische Legierungen werden bei der Feststoffspeicherung von Wasserstoff eingesetzt. Es gibt einige Studien zu Prototypen von Wasserstoffspeichertanks aus nanostrukturierten Magnesiumlegierungen, die das Gas sicher einschließen können, damit es später zur Energieerzeugung verwendet werden kann. In diesem Fall reagiert der Wasserstoff mit der Struktur des Tankmaterials selbst: Bei Kontakt mit dem in der Metalllegierung enthaltenen Magnesium bildet der Wasserstoff ein Metallhydrid, das sich beim Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur zersetzt und das Gas freisetzt das in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verbrannt wird. Mehr suchen Greifen Sie auf diesen Link zu und entdecken Sie weitere Anwendungen nanostrukturierter Metalllegierungen: < nova_ligas_metalicas_/15559/>. Zugriff am: 23. April Machen Sie es wichtig 1. Metallische Legierungen sind die Kombination von zwei oder mehr chemischen Elementen, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Auf welche Eigenschaftsklasse von Metallen bezieht sich der obige Auszug? a) Chemie b) Mechanik c) Elektrik d) Magnetisch e) Optik 120 Materialeigenschaften
123U3 2. Edelstahl ist eine Metallart, die hauptsächlich in der Automobil-, Bau-, Lebensmittel- und Chemieindustrie verwendet wird. Markieren Sie die Alternative, die die wichtigsten chemischen Elemente darstellt, aus denen Edelstahl besteht: a) Eisen, Chrom, Barium. b) Eisen, Chrom, Nickel. c) Stahl, Chrom, Kobalt. d) Aluminium, Chrom, Silber. e) Nickel, Molybdän, Kobalt. 3. Beurteilen Sie die Aussagen zwischen wahr (T) und falsch (F): ( ) Metalle der Nickel- und Platingruppe aktivieren katalytische Reaktionen für die Synthese vieler anorganischer Chemikalien, die aus Erdöl gewonnen werden. ( ) Die an der Freiheitsstatue beobachtete blassgrüne Farbe ist auf die Bildung von Natriumcarbonat zurückzuführen. Die magnetischen Eigenschaften eines Materials beruhen auf einer Reaktion auf eine angelegte Ladung. Markieren Sie die Alternative, die die richtige Reihenfolge darstellt: a) T, T, F. b) T, F, F. c) F, F, F. d) F, T, V. e) F, F, V. Eigenschaften von Materialien 121
124U3 122 Materialeigenschaften
125U3 Abschnitt 3.2 Eigenschaften keramischer Materialien Offener Dialog Bereit für einen weiteren Tag Materialwissenschaftsstudium? Willkommen! Als junger Berater wurden Sie von einem multinationalen Unternehmen eingestellt, das in verschiedenen Materialbereichen tätig ist. Zunächst war es an einem Projekt mit der Gruppe beteiligt, die für die Entwicklung von Rohren für die Gas- und Ölförderung verantwortlich war. Die hierfür verwendeten Metalle und Legierungen hatten eine geringe Korrosionsbeständigkeit. Sie konnten einige Alternativen zu diesem Problem aufzeigen, beispielsweise den Einsatz nanostrukturierter amorpher Metalllegierungen, die als Beschichtung von Rohren für die Gas- und Ölförderung gerade deshalb getestet werden, weil sie hervorragende Eigenschaften wie Korrosions- und Verschleißbeständigkeit aufweisen. Seine Arbeit hatte jedoch gerade erst begonnen: Jetzt ist er an der Reihe, das Projekt des Unternehmens zu unterstützen, das die Verwendung von Keramikmaterialien als Implantate untersucht. Die Abteilung für Keramikmaterialien arbeitete mit einem Universitätskrankenhaus zusammen und untersuchte gemeinsam die Materialien, die bei der Herstellung von Prothesen für Hüft- oder Knieendoprothetik verwendet werden. Die Arthroplastik ist ein chirurgischer Eingriff, der für Patienten mit chronischer Arthritis indiziert ist. Bei den Knien beispielsweise führt die Verletzung oder Abnutzung des Knorpels zwischen den Knochen zu Knochenreibung, die Schmerzen und Bewegungsschwierigkeiten verursacht. So wird die Oberfläche des Knochenkopfes durch Metall-Polyethylen-Oberflächen ersetzt (Abbildung 3.8). Welche anderen Arten von Materialien könnten in diesen Anwendungen verwendet werden? Wäre Keramik eine Option? Was sind die allgemeinen Eigenschaften dieser Materialien? Und was wären die spezifischen und wünschenswerten Eigenschaften dieser Keramiken für die Anwendungen? Abbildung 3.8 Knieendoprothetik (Metall-Polyethylen-Implantatsequenz) Quelle: .>. Zugriff am: 16. Mai Materialeigenschaften 123
126U3 In diesem Abschnitt identifizieren Sie die Haupteigenschaften von Keramikmaterialien und verstehen die Vielseitigkeit dieser Materialklasse, die von der Verwendung als elektrische und thermische Isolatoren in Raumfähren bis hin zur Anwendung in Zahnimplantaten oder Prothesen reicht. Am Ende dieses Abschnitts können Sie den Forschern in dieser Abteilung helfen, das am besten geeignete Material zu verstehen und zu identifizieren, das den Verwendungsspezifikationen für Prothesen entspricht. Gutes Studium! Nicht fehlen dürfen Keramiken sind anorganische Materialien, die aus metallischen und nichtmetallischen Elementen bestehen, zum Beispiel Aluminiumoxid, das aus Aluminiumatomen (Metall) und Sauerstoff (Nichtmetall) besteht und im Wesentlichen aus Oxiden, Karbiden usw. besteht Nitride. Typischerweise sind keramische Materialien spröde (spröde) und werden als thermische und elektrische Isolatoren verwendet. In Keramik können Atombindungen ionisch, kovalent oder eine Mischung dieser beiden Arten sein. Wenn man die Elektronegativitätswerte kennt, kann man sagen: Je größer der Unterschied in der Elektronegativität der Elemente, desto ionischer sind die Bindungen; Andererseits sind sie umso kovalenter, je kleiner dieser Unterschied ist. Mit Gleichung 3.1 ist es möglich, den Prozentsatz des ionischen Charakters (%CI) jeder Keramik zu berechnen, der von der Differenz der Elektronegativität (Xn) zwischen den Atomen (A und B) gemäß der Pauling-Gleichung %CI = { 1 abhängt exp [ 0, 25( Wenn wir wissen, dass die Elektronegativitätswerte von Aluminium und Sauerstoff 1,61 bzw. 3,44 betragen, können wir den ionischen Charakter berechnen: 2 % CI = { 1 exp[ 0, 25( X A XB)]} 100 % CI = { 1 exp [ 0, 25( 344, 1, 61) 2 ]} % CI = { 1 exp[ 0, (, ) ]} 100 % CI = { 1 exp[ 0, 25( 335, )]} 100 % CI = { 1 (exp 0, 84)} 100 % CI = { 1 0, 43} 100 % CI = Materialeigenschaften
127U3 Aluminiumoxid ist ein Beispiel für ein Keramikmaterial, das einen guten Anteil an beiden Bindungen (ionisch und kovalent) aufweist, nämlich 57 % ionisch und 43 % kovalent. Keramische Verbindungen mit einem hohen Anteil an ionischem Charakter weisen eine Struktur auf, die von der relativen Größe der Ionen und damit vom elektrostatischen Gleichgewicht abhängt, während keramische Verbindungen mit einem hohen Anteil an kovalentem Charakter Strukturen aufweisen, die von der Richtungsabhängigkeit der Ionen abhängen Fesseln. Die in dieser Materialklasse vorhandenen ionischen und kovalenten Bindungen sind stärker als metallische Bindungen. Aufgrund dieser Eigenschaft sind Keramiken spröde, während Metalle duktil sind (Abbildung 3.9). Abbildung 3.9 Zerbrechliche Keramik Quelle: < < vectorportal.com/img_novi/fragile12_7325.jpg> und < glass_vandalised_ _062_part.jpg>. Zugriff am: 28. September Die physikalischen Eigenschaften jeder Keramik sind eine direkte Folge ihrer kristallinen Struktur und chemischen Zusammensetzung. Aluminiumoxid hat beispielsweise eine kompakte sechseckige Kristallstruktur und eine hohe Härte sowie Abrieb- und Druckfestigkeit; und wenn es poliert ist, weist es eine hervorragende Oberflächengüte auf. Die starken Ionenbindungen machen Aluminiumoxid zu einem chemisch inerten Material, das in physiologischen Umgebungen eine große Stabilität aufweist. Wenn Aluminiumoxidstücke für Prothesen poliert und als Paar verwendet werden, nimmt der Reibungskoeffizient zwischen ihnen mit der Zeit ab und nähert sich dem eines normalen Gelenks an. Somit offenbart die Materialwissenschaft einen grundlegenden Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften, wie z. B. lokalen Variationen in Dichte, Granulometrie, Porositätstyp und Zweitphasenzusammensetzung, die mit keramischen Eigenschaften wie mechanischer Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Dielektrizitätskonstante korreliert werden können , Dichte und hohe Schmelz- und Siedepunkte. Mehr suchen Der Artikel „Biomaterialien: Arten, Anwendungen und Markt“ enthält einige Beispiele für verschiedene Materialien, sogenannte Biomaterialien, die in verschiedenen Gesundheitsbereichen eingesetzt werden. Verfügbar unter: < v38n7/qn pdf>. Zugriff am: 16. Mai Material Properties 125
128U3 Die mechanischen Eigenschaften von Keramik sind in Struktur- und Baumaterialien wichtig und umfassen Elastizität, Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Scherfestigkeit, Bruchfestigkeit, Duktilität (gering bei spröden Materialien) und Härte. Im Gegensatz zu Metallen werden die mechanischen Eigenschaften von Keramik jedoch nicht durch einen Zugversuch bewertet, da es schwierig ist, Proben mit der erforderlichen Geometrie herzustellen. Eine ordnungsgemäße Fixierung dieser Materialien kann zu Brüchen führen und letztendlich versagen Keramiken nach einer Verformung von etwa 0,1 % (CALLISTER; RETHWISH, 2013). Daher ist es praktischer, einen Querbiegetest zu verwenden, bei dem eine Probe mit rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt bis zum Bruch gebogen wird. Abbildung 3.10 zeigt schematisch den Zugversuch, während Abbildung 3.11 einen Betonbalken (3.11a) und eine maßhaltige Gesteinsprobe (Abbildung 3.11b) zeigt, die beide einem Biegeversuch unterzogen wurden. Abbildung 3.10 Schema eines Biegetests Quelle: < Zugriff am: 16. Mai Abbildung 3.11 Keramikmaterialien, die Biegetests unterzogen wurden Quelle: . Zugriff am: 28. September >. Zugriff am: 16. Mai Um das Sprödigkeitsverhalten keramischer Werkstoffe zu verbessern, wurden Verbundwerkstoffe mit einer keramischen Matrix entwickelt. Dieser Mechanismus erhöht die Bruchfestigkeit dieser Materialien erheblich. Ein Beispiel für diese Verbundwerkstoffe sind Scheibenbremsen, die Keramikmatrizen nutzen und nach speziellen Verfahren hergestellt werden. 126 Eigenschaften von Materialien
129U3 Wie wir gesehen haben, verhalten sich Keramiken größtenteils zerbrechlich, sie passen jedoch definitiv nicht zum Synonym für zart. Diese Materialien sind widerstandsfähiger gegen hohe Temperaturen und raue Umgebungen. Erinnern Sie sich an das Space Shuttle Discovery und sein ausgeklügeltes Wärmeschutzsystem an den Abgaskegeln der Rakete, an Isolierkacheln, an Triebwerkskomponenten und an in das Windschutzscheibenglas eingebetteten Keramikbeschichtungen? Dies sind einige Beispiele für den Einsatz keramischer Materialien. Mehr suchen Sehen Sie sich die neueste Veröffentlichung von Discovery an. Es ist spannend zu sehen, wie eine Ansammlung von Entwicklungen und Wissen aus verschiedenen Bereichen im Einsatz ist, die für den Bau dieses Wunderwerks der Ingenieurskunst vereint sind. Verfügbar am: < Zugriff am: 17. Mai Mit steigender Temperatur kommt es bei ionischen Keramiken (die bei Raumtemperatur Isolatoren sind) zu einem Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit, der größer sein kann als die Leitfähigkeit von Halbleitern. Tabelle 3.1 zeigt einige Keramikmaterialien und ihre jeweiligen Leitfähigkeitswerte bei Raumtemperatur. Tabelle 3.1 Wärmeleitfähigkeit einiger Keramikmaterialien Keramikmaterialien Elektrische Leitfähigkeit [(Ω-m) -1 )] Beton (trocken) 10-9 Natronkalkglas Porzellan Borosilikatglas Aluminiumoxid <10-13 Quarzglas <10-18 Quelle: angepasst von Callister und Rethwish (2013, S. 626). Es ist interessant, die Größe der in Tabelle 3.1 angegebenen elektrischen Leitfähigkeitswerte mit dem Leitfähigkeitswert von Graphit zu vergleichen, der 4 · 5 a beträgt und als guter elektrischer Leiter gilt; Beachten Sie, dass die Exponenten der in der Tabelle angegebenen Materialien negativ sind. Einige Keramiken sind Halbleiter und die meisten bestehen aus Übergangsmetalloxiden, die Halbleiter sind, wie z. B. Zinkoxid. Halbleiterkeramiken werden in Umspannwerken zur Stromverteilung eingesetzt und schützen die Infrastruktur vor Blitzschlägen, da sie bei der Abgabe großer Energiemengen schnell reagieren, wartungsarm sind und sich nicht verschlechtern. A Eigenschaften von Materialien 127
130U3 Abbildung 3.12 zeigt einige Keramiken, die zum Schutz von Umspannwerken und Übertragungsleitungen verwendet werden. Abbildung 3.12 Keramik, die zum Schutz von Umspannwerken und Übertragungsleitungen verwendet wird. Quelle: vom Autor erarbeitet. Halbleiterkeramiken werden auch als Gassensoren eingesetzt, wobei sich durch den Durchgang von Gasen der elektrische Widerstand der polykristallinen Keramik verändert. Der spezifische elektrische Widerstand ist definiert als das Maß für den Widerstand, den ein Material im Verhältnis zum elektrischen Stromfluss darstellt. Diese Eigenschaft kann als Gegenteil der elektrischen Leitfähigkeit verstanden werden. Piezoelektrizität, die als die Fähigkeit einiger Kristalle definiert werden kann, durch mechanischen Druck elektrische Spannung zu erzeugen, ist eine weitere Eigenschaft, die eine große Anzahl keramischer Materialien aufweist, darunter Quarz, der in Uhren zur Zeitmessung und anderen Geräten verwendet wird. Diese Geräte nutzen die Eigenschaften der Piezoelektrizität, indem sie elektrische Energie verwenden, um eine mechanische Bewegung zu erzeugen (das Gerät mit Strom zu versorgen) und diese Bewegung dann zur Erzeugung von Elektrizität nutzen (ein Signal erzeugen). Abbildung 3.13 zeigt einen Quarzkristall. Dieser gabelförmig geschliffene Kristall wird durch eine elektrische Ladung angetrieben und sendet so pro Sekunde eine bestimmte Anzahl elektrischer Impulse aus, die an eine elektronische Schaltung weitergeleitet werden. In einer analogen Uhr reduziert dieser Schaltkreis die Vibration auf nur einen Impuls pro Sekunde und reguliert so einen kleinen Motor, der die Zahnräder der Uhr antreibt. Abbildung 3.13 Quarzkristall und Zahnräder einer Analoguhr Quelle: vom Autor erstellt. 128 Eigenschaften von Materialien
131U3 Reflect Bei einer analogen Uhr wissen wir, dass wir aufgrund der Piezoelektrizität des Quarzkristalls die Bewegung der Zahnräder der Zeiger haben, aber was ist mit Digitaluhren? Werden auch Quarzkristalle verwendet? Was ist der Unterschied? Die Piezoelektrizität ist im Allgemeinen bei Keramikmaterialien am stärksten, die auch Pyroelektrizität aufweisen, und alle pyroelektrischen Materialien sind ebenfalls piezoelektrisch. Pyroelektrizität ist die Fähigkeit einiger Materialien, beim Erhitzen oder Abkühlen vorübergehend ein elektrisches Potenzial zu erzeugen. Mit diesen Materialien kann thermische Energie in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden. Ein pyroelektrischer Kristall baut nach der Synthese in einem Ofen, wenn man ihn ohne angelegte Spannung abkühlen lässt, normalerweise eine statische Ladung von Tausenden von Volt auf. Diese Materialien werden in Bewegungssensoren verwendet, bei denen ein geringer Temperaturanstieg durch einen warmen Körper, der in einen Raum gelangt, ausreicht, um eine messbare Spannung im Kristall zu erzeugen (Abbildung 3.14). Abbildung 3.14 Bewegungssensor mit pyroelektrischer Keramik Quelle: < Zugriff am: 16. Mai Pyroelektrizität wiederum tritt stärker in Materialien auf, die auch den Effekt der Ferroelektrizität aufweisen, bei denen ein stabiler elektrischer Dipol durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes ausgerichtet oder umgekehrt werden kann . Pyroelektrizität ist eine notwendige Folge der Ferroelektrizität, die zum Speichern von Informationen in ferroelektrischen Kondensatoren und ferroelektrischen RAM-Elementen (Random-Access-Memory) verwendet wird. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass Keramik keine freien Elektronen besitzt, die für die Absorption von Lichtphotonen verantwortlich sind. Daher können diese Materialien für sichtbares Licht transparent sein und die Phänomene Reflexion, Brechung, Transmission und Absorption aufweisen. Bei der Bildung polykristalliner Keramik wird die Größe der Körner durch die Größe der kristallinen Partikel bestimmt, die im Rohmaterial während der Bildung (oder Kompression) des Objekts vorhanden sind. Auf diese Weise kann durch eine Reduzierung der ursprünglichen Partikelgröße jegliche Lichtstreuung beseitigt werden, was zu einem transparenten Material führt. Materialeigenschaften 129
132U3 Keine Angst davor, Fehler zu machen. Die Abteilung für Keramikmaterialien des Unternehmens, bei dem Sie als Berater eingestellt wurden, hat mit einem Universitätskrankenhaus zusammengearbeitet und gemeinsam untersuchen sie Materialien, die bei der Herstellung von Prothesen für Hüft- oder Knieendoprothetik verwendet werden. Welche anderen Arten von Materialien könnten in diesen Anwendungen verwendet werden? Wäre Keramik eine Option? Was sind die allgemeinen Eigenschaften dieser Materialien? Und was wären die spezifischen und wünschenswerten Eigenschaften von Keramik für diese Anwendungen? In diesem Abschnitt haben wir gesehen, dass keramische Materialien unterschiedliche Eigenschaften haben, wie etwa mechanische Festigkeit, Härte, Zähigkeit sowie hohe Schmelz- und Siedepunkte. Konkret wird in unserer Herausforderung das Aluminiumoxid-Keramikmaterial bei der Herstellung von Hüftpfannen und Femurköpfen für die Hüft- und Knieendoprothetik verwendet. Aluminiumoxid hat eine kompakte sechseckige Kristallstruktur, die ihm eine hohe Härte, Abrieb- und Druckfestigkeit verleiht. Die polierten Teile haben eine hervorragende Oberflächengüte und die starken Ionenbindungen machen Aluminiumoxid zu einem chemisch inerten Material, das in physiologischen Umgebungen eine große Stabilität aufweist. Wenn Aluminiumoxidteile für Prothesen poliert und als Paar verwendet werden, nimmt der Reibungskoeffizient zwischen ihnen mit der Zeit ab und nähert sich dem eines normalen Gelenks an. Abbildung 3.15 zeigt ein Schema einer Hüftendoprothetik mit den Teilen, in denen Aluminiumoxid verwendet wird. Abbildung 3.15 Schema einer Hüftendoprothetik mit Darstellung der Aluminiumoxidteile Quelle: < Zugriff am: 16. Mai Materialeigenschaften
