Einführung in die Angewandte Mineralogie

Die Mineralogie befasst sich mit den überwiegend kristallinen Bausteinen der uns umgebenden geologischen Materie, den Mineralen. Da diese geologische Materie als natürliche Umwelt der Menschen von Anbeginn ihrer Existenz als Lebensraum und Rohstoffquelle diente, ist die Beschäftigung mit Mineralen als Rohstoffe, Baustoffe, Werkstoffe und auch Schmuck schon immer eine Lebensnotwendigkeit gewesen. Aus dieser Stellung heraus entwickelte sich die Mineralogie mit als eine der ältesten Wissenschaften. Die moderne Wirtschaft und Forschung führte zur Entwicklung einer Teildisziplin innerhalb der Mineralogie, der Angewandten oder Technischen Mineralogie. Die Angewandte Mineralogie ist am Schnittpunkt zwischen Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften/Technik angesiedelt und bearbeitet die gesamte Linie von Rohstoff – Gewinnung/Aufbereitung – Verarbeitung – Werkstoff – Entsorgung. Im vorliegenden Lehrbuch sind wichtige Aspekte der Angewandten Mineralogie zusammengestellt und in separaten Kapiteln einzelne Teilgebiete diskutiert.

Materialien lassen sich vereinfacht grundsätzlich in 2 unterschiedliche Gruppen einordnen: Einkristalle und Keramiken. Einkristalle sind strukturell als Individuum anzusehen, Keramiken als polykristalline und oft als mehrphasige Aggregate. Trotz der einkristallinen Individualität treten bei Einkristallen strukturelle Baufehler und/oder chemische Variationen auf, die entscheidend für die Eigenschaften sind. Bei Keramiken, die aus vielen einkristallinen Individuen bestehen, kommen darüber hinaus noch Aspekte des Gefüges mit ins Spiel, die auch die Eigenschaften deutlich beeinflussen können. In diesem Kapitel wird die Basis für das Verständnis von Materialien korreliert mit den Eigenschaften gelegt.

Mineralische Rohstoffe sind durch geologische Prozesse gebildete, ausreichend erkundete und aufgrund ihrer Gebrauchseigenschaften nutzbare Bestandteile der Erde. Sie sind das Blut der Wirtschaft und stellen das Bindeglied zwischen den Geowissenschaften und den Ingenieurwissenschaften/Technik dar. Im Allgemeinen lassen sich die mineralischen Rohstoffe an Hand ihrer Eigenschaften und Einsatzkriterien in drei große Gruppen einteilen: Energierohstoffe (z. B. Kohle, Erdöl/Erdgas), Elementrohstoffe (z. B. Erze) sowie Eigenschaftsrohstoffe (z. B. Natursteine, Industrieminerale). Eine besondere Rolle spielen dabei die anorganisch-nichtmetallischen Eigenschaftsrohstoffe, auch oftmals als Steine, Erden und Industrieminerale bezeichnet. Für eine optimale Nutzung dieser mineralischen Rohstoffe sind vor allem detaillierte Kenntnisse ihrer spezifischen Eigenschaften notwendig. Es wird ein Überblick über wichtige Steine, Erden und Industrieminerale wie z. B. Naturstein, Tonminerale, Quarzrohstoffe, Karbonate, Sulfate oder Edelsteine gegeben und an diesen Beispielen der Zusammenhang zwischen Mineraleigenschaften und technischer Nutzung diskutiert.

Keramische Werkstoffe umfassen eine vielseitige Gruppe von Materialien, die aus der modernen Industrie und Technik nicht mehr wegzudenken sind. Neben silikatkeramischen Werkstoffen, die schon eine lange Tradition haben und seit vielen hundert Jahren im täglichen Gebrauch der Menschen eingesetzt werden, spielen oxidische und nichtoxidische Keramiken eine zunehmende Rolle als moderne Werkstoffe. Im Mittelpunkt der Abhandlungen in diesem Kapitel stehen die silikatkeramischen Werkstoffe. Dies sind keramische Werkstoffe, die vorzugsweise aus silikatischen Rohstoffen (z. B. Tonminerale, Quarz, Feldspat) hergestellt werden. Unterschiede in Korngröße, Porosität oder Farbe können nicht nur als Klassifikationskriterien der verschiedenen Werkstoffe verwendet werden, sie resultieren auch in einer Reihe variierender physikalischer und chemischer Eigenschaften, die für den praktischen Einsatz entscheidend sind. Trotz dieser Unterschiede lassen sich wesentliche Gemeinsamkeiten in den Rohstoffen, dem rheologischen Verhalten und der Formgebung, sowie dem Brennprozess finden. Ausgewählte Vertreter feinkeramischer (Porzellan, Steingut) und grobkeramischer Werkstoffe (Ziegel, Klinker) werden in diesem Kapitel vorgestellt. Auch die besonderen Materialien der Glaskeramik werden prinzipiell angesprochen.

