Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16


Keramische Werkstoffe und technische Einsatzmöglichkeiten


Vortrag von Bastian Burghardt und Matthias Großmann im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2000/01 und WS 2013/14


Gliederung:


1 Definition

Keramik ist kein fest definierter Begriff sondern vielmehr ein Sammelbegriff, der keramische Werkstoffe und daraus hergestellte Produkte für technische Anwendungen zusammenfasst. Diese Werkstoffe und Produkte sind alle polykristallin, anorganisch und nichtmetallisch. Sie werden in der Regel bei Raumtemperatur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch einen Sintervorgang der bei hohen Temperaturen stattfindet.

Man unterteilt die Werkstoffe der Technischen Keramik wie folgt:

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Folie 1: Werkstoffgruppen der Technischen Keramik


2 Charakterisierung der drei Werkstoffgruppen

2.1 Silikatkeramik (technische Porzellane)

Die Silikatkeramik ist die älteste Gruppe der keramischen Werkstoffe. Sie wird aus natürlichen Rohstoffen hergestellt und vereint grundlegende elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften. Wesentliche Bestandteile dieser mehrphasigen Werkstoffe sind Ton, Schamott und Kaolin sowie Feldspat und Speckstein als Silikatträger. Weitere Komponenten wie Tonerde und Zirkon werden zur Erzielung spezieller Eigenschaften eingesetzt. die Silikatkeramiken sind sehr kostengünstig, da die Rohstoffe in sehr hoher Verfügbarkeit vorliegen.

Werkstoffe dieser Keramikgruppe sind beispielsweise:

  • Steatit [MgSi4O10(OH)2]
  • Cordierit [2MgO*2Al2O3*5SiO2]
  • Porzellan [Feldspat/ Quarz/ Kaolin]

2.2 Oxidkeramik

Die Werkstoffe dieser Gruppe bestehen im wesentlichen (>90 %) aus einphasigen und einkomponentigen Metalloxiden. Ihre synthetische Rohstoffe mit hohem Reinheitsgrad entwickeln bei sehr hohen Sintertemperaturen gleichmäßige Gefüge mit sehr guten Eigenschaften, welche dann die Oxidkeramiken ergeben.

Werkstoffe dieser Keramikgruppe sind beispielsweise:

  • Aluminiumoxid [alpha-Al2O3]
  • Magnesiumoxid [MgO]
  • Zirkonoxid [ZrO2]
  • Aluminiumtitanat [Al2TiO5]

2.3 Nichtoxidkeramik

Zu dieser Gruppe gehören keramische Werkstoffe, z.B. aus Verbindungen von Silizium und Aluminium mit Stickstoff oder Kohlenstoff. Generell weisen Nichtoxidkeramiken einen hohen Anteil an kovalenten Bindungen auf, die ihnen, auch bei hohen Einsatztemperaturen, sehr gute mechanische Eigenschaften verleihen. Alle Rohstoffe dieser Keramiken werden synthetisch hergestellt.

Werkstoffe dieser Keramikgruppe sind beispielsweise:

  • Siliciumcarbid [SiC]
  • Siliciumnitrid [Si3N4]
  • Aluminiumnitrid [AlN]
  • Borcarbid [B4C]
  • Bornitrid[BN]

3 Eigenschaften der keramischen Werkstoffe

Die keramischen Werkstoffe verfügen über Eigenschaften und Eigenschaftskombinationen die in vielen Beziehungen von anderen Werkstoffen nicht erreicht werden. Hauptverantwortlich hierfür sind die enorm hohen Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Kristalliten, die teilweise durch kovalente Bindungen, als auch durch extrem feste ionische Wechselwirkungen zustande kommen. Eine kleine Auswahl an Eigenschaften soll die folgende Tabelle zeigen:

Tabelle 1: Eigenschaften von keramischen Werkstoffen [2]

elektrisch mechanisch thermisch chemisch/biologisch
Isolierfähigkeit/ elektrische Leitfähigkeit Verschleißfestigkeit Hochtemperaturfestigkeit Korrosionsbeständig
Durchschlagsfestigkeit Festigkeit Temperatur Wechselbeständigkeit Katalytische Eigenschaften
Dielektrische Eigenschaften Härte Wärmeisolation/ Wärmeleitfähigkeit biochemische Eigenschaften
piezoelektrische Eigenschaften Formbeständigkeit (Warm) Formbeständigkeit Lebensmittelverträglichkeit

Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften lassen sich dabei auf die drei mineralischen Bestandteile der meisten keramischen Werkstoffe zurückführen. Kaolinit lagert sich in einer topotaktischen Umwandlungsreaktion zuerst in Primärmullit und anschließend in den nadelförmigen Sekundärmullit um. Die Nadelstruktur sorgt hierbei für die Festigkeit des Endproduktes. Der Feldspat dient als Flussmittel, seine Schmelztemperatur liegt als einzige unter der Sintertemperatur. Er wird also beim Brennvorgang aufgeschmolzen und wandelt sich in amorphes Glas um, welches für die Dichtigkeit verantwortlich ist. Das α-Quartz in der keramischen Masse durchläuft keine Reaktion und ist für die Härte der Keramik verantwortlich.


4 Herstellung

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Folie 2: Grobschema des Herstellungsverfahrens

Masseaufbereitung:

Bei der Masseaufbereitung ist hauptsächlich entscheidend welches anschließende Formgebungsverfahren angewendet wird. Dementsprechend muss beispielsweise für Gießprozesse eine Suspension und für das Trockenpressen ein Granulat hergestellt werden. Dabei finden Arbeitsschritte wie mahlen, mischen und granulieren statt. Zusätzlich werden hier Additive unter den Reinstoff gemischt, die spätere Eigenschaften des entstehenden Endproduktes positiv beeinflussen sollen oder als Verflüssigungsmittel oder Brennhilfe dienen.

Formgebungsprozess:

Hier werden die Masseteilchen verdichtet und in eine zusammenhängende Form gebracht. Diese Form nennt man dann Grünling. Dieser kann jetzt noch kostengünstig bearbeitet werde, da die Endhärte erst durch dem folgenden Sintervorgang entsteht.

Brandvorbereitung:

Hier werden z.B. organische Verunreinigungen oder Bindemittel entfernt, die beim anschließenden Sintervorgang das Mikrogefüge zerstören würden. Dies findet dadurch statt, dass durch Erhitzen  flüchtigen Stoffe verdampfen, die Temperatur jedoch noch so niedrig gehalten wird, dass der Sintervorgang noch nicht beginnt. Durch die Temperatur werden auch Wassermoleküle entfernt, die sich vergleichbar mit einer Hydrathülle um die Masseteilchen gelegt haben. Dadurch rücken diese näher zusammen und es kommt zum sogenannten Trockenschwund.

Sintervorgang:

Darunter versteht man eine Wärmebehandlung bei ca. 2/3 bis 3/4 der absoluten Schmelztemperatur. Dieser Vorgang findet je nach Substanz unter verschiedenen Atmosphären statt. Bei sauerstoffempfindlichen Werkstoffen muss beispielsweise in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum gearbeitet werden.

Den Sintervorgang kann man in drei Stadien untergliedern: Im ersten Stadium findet ein Wachstum der Teilchenkontakte durch sogenannte Sinterbrücken statt. Die ursprünglichen Teilchen bleiben aber noch sichtbar. Im zweiten Stadium dann kommt es zur Ausbildung eines zusammenhängenden Porenskeletts und im dritten Schritt findet eine fast vollständige Poreneliminierung statt. Der verbleibende Porenraum wird zunehmend von außen unzugänglich. Dadurch findet nochmals ein Schwund statt und es kommt zu einer weiteren Dichtezunahme (s. Folie 3). Ist dieser Prozess abgeschlossen, wird das dadurch entstandene Rohteil, noch einer Endbearbeitung unterworfen.

[Hier befand sich eine REM-Aufnahme, welche wegen fehlender Quellenangabe entfernt wurde.]

Schemazeichnung

REM-Aufnahme

Folie 3: Schwundvorgang während dem Sintern

Endbearbeitung:

Hier kann z.B. eine Lasertrennung von Rohren stattfinden oder ein Polieren mit Diamantwerkzeug. Normalerweise spielt die Endbearbeitung aber eine eher untergeordnete Rolle, da eine Nachbearbeitung wegen der hohen härte der Keramik sehr teuer ist. Aus diesem Grund werden Keramikteile überwiegend "as fired", also wie gebrannt, verwendet werden.