133U3 Der Verschleiß von Aluminiumoxid-Aluminiumoxid-Oberflächen ist etwa zehnmal geringer als der von Metall-Polyethylen-Oberflächen. Weitere klinische Anwendungen von Aluminiumoxid umfassen Knieprothesen, Knochenschrauben und Zahnimplantate (PIRES; BIERHALZ; MORAES, 2015). Do it yourself Wird Aluminiumoxid nur in Prothesen verwendet? Suchen Sie nach anderen Anwendungen dieses Keramikmaterials. Fortschritte in der Praxis Beschreibung des Sachverhalts-Problems Eigenschaften keramischer Materialien Der Automobilkonzern Nintai arbeitet derzeit an einem Projekt mit verschiedenen Materialien für die Anwendung im Bremssystem. Die ersten Autos verwendeten Bremsbeläge, die aus metallischen Reibplatten auf Basis von Harz und Metallpartikeln bestanden, die die Bremsscheibe umgeben (Abbildung 3.16). Beim Betätigen des Bremspedals löst ein hydraulischer Kreislauf die Bremsbeläge aus, die die Bremsscheibe zusammendrücken und so das Fahrzeug bremsen. Bremsbeläge werden durch Sintern einer Mischung aus Pulvermetallen, typischerweise Bronze, Aluminium, Eisen und Kupfer, hergestellt. Es wurde jedoch festgestellt, dass sie im kalten Zustand nicht effizient bremsten und aggressiv gegenüber der Bremsscheibe waren. Abbildung 3.16 Bremsbeläge mit metallischem Material Quelle: vom Autor erarbeitet. Könnte für diese Anwendung jede Art von Keramik verwendet werden? Lösung der Problemsituation Keramische Werkstoffe werden bereits in Bremsbelägen und -scheiben von Kampfflugzeugen und Flugzeugträgern eingesetzt. Diese Materialien ermöglichen das Bremsen von Flugzeugen. Materialeigenschaften 131
134U3 auf einer Strecke von 100 Metern mit einer Geschwindigkeit von 240 km/h. Nicht allzu weit entfernt rüstet die Automobilindustrie von Luxusautos wie Porsche und Mercedes bereits einige Modelle mit Keramikmaterialien im Bremssystem aus. In gängigen Fahrzeugen kommen Bremsscheiben aus Gusseisen zum Einsatz, die bei hoher Beanspruchung eine Temperatur von bis zu 500 °C erreichen. Keramische Werkstoffe steigern den Wirkungsgrad um bis zu 25 % im Vergleich zum Gusseisensystem und haben einen höheren Reibungskoeffizienten als dieses Material, erfordern einen viel kürzeren Weg, bis das Auto anhält. Keramikscheiben können bis zu 1400 °C erhitzen und behalten ihre Leistung auch bei Regen, da diese Materialien kein Wasser aufnehmen. Das System mit Keramikmaterial ist etwa 20 Kilo leichter als das Gusseisensystem und hat eine ungefähre Haltbarkeit von Kilometern für die Scheiben und Kilometern für die Beläge. Mehr suchen Sehen Sie sich den Katalog „Bosch-Keramik-Bremsbeläge“ an. Mehr Komfort mit Anti-Lärm-Technologie, der die verschiedenen Eigenschaften und Vorteile eines Systems mit Keramikmaterial vorstellt. Verfügbar unter: < Zugriff am: 16. Mai Machen Sie es zählen 1. Keramiken sind Materialien, die zwischen Elementen und beispielsweise Aluminium gebildet werden, das aus Aluminiumatomen (Metallatomen) und besteht. Markieren Sie die Alternative, die die Lücken richtig füllt: a) anorganisch; metallisch; nichtmetallisch; Oxid; Sauerstoff. b) anorganisch; des Übergangs; Halogene; Chlorid; Chlor. c) anorganisch; ionisch; nichtmetallisch; Dioxid; Sauerstoff. d) organisch; metallisch; Chalkogene; Chlorid; Sauerstoff. e) organisch; metallisch; nichtmetallisch; Oxid; Sauerstoff. 2. Keramische Materialien sind normalerweise spröde und werden häufig als thermische und elektrische Isolatoren verwendet. I. Die Härte und Zerbrechlichkeit dieser Materialien steht in direktem Zusammenhang mit ionischen und kovalenten Bindungen. 132 Materialeigenschaften
135U3 WARUM II. Bindungen in diesen Materialien sind stärker als metallische Bindungen, was die spröde Eigenschaft von Keramik und das duktile Verhalten von Metallen erklärt. Markieren Sie bei den Behauptungen die Alternative, die die richtige Antwort liefert: a) Die Behauptungen I und II sind falsche Aussagen. b) Behauptungen I und II sind wahre Aussagen, und II ist eine Begründung von I. c) Behauptungen I und II sind wahre Aussagen, aber II ist keine Begründung von I. d) Behauptung I ist eine wahre Aussage, und II ist a falscher Vorschlag. e) Behauptung I ist eine falsche Aussage, und Behauptung II ist eine wahre Aussage. 3. Beurteilen Sie die Aussagen zwischen wahr (T) und falsch (F): ( ) Keramische Verbindungen mit einem hohen Anteil an ionischem Charakter haben eine Struktur, die von der Richtung der Bindungen abhängt. ( ) Keramische Verbindungen mit einem hohen Anteil an kovalentem Charakter weisen Strukturen auf, die von der relativen Größe der Ionen abhängen. ( ) Aluminiumoxid ist ein Keramikmaterial mit kompakter sechseckiger Kristallstruktur und hoher Härte sowie guter Abrieb- und Druckbeständigkeit. Markieren Sie die Alternative, die die richtige Reihenfolge darstellt: a) T, T, F. b) T, F, F. c) F, F, F. d) F, T, V. e) F, F, V. Eigenschaften von Materialien 133
136U3 134 Materialeigenschaften
137U3 Abschnitt 3.3 Eigenschaften von Polymermaterialien Offener Dialog Willkommen zu einem weiteren Abschnitt über Materialwissenschaften. Im letzten Abschnitt haben Sie etwas mehr über die Eigenschaften keramischer Materialien erfahren. Er verstand, dass die starken ionischen und kovalenten Bindungen dieser Materialien sie zerbrechlich machen, das heißt, sie zeigen praktisch keine plastische Verformung, da sie schnell brechen. Sie haben festgestellt, dass die kristalline Struktur und die ionischen Bindungen von Aluminiumoxid für die hohe Härte, Abriebfestigkeit, Druckfestigkeit und große Stabilität dieses Materials in physiologischen Medien verantwortlich sind. Keramische Materialien haben mehrere Eigenschaften und werden von der Herstellung von Haushaltsgeräten bis hin zum Einsatz in Raumfähren verwendet. So konnten Sie die Eigenschaften von Keramiken identifizieren, die in Knie- und Hüftprothesen verwendet werden, und Forschern auf diesem Gebiet helfen. Heute sind wir in der Abteilung für Polymermaterialien angelangt, genauer gesagt in der Abteilung, die Kunststoffe oder Kautschuke (Elastomere) entwickelt. Derzeit werden mehrere Polymermaterialien untersucht, die zum Abdichten verschiedener Geräte wie Toilettenventile, Wasserhähne, Reservoirpumpen und mehr verwendet werden. Abbildung 3.17 Dichtungsvorrichtungen aus Polymeren Quelle: < Zugriff am: 17. Mai Wer musste noch nie einen Klempner aufsuchen, um den Dichtungsgummi an einem Wasserhahn oder einem Toilettenventil auszutauschen? Nun, Sie, als Materialeigenschaften 135
138Der Unternehmensberater von U3 soll den Mitarbeitern dieser Abteilung helfen, Dichtungskomponenten zu entwickeln, die eine längere Lebensdauer als die aktuellen haben. Was sind die Haupteigenschaften von Polymermaterialien? Wäre es möglich, ein Polymer zu verwenden, das für diese Anwendung geeignet wäre? In diesem Abschnitt lernen Sie die wichtigsten Eigenschaften von Polymeren kennen und können am Ende ein geeignetes Material identifizieren, das den Besonderheiten einer Dichtungskomponente entspricht. Gutes Studium! Darf nicht fehlen Polymermaterialien können als Materialien definiert werden, die aus mehreren chemisch verbundenen Teilen bestehen. Das Wort Polymer selbst bedeutet viele Teile. Wissenschaftlich gesehen sind Polymere jedoch organische Verbindungen mit hoher Molekülmasse, die aus sich wiederholenden Einheiten, sogenannten Meros, gebildet werden und lange Ketten bilden (CANEVAROLO, 2006). Polymere Materialien sind entweder natürlich vorkommende Materialien wie Proteine, Zellulose (Abbildung 3.18), Gummi oder synthetische Materialien wie Polyethylen. Abbildung 3.18 Polymerkette (Cellulose) Quelle: < Zugriff am: 17. Mai Polymere werden nach ihren mechanischen Eigenschaften, Strukturen und interatomaren Bindungen in Duroplaste (Abbildung 3.19a), Thermoplaste (Abbildung 3.19b) und Elastomere (Abbildung 3.19) eingeteilt C). Abbildung 3.19 Polymermaterialien Quelle: vom Autor erstellt. 136 Eigenschaften von Materialien
139U3 Suche weiter Sehen Sie sich die Definition von Polymeren auf entspanntere Weise an. Verfügbar am: < Zugriff am: 22. April Die meisten hergestellten Polymere sind thermoplastische Materialien, was bedeutet, dass das Polymer nach seiner Bildung geschmolzen und wiederverwendet werden kann, d. h. es kann problemlos recycelt und erneut verarbeitet werden. Beispiele für thermoplastische Materialien sind Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC). Duroplaste können nicht umgeschmolzen werden. Griffe, Gabeln und Messer von Reflect Pot werden normalerweise aus einem duroplastischen Polymer, Bakelit, hergestellt. Wer hat nie einen Topfgriff neben der Herdflamme oder den Stiel eines Löffels vergessen, der am Stahl des Topfes lehnt? Was beobachten wir, wenn dies geschieht? Jedes Polymer hat sehr unterschiedliche Eigenschaften, die meisten können jedoch sehr chemikalienbeständig sein. Die meisten Reinigungsprodukte in Ihrem Haushalt sind in Plastikbehältern verpackt. Durch das Lesen der Warnhinweise, die beschreiben, was passiert, wenn eines dieser Produkte mit der Haut oder den Augen in Kontakt kommt oder verschluckt wird, ist es möglich, die chemische Beständigkeit dieser Kunststoffe zu verstehen. Während einige Lösungsmittel bestimmte Arten von Kunststoffen leicht lösen, sind andere sicher und beständig gegenüber aggressiven Lösungsmitteln. Abbildung 3.20 Kunststoffverpackungen von Reinigungsmitteln Quelle: < Zugriff am: 17. Mai Materialeigenschaften 137
140U3-Polymere können auch thermische und elektrische Isolatoren sein. Ein Rundgang durch Ihr eigenes Zuhause wird diese Materialeigenschaften noch verstärken: Elektrogeräte, Kabel, Steckdosen und Leitungen bestehen aus Polymermaterialien oder sind damit beschichtet. Noch im häuslichen Umfeld kann man die Wärmebeständigkeit von Polymeren in der Küche, in Topfgriffen, Griffen für elektrische Kaffeekannen, wärmeisolierten Tassen und dem Schaumstoffkern in Kühl- und Gefrierschränken beobachten (Abbildung 3.21). Abbildung 3.21 Als Wärmedämmung eingesetzte Polymermaterialien mit guter Wärmebeständigkeit *Von links nach rechts: Topfgriff, Schaumstoffkern im Kühlschrank, elektrische Kaffeemaschine, Kabel und Steckdosen. Quelle: vom Autor erarbeitet. Polymermaterialien haben normalerweise eine geringe Dichte und eine gute mechanische Beständigkeit und werden sowohl für die Herstellung von Spielzeug als auch in Raumstationen verwendet, von Nylonfasern in Strumpfhosen bis hin zu Kevlar, das in kugelsicheren Westen verwendet wird. Polymere Materialien weisen ebenfalls ein ähnliches Spannungs-Dehnungs-Verhalten wie Metalle auf, allerdings hängen die mechanischen Eigenschaften bei Polymeren von der Dehnungsgeschwindigkeit, der Temperatur und den Umgebungsbedingungen ab. Polymere können spröde, hochelastisch und plastisch sein. Die Zugspannungsgrößen von Polymeren sind kleiner als die von Metallen, aber die Dehnung dieser Materialien kann um etwa 1000 % größer sein als bei metallischen Materialien. Ein Bruch beginnt mit Bruchrissen, Kratzern und dem Bruch von Kettengliedern. Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren ändern sich drastisch mit der Temperatur und reichen von sprödem Verhalten wie bei Glas bei niedrigen Temperaturen bis hin zu einem gummiähnlichen Verhalten bei hohen Temperaturen. Daraus lässt sich schließen, dass der Temperaturanstieg das Polymer weicher und duktiler macht. Assimilieren Die Eigenschaften von Polymermaterialien ergeben sich aus den endgültigen Strukturen der Polymere: Wenn das Makromolekül eine lineare Kette von Atomen aufweist, entstehen thermoplastische Materialien; Wenn das Makromolekül dreidimensional ist, sind die Polymere duroplastisch. In Tabelle 3.2 sind Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Strukturwerte einiger Thermoplaste aufgeführt. 138 Eigenschaften von Materialien
141U3 Tabelle 3.2 Eigenschaftswerte einiger thermoplastischer Polymere Polymer Polyethylen niedriger Dichte Polyethylen hoher Dichte Zugfestigkeit (Mpa) Quelle: Angepasst von Askeland und Wright (2014, S. 518). Elastizitätsmodul (Mpa) Polypropylen Polystyrol Poly(vinylchlorid) Struktur Amorphe Struktur, stark verzweigt mit symmetrischen Monomeren Amorphe Struktur, mit symmetrischen Monomeren und geringer Verzweigung Amorphe Struktur mit kleinen Methyl-Seitengruppen Amorphe Struktur mit kleinen Benzol-Seitengruppen Amorphe Struktur mit großem Chlor Atome als Seitengruppen Bei der Analyse der Daten in der Tabelle kann man beobachten, dass die Verzweigung in den Polymerketten die Dichte und Kompaktheit dieser Ketten verringert, wodurch die mechanische Beständigkeit abnimmt, wie wir am Beispiel Polyethylen nachgewiesen haben. So wie die Zugabe von Verunreinigungen zu Metallen deren mechanische Festigkeit erhöht, erhöht die Zugabe verschiedener Wasserstoffatomgruppen die mechanische Festigkeit von Polymeren. Die Hinzufügung der Methylgruppe und des Benzolrings verleihen Polypropylen bzw. Polystyrol eine höhere Beständigkeit und Härte. Abbildung 3.22 zeigt die durch Addition erhaltenen Wiederholungseinheiten von Polypropylen und Polystyrol. Abbildung 3.22 PP- und PS-Wiederholungseinheiten Quelle: vom Autor erarbeitet. Die mechanischen Eigenschaften thermoplastischer Polymere wie Kriechen, Zugkraft und Zähigkeit werden durch den Polymerisationsgrad beeinflusst. Der Polymerisationsgrad kann aus Gleichung 3.2 ermittelt werden: Polymerisationsgrad = durchschnittliches Molekulargewicht des Polymers, Molekulargewicht der Wiederholungseinheit, Gl. 3.2 Mit zunehmendem durchschnittlichen Molekulargewicht des Polymers steigt die Schmelztemperatur des Polymers. Laut Askeland und Wright (2014, S. 508) ist Polymerisation oder Synthese die Reihe chemischer Reaktionen, die die Vereinigung von Monomeren oder Oligomeren zur Bildung von Makromolekülen bewirken, was den Beginn von Materialeigenschaften 139 darstellt
142U3 mit der Bildung großer Ketten, in denen die Atome durch kovalente Bindungen fest miteinander verbunden sind. Die Polymerisation kann durch Addition erfolgen, bei der die Monomereinheiten einzeln verknüpft werden, oder durch Kondensation durch chemische Reaktionen, die in Stufen ablaufen und Strukturen mit ähnlichen Eigenschaften wie Additionspolymere erzeugen. Ein weiteres wichtiges Merkmal von Thermoplasten ist die Kristallinität, die sich direkt auf die mechanischen und optischen Eigenschaften dieser Materialien auswirkt. Eine Erhöhung der Kristallinität erhöht die mechanische und chemische Beständigkeit eines Polymers, selbst wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Der Elastizitätsmodul ist eine weitere Eigenschaft, die von der Kristallinität beeinflusst wird, da Kristalle einer Verformung widerstehen, was zu einem hohen Elastizitätsmodul führt. Kriechen, das als permanente, zeitabhängige Verformung bei angelegter Spannung definiert ist, und Relaxationszeit, also eine Verringerung, sind ebenfalls Eigenschaften, die von der Kristallinität des Polymermaterials abhängen. Sowohl die Kriech- als auch die Relaxationszeit sind Folgen des viskoelastischen Verhaltens des Polymers. Ein viskoelastisches Material ist ein Material, das bei Verformung gleichzeitig viskose und elastische Verformungen aufweist. Die viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren können durch Katalysatoren oder Polyole verändert werden und den sogenannten Memory-Schaum, auch Memory-Schaum genannt, bilden. Memory-Schaumstoffe verfügen über offene Zellen und können schnell oder langsam wirken. Dieser Schaumtyp ist bei menschlicher Hauttemperatur viel weicher als bei Raumtemperatur. Ein Beispiel für viskoelastische Polymere sind die allgemein bekannten Schäume der NASA (National Aeronautics and Space Administration), ein von der NASA im Jahr 2010 entwickeltes Gewebe. In Abbildung 3.23 sind Polyurethanschäume mit schneller bzw. langsamer Wirkungswirkung, bekannt als Memory-Schaum, zu beobachten . Angepasste Abbildung 3.23 Polyurethanschäume mit Memory-Schaum Quelle: < Zugriff am: 17. Mai Materialeigenschaften
143U3-Polymere sind offenbar auch in Farbe und Eigenschaften unbegrenzt, was durch viele Zusatzstoffe verbessert werden kann, wodurch ihre Einsatzmöglichkeiten erweitert werden. Polymere können so hergestellt werden, dass sie Baumwolle, Seide, Wolle und Fasern nachahmen; Porzellan und Marmor; Aluminium und Zink. Abbildung 3.24 zeigt PET-Fasern, die bei der Herstellung von Kleidung verwendet werden. Abbildung 3.24 Fasern aus Polyethylenterephthalat (PET) Quelle: < Zugriff am: 17. Mai Derzeit wird viel über selbstheilende Polymere gesprochen, diese Materialien werden jedoch bereits seit den 1990er Jahren untersucht. Diese Polymere bestehen aus eingekapselten Regenerationsmitteln und Katalysatoren, die in der gesamten Polymermatrix verteilt sind. Wenn sie Schnitten oder Anwendungen ausgesetzt werden, die ihre ursprüngliche Struktur beschädigen, regenerieren sie sich nach einer gewissen Zeit von selbst. Es gibt mehrere Studien, in denen selbstregenerierende Polymere als Beschichtungen für Metallteile, Automobilkomponenten, Klebstoffe, Schiffs- und Luft- und Raumfahrtausrüstung sowie Strukturkomponenten eingesetzt werden. Der Einsatz dieser Materialien kann Reparatur- oder Wartungsprozesse in Hydraulik- und Dichtungssystemen minimieren oder sogar eliminieren. Mehr suchen Es ist kaum zu glauben, dass sich ein Material selbst regeneriert. Im folgenden Video wird eine zylindrische Probe aus Polyurethan-Elastomer in zwei Teile geschnitten. Anschließend werden die Schnittflächen in Kontakt gebracht und nach zwei Stunden... waren Sie neugierig? Schauen Sie sich das Video an und sehen Sie, was passiert. Verfügbar am: < Zugriff am: 17. Mai Materialeigenschaften 141
144U3 Keine Angst davor, Fehler zu machen Heute kommen wir in die Abteilung für Polymermaterialien und Sie werden als junger Berater im Bereich Materialien Forschern helfen, ein Polymer zu entwickeln, das zur Abdichtung verschiedener Geräte wie Toilettenventile und Wasserhähne verwendet werden kann und Wasserpumpen. Reservoirs, und die eine längere Nutzungsdauer haben als die derzeit verwendeten. Was sind die Haupteigenschaften von Polymermaterialien? Wäre es möglich, für diese Anwendung ein definitives Polymer zu verwenden? In diesem Abschnitt haben Sie erfahren, dass Polymermaterialien viele verschiedene Eigenschaften haben können. Er verstand, dass Polymere in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere eingeteilt werden können. Thermoplaste sind Polymere, die mehrmals geschmolzen werden können, während Duroplaste nicht über diese Fähigkeit verfügen, da sie beim Erhitzen zerfallen, sobald sie geschmolzen sind. und schließlich Elastomere (Kautschuke). Polymere können eine hohe chemische und mechanische Beständigkeit aufweisen, gute thermische und elektrische Isolatoren sein und im Vergleich zu metallischen Materialien eine geringe Dichte aufweisen. Polymermaterialien, die als Dichtungsringe verwendet werden, unterliegen jedoch während des Gebrauchs einem Verschleiß, der zu Undichtigkeiten führt. Nachdem Sie sich über selbstregenerierende Polymere informiert hatten, konnten Sie deren Verwendung für diese Zwecke vorschlagen. Der aus selbstregenerierenden Polymeren hergestellte Dichtungsring kann eine sinnvolle Alternative sein, da diese Polymere bei Verschleiß regenerierende Wirkstoffe freisetzen, die mit Hilfe katalytischer Substanzen die betroffene Oberfläche regenerieren oder verkleben. Das regenerierte Bauteil weist dieselben Eigenschaften und nachgewiesene Festigkeit auf wie das Bauteil vor dem Ausfall. Abbildung 3.25 zeigt die Abfolge des Schneidens, teilweisen Trennens und Regenerierens von Polymermaterial. Abbildung 3.25 Mit selbstheilendem Polymer hergestelltes Bauteil. Quelle: vom Autor erstellt. Polymere werden in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Schauen Sie sich bei uns um, um Tassen, Teller, Schüsseln und die berühmte Tupperware zu finden, die alle aus Thermoplasten hergestellt sind. Alte Schallplatten, Topfgriffe, Besteck und Schalter werden aus duroplastischen Polymeren hergestellt, und Formen für Beton, Betonpumpenteile, Reifen, Zinnbeschichtungen, Skate-Räder, Skateboard-Räder, Schuhsohlen und unsere bequemen Hausschuhe werden aus Elastomeren hergestellt. Polymermaterialien gibt es überall und nicht umsonst wird oft gesagt, dass wir seit Beginn des 20. Jahrhunderts im Zeitalter der Kunststoffe leben. 142 Materialeigenschaften
145U3 Do it yourself Recherche zu anderen Anwendungen regenerierender Polymere und zu Polymerisationsreaktionen. In der Praxis vorankommen Beschreibung der Problemsituation Eigenschaften von Polymerwerkstoffen Auf der Weltausstellung in New York (1939 bis 1949) präsentierte Pontiac seine Luxusautomobile, wie den Pontiac Sedan (1939), den Pontiac Deluxe Convertible (1939) und den Pontiac Torpedo (1946), dargestellt in Abbildung Abbildung 3.26 Pontiacs ( ) Quelle: vom Autor erstellt. Die größte Überraschung, die das Unternehmen in dieser Zeit präsentierte, war jedoch der Pontiac Plexiglas Deluxe Six, der bald als Ghost Car bekannt wurde. In Zusammenarbeit mit dem Chemieunternehmen Rohm & Haas präsentierte das Unternehmen eine Version des Pontiac, bei der die gesamte Karosserie aus einem vom Chemieunternehmen entwickelten Polymer namens Plexiglas hergestellt wurde (Abbildung 3.27). Abbildung 3.27 Pontiac Plexiglas Deluxe Six Ghost Car Quelle: Vom Autor erstellt. Materialeigenschaften 143
146U3 Was sind die wichtigsten Eigenschaften des Plexiglas-Polymers, die dem Ghost Car seinerzeit zum Erfolg verhalfen? Lösung des Problems Plexiglas, auch Kunststoffglas genannt, unterscheidet sich von Glas vor allem durch die Dichte: Es ist fast dreimal leichter, feuchtigkeitsbeständig und weist eine fünfmal höhere Schlagfestigkeit auf als Glas aus herkömmlichem Quarzglas. Es ist ein Beispiel für ein glasartiges Polymer, das eine homogene amorphe Struktur aufweist, die ihm Transparenz verleiht, genau wie Glas. Dieses Polymer reflektiert nur 8 % des einfallenden Lichts und wäre es teilweise kristallisiert, wäre es nicht transparent. Stellen Sie sicher, dass es zählt: 1. Sobald sich Polymere gebildet haben, schmelzen diese Materialien bei erneutem Erhitzen nicht und zersetzen sich. Der obige Auszug bezieht sich auf welche Art von Polymer? a) Thermoplast b) Elastomer c) Duroplast d) Kunststoff e) Gummi 2. Polymere Materialien können als organische Verbindungen mit molekularer Masse definiert werden, die aus sich wiederholenden Einheiten, sogenannten Verlängerungsketten, gebildet werden. Markieren Sie die Alternative, die die Lücken richtig füllt: a) allgemein; hoch; Monomere; lang. b) wissenschaftlich; hoch; Zackenbarsche; lang. c) wissenschaftlich; niedrig; Zackenbarsche; klein. d) im Volksmund; hoch; Isomere; klein. e) wissenschaftlich; niedrig; Isomere; lang. 144 Eigenschaften von Materialien
147U3 3. Die meisten der hergestellten Polymere sind thermoplastische Materialien, was bedeutet, dass das Polymer nach seiner Bildung geschmolzen und wiederverwendet werden kann, d. h. das Polymer kann recycelt und erneut verarbeitet werden. Sehen Sie sich die Alternative an, die nur thermoplastische Polymere enthält: a) Bakelit, PVC, PET. b) PET, Polyester, Polyurethan. c) PP, PVC, PET. d) PP, Epoxidharze, PVC. e) PS, PP, Bakelit. Materialeigenschaften 145
148U3 146 Materialeigenschaften
149U3 Abschnitt 3.4 Eigenschaften von Verbundwerkstoffen Offener Dialog Willkommen zum letzten Abschnitt dieser Einheit, der eine Einführung in die Haupteigenschaften von Metallen, Keramiken, Polymeren und Verbundwerkstoffen bietet. In der ersten Einheit haben Sie die chemischen, mechanischen, elektrischen, thermischen, magnetischen und optischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe kennengelernt und mit den vorgestellten Eigenschaften den Zusammenhang zwischen Strukturen und interatomaren Bindungen verstanden. Im zweiten Abschnitt haben wir gesehen, dass keramische Werkstoffe eine gute mechanische Festigkeit, eine hohe Härte sowie hohe Schmelz- und Siedepunkte aufweisen und aufgrund dieser Eigenschaften beispielsweise in korrosiven Umgebungen eingesetzt werden. Später haben Sie verstanden, dass Polymere nach ihren Eigenschaften in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere eingeteilt werden. Thermoplaste können mehrfach geschmolzen, also recycelt werden. Sobald die Duroplaste geschmolzen sind, zersetzen sie sich, wenn sie erneut der Schmelztemperatur ausgesetzt werden. Und Elastomere haben, wie der Name schon sagt, elastische Eigenschaften. Jetzt ist es Zeit für Ihre letzte Herausforderung in dieser Einheit. Sollen wir gehen? An Ihrem letzten Tag bei einem multinationalen Unternehmen, das mit unterschiedlichen Materialbereichen arbeitet, haben Sie als Berater zwei Arten von Verbundwerkstoffen erhalten, einen duroplastischen und einen thermoplastischen. Beide Materialien werden für den Einsatz in Primär- und Sekundärkomponenten von Verkehrsflugzeugen wie dem Airbus A318 (Abbildung 3.28) wie Querrudern, Trimmklappen, Balancepanels usw. evaluiert. Aber was sind Verbundwerkstoffe? Haben diese Materialien immer die gleichen Eigenschaften? Was ist der Unterschied zwischen duroplastischem und thermoplastischem Verbundwerkstoff? Abbildung 3.28 Darstellung eines Airbus A318 Quelle: vom Autor erstellt. Materialeigenschaften 147
150U3 Darf nicht fehlen. Ein Verbundwerkstoff wird im Allgemeinen als die Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien definiert, jedes mit seinen spezifischen Eigenschaften, die zusammen ein neues Material mit Kombinationen von Eigenschaften ergeben, die in einem isolierten Element nicht beobachtet werden. Das Ziel der Entwicklung eines Verbundmaterials besteht darin, ein neues Material zu erhalten, das die besten Eigenschaften der Elemente, aus denen es besteht, vereint. Diese Materialien sind durch die Kombination von Metallen, Keramik und Polymeren möglich. Die meisten von ihnen bestehen aus einer Verstärkungsphase, die aus Partikeln, Fasern oder Schichten besteht, die in einer Matrix dispergiert sind (kontinuierliche Phase). Abbildung 3.29 zeigt Verbundwerkstoffe mit Blatt-, Partikel- und Faserverstärkungsphase, während Abbildung 3.30 ein Flussdiagramm der Klassifizierung von Verbundwerkstoffen darstellt. Abbildung 3.29 Verbundstoffe und Verstärkungsphasen Quelle: vom Autor erstellt. Abbildung 3.30 Klassifizierung von Verbundwerkstoffen Große Partikel Partikelverstärkte Dispersionsverstärkte kontinuierliche faserverstärkte Verbundstoffe Diskontinuierliche ausgerichtete zufällig orientierte Laminate Strukturelle Sandwichplatten Quelle: vom Autor erstellt. 148 Eigenschaften von Materialien
151U3 Partikelverstärkte Verbundwerkstoffe werden je nach Partikelgröße in zwei Typen unterteilt: Große Partikel schränken die Matrixbewegung ein, verhindern jedoch nicht wirksam das Versetzungsrutschen. . Dispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe enthalten Partikel mit einem Durchmesser von 10 bis 250 Nanometern (nm). In diesem Verbundwerkstoff trägt die Matrix den größten Teil der aufgebrachten Last, während die Partikel die Versetzungsbewegung behindern und so die plastische Verformung begrenzen. Beton ist ein Beispiel für einen mit großen Partikeln verstärkten Verbundwerkstoff aus einer Zementmatrix, die Partikel unterschiedlicher Größe wie Sand und Kies miteinander verbindet (Abbildung 3.31). Abbildung 3.31 Zement, Sand und Kies Quelle: vom Autor erstellt. Die Eigenschaften von wasserlöslichem Zement mit Partikeln hängen davon ab, wie gut die Materialien gemischt werden, von der Größe der Partikel und der Wassermenge. Zu viel Wasser führt zu einer übermäßigen Porosität des verfestigten Betons. Bei zu wenig Wasser neigt der Beton hingegen dazu, eine poröse Oberfläche und eine beeinträchtigte Verdichtung zu haben. Die Verwendung von Steinen und Sand unterschiedlicher Größe ermöglicht einen besseren Packungsfaktor als bei der Verwendung von Partikeln ähnlicher Größe. Jetzt ist es leicht zu verstehen, warum wir im Volksmund den feinen, mittleren und groben Sand nennen: Es handelt sich um Sande mit unterschiedlichen Körnungen. Das klassische Beispiel fürdispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe wäre der Verbundwerkstoff auf Basis von gesintertem Aluminiumpulver, bei dem die Aluminiummatrix mit bis zu 14 % Aluminiumoxid gehärtet ist. Dieser Verbundstoff wird in Kernreaktoren verwendet. Überlegen Sie: Welche Eigenschaften sollten Verbundwerkstoffe für den Einsatz in Kernreaktoren haben? Aber was ist überhaupt eine Kernreaktion? Die physikalischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen sind im Allgemeinen nicht isotroper Natur (unabhängig von der Richtung der ausgeübten Kraft), sondern typischerweise anisotrop (unterschiedlich je nach Richtung der ausgeübten Kraft oder Belastung), d. h. der Verbundwerkstoff ist entlang der Faserorientierung fester Richtung und mehr Materialeigenschaften 149
152U3 schwach in Richtung senkrecht zur Faser. Beispielsweise hängt die Steifigkeit einer Verbundplatte von der Ausrichtung der aufgebrachten Kräfte und/oder Momente und dem Design der Platte ab, wie z. B. der verwendeten Faser- und Matrixverstärkung, der Plattenkonstruktionsmethode, Duroplast oder Thermoplast, der Art des Gewebes usw Ausrichtung der Faserachse zur Primärkraft. Assimile-Anisotropie kann als die Variation der physikalischen Eigenschaften des Materials definiert werden, die von der kristallographischen Richtung abhängt. Laut Callister und Rethwish (2013) können der Elastizitätsmodul, die elektrische Leitfähigkeit und der Brechungsindex in den Richtungen [100] und [111] unterschiedliche Werte annehmen. Im Gegensatz dazu weisen isotrope Materialien wie Aluminium und Schmiedestahl typischerweise die gleiche Steifigkeit auf, unabhängig von der Ausrichtung und Richtung der aufgebrachten Kräfte oder Momente. Die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe hängen von der Art der verwendeten Materialien ab, also von den Eigenschaften der Matrixphase und der dispergierten Phase, der Geometrie der dispergierten Phase sowie dem Grad der Bindung zwischen den Grenzflächen. Die Matrizen der Verbundwerkstoffe können polymerer Natur sein (thermoplastisch, duroplastisch oder Elastomer). Bei diesen Verbundwerkstoffen besteht die Funktion der Matrix darin, Verformungen zu absorbieren, die Fasern, Partikel oder Folien zu stützen und bei Druckbelastung mechanische Festigkeit zu verleihen. Die Fasern erhöhen beispielsweise die Zähigkeit des Materials (Schlagfestigkeit) und können, ähnlich wie die Partikel für Elastomere, als Verstärkung für Thermoplaste und Duroplaste eingesetzt werden. Darüber hinaus können die Fasern zufällig angeordnet oder gezielt ausgerichtet sein. Abbildung 3.32 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopie eines mit kurzen Sisalfasern verstärkten Polyester-Matrix-Verbundwerkstoffs und zeigt deren Anordnung. Abbildung 3.32 Aspekt von Verbundwerkstoffen mit zufällig (a) oder unidirektional (b) orientierten Fasern Quelle: < Zugriff am: 10. Juni Materialeigenschaften
153U3 Bei duroplastischen Verbundwerkstoffen werden Harze in Form von Reagenzien eingesetzt, die in die Form eingebracht und anschließend ausgehärtet werden. Neben Polymermatrix-Verbundwerkstoffen bieten wir auch Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe an: Diese Materialien sind leicht, haben eine gute Beständigkeit und Härte. In keramischen Verbundwerkstoffen werden unter anderem Kohlenstofffasern, Glasfasern, Siliziumkarbidfasern als Verstärkungsmatrizen verwendet. Schließlich gibt es Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix, bei denen Metalllegierungen niedriger Dichte auf Basis von Aluminium, Titan und Magnesium als Matrizen verwendet werden. Bei dieser Art von Verbundwerkstoffen handelt es sich bei den meisten Verstärkungsmaterialien um Keramiken wie Aluminiumoxidpartikel, Graphitfasern, Borfilamente usw. Glasfaser ist ein weiteres sehr häufiges Beispiel für Verbundwerkstoffe. Diese Faser besteht aus kleinen Glasfasern, die von einem Polymerharz umgeben sind. Es ist ein Material mit geringer Dichte, recycelbar, hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und ist ein elektrischer Isolator. Dieses Material wird jedoch nicht in Umgebungen mit hohen Temperaturen verwendet. Mehr suchen Der Artikel mit dem Titel „Wiederverwendung von laminierten Glasfaserabfällen bei der Herstellung von verstärkten Polyesterharzplatten“ stellt eine Alternative für das Recycling dieses Verbundmaterials vor. Verfügbar am: < Zugriff am: 10. Juni Obwohl Glasfaser-Rohstoffe nicht so widerstandsfähig und hart wie Kohlefaser-Verbundwerkstoffe sind, sind sie kostengünstig und im Vergleich zu einigen Metallen weist dieser Verbundwerkstoff darüber hinaus bessere Eigenschaften hinsichtlich Massengewicht und mechanischer Festigkeit auf bis hin zur einfachen Formbarkeit in komplexe Formen. Die Fasern können zufällig angeordnet, zu einer Platte oder in einem Stoff abgeflacht sein (Abbildung 3.33) und die Polymermatrix kann ein duroplastisches Polymer sein, am häufigsten wird Epoxid- oder Polyesterharz verwendet; oder auch ein Thermoplast. Abbildung 3.33 Glasfaser Quelle: vom Autor erstellt. Materialeigenschaften 151
154U3 Der Kohlenstoff/Epoxid-Verbundstoff wird als Strukturverbundstoff bezeichnet. Bei diesem Verbundtyp ist neben den Materialeigenschaften auch die geometrische Gestaltung der Strukturelemente von entscheidender Bedeutung. Mit Kohlenstofffasern verstärkte Verbundwerkstoffe sind widerstandsfähig und können in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt werden. Abbildung 3.34 zeigt ein Carbon/Epoxidharz-Laminat, das in der Luftfahrtindustrie verwendet wird und aus überlappenden Lagen von mit Epoxidharz umwickelten Kohlefaserdecken hergestellt wird. Abbildung 3.34 Kohlenstoff/Epoxid-Laminat Quelle: vom Autor erstellt. In dieser Branche spielen Verbundlaminate eine wichtige Rolle als Ersatz für Metalllegierungen und weisen hervorragende Eigenschaften wie Steifigkeit und mechanische Festigkeit, Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen unter Arbeitsbedingungen sowie eine gute Ermüdungsleistung auf (CALLISTER; RETHWISH, 2013). Beispielhaft Immer mehr Verbundwerkstoffe werden im Flugzeugbau eingesetzt. Möchten Sie ein Beispiel? 50 % des Massengewichts der Boeing 787 bestehen aus Verbundwerkstoffen, wobei der Schwerpunkt auf der Verwendung von Strukturlaminaten liegt. Platten sind eine weitere sehr wichtige Art von Strukturverbundwerkstoffen, die im Wesentlichen aus zwei dünnen Platten aus einem widerstandsfähigen Material bestehen, die mit einem anderen Material (Kern) durchsetzt sind, das im Allgemeinen eine geringe Dichte und einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist (Abbildung 3.35). Normalerweise werden starre Polymerschäume, Balsaholz und Bienenstöcke verwendet. Abbildung 3.35 Verbundplatte mit orientierten Holzstreifenplattenoberflächen und Polystyrolschaumkern. Quelle: vom Autor erstellt. 152 Eigenschaften von Materialien
155U3 Abbildung 3.36a zeigt ein Waben-Sandwichpaneel-Schema und Abbildung 3.36b zeigt ein von der NASA entwickeltes Waben-Sandwichpaneel. Abbildung 3.36 Sandwichplatten (Wabenstruktur) Quelle: vom Autor erstellt. In Abbildung 3.36a stellt die Struktur mit der Nummer 1 ein Diagramm der Sandwichplatte dar. In dieser Abbildung entspricht Struktur Nummer 2 den Platten aus einem bestimmten Material, also der Vorderseite der Klinge, während sich Struktur Nummer 3 auf den Kern (Bienenstock) bezieht, der mittels Klebstoffen an den Platten haftet. Letztendlich weist die Sandwichplatte unter bestimmten Bedingungen eine viel größere Biegefestigkeit auf als massive Platten aus den gleichen Materialien und der gleichen Dichte. Bei diesem Verbundwerkstoff tragen die Flächen die normalen Druck-, Zug- oder Scherspannungen, die mit der Biegung einhergehen, und bestehen aus relativ festen Materialien wie Aluminiumlegierungen, Stählen, Sperrholz oder faserverstärkten Kunststoffen. Der Kern muss die Flächen um eine bestimmte Dicke voneinander entfernt halten, in der Richtung senkrecht dazu steif genug sein, um ein Quetschen zu vermeiden, und seine Querschubsteifigkeit muss groß genug sein, um sicherzustellen, dass die Montage funktioniert. Ohne Angst vor Fehlern. Ging es schnell? Wir sind an Ihrem letzten Tag als Berater für ein multinationales Unternehmen angelangt, das mit verschiedenen Materialzweigen arbeitet. Sie haben zwei Arten von Materialien erhalten: einen Duroplast-Verbundwerkstoff und einen Thermoplast. Beide wurden bewertet und jetzt ist es an der Zeit zu antworten: Was sind Verbundwerkstoffe? Haben diese Materialien immer die gleichen Eigenschaften? Was ist der Unterschied zwischen duroplastischem und thermoplastischem Verbundwerkstoff? Ein Verbundwerkstoff kann als eine Kombination verschiedener Materialien definiert werden, die zusammen charakteristische Eigenschaften aufweisen, die sich von denen isolierter Materialien unterscheiden. Somit weist das Material die Kombination der besten Eigenschaften derjenigen auf, aus denen es besteht. Es gibt verschiedene Arten von Verbundwerkstoffen, wie zum Beispiel Beton, Glasfaser und Kohlefasern; und jede Materialeigenschaften 153
