Keramik

Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird

Author: Dagmar Hülsenberg

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Book Series : Technik im Fokus

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

About this book

Seit wann kennt man Keramikerzeugnisse? Warum verhalten sich Keramikwerkstoffe im Vergleich zu anderen Werkstoffen völlig anders? Was macht sie so besonders? Wie stellt man sie her? Welche modernen Anwendungen gibt es?

Die Autorin gibt Antworten auf diese und weitere Fragen zu einem alten und doch hochmodernen Werkstoff. Sie beschreibt gut verständlich die physikalisch-chemischen Grundlagen, welche die Andersartigkeit von Keramik in Herstellung und Eigenschaften erklären. Und sie geht auf die vielfältigen Anwendungsbereiche ein, sei es in traditionellen Gebieten oder in modernen Anwendungen wie als Katalysatorträger, Dieselpartikelfilter oder in der Energiespeicherung.

Frontmatter

1. Technische Entwicklungen, die erst durch Keramikwerkstoffe möglich sind

Zusammenfassung

Keramikerzeugnisse kommen in kompakter Form, als Schichten, Fasern oder Körnung (bis in den nm-Bereich) oder auch als Bestandteil von Verbundwerkstoffen vor. Unter „Keramik“ versteht man meist einen chemisch beständigen, bei hohen Temperaturen mechanisch stabilen, elektrisch isolierenden, nicht durchsichtigen, wärmeisolierenden, aber auch leicht zerbrechlichen Werkstoff. Diese Aussagen treffen heute nicht mehr uneingeschränkt zu. Man hat neben den traditionellen auch Keramikwerkstoffe mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit, optisch völlig transparent, aber auch elektrisch halbleitend oder leitend (auf der Basis von Ionen- oder auch Elektronenleitfähigkeit) entwickelt. Weiterhin existieren schadenstolerante Verbundwerkstoffe mit einer Keramikmatrix. Keramikwerkstoffe weisen bei anderen Werkstoffen nicht mögliche Eigenschaftskombinationen auf, z. B. wärmeleitend und gleichzeitig elektrisch isolierend oder magnetisch und gleichzeitig elektrisch isolierend.

Dagmar Hülsenberg

2. Keramikwerkstoffe in den verschiedenen Epochen – eine Übersicht

Zusammenfassung

In der öffentlichen Wahrnehmung versteht man unter dem Begriff Keramikwerkstoffe in der Regel solche, die auf der Basis toniger Erden (Tone, Kaoline und Lehme) hergestellt werden. Man nennt sie auch Ton-Keramiken. Dazu zählen Geschirr, Ziegel, Kanalisationsrohre oder auch Figuren, d. h. Gebrauchsgegenstände, künstlerische Erzeugnisse und Baumaterialien, die man schon in primitiven Anfängen vor etwa 30.000 Jahren herstellen konnte. Zwischen 1850-1950 wurde schrittweise der Einsatz von Keramik-Werkstoffen in der Technik erschlossen. Es entstanden Oxid- und Nichtoxid-Keramiken. Seit 1950 erfolgte eine rasante Entwicklung der Keramik-Werkstoffe, die bis heute anhält.

Dagmar Hülsenberg

3. Herstellungsverfahren

Zusammenfassung

Für die Herstellung von formbaren keramischenMassen kommen bildsame und unbildsame Rohstoffe zur Anwendung. Zu den bildsamen, d. h. unter Zugabe von Wasser formbaren Rohstoffen gehören Tone und Kaoline. Für moderne technische Keramik-Werkstoffe kommen unbildsame Pulver zur Anwendung. Vor der Formgebung werden die Rohstoffe gemischt und suspendiert. Dabei sind spezielle physiko-chemische Reaktionen zu beachten. Es folgt die Beschreibung moderner Formgebungsverfahren. Einen Schwerpunkt stellen Sintervorgänge dar. Das Kapitel enthält Ausführungen zur Oberflächenbearbeitung, zum Trennen und Fügen von Keramik-Halbzeugen.

