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217 Cards in this Set
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Wie ist die Definition keramischer Werkstoffe? |
Keramische Werkstoffe sind - anorganisch - nichtmetallisch - in Wasser schwer löslich - bei RT geformt und dann gesintert - auch Kohlenstoffwerkstoffe sowie Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix |
5 Merkmale |
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Wie werden Gläser definiert? |
Gläser sind - amorphe Feststoffe, meistens aus Siliciumdioxid - auch amorph erstarrte Metalle; organische Materialien (Bernstein, Acrylglas) |
Es gibt zwei Definitionsarten |
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Was sind Ceramics? |
Ceramics sind Keramiken und Gläser/ Glaskeramiken |
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Wie werden Werkstoffe generell sortiert/kategorisiert? |
- organische Werkstoffe - Metalle - Nichtmetallisch/anorganische Werkstoffe - Verbundwerkstoffe |
4 Kategorien |
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Welche Verbundarten gibt es? |
- Faserverbund - Teilchenverbud - Durchdringungsverbund - Schichtverbund |
4 Arten |
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Wie lassen sich die Keramiken grob sortieren? |
In - Oxidkeramik - Nichtoxidkeramik - Silicatkeramik |
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Wie lassen sich die Technischen Keramiken nach der Anwendung sortieren? |
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Es gibt 7 Kategorien |
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Was ist Struktur- oder Konstruktionskeramiken? |
Keramiken, welche mechanisch (Biege/Druck) belastet werden. Quasi das selbe wie Industrie-/Ingenieurkeramiken. |
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Was sind Funktionskeramiken? |
Werkstoffe, deren Eigenschaften aktiv genutzt werden (elektrisch, magnetisch, dielektrisch) |
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Beispiele für Strukturkeramik |
Schleif-/Schneidkeramik Kugellager, Bremsscheiben, Schutzwesten |
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Beispiele für Funktionskeramik |
aktive Chemokeramik, Magnetokeramik, Nuklearkeramik Kondensatoren, Lambdasonden, Laser, Brennstoffzellen |
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Was ist Elektrokeramik? |
a) Werkstoffe mit der Haupteigeschaft elektrischer Isolierfähigkeit b) der ernglische Begriff umfasst alle nicht-Konstruktions- und Biokeramiken |
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Beispiele für Elektrokeramik |
Isolatoren, Zündkerzen, Chipträger |
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Was ist Feinkeramik? |
Keramik mit Gefügebestandteilen < 0,1 mm |
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Was sind Varianten der Kohlenstofffaserverstärkten Keramik? |
CFRC (carbon-fiber-reinforced carbon) RCC (reinforced carbon-carbon) CFC (carbon fiber carbon composite) |
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Wie lässt sich die technische Keramik noch unterteilen? |
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!!! Was sind die Werkstoffgruppen? |
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Welche Eigenschaft schließt auf welche Anwendung?
+mechanisch
+thermisch
+chemisch
+biologisch
+nuklear
+elektrisch
+dielektrisch/magentisch
+optisch |
mechanisch: Lager, Gleitdichtungen, Schneidwerkzeuge -> Festigkeit
thermisch: Isolatoren, Tiegel, Wärmetauscher -> Leitfähigkeit, Kapazität
chemisch: Pumpenteile, Filter, Katalysatoren -> Adsorptionsfähigkeit
biologisch: Knochenersatz, Beschichtungen -> Biokompatibilität
nuklear: Kernbrennstoffe, Neutronenabsorber -> Strahlenbeständigkeit
elektrisch: Widerstände, Thermistoren -> Isolation/Leitfähigkeit
dielektrisch/magnetisch: Kondensatoren, Piezoelemente, Permanentmagnete
optisch: Lampen, Fenster |
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Beispiel für Elektrische Anwendung |
SiC Ofenelement für Widerstandheizen |
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Beipiel für Dielektrische Anwendung |
1) Alpha Aluminiumoxid Zündkerzenisolator 2) Siliciumdioxid Ofensteine |
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Beispiel für magnetische Anwendung |
Gamma - Eisenoxid Aufnahmebänder |
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Beispiel für optische Anwendung |
1) dotiertes Siliciumdioxid Glasfasern 2) Alpha-Aluminiumoxid Transparente Hülle für Straßenlaternen |
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Beispiel für mechanische Anwendung |
1) TiN Verschleißfeste Beschichtug 2) SiC Abrasive für Poliermittel 3) Siliciumnitrid Maschinenelemente |
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Beispiele für thermische Anwendung |
1) Siliciumdioxid Raumfährenisolationsplatten |
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Was sind der Fokus und die Herausforderung in der Energieerzeugung/ Wandlung? |
Fokus: Faserverstärkte Keramik für mechanische Belastung
Herausforderung: Herstellung komplexer Geometrien und bessere Langzeitstabilität |
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Fokus und Herausforderung der Energiespeicherung |
Fokus: Batterien Herausforderung: Kostensenkung (300€/kwh <- 1000 €(kwh) Durch Foliengießen, neue Kathodenmaterialien, Einstellung der Pulvermorphologie |
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Fokus & Herausforderung der Erneuerbaren Energien |
