Nanokristalline Materialien
Nanocrystalline Materials

Nanokristalline Materialien sind polykristalline Festkörper mit einer "Nano"-Mikrostruktur. Unter der Mikrostruktur eines Materials versteht man die Art, Kristallstruktur, Anzahl, Form und topologische Anordnung von Punktdefekten, Versetzungen, Stapelfehlern und Korngrenzen in einem kristallinen Material. Die Mikrostruktur wird bei der Herstellung und Verarbeitung von nanokristallinen Materialien erzeugt und verändert. Sie spielt eine wichtige Rolle bei den Eigenschaften der Endprodukte, wie z.B. der Möglichkeit zu superplastischen Verformung oder beim Transport von Elektronen und Ionen.

Themen der Vorlesung sind:

01. Einführung und Mikrostruktur 

02. Festkörperdiffusion - Mechanismen 

03. Festkörperdiffusion - Korngrenzendiffusion 

04. Phasenumwandlungen 

05. Phasendiagramme

06. Phasenumwandlungen - Größeneffekte

07. Verdichtung und Formgebung

08. Sintern - Thermodynamik und Kinetik 

09. Sintern - Kontrolle der Mikrostruktur

10. Eigenschaften und Anwendungen: Transportphänomene

11. Eigenschaften und Anwendungen: Katalyse und Sensorik

dabei werden sowohl die physikalisch-chemischen (Festkörperchemie- und Physik) und materialwissenschaftlichen Grundlagen behandelt, als auch die Herstellung, Verarbeitung, strukturelle Charakterisierung, Eigenschaften und Anwendung der nanokristallinen Materialien.

Im Praktikum wird ein Varistor-Bauelement aus nanokristallinem ZnO hergestellt und strukturell und elektrisch charakterisiert:

1. Festkörperdiffusion und EDX (HRSEM)
2. Spark-Plasma-Sintern von nanokristallinem ZnO und Mikrostrukturentwicklung (HRSEM, XRD)
3. Varistor-Bauelement und I-U-Kennlinie

Die Studierenden sollten in der Lage sein, Mikrostruktur insbesondere Korngrenzen und die Auswirkungen auf Festkörpereigenschaften qualitativ zu beschreiben. Die Studierenden verstehen Mechanismen von Festkörperdiffusion und Sintern und Modelle zu ihrer quantitativen Beschreibung. Sie beherrschen Verfahren zur Verarbeitung und Charakterisierung entsprechender Nanomaterialien und die Methoden zur Einstellung verschiedener Mikrostrukturen.

Zur Einführung
• A. S. Edelstein and R. C. Cammarata (eds.), Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, IOP, Bristol 1996
• H. Gleiter, Microstructure, chapter 9 in R. W. Cahn, P. Haasen (eds.), Physical Metallurgy, Elsevier, London 1996
• W. Schilling, K. Urban, and H. Wenzl, Elektrokeramische Materialien, 26. IFF Ferienkurs, Jülich 1995

Zur Vertiefung
• Y.-M. Chiang, D. Birnie, and W. D. Kingery, Physical Ceramics - Principles for Ceramic Science and Engineering, Wiley, New York 1997
• J. Maier, Physical Chemistry of Ionic Materials Ions and Electrons in Solids, Wiley 2004
• M. N. Rahaman, Ceramic Processing and Sintering, Marcel Dekker 2003
• J. E. Reed, Principles of Ceramics Processing, Wiley 1995
• R. M. German, Sintering Theory and Practice, Wiley 1996
• D. Wolf, and S. Yip, Materials Interfaces: Atomic level structure and properties, Chapman and Hall, London 1992

Original-Literatur zur Vertiefung, z.B. in den Zeitschriften
• Materials Research Society Bulletin
• Advanced Materials
• Journal of the American Ceramic Society
• Acta Materialia
• Journal of Materials Science

Nanocrystalline materials are polycrystalline solids with a "nano"-microstructure. The microstructure of a material is the type, phase, number, morphology and topological arrangement of point defects, dislocations, stacking faults and grain boundaries in a crystalline solid. The microstructure is generated and modified during production and processing of nanocrystalline materials and determines the physical and chemical properties of the final products, such as superplastic deformation or transport of ions and electrons.

Topics of the lecture are:

01. Introduction and microstructure
02. Solid state diffusion - mechanisms
03. Solid state diffusion - grain boundary diffusion
04. Phase transitions
05. Phase diagrams
06. Phase transitions - size effects
07. Consolidation and Shaping
08. Sintering - Thermodynamics and Kinetics
09. Sintering - Control of microstructure
10. Properties and Applications - transport phenomena
11. Properties and applications - catalysis and sensors


In the labcourse a varistor device consisting of nanocrystalline ZnO is produced and structurally and electrically characterized:

1. Solid state diffusion and EDX (HRSEM)
2. Spark-plasma-sintering of nanocrystalline ZnO and microstructural development (HRSEM, XRD)
3. Varistor-Device and characteristic I-U curve

The students are able to qualitatively describe microstructures, especially grain boundaries and corresponding solid state properties. The students understand mechanisms of solid state diffusion and sintering and quantitative models. They master methods to process and characterize nanomaterials and methods to control different microstructures.

Zur Einführung
• A. S. Edelstein and R. C. Cammarata (eds.), Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, IOP, Bristol 1996
• H. Gleiter, Microstructure, chapter 9 in R. W. Cahn, P. Haasen (eds.), Physical Metallurgy, Elsevier, London 1996
• W. Schilling, K. Urban, and H. Wenzl, Elektrokeramische Materialien, 26. IFF Ferienkurs, Jülich 1995

Zur Vertiefung
• Y.-M. Chiang, D. Birnie, and W. D. Kingery, Physical Ceramics - Principles for Ceramic Science and Engineering, Wiley, New York 1997
• J. Maier, Physical Chemistry of Ionic Materials Ions and Electrons in Solids, Wiley 2004
• M. N. Rahaman, Ceramic Processing and Sintering, Marcel Dekker 2003
• J. E. Reed, Principles of Ceramics Processing, Wiley 1995
• R. M. German, Sintering Theory and Practice, Wiley 1996
• D. Wolf, and S. Yip, Materials Interfaces: Atomic level structure and properties, Chapman and Hall, London 1992

Original-Literatur zur Vertiefung, z.B. in den Zeitschriften
• Materials Research Society Bulletin
• Advanced Materials
• Journal of the American Ceramic Society
• Acta Materialia
• Journal of Materials Science