In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker, welche Struktur von Keramiken besitzen und welchen Aufbau von Keramik zu unterscheiden ist. Keramische Werkstoffe können grob unterteilt werden in Keramiken und Gläser. Für eine Unterscheidung muss man sich einfach nur die Struktur von Keramiken anschauen.
Aufbau von Keramik?
🔍 Definition: Was sind keramische Werkstoffe?
Keramische Werkstoffe sind anorganische, nichtmetallische Materialien, die in einem hochtemperierten Brennprozess (Sintern) aus Rohstoffen wie Ton, Quarz oder chemisch synthetisierten Pulvern hergestellt werden. Sie zeichnen sich durch eine hohe Härte, Hitzebeständigkeit, chemische Stabilität und Verschleißfestigkeit aus. Je nach Struktur unterscheidet man sie in kristalline Keramiken und amorphe Gläser.
🧱 Keramik Struktur: Geordnet vs. ungeordnet
Keramiken besitzen eine kristalline Struktur, das heißt: Ihre Atome sind in einem regelmäßigen Gitter angeordnet. Diese geordnete Struktur unterscheidet sie klar von Gläsern, die amorph, also ungeordnet aufgebaut sind.
🔹 Kristalline Struktur (Keramik): Wiederholende Gitterstruktur → hohe Festigkeit, Lichtundurchlässigkeit
🔹 Amorphe Struktur (Glas): Keine Gitterstruktur → lichtdurchlässig, spröder
In vielen Fällen bestehen Keramiken aus feinkörnigen, anorganischen Rohstoffen, die zusammen mit Wasser eine formbare Masse ergeben. Im Normalfall gilt, dass der Formungsvorgang meistens bei Temperaturen von ca. 20 °C stattfindet. Das entspricht der Raumtemperatur.
Das anschließende Brennen der Keramik jedoch erfordert, dass eine Temperatur von mehr als 900 °C vorliegt. Das Brennen von Keramiken bezeichnet man als Sintern, wobei auch Metallpulver gesintert werden.
Gilt es technische Keramiken zu erzeugen, so liegen die Sintertemperaturen meist höher. Denn technische Keramiken sollten auch für technische Einsätze eignen.
🔬 Herstellung von Keramik – Grundprinzip
Keramik entsteht aus feinkörnigen, anorganischen Rohstoffen, die mit Wasser vermengt und geformt werden. Danach erfolgt das sogenannte Sintern, ein Brennprozess bei Temperaturen über 900 °C – bei technischer Keramik oft deutlich höher.
Schritte der Herstellung:
-
Rohstoffaufbereitung (z. B. Mahlen, Trocknen)
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Formgebung (Pressen, Gießen, Spritzen)
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Trocknung
-
Sintern (Brennen) → Temperaturen bis zu 2400 °C möglich
🔄 Klassifizierung nach Struktur und Anwendung
1. 📌 Nach chemischer Zusammensetzung:
Oxidkeramiken:
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Hauptbestandteil: Oxide wie Al₂O₃, ZrO₂
-
Eigenschaften: Hohe Temperatur- & Korrosionsbeständigkeit
-
Beispiel: Aluminiumoxid (Al₂O₃) → Poliermittel, Isolatoren
Nicht-Oxid-Keramiken:
-
Enthalten keine Sauerstoffverbindungen
-
Besonders beständig gegen hohe Temperaturen & aggressive Medien
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Beispiele:
-
Siliciumcarbid (SiC)
-
Bornitrid (BN)
-
Borcarbid (B₁₃C₃)
-
2. 📌 Nach Anwendung:
| Typ | Beispiele | Anwendung |
|---|---|---|
| Gebrauchskeramik | Tassen, Teller | Haushalt |
| Sanitärkeramik | Waschbecken, Toiletten | Bad und Sanitärbereich |
| Strukturkeramik | Zahnersatz, Messer | Mechanisch belastete Bauteile |
| Funktionskeramik | Zündkerzen, Sensoren | Elektronik, Sensorik, Energietechnik |
3. 📌 Nach Kornfeinheit:
Grobkeramik:
-
Beispiel: Dachziegel, Kanalrohre
-
Unregelmäßige (inhomogene) Struktur
-
Weniger aufwendig herzustellen
Feinkeramik:
-
Beispiel: Fliesen, Porzellan, technische Keramik