Fokus: Magnetwerkstoffe für Windkrafterzeugung Herausforderung: Optimierung der Pulverprozesssierung, Kostensenkung |
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Potenziale der Chemie und Maschinen- und Anlagenbau |
Membrantrennung Wertstoffrückgewinnung aus Abwasser und Abluft Trinkwasseraufbereitung in Entwicklungsländern Herausforderung: Automatisierbare Herstellung Neue Messmethoden für die Qualitätssicherung |
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Keramik für die Mobilität |
- Thermomanagement im Antriebs- und Abgasstrang (Isolation) - Abgasreinigung (Katalysator[-träger]) Herausforderung: Reduzierung der Durchflussverluste, Gewichtsverlust, neue Geometrien |
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Lösungsansätze für Keramiken in der Mobilität |
Schaltungsträger: moderate W.Leitfähigkeit und gleichzeitig gute Risszähigkeit (Mischkeramik) Weichmagnetische Werkstoffe (Ferrite): höhere Energiedichte Dielektrika für Kondensatoren: Erhöhung der Feldstärke und Vermeidung von Poren |
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Herausforderung passiver elektrischer Bauelemente |
Erhöhung der Leistungsdichte, Miniaturisierung Ersatz von Rohstoffen aus Umweltschutzgründen Prozessoptimierung |
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Forschungsbedarf in der Elektrotechnik |
- Zusammenhang zwischen Mikrogefüge und Makroeigenschaften - Probenpräparation im Mikromaßstab - Simulation der elektrischen und mechanischen Eigenschaften |
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Innovation in der Lichttechnik |
Kostensenkung,Herstellung kleiner LEDs, Massenherstellung |
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Innvation bei den Life Sciences |
Langzeitzuverlässigkeit -> Mischoxidkeramiken Unterkristische Rissausbreitungsverhalten durch den direkten Wasserkontakt im Zirkonoxid -> keramische Weiterentwicklung maßgeschneiderter Dispersionskeramiken Offenporöse Struktur bei Dentalkeramiken, damit diese sich mit dem Titan verbindet |
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Beispiel für fest/fest Synthese |
Keramische Synthese |
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Beispiel für flüssig/fest |
- Kristallisation aus Lösungen und Gelen - Fällungsreaktionen - Sol-Gel Prozesse - Sprühpyrolyse - Solvothermal |
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Beispiel für gasförmig/feste Synthese |
- PLD - CVD |
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Wie läuft die keramische Synthese ab? |
Pulver wird gemischt und erhitzt Die Kinetik funktioniert über die Diffusion |
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Wie läuft eine Fällungsreaktion ab? |
Man gibt zu einer Lösung aus Metallsalzen en Fällungsmittel (Ammoniumcarbonat) hinzu. Dabei fallen feinkristalline oder amorphe gemischte Hydroxide bzw. Carbonate aus |
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Wie läuft die Sol-Gel-Methode ab? |
1) Partielle Hydrolyse des Metallalkoxids, um ein reaktionsfähiges Monomer zu bilden 2) Polykondensation der Monomere zum Sol 3) Weitere Polykondensation zum Gel |
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Wie funktioniert die solvothermale Synthese? |
Herstellung fester Verbindungen unter hohem Druck und großer Hitze. Dabei kann man Phasen zusammen bringen, die sonst getrennt wären. Dies geschieht im Autoklaven |
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Beispiele für Carbide |
SiC, TiC, B4C, WC |
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Beispiele für Nitride |
Si3N4, TiN, AlN |
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Beispiele für Silicide |
MoSi2, Ti5Si3 |
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Wie sind die Eigenschaften von Aluminiumoxid? (7) |
- sehr gut isolierend (10^14 Ohm*cm) - Mittlere bis extrem hohe Festigkeit (300 bis 630 MPa) - Hohe Härte (15 bis 19 GPa) - Gute Gleiteigenschaften - Geringe Dichte (fast 4 g/cm^3) - Biointert - Einsatztemperatur bis 1500°C |
Isoliereigenschaft Festigkeit Härte Gleiteigenschaften Dichte Einsatztemperatur |
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Was bedeutet C 780? oder C 799? |
C 780/786/795/799 geben die Mindestanteile von reinem Aluminiumoxid an |
Hat was mit Aluminiumoxiden zu tun |
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Wie beeinflusst ein steigender Aluminiumoxidanteil den Werkstoff? |
- Die Dichte steigt um die Hälfte - Biegefestigkeit und E-Modul steigen um das dreifache |
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Was sind Anwendungsbeispiele für Al2O3? |
- Hüftkomponenten
- Ballistikkomponenten
- Rohre (<3) - Zündkerzen - Ofenbauteile |
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Wie kommt Aluminiumoxid in der Natur vor? |
Als lila Kristall (Hydroxide) |
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Woraus besteht Bauxit? |
Bauxit besteht aus Diaspor (Alpha-AlOOH), Böhmit (beta-AlOOH) und Gibbsit (Gamma- Al(OH)3 |
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Was für eine Kristallstruktur hat Alpha-Aluminiumoxid? (Korund) |
Alpha ist trigonal-rhomboedrisch und zusammengesetzt aus AlO6-Oktaedern und OAl4-Tetraedern |
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Wie sieht die Gamma-Aluminiumkristallstruktur aus? |
Sie ist ein Defektspinell, in dem nur ein Teil des Mg-Positionen unbesetzt ist.