Wir leben in einer Glaswelt. Sei es als dekoratives Element, Baustoff oder Verpackungsmaterial, überall findet sich im Alltag Glas. Der Unterschied zwischen Kristall und Glas in Eigenschaft und die Charakterisierung und Herstellung werden ausführlich erläutert und diskutiert. Wie der Glaszustand und Struktur von Glas beschrieben und verstanden werden können, ist ein grundlegendes Wissen auch über das Material Glas hinaus.

Seit der Antike werden Baustoffe und Bindemittel verwendet. Dabei sind entweder Gips oder Kalk die Basismaterialien, die in geeigneten Prozessschritten zu den jeweiligen Produkten verarbeitet werden, um dann nach der Anwendung auszuhärten. Zement, seine Eigenschaften und die Besonderheiten bei der Produktion werden diskutiert. Das Abbindeverhalten von Zement mit Wasser wird in Grundzügen vereinfacht vorgestellt.

Feuerfest-Materialien sind nach Keramischen Produkten und Bindemitteln mit die ältesten technischen Produkte. Zur Wissensgrundlage werden wichtige Stoffsysteme der Feuerfestkunde wie die Modifikationen und Eigenschaften des SiO₂ und die binären Systeme SiO₂−Al₂O₃ und CaO−MgO vorgestellt. Die Klassifikation der Feuerfestprodukte und einzelne ausgewählte Eigenschaften von Schamotte-, Silika-Steinen und basischen Feuerfest-Produkten bilden einen wichtigen Teil zum Materialverständnis. Eine Kurzvorstellung ausgewählter Prüfverfahren rundet dieses Kapitel ab.

Obwohl metallische Werkstoffe in der Elektrotechnik und Elektronik eine dominierende Rolle spielen, sind nichtmetallische Materialien in verschiedenen Einsatzgebieten unersetzbar. Bei keramischen Materialien sind, im Gegensatz zu Metallen, die Elektronen wegen ionarer oder kovalenter Bindung relativ fest an den Kern gebunden. Daher haben solche Materialien eine geringe Elektronenleitfähigkeit bzw. einen hohen spezifischen Widerstand. Daher können diese nichtmetallischen mineralischen Werkstoffe in vielen Einsatzgebieten verwendet werden, beispielsweise als Dielektrika bzw. Ferroelektrika, Piezolektrika, Halbleiter oder Isolatoren. In diesem Kapitel wird auf einige Charakteristika dieser Materialien und deren technische Nutzung eingegangen.

Hartstoffe sind Materialien, die sich durch eine sehr hohe Härte und Verschleißfestigkeit auszeichnen. Allgemein kann eine Unterteilung in natürliche und synthetische, aber auch in metallische und nichtmetallische Hartstoffe erfolgen. Diese Zuordnung ist nicht immer eindeutig möglich, da z. B. reine Carbide, Boride, Nitride und Silicide teilweise Eigenschaften wie keramische Materialien, aber auch wie Metalle aufweisen. Im vorliegenden Kapitel werden schwerpunktmäßig strukturelle und technische Eigenschaften von nichtmetallischen Hartstoffen vorgestellt und diskutiert. Zur Gruppe der nichtmetallischen Hartstoffe gehören neben den natürlich auftretenden Mineralen Diamant, Korund und Granat vor allem Carbide und Nitride von Silicium, Bor und Aluminium oder Verbindungen der sog. Sialone

Die Kristallzüchtung technisch relevanter Materialien stellt eher ein Spezialgebiet der Angewandten Mineralogie dar. Trotzdem wurde es in den hier umrissenen Rahmen mit aufgenommen, da einerseits die Kenntnis der Prinzipien der Kristallzüchtung und andererseits die Kenntnis der Kristallzuchtmethoden wie Verneuil-, Czochralski-, Zonenschmelz- und Hydrothermal-Verfahren zum Kernfundament angewandt-mineralogischen Wissens gehören. Dieses Kapitel stellt somit eine logische Ergänzung von Kap. 2 dar.

