Aufbau der Materie

Hier geht es nur um den Aufbau von Feststoffen, welche als Werkstoffe von Bedeutung sind: Metalle – Keramik – Gläser – Polymere

Metalle

Die Metallatome ordnen sich wie Kugeln in einer Packung. Sehr oft treten dabei dichteste Kugelpackungen auf. Die Bindungskräfte sind nach allen Richtungen gleich. Aus diesem Grund sind zwölf nächste Nachbarn möglich. (In einer Ebene sind es 6 nächste Nachbarn)

Sind es z.B. 3 „verschiedene“ übereinanderliegende Ebenen
kubisch flächenzentriertesGitter, Au, Ag, Cu, Al, Ni, …

Bei zwei „verschiedenen“ Ebenen : hexagonales Gitter (Mg, Zn, Ti …)

Kristallgitter
Translationsgitter

Keramik

Atome der keramischen Stoffe sind meist nicht so dicht gepackt wie Metallatome. Es treten kompliziertere Kristallgitter auf, da die Bindungskräfte gerichtet sind. In Quarz (SiO₂)befindet sich Si-Atom in der Mitte eines Tetraeders. Es ist im Raum gleichmäßig mit 4 Sauerstoffatomen verbunden. Jedes Sauerstoffatom ist mit 2 Siliziumatomen verbunden.

Meistens geringere Dichte als bei Metallen (komplizierte Gitter haben geringeren Packungsanteil, die Atome der keramischen Werkstoffe haben ein geringeres Atomgewicht als die meisten Metallatome)

Sprödere Werkstoffe (komplizierte Gitter haben weniger Gleitebenen)

Gläser

z.B. B₂O₃

Regelloses Netz aus Atomgruppen

Gläser haben keinen Schmelzpunkt, sondern einen „Erweichungsbereich“. Sie werden beim Erwärmen nicht richtig dünnflüssig, sondern eher zähflüssig.

Bei Raumtemperatur ist ein „Fließen“ allerdings nicht oder kaum beobachtbar. Alte Glasscheiben in Kirchen sind zwar unten deutlich dicker als oben, aber weil man diese ungleichmäßig hergestellten Glasscheiben mit der dickeren Seite unten in den Fensterrahmen eingebaut hat.

Die Angabe eines Viskositätswertes bei Substanzen mit Viskositäten über 10000 Pa·s ist nicht mehr sinnvoll ist. Gläser haben 10¹⁹bis 10²¹ Pa·s. (Kochsalz hat einen geringeren Wert und Kochsalz wird natürlich als Feststoff bezeichnet)

Durch die unregelmäßige (=amorphe) Struktur existieren auch keine Gleitebenen. Gläser sind daher spröde Werkstoffe.

Polymere – Kunststoffe

Molekülketten, die z.B. durch Polymerisation entstehen

z.B. Polyethylen

In thermoplastischen Kunststoffen liegen die Molekülketten, unverknüpft nebeneinander vor. Dabei gibt es geordnete (kristalline)und regellose (amorphe) Strukturen. Häufig sind beide Zustände nebeneinander vorliegend.

In gummiartigen Kunststoffen bilden die Molekülketten ein losen Netz mit Verknüpfungen z.B. durch Schwefel bei der Vulkanisation.Der Gummi in einem Tennisball kann also als ein einziges Molekül angesehen werden.

Warum bilden Metalle und keramische Werkstoffe unterschiedliche Gitter?

Atome sind die kleinsten beständigen Bausteine der Materie. Sie bestehen aus einem positiv geladenen Kern (Protonen und Neutronen)und den Elektronen. Die Elektronen „bewegen“ sich auf entsprechenden Bahnen (je nach Modellvorstellung – oder sie sind mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit einfach „da“). Die Valenzelektronen sind die äußersten Elektronen.

Metallatome geben diese ab. Die gesetzmäßige regelmäßige (=kristalline) Anordnung entsteht bei Metallen durch die nach allen Richtungen wirkenden Kräfte (anziehende Gravitationskräfte und abstoßende coulombsche Kräfte zwischen den positiven geladenen Atomrümpfen, anziehende coulombsche Kräfte zwischen der negativ geladenen „Elektronenwolke“ und den Atomrümpfen). Dadurch ergibt sich eine hohe Anzahl nächster Nachbarn. Die nach allen Richtungen gleich wirkenden Kräfte ergeben einfache Gitter. Diese haben Gleitebenen.

Bei keramischen Stoffen können die Kräfte nicht nach allen Richtungen wirken. Es treten nur einige nächste Nachbarn auf. Bei Diamant oder Quarz z.B. genau 4. Da bei der Atombindung keine Atomrümpfe vorhanden sind, treten hier keine abstoßenden coulombschen Kräfte zwischen den Atomen auf. Die Kräfte sind hier gerichtet und nicht nach allen Richtungen gleich. Bei 4 nächsten Nachbarn ergibt sich ein Tetraeder. Hier treten generell kompliziertere Gitter auf. Diese haben wenige oder gar keine Gleitebenen.