8 MgAl2O4, nur (teilweise) ohne Mg |
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Wie kann man Aluminiumoxid synthetisieren? |
Alpha: 1) Bayerit -> Ammoniumallaun -> Calcinierung -> hochreines Aluminiumoxid 2) Durch Fällungsreaktion in leicht saurem Milieu bzw. Sol-Gel Synthese 3) Beschichtung: CVD; Flammensprühpyrolyse Gamma: 1) Böhmit -> Calcinierung -> Gamma- Aluminiumoxid |
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ok cool |
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Wie läuft das Bayerverfahren ab? |
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Aluminiumoxid |
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Welche Pressarten gibt es? |
- Uniaxial - Isostatisch - Heiß (isostatisch) |
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Wie kann Aluminiumoxid gesintert werden? |
- Festphasensintern - Flüssigphasensintern - FAST / SPS |
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Welche Polymorphe/Allotropien hat Zirkonoxid? |
Monoklin, tetragonal und kubisch |
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Welche Farbe hat Zirkonoxid üblicherweise? |
eine gelbliche Farbe |
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Anwendungsbeispiele für Zirkonoxid |
- Dentalkeramik (<3) - Werkzeuge - Lambdasonden |
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Welche Formen der Transformation hat man bei Zirkonoxid? |
(- ZTA/-M/-C) Zirconia toughend alumina/ Mullit / Ceramic
- PSZ partially stabilized zirconia (mit Ca, Mg, Y)
- TZP tetragonal/ teilstabilisiertes Zirconia polycrystals (Y, Ce)
- FSZ fully stabilized Zirconia (- 3YSZ)3 mol% Yttrium stailisiertes Zirkonium |
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Wie sind die Eigenschaften von Zirkonoxid? (ZrO2) |
- Hohe Wärmedehnung - Sehr gute thermische Isolation - Sehr hohe Risszähigkeit - Fähigkeit zur Sauerstoffionenleitfähigkeit - Höchste Bruch- und Biegefestigkeit - hohe Verschleißfestigkeit |
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Wie kann man Zirkonoxid verbessern? |
1) In tetragonale Form bringen 2) Bestimmte Kristallgröße erreichen |
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Was passiert bei der Phasenumwandlung des tetragonalen Zirkonoxids in monoklines? |
Das Volumen vergrößert sich |
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Wie geht die Kröger-Vink-Beschreibung? |
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Was bedeutet: - eine kleine Abkürzung an einem Element? - Ein Kreuz an einem Element? - Punkte an einem Element? |
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Wie kann Zirkonoxid synthetisiert werden? |
- Sol-Gel - Flammensprühpyrolyse - Hydrothermalesynthese - Fällungsmethoden |
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Welchen Einfluss hat die Oberflächenenergie bei Zirkonoxid? |
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Wie ermittelt man die richtige Kristallitgröße, damit die kubische Struktur stabil ist? |
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Mg- PSZ die hellen Bereiche sind tetragonales Zirkonoxid auf kubischer Oberfläche |
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Y- TZP homogene Struktur durch Y2O3 |
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ZTA |
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Mg- PSZ |
kein Aluminiumoxid |
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Was ist die spannungsinduzierte Umwandlung bei Zirkonoxid? |
Von außen angelegte Spannung induziert die t-m Umwandlung. Dabei dehnt sich das Material aus, dieser Vorgang erschwert das weitere Risswachstum. Durch den Riss wird die lange um den Riss entspannt und die Umwandlung kann von statten gehen |
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Was bewirkt die LTD (Low Temperature Degradation) bei Zirkonoxid? |
In humider Atmosphäre lagern sich OH- Ionen in das Gitter ein und induzieren die Phasenumwandlung zur monoklinen Phase. Dabei expandiert das Gefüge (mikroskopisch) sichtbar nach außen und innen und verursacht viele kleine Risse, durch die wieder Wasser eindringt und neue Kerne entstehen. |
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Was sind Merkmale des Heiß-isostatischen Pressens? |
- 2000°C - 200 MPa - < 100°C / min - Druck von allen Seiten durch inkompressibles Medium - Kompliziertere Geometrien pressbar |
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Was sind Merkmale des Heißpressens |
Die selben wie bei HIP, nur - 150 MPa - keine komplexen Strukturen |
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Was sind Varianten des SPS (Spark Plasma Sintering)? |
- Field Assisted Sintering Technique (FAST) - Electric Current Activated/Assisted Sintering (ECAS) - Pulsed Electric Current Sintering (PECS) - Field Activated Pressure Assisted Sintering (FAPAS) - Plasma Activated Sintering (PAS) - Current-Activated, Pressure-Assisted Densification (CAPAD) |
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Was sind Merkmale des SPS? |
- Uniaxial - Stromwärme - direkte Erwärmung durch Induktion - schnelle Aufheizung ( > 1000°C/s) |
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Was gibt es für Strukturtypen? |
- AB (Tetraeder, Oktaeder, Würfel) zum Beispiel ZnS, NaCl, CsCl - AB2 (Würfel/Tetraeder, Oktaeder/gleichseitiges Dreieck, Tetraeder/Gerade) zum Beispiel Fluorit (CaF2) - AB3 (Oktaeder, Gerade) zum Beispiel AlF3 - A2B3 -> ABX3 (Perowskite) -> AB2X4 (Spinelle) |
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Was sind Beispiele für Perowskit- und Spinellstrukturen? |
BaTiO3 MgAl2O3 |
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Wie sieht die Perowskitstruktur aus? |
- kubisch dichteste Kugelpackung Kationen auf den Ecken, Anionen auf den Kanten. Wenn man sich die Struktur als Oktaeder ansieht, sind die B-Kationen auf den Oktaederlücken - A und B sind Kationen - X sind Anionen |
ABX3 oder ABO3 |
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Wie bestimmt man die Koordinationszahl? |
Die Koordinationszahl beschreibt die direkten Nachbarn in einem Ionengitter einfach kubisch (sc) => 6 kubisch flächenzentriert (fcc) => 12 kubisch raumzentriert (bcc) => 8 hdp => 12 Diamantstruktur => 4 |