Eine sichere Energieversorgung ist die Grundlage jeder modernen Industriegesellschaft. Als primäre Energieträger haben sich dabei in den letzten Jahren drei Hauptformen heraus-kristallisiert: fossile Energieträger (Erdöl, Erdgas, Kohle), Kernbrennstoffe, sowie regenerative (erneuerbare) Energieträger. Allen Energiequellen ist gemein, dass im gesamten Zyklus von den Rohstoffquellen, über Förderung und Nutzung, bis hin zur Reststoff-Verwertung eine ganze Reihe geologisch-mineralogischer und werkstofftechnischer Probleme anfallen, die in diesem Kapitel diskutiert werden sollen. Konkrete Beispiele werden vorgestellt zu mineralogischen Aspekten der Kohle-Energiegewinnung, zur Problematik der Kernenergie und modernen alternativen Energieträgern.

Die Entwicklung der modernen Zivilisation bringt eine Reihe von Umweltproblemen mit sich, da durch den Verbrauch von Unmengen an Energie und Rohstoffen auch gleichzeitig entsprechende Mengen an Abfall, Reststoffen und Umweltverschmutzung erzeugt werden. Diese Thematik ist in ihrer Gesamtheit nur zu lösen, wenn die Zusammenhänge und der Charakter der Stoffkreisläufe im Detail erkannt werden. Auf Grund der Tatsache, dass Minerale wichtige Bestandteile der Geosphäre, Atmosphäre und Technosphäre sind, spielen mineralogische Aspekte in vielen Bereichen der Umweltproblematik eine große Rolle. Auf dieser Grundlage hat sich das Teilgebiet der Umweltmineralogie entwickelt, das sich mit komplexen Themen der Mineralogie im Umweltbereich befasst. Dazu gehören z. B. die Charakterisierung von Abfall- und Reststoffen, die Mineralogie und Geochemie der Atmosphäre, die Asbestproblematik oder die Natursteinverwitterung und Sanierung von Bauwerksschäden. Grundlegende Zusammenhänge aus diesen Themenfeldern werden in diesem Kapitel vorgestellt.

Gegenstand der Biomineralogie ist die in vivo Bildung von Mineralen durch lebende Organismen. Biominerale sind somit alle Bestandteile des Mineralreiches, die durch die Tätigkeit bzw. Aktivität verschiedener Lebensformen gebildet werden. Biomineralisationen sind seit ca. 2 Mrd. Jahren bekannt. Als frühe Zeugen der Biomineralisation gelten terrestrische Magnetofossilien, die vor allem durch die Kristallisation von Magnetit (Fe₃O₄) diese Mineralisationsprozesse dominierten. Durch die explosionsartige Verbreitung verschiedenster Lebensformen ab dem Kambrium sind danach die Bildung von Ca-haltigen Biomineralen wie Karbonaten und Phosphaten, aber auch SiO₂-Mineralisationen in den Vordergrund gerückt. Biominerale dienen zur mechanischen Festigkeit und Stabilisierung der organischen Struktur (z. B. Skelett), zur Schutzfunktion, als Zerkleinerungswerkzeug, magnetische, optische und Schwerkraftsensoren sowie Speichermedium. In Anlehnung an natürliche Biominerale, werden Bio-Werkstoffe heute in vielen Bereichen der Medizin und Medizintechnik eingesetzt. Das Kapitel gibt einen Überblick über Prinzipien der Biomineralisation, natürliche Biomineral-Systeme und technische Biomaterialien und deren Herstellung.

Die Reduktion und das Erschmelzen von Roheisen aus Eisenerzen ist auch in der heutigen hoch industrialisierten Welt der Mikroelektronik eine unverzichtbare Säule der Produktion. Vom Rohstoff „Erz“ zum hoch spezialisierten Produkt „Stahl“ finden sich unzählige Aspekte der Angewandten Mineralogie. Dabei sind die Prospektion und der Abbau der Erze nicht enthalten. Die Eisenerze selbst und die Vorprodukte des Hochofenprozesses sind wichtige Schritte zur Reduktion zum Fe°-Metall im Hochofen. Der Schritt zum Stahl ist der essenzielle Weiterverarbeitungsprozess, der dann in den hoch spezialisierten Sonderstählen für Spezialanwendungen mündet, aber auch profan zu „Standard-Stahl“ führen kann. Der Fe-reiche Teil des binären Systems Fe-C wird ausführlich vorgestellt und mit der Nomenklatur der Metallkundler erläutert. Der Aspekt der Art und Eigenschaft der unterschiedlichen Feuerfest-Materialien ist ein wichtiger Teil dieser Verarbeitungsprozesse.