156U3 dieser Materialien weisen eine bestimmte Eigenschaft auf, die einem bestimmten Bedarf gerecht wird. Machen Sie es selbst. Greifen Sie auf den Artikel „Thermografische Inspektion von Aufprallschäden in mit Kohlenstofffasern verstärkten Polymermatrixlaminaten“ zu und listen Sie die Hauptmerkmale der in dieser Arbeit verwendeten Verbundmaterialien auf. Verfügbar in:
157U3 Abbildung 3.38 Prozentsatz der verschiedenen Arten von Materialien, die bei der Herstellung eines Flugzeugs verwendet werden. Quelle: vom Autor erarbeitet. In der Praxis vorankommen Beschreibung des Situationsproblems Eigenschaften von Verbundwerkstoffen Ein junger Maurer wurde mit dem Bau des Bürgersteigs eines Hauses beauftragt und erstellte die folgende Einkaufsliste für Baumaterialien: Grober Sand, Zement und grobes Gestein. Welche Eigenschaften können wir nach Ihrem Wissen von diesem Bürgersteig erwarten? Abbildung 3.39 Bau eines Bürgersteigs Quelle: < Zugriff am: 11. Juni Materialeigenschaften 155
158U3 Lösung der Problemsituation Beton ist ein Beispiel für einen durch große Partikel verstärkten Verbundwerkstoff, der aus einer Zementmatrix besteht, die Partikel unterschiedlicher Größe, wie Sand und Kies, vereint. Die Eigenschaften von in Wasser gelöstem Zement hängen wie bei Partikelmaterialien davon ab, wie gut diese Materialien gemischt wurden, von der Größe der Partikelmaterialien und der Wassermenge. Die Verwendung unterschiedlicher Größen (von Stein und Sand) ermöglicht einen besseren Packungsfaktor als die Verwendung von Partikeln ähnlicher Größe. Wenn wir nur die angeforderten Materialien verwenden, wird das Ergebnis ein Bürgersteig sein, der nicht die gleiche Widerstandsfähigkeit aufweist wie ein anderer Bürgersteig, der aus unterschiedlich großen Partikelmaterialien besteht. Unser Bürgersteig hat eine kürzere Nutzungsdauer als ein Bürgersteig mit anderen Größen. Achtung: Portlandzement ist der weltweit am häufigsten verwendete Zementtyp und wird als Grundbestandteil von Beton und Mörtel verwendet. Damit es zählt 1. Ein Verbundwerkstoff wird im Allgemeinen als die Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien definiert, jedes mit seinen spezifischen Eigenschaften, die zusammen ein neues Material ergeben, mit Kombinationen von Eigenschaften, die isoliert nicht beobachtet werden können. Markieren Sie die Alternative mit der korrekten Bezeichnung der Verbundwerkstoffe, die Partikel im Bereich von 10 bis 250 Nanometern (nm) Durchmesser enthalten: a) Strukturell, b) Verstärkt durch Fasern, c) Verstärkt durch große Partikel, d) Verstärkt durch Laminate, e) Verstärkt durch Dispersion 2. Partikelverstärkte Verbundwerkstoffe werden je nach Partikelgröße in zwei Typen unterteilt: großpartikelverstärkte unddispersionsverstärkte. Fürdispersionsverstärkte Verbundwerkstoffe ist die Aussage in: 156 Materialeigenschaften richtig
159U3 a) Die Matrix trägt den größten Teil der aufgebrachten Last, während die Partikel die Versetzungsbewegung behindern und so die plastische Verformung begrenzen. b) Die Matrix trägt den kleinsten Teil der aufgebrachten Last, während die Partikel die Bewegung der Versetzungen fördern. c) Die Matrix trägt den größten Teil der aufgebrachten Last, während die Partikel die Versetzungsbewegung behindern und so die elastische Verformung begrenzen. d) Die Matrix trägt den kleinsten Teil der aufgebrachten Last, während die Partikel die Versetzungsbewegung fördern und die elastische Verformung begrenzen. e) Die Matrix trägt den größten Teil der aufgebrachten Last, während die Partikel die Versetzungsbewegung fördern und so die plastische Verformung begrenzen. 3. Die physikalischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen sind im Allgemeinen nicht unabhängig von der Richtung der in der Natur wirkenden Kräfte, d. h. der Verbundwerkstoff ist entlang der Orientierungsrichtung der Fasern stärker und in der Richtung senkrecht zur Faser schwächer. Überprüfen Sie die Alternative, die den Begriff als Synonym für den im obigen Absatz hervorgehobenen Text darstellt: a) Isomere b) Anisotrope c) Isotrope d) Anisotrope e) Isotope Materialeigenschaften 157
160U3 158 Materialeigenschaften
161U3-Referenzen ALISSON, E. Forscher entwickeln neue Metalllegierungen Verfügbar in: < Zugriff am: 23. April ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Materialwissenschaft. São Paulo: Cengage Learning, S. BORGES, S. Chemie: Was sind Polymere? Verfügbar unter: < com/watch?v=enkncksc6tm>. Zugriff am: 22. April CALLISTER, W.; RETHWISH, D. G. Materialwissenschaft und -technik: eine Einführung. 8. Aufl. São Paulo: LTC, S. WISSENSCHAFTSKANAL. Start des Space Shuttle Discovery. Verfügbar unter: < Zugriff am: 17. Mai CANEVAROLO, S. Science of Polymers. 2. Aufl. São Paulo: Artliber, S. CANFIELD, P.C.; BUD`KO, S. L. Tief- bis Hochtemperatur-Supraleiter. Scientific American Brazil, [s. D.]. Verfügbar unter:
162U3 SHACKELFORD, J. F. Materialwissenschaft. 6. Aufl. Sao Paulo: Pearson Education do Brasil, S. TARPANI, J. R. Thermografische Untersuchung von Aufprallschäden in kohlenstofffaserverstärkten Polymermatrixlaminaten. Polymere: Wissenschaft und Technologie, v. 19, nein. 4, S. , Verfügbar am: < Zugriff am: 10. Juni Materialeigenschaften
163Einheit 4: Verarbeitung und Leistung von Materialien. Einladung zum Studium. Student, willkommen zu unserer letzten Einheit über Materialwissenschaft! Wie Sie vielleicht bemerkt haben, wird der Inhalt dieser Einheit das Studium jeder Achse des materialwissenschaftlichen Tetraeders abschließen. In der ersten und zweiten Einheit untersuchen wir die erste Achse des Tetraeders der Materialien: Zusammensetzung und Struktur. Unser Studium begann mit der Einführung in die Materialwissenschaft. Anschließend befassten wir uns erneut mit den Theorien und Atomstrukturen, den verschiedenen Arten chemischer Bindungen und deren Einfluss auf die Eigenschaften von Materialien. Außerdem lernten wir kristalline Strukturen und Systeme kennen und verstanden die Bedeutung der Atomanordnung und packen. In Einheit 3 untersuchen wir eine weitere Achse der Materialwissenschaft: Eigenschaften. Wir kennen die Haupteigenschaften metallischer Werkstoffe und verstehen den Grund, warum diese Werkstoffklasse so verwendet wird, und zwar gerade wegen der Vielfalt dieser Eigenschaften. Die verwendeten metallischen Materialien reichen von leitfähigen Drähten über Strukturen im Zivilbau bis hin zu biomedizinischen Zwecken wie Prothesen und Stiften in Arztpraxen. Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe verfügen über unterschiedlichste mechanische, elektrische, thermische, magnetische und optische Eigenschaften. Schließlich werden wir uns in Einheit 4 mit den letzten Achsen befassen: Verarbeitung und Leistung. In dieser Einheit stellen wir einige der Hauptanwendungen von Materialien und einige Verarbeitungsarten vor. Am Ende davon
164In der U4-Einheit und damit im Fach Materialwissenschaft verfügen Sie über Kenntnisse über die grundlegenden Konzepte, die für zukünftige Fächer wichtig sind, die die hier vorgestellten Themen vertiefen und sich mit den spezifischen Materialien befassen. Somit sind Sie in der Lage, geeignete Materialien für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, um die Leistungsmerkmale zu erfüllen. Sollen wir unsere letzte Herausforderung beginnen? Nach Jahren Ihrer Karriere, angefangen bei einem Praktikum über einen technischen Verkäufer bis hin zu einer Tätigkeit in einem Beratungsunternehmen, haben Sie beschlossen, dass es an der Zeit ist, Unternehmer zu werden. Gemeinsam mit zwei Freunden haben Sie EMIS Consulting gegründet, ein Unternehmen, das von Experten auf dem Gebiet der Materialien für die unterschiedlichsten Branchen gegründet wurde. Zusätzlich zur technischen Beratung zu den Eigenschaften der Materialien als Differenzierung auf dem Markt bietet EMIS jedoch Unterstützung bei der Verarbeitung und der finanziellen Machbarkeit der Verwendung eines bestimmten Materials gegenüber einem anderen. Man übernimmt die ewige Verantwortung für das, was man gezähmt hat.“ (Antoine de Saint-Exupéry) 162 Verarbeitung und Leistung von Materialien
165U4 Abschnitt 4.1 Verarbeitung und Leistung metallischer Werkstoffe Offener Dialog Liebe Studierende, gegen Ende des Semesters haben wir einen weiteren Schritt begonnen. In diesem Abschnitt werden wir einige Anwendungen und Verarbeitungsarten von Metalllegierungen untersuchen, die normalerweise in verschiedenen Industriezweigen verwendet werden. Wir lernen die Zusammensetzung und Gruppierung verschiedener Metalllegierungen und ihre jeweiligen Gruppierungen kennen, lernen Spezifikationssysteme kennen und stellen einige der wichtigsten Verarbeitungsmethoden vor. Auf diese Weise werden Sie verstehen, wie wichtig es ist, alle diese Themen studiert zu haben, und in der Lage sein, die geeigneten Metalle für eine bestimmte Anwendung auszuwählen, die allen Besonderheiten der Verwendung gerecht werden. Sie, als einer der Eigentümer von EMIS Consulting und Experte auf dem Gebiet der Materialien, haben von Nintai Automóveis, dem Unternehmen, bei dem Sie Ihre Karriere begonnen haben, ein Angebot erhalten, dass EMIS Consulting Sie bei der Auswahl der möglichen Materialien unterstützen soll, die in der Branche verwendet werden sollen Herstellung von Zahnrädern und Kurbelwellen. Abbildung 4.1a zeigt eine Kurbelwelle, während Abbildung 4.1b ein Zahnrad zeigt. Abbildung 4.1 Kurbelwelle und Zahnräder Quelle: vom Autor erstellt. Verarbeitung und Leistung von Materialien 163
166U4 Welche Materialien eignen sich am besten für diese Herstellung? Welche Verarbeitungsmethoden gibt es? In diesem Abschnitt werden wir die wichtigsten Arten von Eisen- und Nichteisenlegierungen untersuchen, die Unterschiede zwischen Stählen mit niedrigem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt verstehen und ihre typischen Anwendungen kennenlernen. Sie werden in einige Arten der Metallverarbeitung sowie Warm- und Kaltumformvorgänge eingeführt. Denken Sie daran, dass Entscheidungen über die Auswahl eines bestimmten Materials auch von den Verarbeitungsanlagen beeinflusst werden. Wie wir jedoch wissen, müssen alle Entscheidungen auf der Wechselbeziehung zwischen Zusammensetzung, Eigenschaften, Verarbeitung und Leistung basieren. Am Ende dieser Studie sind Sie in der Lage, den idealen Werkstoff für die Herstellung von Zahnrädern und Kurbelwellen auszuwählen sowie die Art der Verarbeitung und die Eigenschaften dieses Werkstoffs anzugeben. Gutes Studium! Es darf nicht fehlen. Die Auswahl eines Materials ist oft ein Problem, das im Rahmen von Industrieprojekten und spezifischen Anwendungen gelöst werden muss. Die Materialien müssen den Merkmalen des Projekts entsprechen und die erforderlichen Eigenschaften aufweisen. Metallische Werkstoffe und ihre Legierungen werden in den verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik am häufigsten verwendet und werden in zwei Klassen eingeteilt: Eisen- und Nichteisenmetalle. Diese Klassifizierung basiert hauptsächlich auf der chemischen Zusammensetzung dieser Materialien. Eisenmetalle oder Eisenlegierungen sind solche, deren Hauptbestandteil Eisen (Fe) ist, während die anderen Metalle und Legierungen als Nichteisenmetalle oder -legierungen bezeichnet werden. Aufgrund der reichlichen Verfügbarkeit von Rohstoffen, der einfachen Umformbarkeit, der wirtschaftlichen Rentabilität und schließlich der Vielseitigkeit ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften werden Eisenwerkstoffe in größeren Mengen produziert als alle anderen metallischen Werkstoffe. Allerdings haben Eisenmetalle einige Nachteile, wie etwa eine relativ hohe Dichte und Korrosionsanfälligkeit. In Eisenwerkstoffen ist Kohlenstoff (C) das Hauptlegierungselement. Je nach der Menge des vorhandenen Kohlenstoffs weisen Eisenlegierungen unterschiedliche Eigenschaften auf, insbesondere wenn der Kohlenstoffgehalt niedriger oder höher als 2,14 % ist. Im Allgemeinen werden Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2,14 % als Stähle bezeichnet, während Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt über 2,14 % als Gusseisen bezeichnet werden. 164 Verarbeitung und Leistung von Materialien
167U4 Suche mehr Das unter < verfügbare Video (abgerufen am: 17. Juli 2016) zeigt den Prozess der Gewinnung von Stahlstangen. Stähle sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, die in ihrer Zusammensetzung weitere chemische Elemente enthalten, wie unter anderem Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybdän (Mo), Wolfram (W). Bei Stählen hängen die mechanischen Eigenschaften empfindlich vom Kohlenstoffgehalt ab, d. h. je höher die Kohlenstoffkonzentration, desto härter und weniger duktil ist der Stahl. Daher werden Stähle in Stähle mit niedrigem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt eingeteilt. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt haben weniger als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff (%p C), solche mit mittlerem Kohlenstoffgehalt haben Konzentrationen von 0,25 bis 0,6 %p C und schließlich haben Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt Konzentrationen von mehr als 0,6 %p C C. In Stählen besetzen Kohlenstoffatome die Zwischenräume der Kristallstruktur von Eisen, wie in Abbildung 4.2 dargestellt. Allerdings werden beispielsweise aus mehreren Gründen absichtlich andere Legierungselemente hinzugefügt, um die mechanischen Eigenschaften und die Widerstandsfähigkeit von Stählen zu verbessern Korrosion, wie sie bei legierten Stählen beobachtet wird. Abbildung 4.2 Darstellung der BCC-Struktur von Fe-C unter Verwendung starrer Kugeln. Quelle: vom Autor erarbeitet. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt werden am häufigsten hergestellt und reagieren aufgrund ihrer geringen Kohlenstoffkonzentration nicht effizient auf Wärmebehandlungen zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit. Dies ist jedoch durch Kaltumformung möglich. Die Mikrostruktur besteht im Wesentlichen aus Ferrit und Perlit, was diese Stähle relativ weich, spröde und mit ausgezeichneter Duktilität bei gleichzeitig hoher Zähigkeit macht. Daher lassen sich diese Materialien leicht bearbeiten und schweißen und sind unter allen Stahlarten die günstigsten in der Herstellung (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Stähle und Legierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt werden typischerweise unter anderem beim Bau von Gebäuden, Brücken, Strukturprofilen, Karosserien und Automobilkomponenten verwendet. In Tabelle 4.1 ist es möglich, die Spezifikation, Zugfestigkeitsgrenze, Streckgrenze und Duktilität einiger gängiger Kohlenstoffstähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu analysieren. In der Grafik von Abbildung 4.3 lässt sich visualisieren, wie sich die Erhöhung der Kohlenstoffmenge auf die mechanischen Eigenschaften der Stähle auswirkt, wodurch auch die Widerstandsgrenze erhöht und die Duktilität verringert wird. Verarbeitung und Leistung von Materialien 165
168U4 Tabelle 4.1 Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften gängiger kohlenstoffarmer und warmgewalzter Kohlenstoffstähle Spezifikation Zusammensetzung (%p) Mechanische Eigenschaften AISI/ SAE oder ASTM C Anzahl Mn Andere TRL* (Mpa) Streckgrenze (Mpa) % AL in 50 mm .10 0, .20 0, A36 0,29 1,00 0,20 Cu (min) A516 Klasse 70 0,31 1,00 0,25 Si Quelle: Angepasst von Callister und Rethwisch (2013). Abbildung 4.3 Mechanische Eigenschaften von gewöhnlichen Kohlenstoffstählen als Funktion der Kohlenstoffmenge. Quelle: vom Autor ausgearbeitet. Eine spezielle Gruppe von Eisenlegierungen mit einem nennenswerten Anteil an Legierungselementen wird als HSLA (hochfeste, niedriglegierte Stähle) oder ARBL (hochfeste, niedriglegierte Stähle) bezeichnet. Die häufigsten Legierungselemente sind: Cu, V, Ni, W, Cr, Mo usw. Diese Legierungen können durch Wärmebehandlung gestärkt und gleichzeitig duktil, bearbeitet und geformt werden. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen weisen diese Stähle oder Legierungen im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenstoffstählen eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf. Assimile-Stähle und ihre Legierungen werden nach Codes benannt, die vom American Iron and Steel Institute (AISI American Iron and Steel Institute), der Society of Automotive Engineers (SAE Society of Automotive Engineers) und der American Society for Testing and Materials (ASTM American Society) verwendet werden für Prüfungen und Materialien). 166 Verarbeitung und Leistung von Materialien