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!! Wie lauten die ideale und praktische Beziehungen der Ionenradien für Perwoskitstrukturen? |
ideal: r(A) + r(B) = 2^0,5 [r(B) + r(A)] praktisch tritt sie auch auf, wenn r(A) + r(B) = tG 2^0,5 [r(A) + r(B)] wobei tG der sogenannte Goldschmitt'sche Toleranzfaktor ist. Er gibt den Unterschied zum Idealzustand an. Wenn er kleiner als 0,8 ist, tritt keine kubische Struktur auf. Die Verzerrungen führen dann zum Beispiel zu tetragonalen Perowskiten |
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Was sind Raumgruppen? |
Die Raumgruppen beschreiben die Symmetrie der Anordnung von Atomen in einem Kristall |
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Was sind wichtige Vorgaben für die Perowskitstruktur? |
1) r(A-Ion) = r(X) r(B) = Koordinationszahl 6 des X [ 0,42 < r(B)/r(X) < 0,73 ] 100 pm < r(A) < 140 pm 45 pm < r(B) < 75 pm 2) Ladungszahlen der A und B Kationen entweder +1 und +5 oder +2 und +4 oder +3 und +3 man kann auch mehrere Elemente zusammenfassen, gewichten und als A der B bezeichen 3) Perowskite als komplexe Struktur Ein Kation ist direkt mit allen Anionen verbunden. Es gibt keine kleinen Gruppen (z.B. CO2 Salze oder so) 4) X muss nicht immer O oder F sein. Kann auch mit Ni funktionieren 5) Leerstellen! die Perowskitstruktur ist sehr flexibel. Nicht nur Kationen können unbesetzt oder substituriert werden, sondern auch Anionen. Deshalb sind 90% der Metalle des Periodensystems stabil in der Perowskitstruktur |
1) Radien 2) Ladungszahlen 3) Struktur 4) Aus was besteht X? 5) Leerstellen? |
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Was sind Anwendungsbeispiele für Perowskitkristalle? |
- Piezoelektronik
- Isolatoren
- Supraleiter - Solarzellen |
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Was sind Ruddlesden Popper Phasen? |
Ruddlesden-Popper Phasen sind Verschiebungen von Kristallschichten. Dabei können die Schichten einzeln verschoben sein, oder auch in zweier- und dreiergruppen |
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Was sind Defektstrukturen bei Perowskiten? |
Wenn die Ladungszahlen der Kationen theoretisch mehr als 6 ergäben, aber einzelne Elemente abgestuft sind. |
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Was sind Oxynitride? (Bei Perowskitstrukturen) |
Wenn das Gleichgewicht von A, B und X gestört ist und statt O3, O2N vorliegt und die Kationen das ausgleichen müssen. Dadurch entstehen ungleichmäßige Gitterstrukturen
BB2O3N |
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Wie ändern sich die Eigenschaften bei Oxynitriden? |
Die Oxynitride werden durch die Substitution von Nitriden verfärbt. Ziemlich viele Farben sind möglich |
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Wie kann man Perowskite synthetisieren? |
- durch Keramische Synthese
- Sol-Gel
- Solvothermal => fakultativ |
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Nach welchem Modell läuft die keramische Synthese bei Perowskitkristallen ab? |
Nach dem Kern-Mantel-Modell -> BaCO3 + TiO2 -> BaTiO3 + CO2 Ba2+ und O2- einen sehr viel höheren Dab als Ti4+ 1) Bariumcarbonat kommt mit Titanoxid in Kontakt 2) An der Kontaktstelle entsteht Bariumtitanoxid, diese behindert die weitere Bildung 3) An der Grenzfläche von Bariumtitanoxid und Bariumcarbonat entsteht Ba2TiO4, welches sich bis zum Rand ausbreitet und kein Bariumcarbonat mehr da ist 4) Das Titanoxid bildet nun auf Umwegen mit dem Ba2TiO4 das endgültige Bariumtitanoxid |
Kern-Mantel-Modell |
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Wie läuft die Sol-Gel-Synthese bei Perowskiten ab? |
Bei 150-150°C entsteht aus Ba(OH)2 (aq) + TiO2 -> BaTiO3 (s) + H2O Kann durch homogene oder heterogene Keimbildung entstehen homogen: Am Rand der Titanoxide zum Kern hin heterogen: entweder aus der Lösung an Titanoxid oder an bereits entstandenen BaTiO3 Kristallen |
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Was für Lücken können bei Spinellen auftreten? |
Oktaederlücken und Tetraederlücken |
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Was sind normale und inverse Spinelle? |
normal: A(BB)O4 Beispiel: MgAl2O4 Hierbei sind alle 16 B-Atome auf den oktaedrischen Gitterplätzen die A-Atome tetraedrisch
invers: B(AB)O4 Beispiel: Fe3O4 Hier sind jeweils 8 B-Atome und A-Atome oktaedrisch koordiniert die restlichen 8 B-Atome tetraedrisch |
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Was sind Faktoren, die zu normalen oder inversen Spinellen führen? |
- relative Größen der A- und B-Ionen - Ligandenfeldstabilisierungsenergien - kovalente Bindungsanteile - bevorzugte Besetung der Gitterplätze (Tetraeder: Zn2+ oder Oktaeder: Ni2+) |
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Was sagt der Inversionsgrad lambda? und wie wird er in der Formel zum Ausruck gebracht? |
Lamda = 0 --> normales Spinell Lambda = 0,5 --> inverses Spinell Es gibt aber auch Zwischenstufen, die Verteilung wird wie folgt dargestellt: (Mg[1-2L]Fe[2L])Tetraeder (Mg[2L]Fe2[1-L]Oktaeder O4 |
Bei Spinellen |
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Wie kann man herausfinden, ob ein Spinell invers oder normal auftritt? |
1) Von beiden Kationen die Energien der Tetraederlücke und Oktaederlücke ausrechnen (LFSE)
2) Kristallstrukturen der Elemente aufstellen und LFSEs vergleichen (werden addiert)
z.B. FeCr2O4 Normaler Spinell: Fe(T)Cr(O)Cr(O)O4 Inverseer Spinell: Fe(O)Cr(T)Cr(O)O4 |
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Wie ist die ,,Würfelart" der Besetzung von Spinellen? (Al4O4) |
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Wie ist die ,,Tetraederart" der Besetzung von Spinellen? (MgO4) |
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Wie ist eine kubische Elementarzelle der Spinell-Type-Struktur AB2X aufgebaut? |
-> 1/2 der Oktaederlücken sind mit Al3+ besetzt -> 1/8 der Tetraederlücken sind mit Mg2+ besetzt |
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Was ist das Ziel von Spinellen? |
Das Ziel ist die Herstellung transparenter Scheiben großer Dicke und hoher Festigkeit |
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Wie werden Spinelle verarbeitet? |
