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Keramik und Glas

Ionenbindung und Koordinationszahl, typische Kristallstrukturen, Sintern, Glasübergang, Festigkeitsstreuung nach der Weibull-Statistik, Thermoschock sowie dielektrische und piezoelektrische Werkstoffe mit Multiple-Choice-Fragen prüfen. Auch die Rechenaufgaben sind erläutert.

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Keramik und Glas: das Wichtigste

Die meisten Keramiken werden durch Ionen- oder kovalente Bindungen zusammengehalten, und die Koordinationszahl des Kations ergibt sich näherungsweise aus dem Radienverhältnis von Kation und Anion. Die Strukturtypen wie NaCl-, CsCl- und Perowskitstruktur sollten Sie mit ihren Koordinationszahlen kennen. Das Sintern, bei dem Pulver bei hoher Temperatur verfestigt wird, wird durch die Abnahme der Oberflächenenergie angetrieben.

Keramiken brechen spröde, ausgehend von kleinen inneren Fehlern; ihre Festigkeit streut daher stark, und die Bruchwahrscheinlichkeit wird mit der Weibull-Verteilung bewertet. Glas ist eine unterkühlte Schmelze, deren Struktur eingefroren ist, und seine Glasübergangstemperatur hängt von der Abkühlgeschwindigkeit ab. Ferroelektrika wie BaTiO₃ sind als Kondensatoren und piezoelektrische Bauelemente aus der Elektronik nicht wegzudenken.

Alle Fragen zum Thema „Keramik und Glas“ (12)
  1. Der Ionenradius von Na⁺ sei 0,102 nm, der von Cl⁻ 0,181 nm. Welche Koordinationszahl des Kations ergibt sich aus dem Radienverhältnis? Die Koordinationszahl sei 4 für ein Radienverhältnis von 0,225–0,414, 6 für 0,414–0,732 und 8 ab 0,732.
  2. Welche Aussage über die CsCl-Struktur trifft zu?
  3. Wie groß ist in der Perowskitstruktur (ABO₃), etwa bei BaTiO₃, die Sauerstoff-Koordinationszahl des Kations auf dem B-Platz (Ti⁴⁺)?
  4. Welche Aussage über das Sintern keramischer Pulver trifft zu?
  5. Welche Aussage über die Glasübergangstemperatur Tg beim Abkühlen eines Glases aus der Schmelze trifft zu?
  6. Die Festigkeit einer Keramik folge der Weibull-Verteilung Pf = 1 − exp[−(σ/σ₀) hoch m] mit dem Skalenparameter σ₀ = 400 MPa und dem Weibull-Modul m = 10. Welcher Wert kommt der Bruchwahrscheinlichkeit bei einer Belastung mit 300 MPa am nächsten?
  7. Bei einer Keramik mit dem Weibull-Modul m = 10 hatten Proben mit dem Volumen V eine charakteristische Festigkeit von 500 MPa. Welcher Wert kommt der charakteristischen Festigkeit eines Bauteils aus demselben Werkstoff mit dem Volumen 10V am nächsten, wenn der Weibullsche Volumeneffekt σ₂/σ₁ = (V₁/V₂) hoch 1/m verwendet wird?
  8. Eine Keramik hat eine Biegefestigkeit von 300 MPa, einen Elastizitätsmodul von 380 GPa, eine Querkontraktionszahl von 0,22 und einen Längenausdehnungskoeffizienten von 8,0×10⁻⁶ K⁻¹. Welcher Wert kommt dem Richtwert ΔTc = σf(1 − ν)/(Eα) für die Temperaturdifferenz am nächsten, ab der beim Abschrecken durch Thermoschock Risse entstehen?
  9. Warum leitet stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), also ZrO₂ mit darin gelöstem Y₂O₃, Oxidionen?
  10. Welche Aussage über den Zusammenhang zwischen Piezoelektrizität und Ferroelektrizität trifft zu?
  11. Welcher Wert kommt der Kapazität eines Plattenkondensators am nächsten, bei dem eine dielektrische Schicht mit der relativen Permittivität 3000 und der Dicke 2,0 µm zwischen Elektroden mit der Fläche 1,0 mm² liegt? Die elektrische Feldkonstante sei 8,85×10⁻¹² F/m.
  12. Was ist der Hauptgrund für die hohe Bruchzähigkeit von teilstabilisiertem Zirkonoxid?

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