-
Homogene Mikrostruktur
-
Erfordert exakte Rohstoffverteilung → höhere Qualität
🔍 Strukturtypen und ihre Auswirkungen
| Strukturtyp | Beschreibung | Eigenschaften |
|---|---|---|
| Kristallin | Geordnete Atomstruktur | Hart, spröde, temperaturbeständig |
| Amorph (z. B. Glas) | Ungeordnete Atomanordnung | Lichtdurchlässig, weniger hart |
🧪 Rohstoffe und Beispiele im Detail
✅ Oxidische Keramiken
1. Aluminiumoxid (Al₂O₃)
-
Aus Korund, hoher Schmelzpunkt (über 2000 °C)
-
Verwendung: Schleifmittel, Poliermittel, Elektronik
2. Zirkonoxid (ZrO₂)
-
Besonders zäh, hohe Bruchzähigkeit
-
Wird Zahnersatz oder Messer eingesetzt
3. Berylliumoxid (BeO)
-
Gute Wärmeleitfähigkeit, aber toxisch
-
Verwendung nur in spezialisierten Anwendungen
✅ Nicht-oxidische Keramiken
1. Siliciumcarbid (SiC)
-
Herstellung nach Acheson-Verfahren
-
Chemisch und thermisch extrem stabil
-
Anwendung: Schleifscheiben, Dichtungen
-
Reaktionsgleichung:
2. Bornitrid (BN)
-
Schmiermittel für Hochtemperaturprozesse
-
Oxidiert erst ab 760 °C
-
Wird bei über 1500 °C zu Borazon (sehr hart)
3. Borcarbid (B₁₃C₃)
-
Dritthärtestes Material nach Diamant und Borazon
-
Anwendung: Panzerplatten, Schleifmittel
📦 Beispielhafte Anwendungen technischer Keramik
| Material | Anwendung |
|---|---|
| Aluminiumoxid | Poliermittel, Schaltkreise |
| Siliciumcarbid | Gleitlager, Hochleistungsschleifscheiben |
| Zirkonoxid | Schneidkeramik, Dentaltechnik |
| Bornitrid | Wärmeleitpaste, Hochtemperaturschmierstoff |
| Borcarbid | Körperschutz (z. B. Panzerung), Schleifkörper |
Keramiken Aufbau: Keramiken – Rohstoffe
Je nach Aufbau der Kristallstruktur und besonders der darin befindlichen Rohstoffe lassen sich die Keramiken auch einer Kategorie zuordnen.
Keramiken mit Silicat-Rohstoffe
Silicat-Rohstoffe kennzeichnet, dass die verwendeten Rohstoffe alle ein 
– Tetraeder in der Kristallstruktur vorweisen.
Aufbau von Keramik: Keramiken mit nicht oxidischen Rohstoffen
Nicht-Oxid-Keramiken werden mit nicht-oxidischen Rohstoffen hergestellt. Diese Keramiken eignen sich besonders gut für technische Anwendungen. Im Normalfall sind die eingesetzten Rohstoffe künstlicher Natur. Folgende Ausprägungen könnten dir im Betrieb begegnen:
Siliciumcarbid – Kurzzeichen: SiC
Die Besonderheit des nur selten in der Natur vorkommenden Siliciumcarbid liegt in der chemischen und thermischen Beständigkeit.
Hergestellt wird Siliciumcarbid nach dem Acheson Verfahren bei einer Prozesstemperatur von ca. 2200 °C.
Die Eingangsstoffe sind Koks sowie Quarzsand. Die entsprechende Reaktionsgleichung ist folgende:
Neben dem Siliciumcarbid entsteht im Herstellungsverfahren auch Kohlenstoff.
Verwendet wird Siliciumcarbid in Gleitlagern als Gleitringdichtung oder zum Schleifen anderer Werkstoffe.
Bornitrid – Kurzzeichen: BN
Die Besonderheit von Bornitrid liegt in der hohen Temperaturbeständigkeit, weshalb es sich als Schmiermittel für Hochtemperaturprozesse oder als Schleifmittelt eignet. Erst ab einer Temperatur von ca. 760°C beginnt es mit Sauerstoff zu reagieren.
Ab einer Temperatur von 1500 °C wandelt sich Bornitrid in Borazon um. Dieses ist nach Diamanten das härteste Material, nur mit dem Vorteil, dass es noch beständiger gegenüber Oxidation ist.
Borcarbid – Kurzzeichen: 
Ähnelt dem Bornitrid und kommt in der Rangfolge der härtesten Materialien direkt an 3. Stelle nach dem Diamant sowie dem Borazon. Die Herstellung von Borcabid erfolgt bei einer Prozesstemperatur von ca. 2400 °C.
Eingesetzt wird es auch als Schleifmittel, besonders für Panzerplatten.