1) axiales Pressen (Porenreduzierung) 2) anschließend kaltisostatisches Pressen 3) Sintern 4) Heißisostatische Nachverdichtung |
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Was sind AlONe? |
Defektspinelle Al2O3 + AlN -> Gamma-ALON |
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Wie sind so die Massenanteile der Elemente in der Erdkruste? |
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Was sind die Eigenschaften von Siliziumnitrid? (Si3N4) |
- sehr geringe Dichte (3,2 g/cm^3) - Sehr hohe Bruchzähigkeit (7 MPa/m) - Gute Thermoschockbeständigkeit - bis 1300/1600°C einsetzbar |
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Anwendungsbeispiele für Siliziumnitrid? |
- präzise Lager
- Wendeschneidplatten (ohne Kühlmittel und schnell) - Gleitringe - Ventile |
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Welche Farbe haben Siliziumnitride und warum? |
Siliziumnitride sind aufgrund von Additiven grau |
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Was hat Siliziumnitrid für eine Kristallstruktur? |
Si3N4 ist Tetrahedral (SiN4) und Trigonal planar (NSi3) |
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Was geschieht an der Oberfläche von reinem Si3N4? |
RBSN: (ohne Additive) Es entsteht eine amorphe Si2N2O Schicht und Siliciumdioxide Diese beiden Schichten behindert weitere Korrosion SSN: Es entstehen Silikatschichten |
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Welche Polymorphe hat Si3N4? |
Alpha Beta Gamma (hat eine höhere Dichte als die anderen) |
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Wie sieht die Struktur von Alpha Si3N4 aus? |
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Wie sieht die Struktur von beta Si3N4 aus? |
Hexagonale Röhren EZ: Si6N8 |
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Wie sieht die Struktur von gamma Si3N4 aus? |
Spinellstruktur (Tetraeder und Oktaeder) Quasi SiSi2N4 |
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Wie kann man Si3N4 synthetisieren? |
Nitridierung: 3Si + 2N2 --> Si3N4 (bei 1400°C)
Carbonitridierung: 3SiO2 + 6C + 2N2 --> Si3N4 + 6CO (bei 1400°C)
CVD: 3SiH4 + 4NH3 --> Si3N4 + 12 H2 (bei Plasma, 500°C)
Aus Siliciumdiimid: (Flüssig- oder Gasphase) 3SiCl4 + 6NH3 --> 3Si(NH)2 + 12HCl (bei Raumtemperatur) 3Si(NH)2 --> Si3N4 + 2NH3 (bei 1300°C)
Aus Polysilazanen: Polymer --> Si3N4 + CH4 + H2 |
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Wofür steht SSN? |
SSN steht für das niedrig Gasdruck Sintern von Si3N4 bei 1700°C Aus der Flüssigphase mit Hilfsmittel wie Al2O3 --> beta Si3N4 wird ausgeschieden je kleiner der amorphe Anteil, desto höheren Temperaturen kann man den Stoff aussetzen
Die Schrumpfung liegt bei 20%
Nachteil ist die geringe Festigkeit und mäßig gute Dichte.
Dafür kann man komplexe Bauteile so herstellen |
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Wofür steht GP(S)SN? |
Gas pressure sintering von Siliziumnitrid bei 1700°C und 10MPa relativ komplexe Bauteile umsetzbar, teurer als SSN |
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Wofür steht HPSN |
Hot pressure unter sehr hohem Druck (50MPa) Nurnoch simple Geometrien |
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Wofür steht HIP |
Heiß isostatisches Pressen bei 1700°C und 200 MPa hohe Dichte |
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Wofür steht RBSN? |
Reaction bonded Si3N4 bei 1300°C
geringe Dichte und Festigkeit dafür günstig und keine Schwindung Si3N4 Pulver, gefüllt mit Si, welches zu Si3N4 wird (Si-Pulver + N2 --> Si3N4
danach ist noch post sintering möglich --> SRBSN |
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Si3N4
Die langen Kristallite sind beta Strukturen, weil nur diese bei Hitzebehandlung wachsen Die alpha Kristalle sind die amorphe Zwischenschicht |
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Was ist bei der Auswahl von Additiven bei der SSN zu beachten? |
Die Vermeidung von Metallnitriden, um stabile Oxide zu ermöglichen.. |
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Wie korrodieren Si3N4 in: - Säure - Basen - Hydrothermaler Umgebung |
Säuren: Auswaschen der Korngrenzen, aber die Körner an sich sind korrosionsstabil Basen: Komplette Auflösung der Körner Hydrothermale Umgebung: bis zu 250 °C Auflösung der Korngrenzphasen ab 250°C komplette Auflösung |
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Wie lassen sich die Nitride im Koordinatensystem sortieren? |
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Anwendungsbeispiele für Siciliumcarbid |
- Batterien (Automobilbau) - Bremsscheiben - Dicht- und Regelscheiben - Spühdüsen - Ballistischer Schutz |
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Eigenschaften von SiC |
- geringe Dichte (3 g/cm^3) - Hohe Härte (HV10) !! - Hohe Wärmeleitfähigkeit - Max. Einsatztemperatur 1800°C - gute Gleiteigenschaften - Korrosionsfest |
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Wofür steht SiSiC? |
Siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid |
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Wie ist die SiC Struktur aufgebaut? |
Das SiC Gitter besteht aus SiC4 Tetraedern, welche nach 3C, 2H, 4H, etc angeordnet sein können (?) am stabilsten ist im purem Zustand 6H, ab 10% Al2O3 dann 4H |
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Wie läuft dasYajima-Verfahren ab? |
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Wie funktioniert die Carbothermische Reduktion zur Herstellung von SiC? |
SiO2 + 3 C --> SiC + 2 CO |
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Wie kann man SiC als Abscheidung aus der Gasphase gewinnen? |
SiCl4 + CH4 --> SiC + 4 HCl |
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Wie läuft das Acheson Verfahren ab? |
Man nehme: Quarzsand + Koks + elektrische Energie (8 kWh/kg SiC) SiO2 + 3 C --> SiC + 2 CO |
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Wie sieht der Querschnitt eines Acheson Ofen aus? |
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Wie unterscheiden sich alpha und beta SiC? |
alpha hat eine 6H Struktur beta hat eine 3C Struktur |
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Es gibt SiC- Werkstoffe mit bloßer Eigenbindung, wofür stehen folgende Abkürzungen?