169U4 Tabelle 4.2 zeigt die Hauptanwendungen von kohlenstoffarmen Stählen aus reinem Kohlenstoff und hochfesten, niedriglegierten Stählen. Tabelle 4.2 Hauptanwendungen gängiger kohlenstoffarmer und gewalzter Kohlenstoffstähle und ARBL-Stähle AISI/SAE- oder ASTM-Nummer Quelle: Angepasst von Callister und Rethwisch (2013). Stahlanwendungen Kohlenstoffarme Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt 1010 Automobilplatten, Drähte und Nägel 1020 Baustahl, Bleche und Rohre A36 A516 Güteklasse 70 A440 A633 Güteklasse E A656 Güteklasse 1 Strukturbau (Brücken und Gebäude) Niedertemperatur-Druckbehälter Hochfeste und niedrig legierte genietete oder geschraubte Strukturen Bei niedrigen Temperaturen verwendete Strukturen LKW-Fahrgestelle und Eisenbahnwaggons Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,25 bis 0,6 Gew.-% C) sind im Vergleich zu Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt widerstandsfähiger und weniger duktil. Diese Stähle weisen eine geringe Härtbarkeit auf und können daher in sehr dünnen Abschnitten und mit hoher Abkühlgeschwindigkeit erfolgreich wärmebehandelt werden. Allerdings verbessert die Zugabe von Legierungselementen wie Nickel, Chrom und Molybdän die Härtbarkeit. Zu den Anwendungen von Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt zählen der Einsatz in Gleisen und Eisenbahnrädern, hochfesten Strukturbauteilen sowie bei der Herstellung von Zahnrädern und Kurbelwellen. Überlegen: Wenn Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt eine geringe Härtbarkeit aufweisen, warum werden sie dann üblicherweise in Teilen verwendet, die großen Belastungen ausgesetzt sind, wie etwa der Kurbelwelle? AISI, SAE und ASTM sind für die Klassifizierung und Spezifikation von Stählen und Metalllegierungen verantwortlich. AISI/SAE-Spezifikationen bestehen aus einer vierstelligen Zahl, wobei die ersten beiden Ziffern der Art der Legierung entsprechen, während die letzten beiden Ziffern die Kohlenstoffmenge multipliziert mit 100 darstellen. Bei gewöhnlichen Kohlenstoffstählen sind die ersten beiden Ziffern 1 und 0 , während für legierte Stähle andere Kombinationen der beiden Anfangsziffern angegeben sind. Beispiele für die Stähle AISI/SAE 1020, 1045 und 1060 sind Beispiele für übliche Kohlenstoffstähle mit 020, 0,45 bzw. 0,60 % p C. Verarbeitung und Leistung der Materialien 167
170U4 Zusätzlich zu diesen Klassifizierungen wird auch die UNS-Spezifikation (Unified Numbering System) verwendet, bei der es sich um ein einheitliches Nummerierungssystem für Eisen- und Nichteisenlegierungen handelt. In diesem System wird jede Metallfamilie durch einen Buchstaben gekennzeichnet, gefolgt von der AISI/SAE-Nummer und einer fünften Ziffer gleich Null. Daher ist AISI/SAE 1020-Stahl in der UNS-Spezifikation G. Suchen Sie mehr. Suchen Sie mehr zu diesem Thema! In der folgenden Arbeit gibt es ein Kapitel, das einige Tabellen mit den AISI/SAE- und UNS-Spezifikationen präsentiert. CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. Materialwissenschaft und -technik: eine Einführung. 8. Aufl. Rio de Janeiro: LTC, Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt sind widerstandsfähiger und härter und weisen daher eine sehr begrenzte Duktilität auf. Sie sind wärmebehandelbar und werden hauptsächlich in gehärtetem und angelassenem Zustand verwendet. Darüber hinaus weisen sie eine hohe Verschleißfestigkeit auf und halten die Schneidkante scharf, eine Eigenschaft, die bei der Herstellung von Werkzeugen wie Messern, Rasierklingen, Sägeblättern und anderen verwendet wird. Die Zugabe von Legierungselementen wie Cr, V, Mo, W reagiert mit Kohlenstoff und erzeugt harte und verschleißfeste Karbide. Edelstahl ist eine weitere Stahlsorte mit hoher Korrosionsbeständigkeit, das heißt, er verhindert die Rostbildung durch den Zusatz von Legierungselementen, hauptsächlich mit mindestens 11 % Cr. Edelstähle werden in drei Klassen eingeteilt: ferritisch, martensitisch und austenitisch. Diese Klassifizierung basiert auf der vorherrschenden Phase der Mikrostruktur. Ferritische Edelstähle sind Fe-Cr-C-Legierungen mit hauptsächlich 12–14 % Cr und können geringe Mengen an Mo, V, Nb und Ni enthalten. Austenitische Edelstähle enthalten im Allgemeinen 18 % Cr und 8 % Ni sowie andere Legierungselemente in geringeren Konzentrationen. Schließlich werden martensitische Stähle wärmebehandelt, so dass Martensit die Hauptbestandteilsphase ist. Rostfreie Stähle werden unter anderem in Automobilabgaskomponenten, Brennkammern, Schweißkonstruktionen, Teilen von Strahltriebwerken, chirurgischen Instrumenten und Druckbehältern verwendet. Gusseisen gehört neben Stählen auch zu Eisenmetalllegierungen, also Legierungen mit einem Gehalt von mehr als 2,14 % pC, in der Praxis liegen Gusseisen jedoch zwischen 3 und 4,5 % pC. Metalle mit diesem Kohlenstoffgehalt lassen sich leicht schmelzen bei niedrigeren Temperaturen als Stähle, was ihren Einsatz bei der Herstellung von Gussteilen möglich macht. Zementit (Fe 3 C) ist eine metastabile, harte und spröde Phase, die in Gusseisen vorkommt und sich unter bestimmten Bedingungen zu Ferrit (α) und Graphit zersetzt. Die Neigung von Gusseisen zur Graphitbildung wird im Allgemeinen durch 168 Materialverarbeitung und Leistung gesteuert
171U4 seine Zusammensetzung und Abkühlgeschwindigkeit. Basierend auf der Form des vorhandenen Kohlenstoffs werden Gusseisen in graue, knötenförmige, weiße, formbare und vermikuläre Gusseisen eingeteilt, wie in Abbildung 4.4 dargestellt. Abbildung 4.4 Klassifizierungsschema für Gusseisen Quelle: vom Autor erarbeitet. Nachfolgend finden Sie die Definition der Gusseisenarten: Grauguss: Diese Legierungen bestehen aus Graphit in Form von Flocken, umgeben von einer Matrix aus Ferrit (α) oder Perlit. Aufgrund des Graphitgehalts verfärbt sich die Oberfläche beim Bruch grau. Diese Metalle haben gute Dämpfungseigenschaften und einige typische Anwendungen umfassen: Grundstrukturen, schwere Maschinenbetten usw. Sphäroguss: Magnesium- und Cerzusätze zu Grauguss beim Gießen führen zur Bildung von Mikrostruktur und Graphit in Form typischer Anwendungen, darunter: Pumpenkörper, Kurbelwellen, Automobilkomponenten usw. Weißes Eisen: Wenn der Siliziumgehalt weniger als 1 % beträgt, bleibt in Kombination mit schnellen Abkühlraten nicht genügend Zeit für die Zersetzung des Zementits, so dass ein großer Teil davon zurückbleibt. Durch das Vorhandensein von Zementit wird die Bruchfläche weißlich. Dieses Metall wird zum Walzen von Walzen in Walzwerken verwendet. Temperguss: Diese Metalle entstehen nach der Wärmebehandlung von weißem Gusseisen, das stundenlang bei einer Temperatur von C gehalten wird. Anschließend wird das Material auf Raumtemperatur abgekühlt, was die Zersetzung von Zementit und damit die Bildung von Graphit fördert in Form von Agglomeraten, umgeben von einer Matrix aus Ferrit oder Perlit, je nach Abkühlgeschwindigkeit. Zu den typischen Anwendungen gehören: Eisenbahnen und andere Schwerlastdienste. Verarbeitung und Leistung von Materialien 169
172U4 Vermikulareisen: Wie der Name schon sagt, ist der Graphit bei dieser Legierungsart in Form von Würmern in einer perlitischen oder ferritisch/perlitischen Matrix angeordnet. Abbildung 4.5 zeigt einige Beispiele für die Anordnung von Graffiti. Abbildung 4.5 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, die von links nach rechts den lamellaren, knötchenförmigen und vermikulären Graphit zeigt. Quelle: Angepasst von Colpaert (1974). Eine weitere Klasse metallischer Werkstoffe sind Nichteisenmetalle oder -legierungen. Diese sind einfach und wirtschaftlich herzustellen. Unter ihnen stechen Aluminium- und Kupferlegierungen hervor. Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch geringe Dichte, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie gute Korrosionsbeständigkeit aus. Häufige Anwendungen von Aluminiumlegierungen sind: Getränkedosen, Automobilteile, Karosserien, Flugzeugstrukturen usw. Bei einigen Aluminiumlegierungen kann die Festigkeit durch Ausscheidung erhöht werden, während andere durch Kaltumformung oder Mischkristallverfahren verstärkt werden. Kupferlegierungen zeichnen sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Atmosphären aus. Wie Aluminium werden die meisten dieser Legierungen durch die eine oder andere Kaltumformung oder Mischkristallmethode verfestigt. Messing und Bronze sind Beispiele für Kupferlegierungen. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink, während Bronze eine Legierung aus Kupfer und Zinn ist. Unter den Hauptanwendungen sticht unter anderem die Verwendung in Schmuck, Münzen, Musikinstrumenten, Elektronik, Federn, chirurgischen und zahnmedizinischen Instrumenten, Heizkörpern hervor. Mehr suchen Neben den zuvor genannten Legierungen gibt es weitere Nichteisenmetalle und sehr wichtige Metalle wie Magnesium- und Titanlegierungen, Refraktärmetalle, Superlegierungen und Edelmetalle. Konsultieren Sie unbedingt die angegebenen Referenzen, wie zum Beispiel das folgende Buch, das die Eigenschaften dieser Metalle auf sehr objektive Weise darstellt. Tauchen Sie tiefer in das Thema ein und investieren Sie in Ihr Studium! CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. Materialwissenschaft und -technik: eine Einführung. 8. Aufl. Rio de Janeiro: LTC, Verarbeitung und Leistung von Materialien
173U4 Alle diese Metalle und Legierungen werden unterschiedlichen Prozessen unterzogen, um ein bestimmtes Stück zu erhalten. Die am besten geeignete Verarbeitung wird auf der Grundlage der Eigenschaften der Metalle, der Größe und Endform sowie der Kosten definiert. Abbildung 4.6 stellt die wichtigsten Techniken zur Herstellung von Metallteilen dar. Abbildung 4.6 Wichtigste Herstellungstechniken für Metallteile Quelle: adaptiert von Callister und Rethwisch (2013). Ohne Angst vor Fehlern Sie, als einer der Inhaber von EMIS Consulting und Experte auf dem Gebiet der Materialien, haben von Nintai Automóveis, dem Unternehmen, bei dem Sie Ihre Karriere begonnen haben, ein Angebot erhalten, dass EMIS Consulting Sie bei der Auswahl der möglichen Materialien unterstützen soll Wird bei der Herstellung von Zahnrädern und Kurbelwellen verwendet. Welche Materialien sind für diese Herstellung am besten geeignet? Welche Verarbeitungsmethoden gibt es? In diesem Abschnitt haben wir die Haupttypen von Metallen untersucht und festgestellt, dass diese Materialien nach ihrer Zusammensetzung in Eisen- und Nichteisenmetalllegierungen eingeteilt werden können, wobei der Hauptunterschied zwischen ihnen im Fe-Gehalt besteht. Sie haben erfahren, dass bei den sogenannten Eisenlegierungen anhand der Kohlenstoffkonzentration dieser Metalle zwischen Stählen mit niedrigem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt unterschieden wird. Zahnräder und Kurbelwellen sind mechanische Komponenten, die typischerweise aus Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,25 bis 0,6 Gew.-% C) hergestellt werden, eine geringe Härtbarkeit aufweisen und in sehr dünnen Abschnitten und mit hoher Abkühlgeschwindigkeit erfolgreich wärmebehandelt werden können. Dies sind notwendige Eigenschaften bei der Herstellung von Kurbelwellen und Zahnrädern, die eine hohe Härte aufweisen müssen. Verarbeitung und Leistung der Materialien 171
174Oberflächliches U4 und duktilerer und zäherer Kern, damit das Teil den erforderlichen Anstrengungen standhält und nicht bricht. Abbildung 4.7 zeigt ein Zahnrad, das einer Oberflächenvergütungswärmebehandlung unterzogen wurde. Abbildung 4.7 Zahnrad, das einer Oberflächenwärmebehandlung unterzogen wurde. Quelle: vom Autor erstellt. In Abbildung 4.7 ist zu erkennen, dass die Zähne des Zahnrads eine andere Mikrostruktur aufweisen als der Kern des Teils, was durch den Farbunterschied deutlich wird. Diese Formation entspricht einer vollständig martensitischen Struktur, die eine hohe Härte und mechanische Festigkeit, jedoch eine geringe Duktilität aufweist. Zahnräder und Kurbelwellen können beispielsweise durch spanende Bearbeitung und Schmieden (mechanische Umformung) hergestellt werden. Achtung Besuchen Sie den folgenden Link und beobachten Sie die Herstellung einer Kurbelwelle durch den Schmiedeprozess. Verfügbar unter: < watch?v=5yg8afclj4g>. Zugriff am: 18. Juli Fortschritte in der Praxis Verarbeitung und Leistung metallischer Werkstoffe Beschreibung der Problemsituation Der Motorblock ist der Teil, der die Zylinder eines Verbrennungsmotors beherbergt (Abbildung 4.8). Es wird „Block“ genannt, weil es normalerweise ein fester Teil des Autos ist, der die Zylinder und ihre Komponenten in einem kühlen, geschmierten Kurbelgehäuse beherbergt. 172 Verarbeitung und Leistung von Materialien
175U4 Abbildung 4.8 Motorblock Quelle: < Zugriff am: 18. Juli Welche Materialien und Prozesse können verwendet werden, um dieses Teil zu erhalten? Welche Eigenschaften sollten diese Materialien haben? Lösung der Problemsituation Die Automobilindustrie ist immer auf der Suche nach Materialien, die eine gute mechanische Beständigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte aufweisen. Bei der Herstellung von Motorblöcken werden typischerweise Aluminiumlegierungen und Gusseisen verwendet. Allerdings zeichnen sie sich gegenüber Gusseisen dadurch aus, dass sie eine geringere Dichte haben, also leichter sind und bessere Ableitungseigenschaften haben, aber es ist ein Material mit höheren Kosten als Gusseisen. Unter den Herstellungsverfahren stechen die Bearbeitung und das Gießen hervor. Abbildung 4.9 zeigt den Ablauf des Gießereiprozesses zur Herstellung eines Motorblocks. Abbildung 4.9 Ablauf des Gießvorgangs eines Motorblocks Quelle: < Zugriff am: 20. Juli Verarbeitung und Leistung von Werkstoffen 173
176U4 Machen Sie es wichtig 1. Die Auswahl eines Materials ist oft ein Problem, das im Rahmen von Industrieprojekten und spezifischen Anwendungen gelöst werden muss. Die Materialien müssen den Merkmalen des Projekts entsprechen und die erforderlichen Eigenschaften aufweisen. Metallische Materialien und ihre Legierungen werden in den verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik am häufigsten verwendet. Markieren Sie die Alternative, die die Gruppierung der Metalle und ihrer Legierungen korrekt darstellt: a) Eisen- und Nichteisenlegierungen. b) Metalllegierungen und Gusseisen. c) Stahl und Metalllegierungen. d) Edelstahl und Gusseisen. e) Eisenlegierungen und Nichteisenlegierungen. 2. Wählen Sie die Alternative, die die Lücken unten richtig ausfüllt: As sind diejenigen, in denen o der Hauptbestandteil ist, während o das Hauptlegierungselement in diesen Metallen ist. a) Eisenlegierungen, Eisen und Kohlenstoff b) Nichteisenlegierungen, Eisen und Nickel c) Eisenlegierungen, Kohlenstoff und Eisen d) Nichteisenlegierungen, Kohlenstoff und Mangan e) Metalllegierungen, Metall und Kohlenstoff 3. Analysieren Sie die Spalten Spalte A Spalte B A. Niedriger Kohlenstoffgehalt I. Das vorherrschende Element ist Chrom. B. Mittlerer Kohlenstoff-II-Gehalt. Geringe Härtbarkeit, aber effiziente Oberflächenhärtung. C. Hoher Kohlenstoff-III-Gehalt. Verschleißfest und nicht sehr duktil. D. Edelstahl IV. Die Mikrostruktur besteht im Wesentlichen aus Ferrit und Perlit. a) A-I; B-II; C-III; D - IV. b) A-III; B-II; C - IV; D-I. c) A-IV; B-II; C-III; D - I. d) A - II; B-III; C - IV; D - I. e) A II; BI; C-III; D - IV. 174 Verarbeitung und Leistung von Materialien
177U4 Abschnitt 4.2 Verarbeitung und Leistung keramischer Werkstoffe Offener Dialog Liebe Studierende, herzlich willkommen. Ein weiterer Schritt wurde abgeschlossen und EMIS Consulting beginnt, sich vom Markt abzuheben. Das erste Unternehmen, das an die Arbeit von EMIS glaubte, war Nintai Automóveis, das seine Dienste in Anspruch nahm, um bei der Materialauswahl und den wichtigsten Herstellungsprozessen für Zahnräder und Kurbelwellen zu helfen. Sie konnten darauf hinweisen, dass die Zahnräder und Kurbelwellen aus Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (0,25 bis 0,6 Gew.-% C) hergestellt werden und eine geringe Härtbarkeit aufweisen, sich aber erfolgreich einer Oberflächenwärmebehandlung unterziehen lassen. Diese Teile können auch durch spanende Bearbeitung oder Schmieden hergestellt werden. Nachdem EMIS mit Metallen gearbeitet hatte, wurde ihm eine Stelle in einer Ziegelei angeboten, die seit über drei Jahrzehnten im Geschäft ist und sich auf die Herstellung von Ziegeln spezialisiert hat. Die Stadt ist gewachsen und es werden viele Eigentumswohnungen gebaut, aber die Töpferei konnte die Nachfrage nicht befriedigen und hat infolgedessen viele Kunden verloren. Die Ziegel bestehen grundsätzlich aus Ton in Form eines Parallelepipeds und werden auf handwerkliche Weise gebrannt. Gibt es eine Lösung zur Steigerung der Töpferproduktion? Wäre es richtig, mehr Mitarbeiter einzustellen und damit die Produktion zu steigern? Gibt es Techniken, die die Produktion steigern könnten? Abbildung 4.10 zeigt Ziegelsteine der Keramik, die bereits zum Trocknen der Sonne ausgesetzt waren. Abbildung 4.10 Der Sonne ausgesetzte Ziegel Quelle: < Zugriff am: 28. Juli Verarbeitung und Leistung von Materialien 175
178U4 In diesem Abschnitt untersuchen wir die Klassifizierung keramischer Materialien, ihre verschiedenen Anwendungen, Verarbeitung und Leistung. Am Ende dieser Studie werden Sie in der Lage sein, Alternativen und Techniken zu identifizieren, die dem Eigentümer helfen, seine Produktion zu steigern und der Marktnachfrage gerecht zu werden. Nicht fehlen dürfen Keramische Werkstoffe werden aufgrund der Vielfalt der Grundzusammensetzungen und interatomaren Bindungen, die zu unterschiedlichen Eigenschaften des Endmaterials führen, in den unterschiedlichsten technischen Anwendungen eingesetzt. Dieses Material kann nach seiner spezifischen Zusammensetzung oder nach seinen Anwendungen klassifiziert werden. Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung können Keramiken in folgende Kategorien eingeteilt werden: Oxide, Karbide, Nitride, Sulfide, Fluoride usw. Abbildung 4.11 zeigt die Klassifizierung keramischer Materialien nach ihren Anwendungen. Abbildung 4.11 Klassifizierung keramischer Materialien Quelle: vom Autor erarbeitet. Im Allgemeinen können keramische Materialien, die für technische Anwendungen verwendet werden, in zwei Gruppen eingeteilt werden: traditionelle Keramik und technische Keramik. Typischerweise wird traditionelle Keramik aus drei Grundbestandteilen hergestellt: Ton, Kieselsäure und Feldspat, wodurch Produkte wie Ziegel, Fliesen und Porzellanartikel entstehen. Technische Keramiken sind hochreine Verbindungen aus Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ), Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ). 176 Verarbeitung und Leistung von Materialien