Weitere Herstellungsmethoden:

In der Wissenschaft und Industrie werden weitere Verfahren eingesetzt, welche die Bandbreite an keramischen Werkstoffen weiter ausbauen. Als Beispiel sei hier die Feststoffsynthese genannt, bei der mit extremen Drücken von bis zu 106bar und Temperaturen um die 3000oK keramische Werkstoffe synthetisiert werden. Weiter spielt die Flüssigphasensynthese eine wichtige Rolle, hierbei werden solvothermal unter Verwendung von Templaten Stücke mit gewünschten Eigenschaften und Maßen hergestellt. Eine zusätzliche Verstärkung der keramischen Struktur kann durch das Einbetten von keramischen Fasern in die Matrix erreicht werden.


5 Beispiele:

  • Steatit als Vertreter der Silikatkeramik
    Steatit ist ein Magnesiumsilikat. Es besteht zu 95% aus dem Rohstoff Speckstein; die restlichen 5% sind Beimengungen von Ton und Flussmittel. Der Steatit wird überwiegend im Trockenpressverfahren hergestellt und zwischen 1300°C und 1400°C gesintert. Verwendung findet Steatitkeramik in der Isolatorenherstellung und zur Herstellung keramischer Modelle.
  • Aluminiumoxid als Vertreter der Oxidkeramik
    Das Aluminiumoxid ist der technisch wichtigste oxidkeramische Werkstoff. Es wird bei einer Temperatur zwischen 1600°C und 1700°C gesintert. Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Keramik kommen durch den unterschiedlichen Reinheitsgrad des Ausgangsstoffes alpha-Aluminiumoxid und die verschiedenen Verarbeitungsweisen zustande.
  • Siliciumcarbid als Vertreter carbidischer Nichtoxidkeramik
    Das Siliciumcarbid ist der momentan wichtigste carbidische Werkstoff der Technischen Keramik. Es werden zwei verschiedene SiC-Keramiken unterschieden: das offenporige SiC und das dichtgesinterte SiC. Beide zeichnen sich durch typische Eigenschaften aus: sehr hohe Festigkeit, geringe Wärmeausdehnung, sehr hohe Härte, hohe Wärmeleitfähigkeit und hervorragende mechanische Hochtemperatureigenschafen.
  • Siliciumnitrid als Vertreter der nitridischen Nichtoxidkeramik
    Zur Zeit ist das Siliciumnitrid der noch wichtigste nitridische Werkstoff der Nichtoxidkeramiken. Es ist deshalb noch dominierend, weil es hervorragende Eigenschaften, wie z.B. extrem hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, niedrige Wärmeausdehnung und sehr gute chem. Beständigkeit aufweist. Das Siliciumnitrid wird bei 1700°C bis 1900°C unter Schutzgas gesintert.

Literatur:

  1. Brevier Technische Keramik, Verband der Keramischen Industrie 1998, 1. Auflage, Selb.
  2. Informationsblatt "Daten und Eigenschaften Keramischer Werkstoffe", Verband der Keramischen Industrie.
  3. Informationsbroschüre "Das große Rezeptbuch", Verband der Keramischen Industrie.
  4. Holleman, A.; Wiberg,  E.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, WdeG Verlag 1995,
    101. Auflage, Berlin.
  5. dtv-Atlas zur Chemie, Band 1, Deutscher Taschenbuchverlag 1997, 8. Auflage, München.
  6. CD-Roempp, Version 1.0, 9. Auflage, Herausgeber: Falbe/Regitz, Stuttgart, Thieme 1995.
  7. Verband der Keramischen Industrie, Postfach 1624, Schillerstrasse 17, 95100 Selb.
  8. http://www.keramverband.de, 23.02.2001.
  9. Riedl, R., Chemie in unserer Zeit, Synthese für Keramiken, 2010, Vol.3
  10. Krenkel, W., Vorlesungsskript "Aufbau und Eigenschaften der Keramiken" 2012
  11. Krenkel, W., Ceramic Matrix Composites: Fiber Reinforced Ceramics and their Applications, Wiley, 2008, Weinheim
  12. Salmang, H., Scholze, H., Keramik, Springer, 2007, Berlin

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