Weitere Formen nicht oxidischer Keramiken
Weitere Werkstoffe aus dieser Gruppe sind:
- Siliziumnitrid
sowie
- Aluminiumnitrid
Aufbau von Keramik: Keramiken mit oxidischen Rohstoffen
Um Oxidkeramiken herzustellen benötigt man als Ausgangsmaterial oxidische Rohstoffe. Ihre Anwendung finden Oxidkeramiken als technische Keramiken. Dabei kommen teilweise organische sowie synthetische Rohstoffe zum Einsatz. Nachfolgend findest du eine Auflistung von oxidischen Rohstoffen:
Aluminiumoxid – Kurzzeichen: 
Diese Form von Keramiken entstammen dem Korund und werden als Schleifmittel sowie Poliermittel eingesetzt. Auch in der Elektroindustrie wird Aluminiumoxid für integrierte Schaltkreise verwendet.
Feuerfeste Unterformen sind Schmelzkorund sowie Sinterkorund.
Oft enthalten diese zudem eine Glasphase, die dazu führt, dass die Sintertemperatur fällt. Deshalb nehmen letztlich die Festigkeit sowie die Temperaturbeständigkeit ab. Um dem Entgegenzuwirken führt man dem Herstellungsprozess Zirkonoxid bei. Als Endergebnis erhält man dann eine äußerst zähe Keramik.
Berylliumoxid – Kurzzeichen: BeO
Die schlechte Nachricht vorweg, Berylliumoxid ist sowohl giftig als auch extrem teuer, weshalb es heute kaum noch Anwendung findet. In der Vergangenheit wurde es für Brennöfentiegel in der Forschung verwendet, dass es sehr hohen Temperaturen standhält. Auch als Isolatoren mit hoher Wärmeleitfähigkeit in der Chiptechnologie eignet sich sich Berylliumoxid sehr gut. Denn es führt die Wärmeenergie ab.
Weitere Formen von Oxid-Keramiken
Weitere Formen von Oxid-Keramiken sind:
- Zirkonoxid
sowie
- Aluminiumtitanat
❓ FAQ – Häufig gestellte Fragen zur Struktur von Keramiken
1. Was ist der Unterschied zwischen Keramik und Glas?
Keramiken sind kristallin, also regelmäßig aufgebaut, während Glas eine amorphe, ungeordnete Struktur besitzt. Daher sind Keramiken meist undurchsichtig und mechanisch belastbarer.
2. Warum sind keramische Werkstoffe so spröde?
Keramiken besitzen eine starke, aber gerichtete Atombindung. Bei mechanischer Belastung brechen sie ohne nennenswerte plastische Verformung → sprödes Verhalten.
3. Was sind technische Keramiken?
Technische Keramiken sind speziell entwickelte Keramiken mit hoher Festigkeit, chemischer Beständigkeit und Temperaturresistenz. Sie werden z. B. in der Elektrotechnik, Sensorik oder Medizin verwendet.
4. Wie unterscheiden sich Oxidkeramiken von Nicht-Oxidkeramiken?
Oxidkeramiken basieren auf Sauerstoffverbindungen (z. B. Al₂O₃), Nicht-Oxid-Keramiken bestehen aus Verbindungen wie Carbid, Nitrid oder Borid. Letztere sind meist noch widerstandsfähiger gegenüber chemischen Angriffen.
5. Wie wird Siliciumcarbid hergestellt?
SiC wird im sogenannten Acheson-Verfahren durch Erhitzen von Quarzsand und Koks auf ca. 2200 °C erzeugt. Dabei entsteht eine Verbindung, die extrem hitze- und chemikalienresistent ist.
🧾 Zusammenfassung: Das Wichtigste zum Aufbau von Keramiken
-
Keramiken sind kristallin aufgebaute Werkstoffe mit hoher Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Härte.
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Sie unterscheiden sich von Gläsern durch ihre geordnete Atomstruktur.
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Unterteilt wird in Oxid- und Nicht-Oxid-Keramiken sowie in technische und Haushaltskeramiken.
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Die Herstellung erfolgt durch Sintern bei Temperaturen zwischen 900 und 2400 °C.
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Typische Materialien: Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Bornitrid, Zirkonoxid
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Anwendungen reichen von Haushaltsgeschirr bis zur Hightech-Elektronik und Medizintechnik.
Nachdem du nun einiges über den Aufbau von Keramik erfahren hast, möchten wir dir im kommenden Kurstext Gläser als Ausprägung von Keramiken vorstellen. Gläser finden auch in vielen technischen Bereichen eine Anwendung.
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