Werkstoffkunde: Polymere, Keramiken und Verbundwerkstoffe

Grundlagen der Polymerchemie

Chemische Polymere und ihre Entstehung

Chemische Polymere entstehen, wenn Hunderttausende von Monomermolekülen chemisch miteinander verbunden werden. So entstehen Homopolymere. Werden verschiedene Monomere zu einer Polymerkette verbunden, erhält man Copolymere.

Polymerisationsmethoden

• Polykondensation: Das Kettenwachstum erfolgt durch eine chemische Reaktion zwischen zwei funktionellen Gruppen, meist unter Verlust eines kleinen Moleküls wie Wasser oder Salzsäure.
• Polyaddition: Das Kettenwachstum erfolgt durch die kontinuierliche Addition desselben Typs kleiner Moleküle aneinander, ohne den Verlust eines Moleküls.

Wichtige Begriffe

Öl: Eine dunkle, weniger dichte Flüssigkeit als Wasser. Es ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, die aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Es enthält Paraffine, Naphthaline und Aromaten.

Typen von Polymeren

• Thermoplastische Polymere

  Sie bilden lange, starre Ketten von Kohlenstoffatomen. Diese Kunststoffe können beim Erhitzen verformt und nach dem Abkühlen in der gewünschten Form verfestigt werden. Zu den gebräuchlichsten gehören Polyethylen, Polystyrol und Methacrylat.

• Duroplastische Polymere

  Sie sind weniger anfällig für Verformungen. Ihre Ketten von Kohlenstoffatomen sind vernetzt. Sie sind nicht recycelbar, da sie sich beim Erhitzen zersetzen. Beispiele für diese Polymerarten sind Phenolharze, die in Klebstoffen verwendet werden, sowie Polyharnstoff, der in der ESL-Anwendung zum Einsatz kommt.

• Elastomere

  Dies sind Polymere wie Gummi. Sie können sich unter Druck verformen und kehren nach Beendigung des Drucks in ihre ursprüngliche Form zurück. Beispiele hierfür sind Silikon, Polybutadien und Polychloropren.

Spezifische Polymere

PET (Polyethylenterephthalat): PET ist eine Polyesterfaser, die ursprünglich in der Faserherstellung verwendet wurde. Derzeit wird es hauptsächlich zur Herstellung von Flaschen, Folien und Formteilen eingesetzt.

Keramische Werkstoffe

Keramische Werkstoffe sind Verbindungen aus metallischen Elementen und Nichtmetallen, die ionisch oder kovalent gebunden sind. Sie verhalten sich bei hohen Temperaturen und in aggressiven Umgebungen besser als Metalle und Polymere, doch ihre Sprödigkeit macht sie für viele industrielle Anwendungen ungeeignet.

Arten von Keramischen Werkstoffen

• Glas

  Glas enthält typischerweise etwa 70 % Siliziumdioxid sowie Soda und Kalk. Es ist nicht kristallin.

• Glaskeramiken

  Gläser verlieren ihren amorphen Zustand durch einen kontrollierten Erstarrungsprozess und erreichen dann einen polykristallinen Zustand. Beispiele sind Wärmetauscher oder Kochfelder.

• Tone

  Tone sind hydratisierte Aluminiumsilikate, die leicht zu verarbeiten sind. Ihre Produkte werden in die Kategorien 'weiße Ware' und 'Baukeramik' eingeteilt.

• Feuerfeste Materialien

  Diese bestehen aus groben Partikeln von Metalloxiden und sind für feuerfeste Anwendungen konzipiert. Sie widerstehen chemischen Angriffen und hohen Temperaturen.

• Schleifmittel

  Beispiele für diese Gruppe sind Diamant, Siliziumkarbid, Wolframkarbid oder Aluminiumoxid.

• Zemente

  Zemente sind Calciumsilikate in Pulverform, die beim Mischen mit Wasser eine Paste bilden, die bei Raumtemperatur aushärtet.

• Keramiken (Allgemein)

  Keramische Werkstoffe sind sehr stoßfest, aber ihre Verarbeitung ist langsam und teuer. Bestimmte Keramiken weisen eine höhere mechanische Beständigkeit auf als andere keramische Werkstoffe.

• Hochleistungskeramiken

  Zu dieser Gruppe gehören Carbide, Nitride, Oxide und Boride. Sie weisen hervorragende mechanische und physikalische Eigenschaften bei hohen Temperaturen auf.

  • Aluminiumoxid (Al₂O₃): Es besitzt eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und ist ein ausgezeichneter Wärmeisolator. Es wird als Isolator in Zündkerzen und bei der Herstellung orthopädischer Implantate verwendet.
  • Aluminiumnitrid (AlN): Es ist ein guter elektrischer Isolator und besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Es wird bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet.
  • Siliziumkarbid (SiC): Bekannt für seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. Es wird als Beschichtung von Metallen und bei der Herstellung von Materialien verwendet.
  • Borcarbid (B₄C): Dies ist ein hartes, leichtes und extrem verschleißfestes Material.
  • Aluminium (Metall) und Aluminiumoxid (Keramik): Reines Aluminiummetall ist dehnbar und verformbar und kann Stößen standhalten, ohne zu brechen. Aluminiumoxid-Keramik ist chemisch sehr stabil mit einem Schmelzpunkt von 2020 °C, resistent gegen hohe Temperaturen, aber sehr spröde.

Spezielle Keramische Verbundwerkstoffe

Cermet: Dies ist ein Verbundwerkstoff aus keramischen Partikeln in einer metallischen Matrix.

Verbundwerkstoffe

Verbundwerkstoffe bestehen aus einer Matrix oder einem Bindemittel und anderen Materialien in Form von Fasern oder Partikeln als Verstärkung. Das resultierende Material besitzt bessere Eigenschaften als die einzelnen Komponenten separat.

Arten der Verstärkung

• Partikelverstärkung

  Die Partikel sind härter als die Matrix und verbessern die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs. Bei Cermets sind die harten Partikel in einer Matrix aus metallischem Nickel oder Kobalt eingebettet. Diese Partikel können auch als Fasern in Anwendungen aus den Bereichen IKT (Informations- und Kommunikationstechnologie) und Sanitäranlagen vorkommen.

• Faserverstärkung

  Hier ist die Faser in einer weicheren und duktileren Matrix eingeschlossen.

• Strukturelle Verstärkung

  Diese wird in Laminate und Sandwichstrukturen eingeteilt. Laminate bestehen aus gestapelten Platten mit unterschiedlichen Verstärkungen in verschiedene Richtungen, ähnlich wie Sperrholz. Sie werden bei der Herstellung von Schiffsrümpfen und Gebäudewänden verwendet.

Es gibt verschiedene Arten von Matrizen: