Wissenschaftler treiben die Forschung an Keramikmaterialien für zukünftige Anwendungen voran

Von antiken Porzellanen bis hin zu modernen Hitzeschilden für Raumschiffe haben keramische Materialien aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften eine entscheidende Rolle in der menschlichen Zivilisation gespielt. Aber was genau verleiht Keramiken diese außergewöhnlichen Eigenschaften? Dieser Artikel untersucht die strukturellen Grundlagen, die wichtigsten Eigenschaften und die wissenschaftlichen Prinzipien, die keramischen Materialien zugrunde liegen.

Die Leistungsfähigkeit von Keramiken beruht auf ihrer intrinsischen atomaren Struktur. Wie alle Materialien werden die Eigenschaften von Keramiken durch ihre atomare Zusammensetzung, Bindungsarten und atomare Anordnung bestimmt.

Keramiken weisen hauptsächlich zwei Arten von atomaren Bindungen auf: Ionen- und Kovalenzbindungen. Ionenbindungen bilden sich typischerweise zwischen Metallen und Nichtmetallen - Elementen mit signifikanten Unterschieden in der Elektronegativität (die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen anzuziehen und zu halten). Bei der Ionenbindung verlieren Metallatome Elektronen und werden zu positiv geladenen Kationen, während Nichtmetallatome Elektronen aufnehmen und zu negativ geladenen Anionen werden. Die resultierende elektrostatische Anziehung erzeugt starke Ionenbindungen.

Kovalenzbindungen treten zwischen Nichtmetallelementen mit ähnlicher Elektronegativität auf, wobei Atome Elektronenpaare teilen. Während Keramiken beide Bindungsarten enthalten können, dominiert in den meisten Fällen die Ionenbindung, insbesondere bei Oxidkeramiken.

Andere Bindungsarten sind Metallbindungen (in Metallen vorhanden, mit frei beweglichen Elektronen, die Kationen umgeben) und Van-der-Waals-Kräfte (schwache elektrostatische Wechselwirkungen zwischen polarisierten Atomen). Metallbindungen sorgen für Duktilität und Leitfähigkeit, während Van-der-Waals-Kräfte (wie Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser) schwächere Verbindungen in Polymeren erzeugen.

Die Ionen- und Kovalenzbindungen in Keramiken erzeugen charakteristische Eigenschaften wie hohe Härte, Schmelzpunkte, chemische Beständigkeit und geringe Wärmeausdehnung. Diese gleichen Bindungen tragen jedoch zur Sprödigkeit von Keramiken bei. Forscher verwenden häufig Verstärkungsmethoden, um die Zähigkeit von Keramiken zu verbessern.

Die keramische Leistung hängt nicht nur von der atomaren Bindung, sondern auch von der Mikrostruktur ab. Die meisten Keramiken sind polykristalline Materialien, die aus mehreren Körnern bestehen, die durch Korngrenzen verbunden sind. Einkristalline Materialien wie Diamanten und Saphire unterscheiden sich sowohl in ihrer Struktur als auch in ihren Eigenschaften erheblich von polykristallinen Keramiken.

Korngröße und -form beeinflussen die keramischen Eigenschaften entscheidend. Eigenschaften wie Dichte, Härte, mechanische Festigkeit und optische Leistung beziehen sich alle auf die Mikrostruktur des gesinterten Materials. Durch sorgfältige Steuerung der Kornparameter ist eine Anpassung für spezifische Anwendungen möglich.

Im Gegensatz zu kristallinen Keramiken weist Glas eine amorphe atomare Struktur ohne Fernordnung auf. Glaskeramiken stellen ein Hybridmaterial dar, das kleine kristalline Körner enthält, die von Glasphasen umgeben sind, und die Vorteile beider Materialtypen kombiniert.

Beachten Sie, dass dies typische Eigenschaften darstellen. Die tatsächliche Materialleistung kann durch Anpassungen der Zusammensetzung, Verbundwerkstoffe und Modifikationen der Verarbeitung an die spezifischen Anwendungsanforderungen angepasst werden.