(WT1-13) Keramiken – Struktur und Aufbau

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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
Aufbau von Keramik

 


Aufbau von Keramik – Grundlagen zur Struktur


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.

undefiniert
Aufgepasst!

Gilt es technische Keramiken zu erzeugen, so liegen die Sintertemperaturen meist höher. Denn technische Keramiken sollten auch für technische Einsätze eignen.

 

Keramiken können je nach Zusammensetzung der Bestandteile unterschieden werden in

  • Oxidkeramiken

sowie

  • Nicht-Oxid-Keramiken

unterschieden werden.

 

Nimmt man jedoch den Gebrauchszweck als Unterscheidungskriterium, so trennen wir

  • Gebrauchskeramiken,

sowie

  • Sanitärkeramiken

sowie

  • Strukturkeramiken

und

  • Funktionskeramiken

voneinander.

 

Die einfachste Form der Unterscheidung ist eine Trennung zwischen Grob– und Feinkeramik.

 

  • Grobkeramiken \rightarrow Baukeramiken: Rohre für Kanalisationen oder Dachziegel.
    Diese zumeist dickwandigen Produkte weisen eine ungleichmäßige (inhomogene) Verteilung der Bestandteile auf.

sowie

  • Feinkeramiken \rightarrow Sanitärkeramiken, Haushaltskeramiken: Tassen oder Waschbecken.
    Diese oft filigranen Produkte erfordern, dass die Bestandteile gleichmäßig (homogen) verteilt sind. Dies bedingt eine erhöhte Sorgfalt bei der Herstellung.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

Keramiken kennzeichnet, dass sie hart sowie hitzebeständig und formbeständig sind.

 


Aufbau von Keramik – Struktur


Eine Unterteilung zwischen Keramiken und Gläsern funktioniert besonders gut, wenn man sich den Aufbau von Keramik und Glas anschaut.

  • Keramiken sind wie Metalle kristallin aufgebaut, weshalb einige Eigenschaften, wie z.B. die Lichtundurchlässigkeit deckungsgleich sind. Die Struktur ist bei Keramiken geordnet und wiederholt sich entsprechend.

sowie

  • Gläser haben mit Metallen aus technischer Sicht wenig gemein und besitzen einen amorphen Aufbau. Die Struktur bei Gläsern ist ungeordnet und die Bereiche wiederholen sich nicht. (Im kommenden Kurstext betrachten wir Gläser genauer.)

 

Aufbau von Keramik
Aufbau von Keramik

 


Aufbau von Keramik: 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 SiO4^4Tetraeder 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:

 \boxed{ S_iO_2 + 3 C \rightarrow S_iC + 2 CO }

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: B_{13}C_3


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: \alpha Al_2 O_3


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.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

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

 



wie gehts weiter?
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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