R-SiC
RB-SiC
HIP-SiC
CVD-SiC |
R-SiC = rekristallisiertes SiC
RB-SiC = reaktionsgebundenes SiC
HIP-SiC = isostatisch heißgepresstes SiC
CVD-SiC = über die Gasphase abgeschiedenes SiC (chemical vapour deposition) |
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Es gibt SiC mit Fremdphasen im Korngrenzenbereich durch Additive, wofür stehen die Abkürzungen? S-SiC LPS-SiC HP-SiC HIPS-SiC |
S- SiC = drucklos gesintertes/ festphasengesintertes SiC LPS-SiC = liquid phase sintered HP-SiC = hot pressed HIPS-SiC = HIP nachgesintertes S-SiC |
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SiC als Verbund hat verschiedene Abkürzungen, wofür stehen sie? K-SiC N-SiC Si-SiC --------------------------------------------- SiC(fiber)/ SiC(matrix) C(fiber)/SiC(matrix) SiC(fiber)/SiC-Si(matrix) |
K-SiC = SiC in silikatkeramischer Matrix N-SiC = SiC in Si3N4- / Si2N2O Matrix Si-SiC = Siliziuminfiltriertes SiC |
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Was gehört zu offenporösem Siliciumcarbid? |
- R-SiC - N-SiC - K-SiC |
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Was gehört zu dichtem Siliciumcarbid? |
- RB- Si-SiC - SSiC -HIP-SiC -LPS-SiC |
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Wozu benötigt man lose SiC Körner? |
- Läppen - Polieren - Aufkohlen |
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Wozu braucht man gebundene SiC Körner? |
- Schleifbänder - Brennhilfsmittel - Ofenausmauerungen (porös) |
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Wozu braucht man selbstgebundene (dichte) SiC |
- Dichtungsringe - Düsen - Bremsscheiben |
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Aus was besteht der Mischkristall im LP-SiC Gefüge? |
Aus SiC und oxinitridischem SiC |
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Aus was besteht die oxidische Sekundärphase des LP-SiC Gefüges? |
Aus einem Kristall der umgebenden Glasphase Y3Al5O12 YAG |
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Wie läuft das Flüssigphasensintern bei SiC ab? |
Siliciumcarbidpulver und variierende Mischungen von oxidkeramischen Pulvern, oft auf der Basis von Aluminiumoxid Drucksinterverfahren (20-30 MPa) ,2000°C dabei entsteht eine hohe Festigkeit (zwischen SSiC und Si3N4) |
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Was sind die Vorteile bei SSiC? |
-sehr hohe thermische Beständigkeit - Hohe Verschleißbeständigkeit - Diamantähnliche Härte |
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Was ist die Besonderheit und Vorgehensweise bei SiSiC? |
- nahezu Porenfrei - Man nehme einen Formkörper aus SiC und fügt zu dem flüssiges Si und C hinzu - Dabei entsteht weiteres SiC und die restlichen Lücken füllen sich mit Si auf - deshalb entstehen keine Schwindungen - die Temperaturanwendung ist jedoch begrenzt durch den Schmelzpunkt fl. Si (1400°C) |
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Was sind die Besonderheiten und Vorgänge von R-SiC? |
- 13% offene Porosität - Man heize den Ofen auf 2400°C - dabei verbinden sich grobe und feine Pulver supii - Schwindungsfrei - aber nicht besonders Korrosionsbeständig (wegen Porositöt) |
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Was sind die Besonderheiten und Vorgänge beim N-SiC |
Auch sehr porös (wie R-SiC) - man nehme einen Formkörper aus SiC-Granulat und menge Si-Pulver unter - Bei 1400°C in dem Ofen - danach leicht abkühlen lassen, damit sich eine schützende Oxidkruste bildet - besser oxidationsbestädig, weil die Porosität nicht so offen wie bei R-SiC ist |
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Wie ist der Ablauf bei Polymerabgeleiteten Keramiken? |
1) Polymer -> Vernetzung/Formgebung (100-400°C) 2) Grünkörper -> Pyrolyse (1300°C) 3) Amorphe Keramik |
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Was passiert bei der Pyrolyse? |
H20, CH4, H2 und CO werden entfernt |
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Was ist ein Präkursor |
Ausgangsstoffe |
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Was sind Precursor für SiCN? |
Polysilazane (vernetzt) und Polysilylcarbodiimide (nicht vernetzt) |
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Was ist SLA? |
AM mit Laser von unten |
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Welche Polymorphe hat Kohlenstoff? |
- Diamant - Graphit - Fullerene - CNT (carbon nano tubes) |
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Wie sieht das Phasendiagramm von Kohlenstoff aus? |
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Was ist Lonsdaleit? |
Kohlenstoff, der den selben Aufbau wie Graphit hat, aber sp^3 Hybridisiert ist. Wie Diamant. |
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Was für eine Struktur haben
Diamant
Graphit
Fulleren/Nanotubes |
Diamant -> kubisch (flächenzentriert)
Graphit -> rhomboedrisch
Fullerene/nanotubes -> kubisch flächenzentriert (fcc) |
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Eigenschaften von Diamanten |
- Höchste bekannte Wärmeleitfähigkeit (20 W/(cm*K)) -> Leitung über Gitterschwingungen (Phononen) - Isolator - Hart - Bei RT metastabil - verbrennt bei 800°C zu CO2 |
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Wie kann man Diamanten herstellen? |
- in 150km Tiefe
- durch high pressure high temperature
- Schockwellensynthese
- CVD (aus Methan, dabei entsteht Wasserstoffgas) |
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Was sind Besonderheiten des Graphits? |
