Festkörperreaktionen

Festkörperreaktionen sind chemische Reaktionen zwischen Feststoffen, die meist ohne Schmelzen ablaufen. Sie finden häufig an Grenzflächen oder durch Diffusion von Atomen innerhalb der Festkörper statt. Typische Reaktionspartner sind Oxide, Carbide, Silikate oder andere keramische Phasen. Die Reaktionen treten bei erhöhten Temperaturen auf und hängen von der Kontaktqualität, dem Defektgehalt und der Kristallstruktur der beteiligten Phasen ab.

Die Reaktionskinetik wird hauptsächlich durch Diffusion bestimmt. Grundsätzlich unterscheidet man diffusionskontrollierte Reaktionen, bei denen die Geschwindigkeit von der Atomidiffusion abhängt. Oft erfolgt die Reaktion zuerst an den Grenzflächen der Phasen, und neue Phasen wachsen durch fortschreitende Diffusion in die angrenzenden Bereiche. Manche Prozesse sind diffusionslos, bei denen Umwandlungen in neue Kristallstrukturen ohne lange Diffusionswege stattfinden, etwa martensitische oder topochemische Transformationen.

Zu den typischen Festkörperreaktionen gehört die Reaktionssinterung bei der Herstellung keramischer Werkstoffe, z. B. MgO mit Al2O3 zu MgAl2O4 (Spinell), sowie die Bildung von CaTiO3 aus CaCO3 und TiO2. Weitere Beispiele umfassen Ferritbildung in NiO-Fe2O3-Systemen sowie Reaktionen in Festkörperbatterien, bei denen Li+ durch das Kristallgitter wandern.

Bedeutung und Anwendungen: Festkörperreaktionen sind grundlegend für die Herstellung keramischer Materialien, elektronisch oder magnetisch funktionaler Werkstoffe, Katalysatoren und Batteriematerialien. Durch Temperaturprofile, Pulverfeinheit, Kontaktfläche und Defektzustand der Ausgangsstoffe lassen sich Reaktionspfade steuern.