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Der feste Zustand

Allgemeines:
Viele Werkstoffe liegen im festen Zustand vor, ebenfalls lassen sich alle Stoffe außer Helium bei tiefer Temperatur und/oder hohem Druck in den festen Zustand überführen. Zusätzlich unterscheidet sich der feste Zustand von den beiden anderen Aggregatzuständen (flüssig und gasförmig) dadurch, dass sich die Atome bzw. Moleküle nicht mehr stark bewegen können, was zu deutlich anderen Eigenschaften führt.
 

Der feste Zustand:
Oft hört man, dass alle Werkstoffe im festen Zustand kristallin sind. Dies ist nicht ganz richtig. In der Regel sind die Atome im festen Zustand regelmäßig in einer Netzwerkstruktur angeordnet. Hierbei spricht man dann von einem kristallinen Zustand. Es ist aber auch möglich, dass die Atome oder Ionen nicht regelmäßig in einem dreidimensionalen Gefüge angeordnet. Liegt dieser Zustand vor, so spricht man vom amorphen Zustand. Die Struktur des amorphen Zustandes lässt sich mit der einer Flüssigkeit vergleichen, nur dass die Bewegungen der Moleküle "eingefroren" sind, aber ohne zu kristallisieren.  Alle festen Werkstoffe sind entweder kristallin oder amorph, so gibt es drei Möglichkeiten:

  • Kristalliner Aufbau (z.B. bei Metallen): Es liegt hierbei eine geordnete Struktur in den mikroskopischen Bereichen vor.
  • Amorpher Aufbau (z.B. bei Gläsern): In der mikroskopischen Struktur liegen unregelmäßige Atomanordnungen vor.
  • Teilkristalliner Aufbau (z.B. bei Thermoplasten): Hierbei weist die Struktur sowohl kristalline als auch amorphe Bereiche auf.
Unter einem kristallinen Bereich versteht man dabei eine periodische wiederkehrende Atomanordnung mit charakteristischer Symmetrie.
 

Der kristalline Zustand:
Wie bereits erwähnt, sind im kristallinen Zustand sind alle Atome oder Ionen regelmäßig angeordnet. Dies kann man sich z.B gut an einem Ionengitter vorstellen, wo alle Ionen im Gitter regelmäßig angeordnet sind. Dabei besteht jeder Kristall wiederum aus periodisch wiederkehrenden Atomanordnungen. Diese kleinste Baueinheit wird als Elementarzelle bezeichnet. Viele Metalle kristallisieren kubisch, die Elementarzelle ist würfelförmig (lat. Kubus), d.h. alle Kanten sind gleich lang und die
Winkel sind alle 90°. Bei diesem Zustand spricht man auch von einem kubischen Kristallsystem, wobei sich zwei Typen unterscheiden lassen:

  • kubisch flächenzentriert (fcc = face centered cubic, Cu-Typ). Hier werden alle Ecken des Würfels mit Atomen besetzt und in der Mitte jeder Fläche befindet sich ebenfalls ein Atom.
  • kubisch innenzentriert (bcc = body centered cubic, W-Typ). Hier werden alle Ecken des Würfels mit Atomen besetzt und in der Mitte des Würfels befindet sich ein weiteres Atom.
Neben den kubischen Kristallsystemen gibt es auch noch andere Kristallsysteme, wobei "hexagonal" ein wichtiges, weiteres Kristallsystem ist . Diese Kristallsysteme unterscheiden sich anhand der Form der Elementarzelle (z.B. sechskantige Form bei der hexagonalen Struktur). Die meisten Metalle lassen sich aber einem der einfachen drei Strukturtypen kubisch innenzentriert, kubisch flächenzentriert oder hexagonal zuordnen.

Einfluss auf die Eigenschaften des Werkstoffes:
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, hat der innere Aufbau eines Werkstoffes erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften dieses Werkstoffes. Im Gegensatz zu einer Flüssigkeit sind im Kristall alle physikalischen Eigenschaften davon abhängig, in welcher Richtung man den Kristall betrachtet. Dies bezeichnet man auch als anisotrop. 

  • Spaltbarkeit von Kristallen: Kristalle lassen sich sehr leicht spalten, aber nur parallel zu einer bestimmten Fläche, so dass oft dünne Plättchen entstehen.
  • Elastizität ist ebenfalls richtungsabhängig: So ist die Festigkeit bei einem hexagonalen Kristall entlang der a-Achse eine andere als entlang der c-Achse.
  • Ebenfalls sind die optischen Eigenschaften wie z.B. der Brechungsindex richtungsabhängig.


Der amorphe Zustand:
Einige Werkstoffe können auch im amorphen Zustand vorliegen, dabei sind die Atome, Ionen oder Moleküle ähnlich wie in einer Flüssigkeit aneinander gebunden, ohne dass über sehr große Bereiche eine Ordnung zu erkennen wäre (Nahordnung, aber keine Fernordnung).
Bestes Beispiel ist Glas, dass hauptsächlich aus SiO2 besteht. In der dreidimensionalen Netzstruktur ist dabei jedes Si-Atom von vier O-Atomen umgeben. Aber nicht jedes O-Atom von zwei Si-Atomen, da einige Sauerstoffatome Natrium- Ionen als Nachbarn haben. Hierbei wird ersichtlich, dass man die (dreidimensionale) Struktur nicht durch Aneinanderreihen von Elementarzellen aufbauen kann. 

Einfluss auf die Eigenschaften des Werkstoffes:

  • Der ungeordnete bzw. amorphe Zustand ist dafür verantwortlich, dass die optischen Eigenschaften richtungsunabhängig sind.
  • Amorphe Feststoffe haben aufgrund der Struktur keinen "scharfen" Schmelzpunkt, sondern einen sog. Erweichungsbereich (z.B. bei Kunststoffen).
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