- sp^2 Hybridisierung -> sigma-Bindung zu je drei C in der Ebene - Hexagonale Struktur - durch van der Waals Bindungen verbunden |
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Wie wird Graphit hergestellt? |
- Durch Förderung als Graphitkristall in Asien - Pyrolyse von Erdöl und Kohle (hauptsächlich) |
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Wie unterscheiden sich synthetische und natürliche Graphite? |
synthetische Graphite weisen eine hexagonale alpha Struktur (AB) auf natürliche Graphite weisen bis zu 30% eine rhombische beta Struktur auf (ABC) |
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Anwendungsbeispiele für Graphit |
-Tiegel - Bleistift - Heizelement |
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Was ist Graphen? |
Graphen ist eine monoatomare Schicht aus Kohlenstoffen Basalebene des sp^2-hybridisierten Kohlenstoffs |
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Was sind Fullerene? |
Runde Moleküle bestehend aus Fünf-und Sechsecken |
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Wie stellt man Fullerene her? |
Durch Lichtbogenverdampfen einer Graphitscheibe oder man schaut in Meteoriten nach, oder an Stellen, an denen der Blitz eingeschlagen hat |
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Was sind SWCNT und MWCNT? |
Singe wall carbon nano tubes bzw multi wall carbon nano tubes beide sind quasi aufgerollte Graphene mit Fullerendeckel das Young Modul ist 5-6 mal stärker als bei Stahl |
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Was ist Karborundum? |
Karborundum ist eine Mischung aus Kohlenstoff und Korund |
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Welche Struktur hat Borcarbid? |
Rhomboedrisch mit Ikosaedern B-C-Bindungen haben 94% kovalenten Anteil |
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Was für besondere Eigenschaften hat Borcarbid? |
- Tm von 2500°C
- Siedepunkt von 3500°C
- Härte von 9,5 Mohs - gerine Porosität - allg. besser als SiC |
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Wofür wird Borcarbid verwendet? |
- Als Antioxidant (Stahlproduktion)
- Schleifmittel
- Verschleißschutz |
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Wie kann Borcarbid hergestellt werden? |
- Synthese aus Elementen - Magnesiothermisch - Carbothermische Reduktion von Borsäureanhydrid - Reduktion von Bortrichlorid durch Wasserstoff - Abscheidung aus der Gasphase |
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Wie läuft die carbothermische Reduktion von Borcarbid ab? |
2 B2O3 + 7C --> B4C + 6 CO |
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Wie wirkt der Hochdruckeffekt? |
G = H - T*S = U + p*V -T*S => Unter hohem Druck und hoher Temperatur entstehen Strukturen hoher Entropie (Le Chatelier) |
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Was bedeutet ein metastabiler Zustand? |
Ein Zustand ist metastabil, wenn er thermodynamisch instabil ist, jedoch die Umwandlung zum stabilen zustand kinetisch behindert wird. |
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Was ist ein Multi-Anvil? |
Ein gerät, mit dem man anhand von sechs Stempel bis zu 20 GPa Druck ausüben kann Damit kann man unter hohen Temperaturen Diamanten herstellen |
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Wenn man Graphene prepariert, gibt es zwei Methoden:
- Top-down approach
- Bottom- up approach
Was wird dort angewandt? |
Top-down: - micromechanical exfoliation - hummers method (Graphite oxide)
Bottom-up: (from carbon precursor) - CVD of hydrocarbon - Epitaxial growth on SiC |
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Wie funktionieren die Bottom-up Methoden zur Herstellung von Graphen? |
CVD: Man nehme eine Platte aus Nickel, lasse darüber Methan fließen. Danach abkühlen lassen und tadaa, auf der Oberfläche findet man Graphen Epitxal growth on SiC: Man nehme eine SiC Platte, erhitze sie, lasse das Si verdampfen und tadaa, zurück bleiben nur Graphenschichten. |
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Wie sind die Methoden zum Top-down Ansatz bei der Herstellung von Graphen? |
Micromechanical exfoliation: Man füge Kalium hinzu, welches die oberen (30) Schichten abträgt und tadaaa, man hat die kleinste Lasagne der Welt Graphite Oxide Methode: Man oxidiert die Blöcke, woraufhin sie sich abtrennen. Ist sehr günstig, man gewinnt allerdings keinen reinen Kohlenstoff. Dazu müsste man den Stoff noch hydratasieren, dabei entstehen aber Löcher und keine Reste bleiben trotzdem bestehen :( |
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Warum stellt man Polymerabgeleitete reduzierte Graphenoxide her? |
sind gute Isolatoren und die Carboxylgruppen zeigen hydrophiles Verhalten und die Formation einer GO Suspension |
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Was ist die Herausforderung von Faserverbunden? |
Herausforderung ist die Anbindung der Faser an den Werkstoff |
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Was bedeuten die Carbonfaserarten? HT IM HM UM UHM UMS HMS |
HT = high tenacity (hochfest) IM = Intermediate Modulus HM = High modulus (hochsteif) UM = ultra modulus UHM = Ultra high modulus UMS = Ultra modulus strength HMS = hochsteif/hochfest |
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Was sind Strukturmerkmale der Hochfest (HF)-Kohlenstofffaser? |
Schichtebenen liegen vorwiegend parallel zur Faserachse vor geringe Fernordnung |
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Was sind Strukturmerkmale der Hochmodul-Kohlenstofffaser? |
