Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auch spröde Keramiken lassen sich verformen

06.08.2001



Max-Planck-Forscher gelingt plastische Verformung bruchempfindlicher Keramik / Konsequenzen für technische Anwendung von Keramiken

Strontiumtitanat (SrTiO3), eine bisher bei als extrem bruchempfindlich und spröde bekannte Keramik, lässt sich plastisch verformen. Diese überraschende Entdeckung gelang Materialwissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart. Sie berichten darüber in der August-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" und in der Mai-Ausgabe des "Journal of the American Ceramic Society". Diese neuen Erkenntnisse könnten einige der Konzepte ändern, mit denen keramische Materialien als Ingenieurswerkstoffe heutzutage angewandt werden.


Strontiumtitanat ist ein bedeutender Vertreter einer Gruppe von Oxidkeramiken, die in der kubischen Perowskit-Struktur (als kubisch dichteste Kugelpackung) kristallisieren. Bei normalen Temperaturen verhalten sich die Perowskite wie die meisten keramischen Oxide, einschließlich der üblichen Haushaltkeramiken und der meisten der gesteinsbildenden Mineralien in der Erdkruste - sie sind spröde und bersten wie Glas.

Diese Eigenschaft wurde bisher darauf zurückgeführt, dass sich so genannte Versetzungen nur sehr schwer durch die Kristallstruktur dieser Materialien bewegen können. Unter Versetzungen versteht man Defekte der regulären Kristallstruktur, die als Träger einer dauerhaften plastischen Verformung in den meisten kristallinen Materialien angesehen werden. Bewegt sich eine Versetzung durch einen Kristall, schert sie den Kristall entlang ihres Laufwegs um einen wohldefinierten Verschiebungsvektor ab, vergleichbar einem Teppich, dessen Gesamtverschiebung auf dem Fußboden durch eine kleine Welle erleichtert wird, die sich entlang des Teppichs bewegt.

Die plastische Verformbarkeit von Metallen ist direkt darauf zurückzuführen, wie leicht sich Versetzungen in ihrem Kristallgitter bewegen können. Im Gegensatz dazu erschwert die ionische und kovalente Natur der Bindung in keramischen Oxiden diesen Gleitprozess - bis hin zu hohen Temperaturen um etwa 1000°C bleiben die Versetzungen dann im wesentlichen unbeweglich.

Diesen Mangel an plastischer Verformbarkeit von Strontiumtitanat wollten sich die Forscher am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung zunutze machen, um die elastischen Größen einer neuen mechanischen Versuchseinrichtung in ihrem Labor zu eichen. Zu ihrer Überraschung mussten sie jedoch feststellen, dass sich die bekanntermaßen harte einkristalline Druckprobe aus SrTiO3 bei Raumtemperatur mit einer niedrigen Fließspannung von 120 MPa (vergleichbar der von Aluminium oder von Kupferlegierungen) plastisch verformen ließ und dabei plastische Dehnungen bis zu 7% erreicht wurden.

Die Stuttgarter Forscher begannen daraufhin das Verhaltens von SrTiO3 ausführlich zu untersuchen und entdeckten, dass Strontiumtitanat-Einkristalle in Druckversuchen nicht nur den üblichen Übergang vom formbaren, duktilen Verhalten bei hohen Temperaturen (oberhalb von etwa 1000°C) zu sprödem Verhalten unterhalb dieses Temperaturbereichs vollzogen. Vielmehr fanden sie heraus, dass sich in dem Material unterhalb von 600 °C ein zweiter Übergang zurück zu formbarem Verhalten vollzieht. Die Abbildung zeigt die Fließspannungen, die bei den Druckversuchen bei verschiedenen Temperaturen entlang zweier verschiedener Kristallorientierungen von Strontiumtitanat-Einkristallen gemessen wurden.

Eine detaillierte mikroskopische Analyse von SrTiO3 ergab; dass die Verformung in den Hoch- und Tieftemperaturbereichen von Versetzungen desselben Typs getragen werden. Die Forscher schließen hieraus, dass diese Versetzungen in Strontiumtitanat zwei unterschiedliche Versetzungskernstrukturen besitzen müssen. Da die Versetzungskernstruktur weitgehend durch die Symmetrie und Kristallstruktur des Materials bestimmt wird, liegt nahe zu vermuten, dass solche unterschiedlichen Kernstrukturen von Versetzungen auch in andern Perowskitischen-Keramiken vorkommen könnten.

Die Stuttgarter Forscher wollen nun ihre Untersuchungen auf andere Verformungsmoden und anwendungsorientierte Fragen ausdehnen. Denn nachdem sie zeigen konnten, dass das Paradigma unbeweglicher Versetzungen in keramischen Oxiden bei Raumtemperatur nicht mehr gilt, scheint es angebracht, auch einige Ingenieurskonzepte, die auf der Anwendung von Keramiken aufbauen, neu zu überdenken. Sicherlich sind Keramiken weiterhin spröde und brechen, wenn sie auf den Boden fallen. Doch es kann gut möglich sein, so vermuten die Wissenschaftler, dass man diese Keramiken bei tiefen (oder sogar kryogenen) Temperaturen doch verformen kann. In ähnlicher Weise könnte Sandstrahlen, das in der Oberflächenschicht von Metallen eine erhöhte Versetzungsdichte mit einem vorteilhaften Druckspannungszustand erzeugt, in Keramiken eine ähnliche Wirkung erzielen. Diese und andere Überlegungen sind jetzt Ziel weiterführender Untersuchungen. Daneben wollen die Forscher zusätzliche mikroskopische Untersuchungen vornehmen, um die bisher offensichtlich nicht bekannten Kernstrukturen dieser Versetzungen genauer aufzuklären.

Dieter Brunner | Max-Planck-Institut für Metallfo

Weitere Berichte zu: Keramik Kristallstruktur Oxid SrTiO Verformung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Perowskit-Solarzellen: Es muss gar nicht perfekt sein
15.01.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Fraunhofer IMWS testet umweltfreundliche Mikroplastik-Alternativen in Kosmetikartikeln
11.01.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Im Focus: Wie Metallstrukturen effektiv helfen, Knochen zu heilen

Forscher schaffen neue Generation von Knochenimplantaten

Wissenschaftler am Julius Wolff Institut, dem Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien und dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

2. Hannoverscher Datenschutztag: Neuer Datenschutz im Mai – Viele Unternehmen nicht vorbereitet!

16.01.2018 | Veranstaltungen

Fachtagung analytica conference 2018

15.01.2018 | Veranstaltungen

Tagung „Elektronikkühlung - Wärmemanagement“ vom 06. - 07.03.2018 in Essen

11.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal mit neuem Onlineauftritt - Lösungskompetenz für alle IT-Szenarien

16.01.2018 | Unternehmensmeldung

Die „dunkle“ Seite der Spin-Physik

16.01.2018 | Physik Astronomie

Wetteranomalien verstärken Meereisschwund

16.01.2018 | Geowissenschaften