179U4 Vorbildlich Im Allgemeinen sind die Materialien, die wir beim Hausbau verwenden, wie Fliesen und Ziegel, Beispiele für traditionelle Keramik. Hochleistungskeramik wird beispielsweise in faseroptischen Kommunikationssystemen eingesetzt. Glas gehört zu den keramischen Materialien, mit denen wir täglich in Kontakt kommen: Wir sehen es unter anderem in Behältern, Fenstern, Spiegeln und Haushaltsutensilien. Gläser sind nichtkristalline Silikate mit Zusatz anderer Oxide, die ihre endgültigen Eigenschaften beeinflussen. Zu den am häufigsten verwendeten Oxiden gehören CaO (Kalziumoxid), Na 2 O (Natriumoxid), K 2 O (Kaliumoxid) und Al 2 O 3 (Aluminiumoxid). Gläser sind eine einzigartige Reihe keramischer Materialien, die sich vor allem durch ihre atomare Struktur auszeichnen, die nicht wie die meisten anderen Keramiken kristallin und geordnet ist, sondern eine stark ungeordnete amorphe Struktur aufweist. Bei den sogenannten Glaskeramiken handelt es sich größtenteils um anorganische Gläser, die einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen unterzogen werden. Abbildung 4.12 zeigt die Strukturen von amorphem Siliziumdioxid (SiO 2 ), einer typischen Glasstruktur, und die Struktur desselben Materials, jedoch als kristalliner Feststoff. Abbildung 4.12 Atomstrukturen von Siliciumdioxid. Quelle: vom Autor erstellt. Der Einsatz von Gläsern ist vor allem bei Anwendungen wichtig, bei denen sie auf Erwärmung reagieren, da es im Gegensatz zu kristallinen Materialien keine Temperatur gibt, bei der die Flüssigkeit in einen Feststoff übergeht. Die spezifische Temperatur, Glasübergangstemperatur (T g ) oder fiktive Temperatur genannt, wird anhand der Viskosität definiert, d. h. das Volumen nimmt mit der Temperaturabnahme kontinuierlich ab, während es bei kristallinen Materialien bei der Temperatur zu einer diskontinuierlichen Volumenabnahme kommt der Fusion. Das in Abbildung 4.13 dargestellte Diagramm zeigt einen Kontrast zwischen dem Verhalten des spezifischen Volumens gegenüber der Temperatur für kristalline und nichtkristalline Materialien. Verarbeitung und Leistung von Materialien 177
180U4 Abbildung 4.13 Verhalten des spezifischen Volumens gegenüber der Temperatur für kristalline und nichtkristalline Materialien Quelle: Angepasst von Callister und Rethwisch (2013). Reflektieren Aber können Sie denn schon antworten, ob Glas eine Flüssigkeit oder ein Feststoff ist? Bei glasartigen Materialien wird das Material ab der Glasübergangstemperatur bis zur Schmelztemperatur (T f ) als unterkühlte Flüssigkeit und nach T f als Flüssigkeit bezeichnet, während bei Temperaturen unterhalb von T g das Material als Glas bezeichnet wird. Mehr suchen Vertiefen Sie Ihre Studien mit der folgenden Arbeit, die in einem ihrer Kapitel sehr wichtige Punkte anspricht, wie das Diagramm der Umwandlung durch Glaskühlung sowie die Zusammensetzungen und Eigenschaften einiger handelsüblicher Gläser. Produkte auf Tonbasis sind weit verbreitete Materialien und aufgrund ihrer einfachen Herstellung in großer Zahl vorhanden. Bei diesen Produkten handelt es sich im Wesentlichen um zwei Arten: Bauprodukte (Ziegel, Fliesen, Abwasserrohre) und Weißwaren (Porzellan, Geschirr, Keramik usw.). Bei Strukturprodukten ist, wie der Name schon sagt, die strukturelle Integrität des Materials das wichtigste Merkmal. Weiße Gerichte hingegen erhalten diesen Namen aufgrund der Eigenschaft dieser Materialien, beim Kochen bei hohen Temperaturen weiß zu werden (Abbildung 4.14). 178 Verarbeitung und Leistung von Materialien
181U4 Abbildung 4.14 Beispiele für Strukturprodukte und Whiteware Quelle: vom Autor erstellt. Feuerfeste Materialien gehören zu einer anderen Klasse keramischer Materialien und werden für ihre Fähigkeit beschrieben, hohen Temperaturen standzuhalten, ohne zu schmelzen oder sich zu zersetzen. Sie bleiben inaktiv, wenn sie rauen Umgebungen ausgesetzt werden, und sind gute Wärmeisolatoren. Diese beschriebenen Eigenschaften hängen von der chemischen Zusammensetzung ab, weshalb diese Materialien in feuerfesten Ton, Quarzton, Basiston und Spezialton eingeteilt werden. Feuerfester Ton von Assimilat: Sie sind von hoher Reinheit und beständig gegen hohe Temperaturen, ihre mechanische Beständigkeit spielt jedoch keine wichtige Rolle. Auf Kieselsäurebasis: Sie weisen eine hohe mechanische Beständigkeit bei hohen Temperaturen auf. Basisch: Sie sind resistent gegen Schlackenangriffe und weisen hohe Konzentrationen an MgO und CaO auf. Besonderheit: Sie werden in bestimmten feuerfesten Anwendungen eingesetzt, darunter Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Magnesit, Zirkoniumdioxid, Mullit, Karbide, Kohlenstoff und Graphit. Schleifkeramiken sind Werkstoffe, die sich durch eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit sowie eine hohe Zähigkeit auszeichnen. Diese Materialien werden zum Schleifen, Schneiden oder Polieren von Materialien mit geringerer Härte verwendet. Diamant, Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Quarzsand und Aluminiumoxid sind einige typische Beispiele für abrasive Keramikmaterialien, die auf verschiedene Arten verwendet werden können, beispielsweise als lose Körner, als beschichtete Schleifmittel und als gebundene Schleifmittel auf Schleifscheiben. Zemente stellen eine weitere Klassifizierung keramischer Materialien dar. Diese bilden beim Anmischen mit Wasser zunächst eine Paste, die anschließend aushärtet und trocknet. Diese Eigenschaft von Zement ist sehr nützlich, da sie das Formen fester Materialien mit unterschiedlichen Geometrien ermöglicht und darüber hinaus als Verarbeitungsphase und Materialleistung verwendet werden kann 179
182U4-Verbindung zwischen Ziegelsteinen im Bau. Zement, Portlandzement, Gips und Kalk sind Materialien, die zu dieser Gruppe keramischer Materialien gehören. Beispielsweise ist Portlandzement der weltweit am häufigsten verwendete Zementtyp und wird beispielsweise als Grundbestandteil von Beton und Mörtel verwendet. Hochleistungskeramik ist neuer und wird für bestimmte Anwendungen hergestellt. Normalerweise werden die optischen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften am meisten genutzt. Typische Anwendungen sind Verbrennungsmotoren, optische Fasern und mikroelektromechanische Systeme. Keramische Materialien können mit unterschiedlichen Techniken bearbeitet werden. Abbildung 4.15 zeigt schematisch die wichtigsten Herstellungsprozesse dieser Materialien. Abbildung 4.15 Keramikherstellungstechniken Quelle: Adaptiert von Callister und Rethwisch (2013). Keramik hat hohe Schmelztemperaturen und zeigt unter Belastung ein sprödes Verhalten. Daher sind herkömmliche Schmelz-, Gieß- und thermomechanische Verarbeitungsmethoden keine geeigneten Fertigungstechniken für die Verarbeitung polykristalliner Keramik. Allerdings weisen anorganische Gläser aufgrund der Bildung von Eutektika niedrigere Schmelztemperaturen auf. Daher werden die meisten Keramikprodukte auf Basis der postkeramischen Bearbeitung hergestellt. Diese Verarbeitung ist der sogenannten 180-Grad-Verarbeitung und -Leistung von Materialien sehr ähnlich
183U4-Pulvermetallurgie, die bei der Herstellung von Metallteilen eingesetzt wird. Allerdings gibt es bei der Keramikumformung einen Aspekt, der wichtiger ist als bei der Metallumformung: die Maßtoleranz. Gläser hingegen werden durch Erhitzen der Rohstoffe über die Schmelztemperatur hergestellt. Bei der Herstellung von Glas kommen unterschiedliche Fertigungstechniken zum Einsatz. Beispielsweise werden dickwandige Glasgegenstände wie Teller und Geschirr durch Pressen hergestellt, wobei das Stück durch Druck in einer mit Graphit beschichteten Gusseisenform geformt wird. CALLISTER; RETHWISCH, 2013), während durch Blasen Objekte wie Krüge, Flaschen und Ampullen hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird ein Glasdübel in einer temporären Form (Vorformling) einem Pressvorgang unterzogen und anschließend in eine Endform eingelegt. Das Teil wird aufgrund des durch die Luftinjektion erzeugten Drucks gezwungen, die Konturformen der Form anzunehmen, wie in Abbildung Abbildung 4.16 Press- und Blastechnik Quelle: Adaptiert von Callister und Rethwisch (2013). Unter den bei der Herstellung von Partikeln verwendeten Techniken stechen die hydroplastische Konformation und das Suspensionsgießen hervor. Die gebräuchlichste hydroplastische Formgebung ist die Extrusion, bei der die Keramikmasse durch die Öffnung einer Matrize mit der gewünschten Geometrie gedrückt wird. Beim Suspensionsgießen, bei dem eine Suspension verwendet wird, die in eine poröse Form gegossen wird, wird das Wasser absorbiert und bildet eine feste Schicht auf der Formwand (Drainage) oder einen vollständig gefüllten Teil (fest). Weiterlesen Es gibt noch andere Keramikherstellungsverfahren, die sehr wichtig sind, wie etwa Ziehen, Faserformen, Bandgießen und Zementieren. Erfahren Sie mehr darüber im folgenden Buch: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. Materialwissenschaft und -technik: eine Einführung. 8. Aufl. Rio de Janeiro: LTC, Verarbeitung und Leistung von Materialien 181
184U4 Abbildung 4.17 zeigt die Phasen des Suspensionsgusses. Abbildung 4.17 Massivsuspensionsgussstufen mit Ablauf Quelle: Adaptiert von Callister und Rethwisch (2012). Eine der beliebtesten Techniken zur Herstellung relativ einfacher Formen von Keramikprodukten in großen Stückzahlen ist eine Kombination aus Verdichten und Sintern, die als Pulverpressen bezeichnet wird. Im Wesentlichen geht es bei diesem Verfahren darum, eine Keramikpulvermischung in alle Richtungen mit gleichem Druck zu beaufschlagen, um deren Dichte zu erhöhen. Anschließend wird das geformte Teil einem Backen unterzogen. In diesem Schritt zieht sich das Teil zusammen und verringert die Porosität. Keine Angst davor, Fehler zu machen. In diesem neuen Job treffen Sie auf den Besitzer einer Töpferei, die ausschließlich Ziegel herstellt, die in einem sehr handwerklichen Verfahren hergestellt werden. Allerdings ist die Stadt gewachsen und es werden viele Eigentumswohnungen gebaut, aber die Töpferei konnte die Nachfrage nicht befriedigen und hat infolgedessen viele Kunden verloren. Die Ziegel bestehen grundsätzlich aus Ton in Form eines Parallelepipeds und werden auf handwerkliche Weise gebrannt. Gibt es eine Lösung zur Steigerung der Töpferproduktion? Wäre es richtig, mehr Mitarbeiter einzustellen und damit die Produktion zu steigern? Gibt es Techniken, die die Produktion steigern könnten? Durch das Studium der in diesem Abschnitt behandelten Themen haben Sie etwas über die verschiedenen Klassifizierungen keramischer Materialien in Gläser, Produkte auf Tonbasis, feuerfeste Materialien, Schleifmittel, Zemente und Hochleistungskeramik erfahren. Haben Sie verstanden, dass die Eigenschaften von Keramik mit ihrer chemischen Zusammensetzung zusammenhängen, die sich direkt auf die Verarbeitung und Leistung von Materialien auswirkt?
185U4 die Materialverarbeitungsart. Die gebräuchlichsten Ziegel werden aus zu Quadern geformtem Ton hergestellt, der anschließend gebrannt und zum Trocknen der Sonne ausgesetzt wird. Da wir jedoch wissen, dass es sich bei Ziegeln um keramische Massen handelt, können wir die hydroplastische Konformation als Extrusion nutzen, bei der die Masse durch die Öffnung einer Matrix gedrückt wird, die wie bei Ziegeln eine gewünschte Geometrie aufweist. Abbildung 4.18 zeigt eine 6-Loch-Ziegelextrusionsmaschine und das Profil des Endteils. Abbildung 4.18 Extruder und extrudiertes Profil (Steine) Quelle: vom Autor erstellt. Der Kauf einer Ziegelpresse wird sicherlich die Produktivität der Töpferei steigern und damit beginnen, den Marktanforderungen gerecht zu werden. Aber wissen Sie, wie schnell Ziegel mit einem Extruder hergestellt werden? Achten Sie darauf, auf den unten vorgeschlagenen Link zuzugreifen. Achtung Besuchen Sie den folgenden Link und schauen Sie sich die Herstellung von Ziegeln durch Extrusion an. Das Video zeigt die aus dem Gerät austretende Keramikmasse bereits mit der gewählten Geometrie durch die Matrize, die sich am Ende des Geräts befindet, mit dem hinteren Schnitt. Betrachten! Verfügbar am: < Zugriff am: 27. Juli Fortschritte in der Praxis Verarbeitung und Leistung von keramischen Materialien Beschreibung der Problemsituation Nachdem Sie jahrelang in der Herstellung kunstvoller Glasstücke tätig waren, trafen Sie einen Winzer in der Region, der aufgrund der Kostengünstig, bietet seine Produkte in Kunststoffverpackungen an. Allerdings sind in einem Wettbewerb um Kleinerzeuger Weinverarbeitung und Materialleistung 183
186U4 erhielt ein wichtiges Güte- und Anerkennungssiegel, die Plastikverpackung wurde jedoch stark kritisiert, da sie einem Wein von so hoher Qualität schadet. Als guter Glaskenner haben Sie den Hersteller davon überzeugt, Glasflaschen herzustellen (Abbildung 4.19), aber was ist das beste Verfahren? Sind alle keramischen Materialien Glas? Denken Sie daran: Keramikmaterialien können nach ihrer spezifischen Zusammensetzung oder nach ihren Anwendungen klassifiziert werden. Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung lassen sich Keramiken in Oxide, Karbide, Nitride, Sulfide und Fluoride einteilen. Abbildung 4.19 Glasflaschen Quelle: vom Autor erstellt. Lösung der Problemsituation Nicht alle keramischen Materialien sind Glas. Gläser werden hauptsächlich durch ihre atomare Struktur definiert und in Gläser und Glaskeramik eingeteilt. Sie haben eine amorphe, stark ungeordnete Struktur, während es sich bei Glaskeramiken größtenteils um anorganische Gläser handelt, die einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen unterzogen werden. Machen Sie es selbst Recherchieren Sie die verschiedenen Zusammensetzungen von Gläsern und ihre Eigenschaften und machen Sie sich Notizen zur Änderung der Glaseigenschaften, wenn wir dem Glas ein Oxid hinzufügen. Beim Blasen handelt es sich um eine Technik zur Herstellung von Glasflaschen und Kunststücken. Im industriellen Maßstab ist es jedoch unmöglich, die Produktion auf handwerkliche Weise durchzuführen. As 184 Verarbeitung und Leistung von Materialien
187Große U4-Unternehmen nutzen das sogenannte Blow-Blow-Verfahren. Dies wird durch das Erhitzen des Rohmaterials in den Öfen eingeleitet, gefolgt von der Herstellung des Glastropfens, der in eine Stahlvorform eingelegt wird. Der erste Druckluftstoß formt den Hals fast vollständig, beim zweiten Schlag erreicht das Glas seine endgültige Form. Dieser Vorgang ist sehr schnell. Der folgende Link stellt die industrielle Produktion von Glasflaschen vor. Es lohnt sich zu wissen, wie viele der Teile, die wir täglich sehen oder verwenden, hergestellt werden! Verfügbar unter: < watch?v=eree5zbqlaa>. Zugriff am: 27. Juli Machen Sie es zählen 1. Keramische Materialien werden aufgrund der Vielfalt der Grundzusammensetzungen und interatomaren Bindungen, die zu unterschiedlichen Eigenschaften des Endmaterials führen, in den unterschiedlichsten technischen Anwendungen eingesetzt. Sehen Sie sich die Alternative an, die Beispiele dieser Materialien enthält, die nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert sind: a) Glas, feuerfeste Materialien und Schleifmittel. b) Zemente, Hochleistungskeramik und Karbide. c) Oxide, Karbide und Fluoride. d) Carbide und Oxide auf Siliciumdioxidbasis. e) Glaskeramik, Nitride und Sulfide. 2. Im Allgemeinen können keramische Materialien, die für technische Anwendungen verwendet werden, in zwei Gruppen eingeteilt werden: traditionelle Keramik und technische Keramik. Markieren Sie die Alternative, die die Lücken unten richtig füllt: Normalerweise besteht traditionelle Keramik aus drei Grundkomponenten: z.B. a) Ton, Kieselsäure und Eisen. b) Kieselsäure, Feldspat und Ton. c) Ziegel, Wasser und Zement. d) Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Feldspat. e) Aluminiumoxid, Ton und Siliziumnitrid. Verarbeitung und Leistung von Materialien 185
188U4 3. Listen Sie die Spalten auf. Spalte A Spalte B A. Gläser I. Bleiben inaktiv, wenn sie rauen Umgebungen ausgesetzt werden. B. Feuerfeste Materialien II. Nichtkristalline Silikate mit Zusatz anderer Oxide. C. Schleifmittel III. Quarzsand ist eines der typischen Beispiele. D. Strukturprodukte IV. Die strukturelle Integrität ist das wichtigste Merkmal. a) A-I; B-II; C-III; D-IV. b) A-III; B-II; C-IV; D-I. c) A-IV; B-II; C-III; D-I. d) A-II; B-III; C-IV; D-I. was geht; BI; C-III; D-IV. 186 Verarbeitung und Leistung von Materialien
189U4 Abschnitt 4.3 Verarbeitung und Leistung von Polymermaterialien Offener Dialog Willkommen zum dritten Abschnitt der letzten Unterrichtseinheit für Materialwissenschaften. Als einer der Inhaber von EMIS Consulting haben Sie es geschafft, zwei großen Unternehmen zu helfen. Zunächst unterstützte EMIS Nintai Automóveis bei der Auswahl der Materialien, die für die Herstellung von Zahnrädern und Kurbelwellen verwendet wurden. Sie konnten die Unterschiede zwischen Stählen mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt erklären und die wichtigsten Herstellungstechniken aufzeigen. In einem zweiten Moment wurde EMIS von einer Ziegelfabrik unter Vertrag genommen, die noch immer handwerkliche Ziegelherstellungsmethoden anwendete und nicht in der Lage war, die Bauunternehmen zu bedienen, die in den Bau von Eigentumswohnungen investierten und dadurch viele Kunden verloren. Dank EMIS wurden jedoch verschiedene Herstellungsmethoden untersucht, die zur hydroplastischen Konformationstechnik führten, mit Schwerpunkt auf der Extrusion, bei der die Keramikmasse durch die Öffnung einer Matrix gedrückt wird, die die gewünschte Geometrie aufweist. Extrusion ist eine Technik, die eine Produktion in großem Maßstab und Materialien von guter Qualität ermöglicht. Deshalb investierte die Töpferei in die Anschaffung eines Extruders, um Ziegel herzustellen und so die Nachfrage zu decken. Die für die Töpferei entwickelten Arbeiten waren so gut, dass ein mit dem Ziegelhersteller befreundeter Investor EMIS beauftragte, ihn bei der Planung einer Wassertankfabrik zu unterstützen. Der Investor weiß nur, wie er diese Teile aus Asbest herstellen kann (Abbildung 4.20). Allerdings ist im Bundesstaat São Paulo die Herstellung von Wassertanks und Asbestfliesen seit 2001 verboten, da es sich bei diesem Produkt um einen krebserregenden Stoff handelt. Aber ist Asbest die einzige Alternative? Welches andere Material könnte verwendet werden? Gibt es in diesem Fall eine Fertigungstechnik, die Qualität und Produktionsgeschwindigkeit vereint? Abbildung 4.20 Wassertanks aus Asbest. Quelle: vom Autor erstellt. Verarbeitung und Leistung von Materialien 187
190U4 In diesem Abschnitt untersuchen wir die Verarbeitung und Leistung von Polymermaterialien und verstehen die Unterschiede zwischen thermoplastischen und duroplastischen Polymeren sowie die Unterschiede in den Techniken, die zur Herstellung der einzelnen Produkte verwendet werden. Am Ende dieses Abschnitts sind Sie besser vorbereitet und in der Lage, die richtigen Polymere und Techniken für die Herstellung von Wassertanks zu identifizieren. Gehen wir an die Arbeit! Darf nicht fehlen Polymermaterialien werden auf verschiedene Arten klassifiziert: nach der Art und Weise, wie die Moleküle synthetisiert werden, nach ihrer molekularen Struktur oder nach ihrer chemischen Familie. Beispielsweise bestehen lineare Polymere aus langen Molekülketten, während verzweigte Polymere aus kleinen Zweigen bestehen, die an die Hauptkette gebunden sind. Linear bedeutet jedoch nicht gerade Linien. Diese Unterschiede sind in Abbildung Abbildung 4.21 Polymerstrukturen zu sehen. Quelle: vom Autor erstellt. Polymere lassen sich am besten nach ihrem mechanischen und thermischen Verhalten klassifizieren. Industriell werden Polymere in zwei Hauptklassen eingeteilt: Kunststoffe und Elastomere. Kunststoffe sind formbare organische Harze, sie können natürlich vorkommen oder synthetisch sein und die gebräuchlichste Methode zu ihrer Herstellung ist das Formen. Kunststoffe sind aus vielen Gründen wichtige technische Werkstoffe: Sie verfügen über vielfältige Eigenschaften und sind in den meisten Fällen relativ kostengünstig. Zu den Eigenschaften von Kunststoffen zählen: geringe Dichte, geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit, gute Zähigkeit, gute Beständigkeit gegen Säuren, Basen und Feuchtigkeit, hohe Durchschlagsfestigkeit (Einsatz in der Elektroisolierung) usw. Wie bereits erwähnt, lassen sich Kunststoffe auch nach ihrem mechanischen und thermischen Verhalten in Thermoplaste (thermoplastische Polymere) und Duroplaste (duroplastische Polymere) einteilen. 188 Verarbeitung und Leistung von Materialien
191U4 Assimile Bakelit beispielsweise ist ein duroplastisches Polymer, das unter anderem bei der Herstellung von Autoteilen und Topfgriffen verwendet wird. Denken Sie daran, dass Duroplast, Duroplast und Duroplast Synonyme sind. Thermoplaste erweichen beim Erhitzen und härten beim Abkühlen aus. Diese Prozesse sind vollständig reversibel und können wiederholt, also recycelt, werden. Diese Materialien werden normalerweise durch die gleichzeitige Anwendung von Hitze und Druck hergestellt. Thermoplaste sind lineare Polymere ohne jegliche Vernetzung in der Struktur, bei denen lange Molekülketten durch Sekundärbindungen miteinander verbunden sind und die Eigenschaft haben, mit steigender Temperatur die Plastizität zu erhöhen, wodurch die Sekundärbindungen zwischen Molekülketten aufbrechen. Die gebräuchlichsten Thermoplaste sind: Acryl, Polyvinylchlorid (PVC), Nylon, Polypropylen, Polystyrol, Polymethylmethacrylat (PMMA). Duroplaste erfordern Hitze und Druck, um sie zu formen. Sie werden in dauerhafter Form hergestellt und durch chemische Reaktionen wie Vernetzung ausgehärtet oder aktiviert. Die Duroplaste können nicht umgeschmolzen oder auf andere Weise umgeformt werden, d. h. sie können nicht recycelt werden. Sobald sie geformt wurden und erneut hohen Temperaturen ausgesetzt werden, zersetzen sich diese Polymere. Das duroplastische Polymer bedeutet, dass Wärme benötigt wird, um die Form des Kunststoffs dauerhaft zu fixieren. Die meisten Duroplaste bestehen aus langen Ketten, die stark miteinander vernetzt (und/oder kovalent gebunden) sind, um dreidimensionale Netzwerkstrukturen, einen starren Feststoff, zu bilden (Abbildung 4.22). Abbildung 4.22 Typische vernetzte Polymerstruktur eines Duroplasten. Quelle: vom Autor erstellt. Im Vergleich zu Thermoplasten sind Duroplaste größtenteils härter (höhere mechanische Beständigkeit) und spröder. Weitere Vorteile dieser Polymere sind: hohe thermische und Dimensionsstabilität, geringe Dichte, gute elektrische und thermische Isolationseigenschaften, Kriech- und Verformungsbeständigkeit unter Last. Vorleben Es ist schon komisch, dass wir oft nicht davon ausgehen, dass die Eigenschaften von Materialien immer für unseren Komfort genutzt werden. Sie einige Verarbeitung und Leistung von Materialien 189
192Hat sich U4 jemals in einer Pfanne verbrannt, die man am Bakelitgriff hielt? Mit Sicherheit nicht, denn eine der Eigenschaften von Bakelit besteht darin, dass es kein thermischer oder elektrischer Leiter ist. Abbildung 4.23 zeigt Bakelitpulver (vor dem Formen) und Teile dieses Duroplasts. Abbildung 4.23 Farbige Bakelite und Formteile Quelle: vom Autor erstellt. Es gibt zwei Methoden, mit denen Vernetzungsreaktionen initiiert werden können: Die Vernetzung, auch Crosslinking genannt, kann durch Erhitzen des Harzes in einer geeigneten Form (z. B. Bakelit) erreicht werden. Bei der zweiten Methode werden Harze wie Epoxidharz bei niedriger Temperatur durch Zugabe eines Vernetzungsmittels, beispielsweise eines Amins, ausgehärtet. Beispiele für Duroplaste sind Epoxide, vulkanisierte Kautschuke, Phenole, ungesättigte Polyesterharze und Aminoharze (Harnstoffe und Melamine). Eine weitere Art von Polymeren sind Elastomere, im Volksmund auch Kautschuke genannt. Dabei handelt es sich um Polymere, die bei Raumtemperatur großen Dehnungen unter Belastung standhalten und bei Entlastung wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Bei der Polymerverarbeitung geht es um die Aufbereitung und Synthese von Rohstoffen zu kleineren Substanzen durch Polymerisation. Rohstoffe für die Polymerisation werden im Allgemeinen aus Kohle und Erdölprodukten gewonnen. Durch den Einsatz von Additiven können die Eigenschaften von Polymeren verbessert oder verändert werden. Denken Sie darüber nach. Scheint die Verwendung von Additiven zur Verbesserung oder Modifizierung der Eigenschaften von Polymeren nicht eine Situation zu sein, die wir bereits kennen, beispielsweise die Zugabe von Legierungselementen zu Metallen? Die Polymerisation dieser Makromoleküle kann durch Addition und Kondensation erfolgen. Bei der Polymerisation werden die Monomereinheiten einzeln verknüpft und verketten sich zu einem linearen Makromolekül. Diese Art der Polymerisation umfasst drei verschiedene Phasen: Initiierung, Ausbreitung und Beendigung. Andererseits umfasst die Kondensationspolymerisation, auch Polykondensation genannt, in der Regel mehr als eine Art von Monomer und es gibt normalerweise ein Nebenprodukt, das eliminiert wird, d. h. Kondensat. Ein häufiges Beispiel für ein Nebenprodukt ist die Kondensation. 190 Verarbeitung und Leistung von Materialien
193U4 vom Wasser aus. Proteine sind beispielsweise Kondensationspolymere aus Aminosäuremonomeren, während Kohlenhydrate ein Beispiel für Kondensationspolymere aus Zuckermonomeren wie Glucose sind. Abbildung 4.24 zeigt die Bildung des Proteins aus der Kondensationsreaktion zwischen Aminosäuren. Abbildung 4.24 Kondensationspolymerisationsreaktion Quelle: vom Autor erarbeitet. Die Zeit von Kondensationspolymerisationsreaktionen ist im Vergleich zu Additionspolymerisationsreaktionen länger. Phenolformaldehyde, Nylons und Polycarbonate sind Beispiele für durch Kondensation hergestellte Polymere. Polymerisationsreaktionen treten auch bei der Sol-Gel-Technik bei der Verarbeitung keramischer Materialien auf. Mehr suchen Möchten Sie mehr über den Sol-Gel-Prozess erfahren? Die folgende Masterarbeit geht näher auf die Verarbeitungstechnik ein: SIMÊNCIO, Éder Cícero Adão. Herstellung und Charakterisierung von Nb 2 O 5 Sol-Gel-Dünnfilmen: Zr f. Dissertation (Master in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik) – Universität São Paulo, São Carlos, verfügbar unter: < /pt-br.php>. Zugriff am: 31. August Die meisten Polymereigenschaften sind intrinsische Eigenschaften, das heißt, eines bestimmten Polymers. Stoffe, sogenannte Additive, werden eingesetzt, um die Eigenschaften von Polymeren zu verbessern oder zu modifizieren. Zu diesen Additiven zählen Füllstoffe, Weichmacher, Stabilisatoren, Farbstoffe und Flammschutzmittel (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Füllstoffe werden zur Verbesserung der Zug- und Druckfestigkeit, des Abriebs, der Zähigkeit sowie der Dimensions- und Wärmestabilität eingesetzt (ebd.). Beispiele für diese Zusatzstoffe sind unter anderem Holzstaub, Sand, Ton und Talk. Weichmachende Additive hingegen werden verwendet, wenn das Ziel darin besteht, die Flexibilität, Duktilität und Zähigkeit von Polymeren zu verbessern und die Glasübergangstemperatur zu senken. Verarbeitung und Leistung von Materialien 191
194Polymer U4. Weichmachende Additive sind in der Regel Flüssigkeiten mit niedrigem Molekulargewicht und werden in Polymeren verwendet, die bei Raumtemperatur spröde sind, was die Zähigkeit, Duktilität und Flexibilität verbessert und folglich die Härte und Steifigkeit verringert. Stabilisatoren sind eine weitere Art von Polymeradditiven, die Zersetzungsprozessen wie Oxidation und Strahlung entgegenwirken. Farbstoffe sind dafür verantwortlich, einem Polymer eine bestimmte Farbe zu verleihen. Diese Farbstoffe werden in Form von Pigmenten zugesetzt, die als eigenständige Phase verbleiben, oder in Form von Farbstoffen (Farbtönen), die sich im Polymer lösen. Abbildung 4.25 zeigt mehrere Produkte aus Polymeren unter Zusatz von Farbstoffen. Abbildung 4.25 Teile von Polymermaterialien mit Zusatz von Farbstoffen Quelle: vom Autor erstellt. Schließlich werden flammhemmende Additive verwendet, um die Feuerbeständigkeit brennbarer Polymere zu erhöhen, da die meisten Polymermaterialien in reiner Form brennbar sind. Diese Zusätze stören den Verbrennungsprozess durch die Gasphase oder indem sie eine Verbrennungsreaktion auslösen, die weniger Wärme erzeugt (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Polymermaterialien können mit verschiedenen Techniken verarbeitet werden, die auf der Grundlage einiger Faktoren wie der Art des Materials (thermoplastisch oder duroplastisch), der Schmelztemperatur (bei Thermoplasten) und der Zersetzung (bei Duroplasten) bestimmt werden. Die Stabilität des Polymers beim Formen wird durch verschiedene Techniken hergestellt. Die Wahl der richtigen Verarbeitung hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie zum Beispiel: Ist das Material thermoplastisch oder duroplastisch, Schmelz-/Zersetzungstemperatur, atmosphärische Stabilität beim Formen und den Abmessungen , Form und Komplexität des fertigen Produkts. Polymere werden häufig bei erhöhten Temperaturen und Drücken geformt, während Thermoplaste im amorphen Zustand oberhalb der Glasübergangstemperatur oder im halbkristallinen Zustand oberhalb der Schmelztemperatur geformt werden. Die Formung der Duroplaste erfolgt in zwei Schritten: Zunächst wird ein flüssiges Polymer mit niedriger Molekularmasse hergestellt, das anschließend ausgehärtet wird, dies kann durch Erhitzen oder durch Zugabe von Katalysatoren erfolgen, anschließend wird der Duroplast durch Druckeinwirkung verformt. Unter den verschiedenen Herstellungsverfahren für Polymermaterialien sticht das Formen hervor und unter den Formtechniken das Komprimieren, Transferieren, Blasen, Einspritzen und Extrudieren. Das Formpressen erfordert eine angemessene Menge an Verarbeitung und Leistung von Materialien
195U4 mit einem kleinen Überschuss an Polymer und Zusatzstoffen, die zwischen den erhitzten Patrizen- und Matrizenteilen der Form platziert werden. Die Form wird geschlossen und es werden Hitze und Druck ausgeübt, wodurch das Polymer zähflüssig wird und somit die Form füllt. Das Endprodukt wird mit einem möglichst kleinen Materialgrat erhalten. Abbildung 4.26 zeigt ein Schema eines Kompressionsgeräts. Abbildung 4.26 Formpressen Quelle: Adaptiert von < Zugriff am: 1. August Transferformen, eine andere Technik zur Herstellung von Polymermaterialien, unterscheidet sich vom Formpressen in der Art und Weise, wie die Materialien in den Formhohlraum eingeführt werden, da das Polymer zunächst in einem geschmolzen wird beheizte Transferkammer und außerhalb der Hohlräume der Form, in die es eingebracht wird. Beim Schließen der Form drückt ein Kolben das Material in die Formhohlräume, wo das Material aushärtet und geformt wird. Eine weitere Herstellungsmethode ist das Spritzgießen, das bei der Herstellung von Thermoplasten weit verbreitet ist und bei dem durch die Bewegung eines Kolbens oder Kolbens die richtige Menge pelletiertes Material aus einem Fülltrichter einem Zylinder zugeführt wird (CALLISTER, RETHWISCH, 2013), wie in gezeigt Abbildung Abbildung 4.27 Schema einer Spritzgießanlage Quelle: < Zugriff am: 1. Aug. Verarbeitung und Leistung von Materialien 193
196U4 Mehr suchen Es gibt noch andere Verfahren zur Polymerherstellung, wie zum Beispiel: Blasformen, Extrusion, Thermoformen, Kalandrieren, Rotationsformen und Gießen. Keine Angst vor Fehlern Zu diesem Zeitpunkt wurde EMIS von einem Investor beauftragt, der beabsichtigt, eine Fabrik zur Herstellung von Wassertanks zu eröffnen. Allerdings weiß dieser Investor nur, wie man diese Teile aus Asbest herstellt. Aber ist dieser Stoff die einzige Alternative? Welches andere Material könnte verwendet werden? Gibt es in diesem Fall eine Fertigungstechnik, die Qualität und Produktionsgeschwindigkeit vereint? In den Studien in diesem Abschnitt haben Sie etwas mehr über die Unterschiede zwischen thermoplastischen und duroplastischen Polymeren erfahren. Wir haben gesehen, dass die Wahl des Herstellungsverfahrens von den Eigenschaften und Eigenschaften der Polymermaterialien abhängt. Die Formpresstechnik kann sowohl bei der Herstellung von Thermoplasten als auch von Duroplasten eingesetzt werden. Das Spritzpressen eignet sich am besten für Duroplaste und komplexe Teile. Bei der Herstellung von Thermoplasten kommt das Spritzgießen am häufigsten zum Einsatz, jedoch können auch Duroplaste auf diese Weise verarbeitet werden. Die Aushärtung erfolgt, während das Material in einer beheizten Form unter Druck steht, was zu längeren Zykluszeiten führt. Bei der Herstellung von Wassertanks wird Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verwendet, ein thermoplastisches Material. Die am besten geeignete Herstellungstechnik ist das Rotationsformen. Bei dieser Technik wird eine erhitzte Hohlform mit genau der richtigen Menge Polymermaterial gefüllt und dann langsam gedreht (normalerweise um zwei senkrechte Achsen), wobei das erweichte Material verteilt wird und an den Wänden der Form haftet. Um durchgehend die gleiche Dicke beizubehalten, dreht sich die Form während der Aufheiz- und Abkühlphase ständig weiter, um ein Verziehen des Endprodukts zu verhindern. Abbildung 4.28 zeigt ein schematisches und ein reales Bild dieses Prozesses. Abbildung 4.28 Rotationsformen: Herstellung von Wassertanks Quelle: vom Autor erstellt. 194 Verarbeitung und Leistung von Materialien
197U4 Achtung Erfahren Sie mehr über die Herstellung von Wassertanks, indem Sie sich das Video ansehen, das verfügbar ist unter: < Zugriff am: 1. August Fortschritte in der Praxis Verarbeitung und Leistung von Polymermaterialien Beschreibung der Problemsituation Nach der Implementierung der Wassertankfabrik bemerkte der Investor, dass das Unternehmen dies getan hatte Kapital, um auch in andere Materialien zu investieren, und war an der Herstellung anderer Produkte interessiert. Als er in seinem Haus ankam, hatte er eine Einsicht: Warum nicht in eine Produktlinie mit wenig Wettbewerb auf dem Markt und exklusiven Teilen investieren, beispielsweise in die Herstellung von Hydromassage-Badewannen (Abbildung 4.29)? Aber wäre es möglich, sie mit derselben Ausrüstung herzustellen, die auch für HDPE-Wassertanks verwendet wird? Wenn nicht, welches Verfahren und welcher Polymertyp wären für diese Herstellung geeignet? Denken Sie daran: Die Wahl der Herstellungstechnik muss auf der Art des verwendeten Materials basieren, z. B. Thermoplast, Duroplast oder Elastomer. Abbildung 4.29 Whirlpool-Bäder Quelle: vom Autor erstellt. Lösung der Problemsituation Trotz der Aufregung der zur Herstellung von Wassertanks verwendeten Struktur ist diese für die Herstellung von Hydromassage-Badewannen nicht indiziert. In diesem Fall ist das Vakuum-Thermoformen angezeigt, eine Technik, bei der eine zuvor extrudierte flache Platte aus thermoplastischem Material erhitzt wird (Abbildung 4.30a) und auf der Oberfläche einer Form (Abbildung 4.30b) (männlich oder weiblich) und schließlich Luft erweicht wird angesaugt, wodurch die erweichte Materialschicht die Form der Form annimmt, wie in Abbildung Verarbeitung und Leistung von Materialien 195 gezeigt
198U4 Abbildung 4.30 Vakuum-Thermoformen Quelle: vom Autor erstellt. Machen Sie es selbst. Unter dem folgenden Link wird die Herstellung von Badewannen im Vakuum-Thermoformverfahren vorgestellt. Verfügbar unter: < youtube.com/watch?v=of2rz3azpxg>. Zugriff am: 1. August Machen Sie es zählen 1. Polymere Materialien werden auf verschiedene Arten klassifiziert: nach der Art und Weise, wie Moleküle synthetisiert werden, nach ihrer molekularen Struktur oder nach ihrer chemischen Familie. Beachten Sie die folgende Abbildung sorgfältig: Markieren Sie die Alternative, die die korrekte Bezeichnung der Polymerkette aufweist: a) Verzweigte Polymerstruktur. b) Lineare Polymerstruktur. c) Bilineare Polymerstruktur. d) Vernetzte Polymerstruktur. e) Verzweigte Polymerstruktur. 196 Verarbeitung und Leistung von Materialien