Schichtebenen liegen auch hier parallel zur Faserachse gute Fernordnung Zum Beispiel Graphitfaser |
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Was sind Strukturmerkmale der Isotropen Kohlenstofffaser? |
es gibt keine erkennbare Vorzugsordnung und nur schwache Fernordnung |
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Was sind Eigenschaften von Carbonfasern? |
- hohe Festigkeit/Steifigkeit/Ermüdungsbeständigkeit - hoher Preis - negativer thermischer Ausdehnungskoeffizient - elektrisch leitend |
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Was sind Anwendungsbeispiele für Carbonfasern? |
- Luftfahrt: Rumpf, Klappen, Sitze, Fußbodenträger - Sport: Angelruten, Skier, Skistöcke, Tennisschläger |
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Was sind die Schritte zur Herstellung einer Carbonfaser? |
1) Stabilisieren oxidative und/oder chemische Behandlung der Ausgangsfaser 2) Carbonisieren thermischer Abbau des stabilisierten, unschmelzbaren Faserzwischenprodukts -> Hierbei entstehen HF-Fasern und isotrope Fasern 3) Graphitieren Hochtemperaturbehandlung mit oder ohne Faserverstreckung -> hierbei entstehen HM-Kohlenstofffasern |
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Wie sind SCS-6 Fasern aufgebaut? |
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Wie sieht die Si-haltige keramische Faser der ersten Generation aus? |
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Wie sieht die Si-haltige Faser der zweiten Generation aus? |
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Wie sieht die Si-haltige keramische Faser der dritten Generation aus? |
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Wie läuft das Yajima-Verfahren für SiC-Fasern ab? |
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Wie stellt man das anwendungsrelevanteste Borid nämlich das TiB2 her? |
- carbothermische Reduktion B3O2 + 7 C + 6 Ti(IV)O2 --> 3 TiB2 + 7 CO2 Um Verunreinigungen durch C zu verhindern: Zugabe von Al, Mg oder Si |
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Wofür wird Titanborid verwendet und warum? |
Als Kathodenwerkstoff, oder bei Verschleißteilen im Maschinenbau weil die Schmelztemperatur bei 3200°C liegt und es von allen Metallboriden die höchste Härte aufweist |
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Wie sind Silicide aufgebaut? |
Wie Boride ist das Si auf interstitiellen Plätzen (Einlagerung) und verleiht so metallischen Charakter. Sie können die gleiche Stöchiometrie aufweisen, aber unterschiedliche Strukturen erfüllen (CrSi2 und TiSi2) |
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Beispiele von Siliciden |
MoSi2 (Hochtemperaturheizleiter) Mn15Si26 |
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Was sind MAX Phasen? |
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Was ist das besondere an MAX- Phasen? |
die AX Bindungen sind stark kovalent => keramische Eigenschaften die MA-Bindungen sind relativ schwach => metallische Eigenschaften (leitfähigkeit) und sie schmelzen nicht, sondern zersetzen direkt (850-2300°C) |
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Wie sehen MAX-Phasen aus, wenn man sie bearbeitet? |
Lagen trennen sich und die Struktur sieht aus wie ein zusammengedrücktes Deck Karten |
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Wie kann man MAX-Phasen herstellen? |
durch CVD, PVD und Pulsed discharge sintering und S-HIP |
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Wie stellt man aus MAX Phasen MXene Phasen her? |
1) Abätzen der A Schicht 2) Rausfiltern der A Schichten 3) Ultraschallbehandlung => man erhält separate 2D MXene Schichten |
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Welche Arten von Glas gibt es? |
- Flachglas - Hohlglas - Faserglas (Glaswolle) - Sondergläser |
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!!! Was ist die Definition von Glas? !!! |
Strukturgläser sind Festkörper mit nicht-kristalliner Anordnung ihrer Bausteine, für die reproduzierbar eine Glastransformationstemperatur nachgewiesen werden kann. |
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Was sind Beispiele für natürliche Gläser? |
- Obsidian - Pechstein - Tektite |
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!! Was sind wichtige Eigenschaften für die Verwendung von Glas? !! |
- chemische Beständigkeit - Kostengünstige Formbegungsmöglichkeiten - Optische Eigenschaften (Transparenz, Homogenität) (- Eigenschaften können angepasst werden) |
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!! Was sind wichtige Rohstoffe für Floatglas? !! |
O, Si, Ca, Na, Al |
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Was sind Gründe für die Glasbildung aus Schmelzen? |
- gerichtete Bindungen - Enthalpie-Funktion (das spezielle Unterkühlungsintervall muss schnell durchschritten werden, ist es zu groß, ist eine Glasbildung nicht möglich) |
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Was bedeutet die Glastransformationstemperatur? |
Elektronische Übergänge frieren um tg ein, wodurch die Umordnung der Atome erschwert wird. |
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Gründe für die thermische Längenänderung |
In einem Kristall werden durch die Oszillationen Abweichungen von der Periodizität erzeugt |
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Welche Gründe hat die thermische Längenänderung? |
a) Gitterschwingungen b) angeregte Zustände |
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