Читать книгу Grundlagen der Funktionswerkstoffe für Studium und Praxis - Janko Auerswald - Страница 14

Aufgrund der atomaren Bausteine und der chemischen Bindung lassen sich die Werkstoffe in verschiedene Klassen einteilen: Metalle, Halbleiter, Keramiken (sowie Gläser und anorganische Bindemittel wie Zement) und Kunststoffe. Die Kombination von Materialien aus verschiedenen Klassen führt zu den Verbundwerkstoffen.

Metalle werden durch die Metallbindung zusammengehalten. Sie kommen oft in Form von Legierungen zum Einsatz, seltener in ihrer reinen Form. Durch Legieren mit anderen chemischen Elementen werden die Eigenschaften gezielt verändert. Verglichen mit Kunststoffen ist ihre Bindungskraft (der Elastizitätsmodul oder E-Modul) hoch, jedoch in der Regel etwas kleiner als bei Keramiken. Sie sind gut plastisch verformbar. Reine Metalle sind elektrisch und thermisch gute Leiter. Viele Metalle und Legierungen sind korrosionsempfindlich.

Metalle haben relativ einfache, dichtgepackte Kristallgitterstrukturen, die durch Elementarzellen beschrieben werden (Abb. 1.2). Eine Elementarzelle ist eine kleine geometrische Einheit, die den gesamten Kristall komplett beschreibt. Metalle werden als Funktionswerkstoffe eingesetzt für mechanische Konstruktionsteile, für Leiter (Kabel und Leiterbahnen), Widerstände, Kontaktwerkstoffe, Gehäuse und andere Konstruktionsbauteile, Lötlegierungen (Sn-Pb und bleifrei), Sensoren (Thermoelemente), Aktuatoren (Formgedächtnislegierungen), weichmagnetische Induktivitäten (Spulenkerne) oder (Bio-)Sensoroberflächen.

Abb. 1.2 Typische Gitterstrukturen von Metallen. (a) kubisch-flächenzentrierte Elementarzelle (kfz), (b) kubisch-raumzentrierte Elementarzelle (krz), (c) Elementarzelle der hexagonal dichtesten Packung (hdp)

Anorganische Halbleiter bestehen aus Elementen der oberen IV. Hauptgruppe wie Silizium oder Germanium oder als Verbindungshalbleiter aus einer Kombination von Elementen aus verschiedenen Hauptgruppen (IV-IV, III-V, II-VI). Sie werden in der Regel dotiert und beruhen auf Atombindung (gemeinsame Elektronenpaare). Im Gegensatz zu Metallen (Kaltleiter) leiten Halbleiter besser bei höheren Temperaturen (Heißleiter). Sie sind spröde. Halbleiter der Hauptgruppen IV und III-V basieren auf der Diamant- bzw. Zinkblendestruktur (Abb. 1.3).

Halbleiter werden eingesetzt als Dioden (p-n-Übergang), Transistoren (mehrere p-n-Übergänge), Leuchtdioden (LED), Laserdioden, Photodioden und Solarzellen. Des Weiteren kommen sie als Sensoren und Aktuatoren zum Einsatz (Transducer, z. B. Peltier-Elemente).

Keramiken basieren auf Ionenbindungen (oder stark polarer Atombindung) zwischen Metallen und Nichtmetallen. Sie sind im undotierten Zustand Isolatoren. Sie zeichnen sich durch einen hohen E-Modul, einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sehr gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Korrosion und Verschleiß sowie durch eine geringere Dichte als Metalle aus. Sie sind jedoch spröde und nicht verformbar. Ihre Kristallstruktur ist komplexer aufgebaut als die einfachen dichten Packungen von Metallen (Abb. 1.4). Im angelsächsischen Sprachraum zählen auch die amorphen Gläser und anorganische Bindemittel (z. B. Zement) zur Klasse der Ceramics.

Abb. 1.3 Die Elementarzellen von Halbleitern der IV. Hauptgruppe (Si und Germanium in der Diamantstruktur (a)) und von III-V-Halbleitern (z. B. GaAs, eng verwandte Zinkblendestruktur (b)). Grundbaustein beider Strukturen ist ein kfz-Gitter, [1/4, 1/4, 1/4] eingeschoben wurde. Anders betrachtet kann man auchsagen, dass im ersten kfz-Gitter jede zweite Tetraederlücke (oder jeder zweite Achtelwürfel in seiner Mitte) mit einem weiteren Atom besetzt ist.

Abb. 1.4 Struktur von piezoelektrischen Keramiken auf Basis der Perowskit-Struktur. (a) Elementarzelle oberhalb derCurie-Temperatur; (b) Elementarzelle unterhalb der Curie-Temperatur, wo ferro- und piezoelektrische Eigenschaften vorliegen.

Keramiken werden eingesetzt als Kondensator-Dielektrika, Isolatoren, Sensoren und Aktuatoren (Piezos), Ionenleiter (Lambda-Sonde, Brennstoffzellen), Ferritmagnete, superparamagnetische Nanopartikel ohne Hysterese (Induktivitäten) in der Hochfrequenztechnik, als Hochtemperatur-Supraleiter oder als Laserkristalle (mit seltenen Erden dotiert). Der Einsatz von Keramik als Strukturwerkstoff erfolgt vor allem für Anwendungen bei hohen Temperaturen, bei starker Verschleißbeanspruchung oder in der Medizintechnik.

Abb. 1.5 Strukturmodell von Kunststoffen (Polyethylen). Kunststoffe bestehen aus kettenförmigen Makromolekülen mit Tausenden von Atomen. Der Kohlenstoff ist sp³-hybridisiert, seine vier Bindungsarme zu den Nachbaratomen spannen einen Tetraeder auf.

Polymere Werkstoffe (Kunststoffe) mit Tausenden von Atomen in den Molekülketten basieren auf einem eigenen Strukturmodell (Abb. 1.5). Sie bestehen aus sehr langen Makromolekülen, die chemisch vernetzt (Elastomere, Duroplaste, Photore-sists) oder nicht vernetzt (Thermoplaste) sein können. Sind Segmente dieser langen Ketten regelmäßig angeordnet, z. B. abschnittsweise parallel, spricht man von teilkristallinen Polymeren, andernfalls von amorphen. Die Bindungen innerhalb der Kettenmoleküle (Primärbindungen) sind sehr starke Atombindungen. Der E-Modul und die Festigkeit werden jedoch definiert durch die schwachen zwischenmolekularen Bindungen. Produkte aus Kunststoff sind billig herstellbar, nicht sehr temperaturbeständig, leicht und besitzen im Normalzustand eine schlechte thermische und elektrische Leitfähigkeit.

Im Bereich der Funktionswerkstoffe werden Polymere eingesetzt als Isolatoren, Kondensator-Dielektrika, Sensoren und Aktuatoren (Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Piezo), Polymere als Matrix für diffusionsgesteuerte Medikamentenabgabe über die Haut oder als Implantat, Substrate für Leiterplatten und Flexprints, Polymerhalbleiter oder als Ionenleiter (Ionenaustauschpolymere) in Brennstoffzellen.

Verbundwerkstoffe Durch Kombinationen verschiedener Werkstoffklassen entstehen Verbundwerkstoffe mit besonderen Eigenschaften, welche die Nachteile der einzelnen Komponenten kompensieren. So verleihen Fasern aus sprödem Glas dem Duroplast Epoxidharz eine höhere Temperaturbeständigkeit und Steifigkeit, ohne dass sich der LeiterplattenwerkstoffFR 4 spröde verhält. Ein offenes Thema ist aber das Recycling von Verbundwerkstoffen.