Dagmar Hülsenberg

4. Silikat-Keramiken für technische Anwendungen

Zusammenfassung

Der Hauptbestandteil von Silikat-Keramiken ist SiO2, das mit anderen Oxiden, vielfach Al2O3, Silikate bildet. Obwohl SiO2 auch ein Oxid ist, wird die Silikat-Keramik als eine gesonderte Gruppe der Keramik-Werkstoffe behandelt. Der Grund besteht u. a. im Einsatz toniger Rohstoffe (Tone und Kaoline), die eine plastische Formgebung z. B. durch Drehen ermöglichen (Abschn. 3.3.2). Diese Rohstoffe kommen in der Natur vor, werden bergmännisch gewonnen und unterliegen einer Aufbereitung (Abschn. 3.2). Zur Herstellung sind aber auch unplastische Rohstoffe, wie Tonerdehydrat, Talkum und Bariumkarbonat, erforderlich. Neben technischem Porzellan wird auf Cordierit-, Steatit- und Mullit-Keramik eingegangen.

Dagmar Hülsenberg

5. Oxid-Keramik

Zusammenfassung

Oxidkeramiken bestehen aus elektrisch eindeutig geladenen Anionen (Elektronenüberschuss) und Kationen (Elektronenmangel), wobei sich die Ladungen in den Kristallgittern kompensieren. Bei den Anionen handelt es sich in jedem Fall um O2^–. Die Kationen sind meist zwei, drei, vier- oder fünffach positiv geladen. Nur die einwertig geladenen Alkalikationen sollten nach Möglichkeit nicht Bestandteil der Oxidkeramiken sein. Aber auch hier bestätigen Ausnahmen die Regel, z. B. in opto-elektronischen Oxidkeramiken. Viele Oxidkeramiken enthalten mehrere Oxide, z. B. auch die Oxide Seltener Erden. Im Unterschied zu Nichtoxid-Keramiken herrscht bei Oxid-Keramiken zwischen den Anionen und Kationen eine heteropolare bzw. Ionenbindung vor. Aus der großen Palette der Oxid-Keramiken wird vor allem auf Aluminate, Zirkonate, Titanate und Ferrite eingegangen. Die Anwendung u.a. als hochfeste und temperaturbeständige Verschleißmaterialien, als Implantate, als Piezoelektrika und Magnete, für optische Aufgaben, als Keramik-Halbleiter, Keramik-Festelektrolyte, Keramik-Supraleiter, als Katalysatorträger und in Brennstoffzellen wird behandelt.

Dagmar Hülsenberg

6. Nichtoxid-Keramik

Zusammenfassung

Bei der Nichtoxid-Keramik handelt es sich um Keramik- Werkstoffe, die nach der Keramiktechnologie herstellt sind, aber keinen Sauerstoff enthalten. Statt dessen befinden sich im Kristallgitter Kohlenstoff, Stickstoff, Bor und auch Silizium. Es herrscht im Unterschied zu Oxid-Keramiken die homöopolare Atombindung vor. Die Entwicklung der Nichtoxid-Keramiken erfolgte in verstärktem Maße erst in den letzten 30 Jahren. Sie zeichnen sich durch singuläre Eigenschaften aus, so dass sie für ganz spezielle technische Anwendungen entwickelt wurden. Dazu gehören Siliziumkarbid-, Borkarbid, Siliziumnitrid-, Aluminiumnitrid-, Bornitrid- und Titanborid-Keramiken. Anhand der Anwendungen werden die Zusammenhänge zwischen Eigenschaften, Werkstoffstruktur, Zusammensetzung und Herstellung diskutiert.

Dagmar Hülsenberg

Backmatter

Title: Keramik
Author: Dagmar Hülsenberg
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-53883-4
Print ISBN: 978-3-642-53882-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-53883-4

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Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird

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Table of Contents

Frontmatter

1. Technische Entwicklungen, die erst durch Keramikwerkstoffe möglich sind

2. Keramikwerkstoffe in den verschiedenen Epochen – eine Übersicht

3. Herstellungsverfahren

4. Silikat-Keramiken für technische Anwendungen

5. Oxid-Keramik

6. Nichtoxid-Keramik

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