E5 Keramik-Phasendiagramm

Thema

Das Phasengleichgewicht eines Mehrkomponenten-Keramiksystems – beispielsweise aus Siliciumdioxid und Aluminiumoxid – ist Gegenstand dieses Modells. Dessen charakteristischstes Merkmal ist, dass dieses System, anders als in metallischen Systemen, häufig eine peritektische anstelle einer einfachen eutektischen Reaktion zeigt. Da diese peritektische Reaktion das häufigste Verhalten in einem Mehrkomponenten-Keramiksystem darstellt, muss vorab erläutert werden, wie sie sich von einer einfachen eutektischen Reaktion unterscheidet.

Bei einer einfachen eutektischen Reaktion wandelt sich die Flüssigkeit beim Abkühlen direkt in zwei gleichzeitig entstehende, unterschiedliche feste Phasen um. Bei einer peritektischen Reaktion hingegen reagiert die Flüssigkeit mit einer bereits vorhandenen festen Phase, wodurch eine neue feste Phase entsteht. Da das Mehrkomponenten-Keramiksystem auf diese zweite Weise reagiert, hängt die endgültige feste Phase des Systems sowohl von der verbleibenden Flüssigkeit als auch von der zuerst gebildeten festen Phase ab.

Die Tatsache, dass das keramische System an einem bestimmten Punkt im Phasendiagramm genau diese peritektische Reaktion – und keine andere – zeigt, ist auf die freie Mischungsenergie des Systems zurückzuführen, die als reguläre Lösung modelliert wird. Diese freie Mischungsenergie bestimmt über die Clausius-Clapeyron-Gleichung die genaue Lage der invarianten Gleichgewichtslinien im Diagramm, einschließlich der bereits dargestellten peritektischen Linie. Diese Gleichung beschreibt, wie sich eine Gleichgewichtslinie zwischen Phasen mit Temperaturänderungen aufgrund des Wärme- und Volumenaustauschs zwischen den Phasen während der Umwandlung verschiebt. Da diese freie Mischungsenergie die Lage dieser Linien bestimmt, ist die genaue Position der peritektischen Reaktion im Diagramm nicht willkürlich, sondern ergibt sich direkt aus den thermodynamischen Eigenschaften des Gemisches.

Diese Phasengleichgewichtsbedingung hängt jedoch nicht allein von der nominellen freien Mischungsenergie ab: Die chemische Aktivität jeder Komponente – die von ihrer nominellen Konzentration abweicht, wenn sich das Gemisch nicht wie eine ideale Lösung verhält – modifiziert die genaue Phasengleichgewichtsbedingung. Weicht die chemische Aktivität einer Komponente von ihrer nominellen Konzentration ab, verschiebt sich das Phasengleichgewicht gegenüber dem, was allein durch die nominelle Konzentration vorhergesagt würde.

Sobald dieses Phasengleichgewicht erreicht ist, quantifiziert die Hebelregel für eine gegebene Zusammensetzung und Temperatur, welcher Anteil des keramischen Systems jeder der vorhandenen Phasen entspricht: Der Abstand zwischen der Gesamtzusammensetzung des Systems und der Zusammensetzung jeder Phase innerhalb des Zweiphasengebiets im Phasendiagramm bestimmt diesen Anteil. Liegt die Gesamtzusammensetzung des Systems näher an der Zusammensetzung einer der Phasen, ist der Anteil dieser Phase größer; liegt sie näher an der Zusammensetzung der anderen Phase, ist deren Anteil größer. Dieses Modell verwendet für diese Berechnung dieselbe Hebelregel, die das entsprechende Modell für metallische Systeme bereits für denselben Zweck nutzt.

Dieses Modell, das auf dem Phasengleichgewicht des Mehrkomponenten-Keramiksystems basiert, mit dem es eröffnet wurde, bestimmt daher sowohl die für dieses System charakteristische peritektische Reaktion als auch den Anteil jeder darin vorhandenen Phase: die erste durch die freie Mischungsenergie und die chemische Aktivität, die die Gleichgewichtsbedingung bestimmen; die zweite durch die Hebelregel, die aus dem entsprechenden Modell für metallische Systeme wiederverwendet wurde.

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