Polymorphismus, Allotropie und Kristallgitterfehler

Polymorphismus und Allotropie

Ein einzelnes Element oder eine Verbindung kann unter verschiedenen Druck- (P) und Temperaturbedingungen (T) in mehr als einer kristallinen Struktur vorliegen.

Beispiel: Diamant vs. Graphit

• Diamant: Kovalente 3D-Struktur, hart, transparent, wärmedämmend.
• Graphit: Laminare Struktur, sekundäre Bindungen zwischen den Schichten, weich, undurchsichtig, elektrisch leitfähig.

Arten von Gitterfehlern

Punktdefekte

• Leerstellen: Fehlen eines Atoms an einer Position, an der es sein sollte.
• Zwischengitteratome: Ein Atom nimmt eine Zwischengitterposition ein (seltener).

Auftreten: Während der Erstarrung (Verunreinigungen, Legierungen), durch Teilchenbeschuss oder bei plastischer Verformung durch thermische Schwingungen.

• Schottky-Defekt: Leerstellen in einem Ionenkristall. Um die Elektroneutralität zu wahren, treten Anionen- und Kationenleerstellen paarweise auf.
• Frenkel-Defekt: Ein Ion wandert aus seiner normalen Position auf eine Zwischengitterposition (Kombination aus Leerstelle und Zwischengitteratom).
• Antistrukturelle Fehlordnung: Ein Order-Disorder-Phänomen, bei dem Atome Positionen des jeweils anderen Untergitters besetzen (bei Legierungen mit ähnlicher Elektronegativität).

Lineare Defekte

Versetzungen

Dies sind Defekte, die eine Verzerrung des Gitters entlang einer Linie verursachen.

Eigenschaften: Sie können sich innerhalb des Kristalls mit relativ geringem Aufwand bewegen und führen zu einer Verschiebung der Gitterebenen. Sie erklären, warum der theoretische E-Modul größer ist als der experimentelle E-Modul und ermöglichen die plastische Verformung in Metallen (Duktilität).

Entstehung: Während der Erstarrung, durch plastische Verformung oder durch Kondensation von Leerstellen.

Typen: Stufenversetzungen (Randversetzungen) und Schraubenversetzungen (Burgers-Vektor).

Planare Defekte

• Korngrenzen: Trennen Kristalle unterschiedlicher Orientierung. Sie entstehen während der Erstarrung, wenn unterschiedlich orientierte Kristalle zusammenwachsen. Sie behindern die Bewegung von Versetzungen und beeinflussen die mechanischen Eigenschaften sowie die Korngröße.
• Oberflächen: Die Begrenzung der Kristallstruktur. Atome an der Oberfläche haben eine geringere Koordinationszahl als im Inneren.
• Stapelfehler: Abweichungen vom idealen Stapelmuster der Gitterebenen.
• Zwillingsgrenzen (Macla): Trennen zwei Teile eines Korns mit einer spezifischen Orientierungsbeziehung (Spiegelebene). Entstehen durch Verformung oder Wärmebehandlung und behindern die Versetzungsgleitung.