199U4 2. Die beste Art, Polymere zu klassifizieren, ist nach ihrem Verhalten, z. B. Polymere werden in zwei Hauptklassen eingeteilt: Kunststoffe, z. Markieren Sie die Alternative, die die Lücken richtig füllt: a) chemisch, mechanisch, thermisch und Gummi. b) physikalisch, mechanisch, chemisch und thermoplastisch. c) mechanische, thermische, industrielle und Elastomere. d) spröde, hart, mechanisch und duroplastisch. e) geometrisch, räumlich, physikalisch und Bakelit. 3. Thermoplaste und Duroplaste sind Beispiele für die Klassifizierung von Kunststoffmaterialien. Analysieren Sie die folgenden Aussagen als wahr (T) oder falsch (F). I. Thermoplastische Materialien sind lineare Polymere ohne jegliche Vernetzung in der Struktur. II. Die meisten Duroplaste bestehen aus langen, stark verzweigten Ketten. III. Vulkanisierte Kautschuke, Phenole, ungesättigte Polyesterharze und Aminoharze sind Beispiele für Duroplaste. Kreuzen Sie die Alternative an, die die richtige Reihenfolge darstellt. ein V; V; F. b) V; F; Du f; V; F. d) F; F; V. e) V; V; V. Verarbeitung und Leistung von Werkstoffen 197
200U4 198 Verarbeitung und Leistung von Materialien
201U4 Abschnitt 4.4 Verarbeitung und Leistung von Verbundwerkstoffen Offener Dialog Student, willkommen zu unserem letzten Abschnitt und zum letzten Inhalt, den wir im Fach Materialwissenschaft behandeln werden. In dieser Einheit haben wir uns bereits mit der Verarbeitung und Leistung metallischer, keramischer und polymerer Produkte befasst. Wir haben gelernt, dass Metalle und ihre Legierungen oft in zwei Klassen eingeteilt werden: Eisen- und Nichteisenmetalle. Diese Klassifizierung basiert hauptsächlich auf der chemischen Zusammensetzung dieser Materialien. Die am besten geeignete Verarbeitung wird auf der Grundlage der Eigenschaften, Abmessungen und Endform des Endprodukts sowie der Produktionskosten definiert. In einem zweiten Schritt untersuchten wir die Klassifizierung keramischer Materialien und stellten fest, dass sie in zwei Gruppen unterteilt werden können: traditionelle Keramik und technische Keramik. Traditionelle Keramik besteht aus drei Grundkomponenten: Ton, Kieselsäure und Feldspat, während technische Keramik aus hochreinen Verbindungen von Oxiden, Karbiden und Nitriden hergestellt wird. Keramische Materialien können durch verschiedene Techniken verarbeitet werden, wie zum Beispiel Pressen, Blasen, Strecken, Faserformen, Pulverpressen, hydroplastisches Formen und andere. Anschließend haben wir Polymere untersucht, die häufig bei hohen Temperaturen und unter Druck gebildet werden. Wir haben festgestellt, dass Thermoplaste oberhalb der Glasübergangstemperatur (wenn sie amorph sind) oder oberhalb der Schmelztemperatur (wenn sie halbkristallin sind) gebildet werden. Die Duroplaste hingegen werden in zwei Stufen gebildet: Zunächst wird ein flüssiges Polymer mit niedriger Molekularmasse hergestellt, das anschließend ausgehärtet wird. In diesem letzten Abschnitt schließen wir unser Studium der Materialwissenschaft ab und kennen die verschiedenen Verarbeitungstechniken von Verbundwerkstoffen, die auf der Grundlage der Kombination der Eigenschaften verschiedener Materialien hergestellt werden. Kommen wir zu unserer letzten Herausforderung: Ein Unternehmen, das sich mit der Laminierung von Stahlblechen beschäftigt, eröffnete eine Niederlassung zur Herstellung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe für die Luftfahrtindustrie. Doch welche Herstellungsverfahren gibt es für Verbundwerkstoffe? Gibt es eine ähnliche Methode wie das Laminieren von Metallen? Verarbeitung und Leistung von Materialien 199
202U4 EMIS wurde beauftragt, mögliche Herstellungsprozesse zu analysieren, Vorschläge zu machen und deren spezifische Aspekte zu identifizieren. In dieser Einheit lernen wir einige Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe und ihre Besonderheiten kennen. Am Ende dieser Studie sind Sie in der Lage, das richtige Material und die beste Verarbeitung für eine bestimmte Anwendung auszuwählen. Damit schließen wir unsere Einführungsstudien zur Materialwissenschaft ab. Nicht fehlen dürfen Verbundwerkstoffe sind typisch für den Verbrauch fortschrittlicher Technologien in der Industrie, beispielsweise in der Luftfahrt, Automobilen, Booten, Sportteilen und medizinischen Geräten. Wie wir zuvor gesehen haben, besteht die Funktion der Matrix in diesen Materialien darin, das Verbundteil zu formen, die Verstärkungen vor der Umgebung zu schützen und die Übertragung von Lasten auf die Verstärkung sowie die Zähigkeit des Materials zusammen mit der Verstärkung zu ermöglichen. Verstärkungen werden unter anderem zur Erzielung von Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Diese Materialien haben im Vergleich zu Metallen einige Vorteile, wie zum Beispiel: geringeres Gewicht, Formbarkeit in komplexe Formen, geringe Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung und gute Ermüdungsbeständigkeit. Allerdings haben diese Materialien auch Nachteile, wie z. B. Materialkosten, lange Vorbereitungszeit, unsichtbare oder nicht wahrnehmbare Schäden. Auf diese Weise können wir die verschiedenen Arten von Fasern verwenden, wie in Abbildung Abbildung 4.31 Arten von Fasern, die bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet werden. Quelle: vom Autor ausgearbeitet. Die fortschrittlichsten Strukturverbundstoffe verwenden Glasfaser, Kohlenstoff/Graphit, Bor, Kevlar und andere organische Materialien, was zu leichten Materialien führt, die gleichzeitig eine hohe Festigkeit und Härte aufweisen. 200 Verarbeitung und Leistung von Materialien
203U4 Assimile Kevlar ist eine eingetragene Marke von DuPont, das sehr widerstandsfähige und leichte Kunstfasern herstellt. Neben den verschiedenen Fasertypen können bei der Herstellung eines Verbundwerkstoffs mehrere Materialien, wie Polymere, Metalle und Nichtmetalle, als Matrizen verwendet werden. Abbildung 4.32 zeigt schematisch einige Beispiele für Materialien, die als Verbundmatrix verwendet werden. Abbildung 4.32 Beispiele für Matrizen, die bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet werden. Quelle: vom Autor erstellt. Verbundwerkstoffe können je nach Materialkonstruktion in zwei Kategorien eingeteilt werden: Laminate, deren Schichten in bestimmten Faserlagenrichtungen miteinander verbunden sind (Abbildung 4.33), und Sandwichpaneele, bei denen es sich um mehrschichtige Strukturmaterialien mit einem Kern geringer Dichte handelt zwischen dünnen Schichten von Verbundwerkstoffen, wie in Abbildung Abbildung 4.33 Laminierte Verbundwerkstoffe dargestellt. Quelle: vom Autor erstellt. Verarbeitung und Leistung von Materialien 201
204U4 Abbildung 4.34 Sandwichpaneele Quelle: vom Autor erstellt. Zu den gebräuchlichsten Methoden zur Herstellung von Verbundwerkstoffen gehören: Handauflegen und automatisiertes Auflegen, Aufsprühen, Filamentwickeln, Harzspritzpressen und Pultrusion. Beim manuellen Laminieren oder Handauflegen muss das Verstärkungsmaterial auf die entsprechende Größe zugeschnitten und die Fasern als Gewebe oder Decken angeordnet werden. Die geschnittenen Stücke werden mit dem Matrixmaterial benetzt und imprägniert und auf die Oberfläche einer offenen Form gelegt, die mit einem Gelcoat bedeckt ist. Die Aufnahme des imprägnierten Gummituchs erfolgt mit Hilfe einer Walze, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Matrix und die Entfernung eingeschlossener Luft gewährleistet wird. Nach diesem Schritt lässt man das Komposit ruhen, bis die Matrix vollständig getrocknet ist. Die Wartezeit zum Trocknen hängt von der Dicke des hergestellten Verbundwerkstoffs ab. Je größer die Anzahl der Schichten, desto länger die Trocknungszeit. Die Abbildungen 4.35 und 4.36 zeigen einige dieser manuellen Laminierungsschritte für eine Probe unter Verwendung einer Kohlefaserdecke. Abbildung 4.35 Manuelle Laminierung (Verteilung des Polymerharzes und Entfernung eingeschlossener Luft) Quelle: vom Autor erstellt. 202 Verarbeitung und Leistung von Materialien
205U4 Abbildung 4.36 Manuelle Laminierung (Trocknung und endgültiger Verbund) Quelle: vom Autor erarbeitet. Mehr suchen Der folgende Artikel stellt eine Arbeit vor, die sich mit den wichtigsten Auswirkungen des Prozesses des Formens und Veredelns von glasfaserverstärktem Kunststoff (PRFV) auf die Umweltauswirkungen und gleichzeitig auf die Gesundheit des Arbeiters befasst. ORTH, C.M.; BALDIN, N.; ZANOTELLI, C. T. Auswirkungen des Herstellungsprozesses von glasfaserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen auf die Umwelt und die Gesundheit der Arbeitnehmer: der Fall der Automobilindustrie. Online Production Magazine, Florianópolis, v. 12, nein. 2, S., Apr./Jun. Verfügbar unter: < rpo/article/download/943/918>. Zugriff am: 1. Aug. Die Produktivität der manuellen Laminierung kann mithilfe von CNC-Maschinen (Computer Numerical Control) automatisiert werden. Diese Maschinen werden sowohl für die Vorimprägnierung der Fasern als auch der Matten verwendet und werden normalerweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Bei der Sprühtechnik wird das Harz auf die Oberfläche gesprüht und mit einer speziell entwickelten Pistole aus der Form grundiert. Mehr suchen Das unter
206U4 Abbildung 4.37 Filamentwicklung Quelle: angepasst von < Zugriff am: 2. August Die Filamentwicklung erfolgt normalerweise mithilfe einer Ring- oder Spiralwicklung. Bei jeder Drehung des Dorns bewegt sich das Material vorwärts, unterstützt durch einen Schlitten, der von einem Ende des Dorns zum anderen läuft. Die Filamentwickeldorne können metallisch oder nichtmetallisch sein und sind so hergestellt, dass sie das Entfernen des hergestellten Stücks erleichtern, wenn die Verteilung der mit Harz imprägnierten Faser abgeschlossen ist. Reflect Die Drehzahl der Spindel kann je nach zu produzierendem Material gesteuert werden. Ist sie jedoch für den Betrieb bei niedrigen Drehzahlen geeignet? Um Ihnen bei diesem Problem weiterzuhelfen, schauen Sie sich unbedingt das Video an: < Zugriff am: 2. August Pultrusion ist ein kontinuierlicher Laminierungsprozess, der hauptsächlich zur Herstellung langer linearer Profile mit konstantem Querschnitt verwendet wird. Diese Herstellungstechnik ist der Extrusion sehr ähnlich, mit der Ausnahme, dass das Verbundmaterial gezogen und nicht wie bei der Extrusion durch eine Düse gedrückt werden muss. Bei der Pultrusion werden die Endlosfasern mit der Matrix imprägniert, dann in einer vorgeheizten Form oder einem Satz Matrizen geformt und ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird das Material geschnitten. Typische Anwendungen dieser Technik sind unter anderem die Herstellung von Rohren, Röhren, Treppen und Stufen. Abbildung 4.38 zeigt schematisch die Pultrusion. 204 Verarbeitung und Leistung von Materialien
207U4 Abbildung 4.38 Pultrusionsprozess 1 – Endlosfasern/gewebte Fasermatte; 2- Traktionsrolle; 3- Harzbad; 4- Mit Harz getränkte Fasern; 5- Matrix und Wärmequelle; 6- Laminierwalzen; 7- Faserverstärktes Polymer. Quelle: angepasst von < Zugriff am: 2. Aug. Resin Transfer Moulding oder RTM (Resin Transfer Moulding) wird bei der Herstellung komplexer Gegenstände mit großen Abmessungen wie Badewannen, Schränken, Flugzeugteilen und Automobilkomponenten verwendet. Abbildung 4.39 zeigt eine Darstellung der RTM-Momente, bevor die Faser die Harzinjektion erhält. Abbildung 4.39 Resin Transfer Moulding Quelle: Angepasst von < Zugriff: 2. August Bei diesem Herstellungsprozess wird ein Satz Formhälften mit Verstärkungsmaterial beladen und dann zusammengeschnappt. Anschließend wird das Harz unter Druck in den geschlossenen Formhohlraum mit der Fasermatte eingespritzt. Die mit Harz gefüllte Form wird ausgehärtet und nach diesem Schritt werden die Formhälften getrennt und das Teil zum Schneiden oder Endbearbeiten entnommen. Verarbeitung und Leistung von Materialien 205
208U4 Keine Angst davor, Fehler zu machen Wir kommen zu unserem letzten Abschnitt der Materialwissenschaft. Die letzte vorgeschlagene Herausforderung bestand darin, einem Unternehmen zu helfen, das sich mit dem Walzen von Stahlblechen beschäftigt und beabsichtigt, mit der Herstellung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe für die Luftfahrtindustrie zu beginnen. Doch welche Herstellungsverfahren gibt es für Verbundwerkstoffe? Gibt es eine ähnliche Methode wie das Laminieren von Metallen? EMIS wurde beauftragt, mögliche Herstellungsprozesse zu analysieren, Vorschläge zu machen und deren spezifische Aspekte zu identifizieren. In den Studien dieser Einheit kennen wir verschiedene Prozesse, wie manuelles Laminieren oder Handlaminieren, automatisiertes Laminieren oder automatisiertes Laminieren, Aufsprühen, Filamentwickeln, Harztransferformen und Pultrusion. Wir haben das gesehen: Bei der Handauflegetechnik wird das Verstärkungsmaterial auf die entsprechende Größe zugeschnitten, anschließend von der Matrix benetzt und schließlich auf die Oberfläche einer offenen Form gelegt, die bis dahin mit einem Gelcoat abgedeckt wird Harztrocknung. Bei der als Filament Winding bezeichneten Technik werden mit Harz imprägnierte Endlosfasern um einen Dorn gewickelt. Pultrusion ist ein kontinuierlicher Walzprozess, der der Extrusion sehr ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass das Verbundmaterial gezogen und nicht wie bei der Extrusion durch eine Düse gedrückt werden muss. Schließlich besteht das RTM aus einem Satz Formhälften, die mit dem Verstärkungsmaterial gefüllt und zusammengeschlossen werden. Anschließend wird das Harz eingespritzt und die Form ausgehärtet. Abbildung 4.40 zeigt schematisch den RTM-Prozess. Abbildung 4.40 Resin Transfer Molding (RTM) 1- Obere Form; 2- Untere Form; 3- Schließriegel; 4- Mischkopf; 5- Vorgeformte Fasern; 6- Formheizung; 7- Harz; 8- Katalysator. Quelle: angepasst von < Zugriff am: 2. Aug. Verarbeitung und Leistung von Materialien
209U4 Achtung Die Herstellungstechniken für Verbundwerkstoffe hängen von der Art des Materials und den Eigenschaften ab, die hergestellt werden sollen. Fortschritte in der Praxis Verarbeitung und Leistung von Verbundwerkstoffen Beschreibung der Problemsituation EMIS wurde vor einiger Zeit von einem Investor beauftragt, der daran interessiert war, die Produktion von asbesthaltigen Wassertanks einzustellen, um solche aus Polymerprodukten herzustellen. Die Lösung für diesen Fall war die Rotationsformtechnik, und bald stellt unser Freund klar, dass eine der Techniken bei der Herstellung von Badewannen das Thermoformen ist. Wird dies jedoch die einzige Technik sein? Welche andere Technik kann Badewannen ermöglichen? Denken Sie daran: Bei der Herstellung von Badewannen durch Vakuum-Thermoformen wurde als Material ein Polymer verwendet. Jetzt haben wir es mit einem Komposit zu tun. Lösung der Problemsituation Unter den in diesem Abschnitt untersuchten Methoden ist die Sprühtechnik die beste Alternative zur Herstellung einer Badewanne aus Verbundmaterial. Hierbei wird mit einer speziell entwickelten Pistole Harz auf die vorbereitete Oberfläche der Form gesprüht. Im Video unter < watch?v=wzdpstbdwgs> (abgerufen am: 2. Aug. 2016) sehen wir die Herstellung einer Badewanne (Abbildung 4.41) im Spray-Up-Verfahren. Abbildung 4.41 Badewanne, hergestellt im Spray-up-Verfahren. Quelle: < Zugriff am: 2. Aug. Verarbeitung und Leistung der Materialien 207
210U4 Do It Yourself Erforscht Verbundprodukte, die durch Harztransfer- und Pultrusionsformverfahren hergestellt werden. Sorgen Sie dafür, dass es zählt 1. Verbundwerkstoffe werden typischerweise in Hochtechnologieindustrien wie der Luftfahrt, Automobilen, Booten, Sportteilen und medizinischen Geräten verwendet. Verbundmaterialien können als ein Material definiert werden, das aus zwei oder mehr Materialien besteht, von denen eines ein Element und das andere ein kompatibles Harz ist, um bestimmte Eigenschaften und Eigenschaften zu erhalten. a) Kombination, Verstärkung und Bindemittel. b) Eigenschaft, gelöster Stoff und Lösungsmittel. c) Eigentum, gelöster Stoff und Verunreinigungen. d) Kombination, Legierung und Verstärkung. e) Kombination, Lösungsmittel und Verstärkung. 2. Was eine der Funktionen von Harz in der Zusammensetzung eines Verbundwerkstoffs betrifft, ist nur das richtig, was unter: a) Schutz der Bewehrungen vor der Umgebung steht. b) Behalten Sie Ladungen in der Matrix selbst bei. c) Verleihen Sie dem Verbundwerkstoff Steifigkeit. d) Förderung der Wärmeleitfähigkeit. e) Sorgen Sie für eine hohe mechanische Beständigkeit. 3. Verbundwerkstoffe ersetzen verschiedene andere Materialien. Analysieren Sie im Vergleich zu metallischen Werkstoffen die Aussagen zu den Vorteilen des Verbundwerkstoffs: I. Sie haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit. II. Sie sind ermüdungsbeständig. III. Kostengünstige Herstellung. 208 Verarbeitung und Leistung von Materialien
211U4 IV. Oberflächenschäden sind nicht wahrnehmbar. Kreuzen Sie die Alternative an, die die richtigen Aussagen zum Vorteil von Verbundwerkstoffen liefert: a) I, II, III und IV. b) I und II. c) III und IV. d) I, II und IV. e) I und III. Verarbeitung und Leistung von Materialien 209
212U4 210 Verarbeitung und Leistung von Materialien
213U4 Referenzen ASKELAND; DR.; WRIGHT, W. J. Materialwissenschaft. São Paulo: Cengage Learning, S. Callister, W.; RETHWISH, D. G. Materialwissenschaft und -technik: eine Einführung. 8. Aufl. São Paulo: LTC, S. FALSCHE NACHRICHTEN. Das Geheimnis der Dinge: Stahl. Verfügbar unter: < com/watch?v=cmge7yuchqe> Zugriff am: 17. Juli ORTH, C. M.; BALDIN, N.; ZANOTELLI, C. T. Auswirkungen des Herstellungsprozesses von glasfaserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffen auf die Umwelt und die Gesundheit der Arbeitnehmer: der Fall der Automobilindustrie. Online Production Magazine, Florianópolis, v. 12, nein. 2, S., Apr./Jun. Verfügbar unter: < br/rpo/article/download/943/918>. Zugriff am: 1. August PLASACRE INDÚSTRIA. Plasacre: Rotationsformsystem. Verfügbar unter: < Zugriff am: 1. August SHACKELFORD, J. F. Materialwissenschaft. 6. Aufl. São Paulo: Pearson Education do Brasil, S. SIMÊNCIO, E. C. A. Herstellung und Charakterisierung von Nb 2 O 5 : Zr f Sol-Gel-Dünnfilmen. Dissertation (Master in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik) – Universität São Paulo, São Carlos, verfügbar unter: < disponiveis/88/88131/tde /pt-br.php>. Zugriff am: 31. August SKIBA, L. Ziegelextrusion und -schneiden. Verfügbar unter: < watch?v=60ylrwfxfbs>. Zugriff am: 27. Juli Verarbeitung und Leistung von Materialien 211
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