Kristallinität in Festkörpern

Kristallinität beschreibt den Anteil und das Ausmaß geordneter, periodischer Strukturen in einem Festkörper. Sie quantifiziert, wie stark Atome, Ionen oder Moleküle ein ideales Kristallgitter mit translationaler Symmetrie bilden. Real existierende Werkstoffe liegen meist zwischen den Grenzfällen vollkristallin und vollständig amorph und weisen teilweise kristalline Bereiche in einer amorphen Matrix auf (semi-kristalline Strukturen).

Kristalline Ordnung kann auf unterschiedlichen Skalen betrachtet werden: von der kurzreichweitigen Ordnung (lokale Koordination) über mittelreichweitige bis zur fernreichweitigen Ordnung, die für ideale Einkristalle charakteristisch ist. Hohe Kristallinität impliziert einen großen Volumenanteil kristalliner Domänen mit geringer Defektdichte. Die kristalline Qualität bezieht zusätzlich Art und Dichte von Versetzungen, Stapelfehlern, Poren und Subkornstrukturen ein.

Zur quantitativen Erfassung werden verschiedene Kristallinitätsindizes verwendet, z.B. aus Röntgendiffraktometrie (Intensitätsverhältnisse zwischen kristallinen Peaks und amorphem Untergrund), DSC (Schmelzenthalpie) oder Festkörper-NMR. In Vielkristallen beschreibt das Kristallmosaik die Verteilung der Fehlorientierungen benachbarter Kristallite; ein enges Mosaik entspricht hoher orientationaler Ordnung.

Kristallinität beeinflusst maßgeblich mechanische, thermische, optische und Diffusionseigenschaften. In Polymeren bestimmen Größe, Morphologie und Anteil kristalliner Lamellen Steifigkeit, Kriechverhalten und Gaspermeation. In Keramiken und Metallen korreliert die Kristallinität mit Härte, Bruchzähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit. Eine präzise Charakterisierung der Kristallinität ist daher zentral für das Verständnis und das gezielte Design funktionaler Werkstoffe.

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