Keramik

Die ersten Werkzeuge, die der Mensch verwendete, bestanden aus natürlichen Werkstoffen, z.B. aus Holz oder aus Stein. Vor etwa 10000 Jahren wurde jedoch erkannt, daß sich einige Erden gut formen und anschließend durch einen Brand verfestigen lassen. Damit war der erste künstliche Werkstoff, Keramik, geschaffen. Ihre Entwicklung wurde wesentlich dadurch mitbestimmt, daß solche gut verformbaren „Erden“ bzw. Rohstoffe weit verbreitet sind und daß sie ein sehr günstiges Brennverhalten besitzen, wie in späteren Kapiteln dieses Buches gezeigt werden wird.

Festkörper treten in kristalliner und nichtkristalliner Form auf. Bei einheitlich aufgebauten, homogenen Körpern, die also keine Korngrenzen im Inneren zeigen, hat man dann entweder Einkristalle oder Gläser vorliegen. In Festkörpern sind die sie aufbauenden Elemente in ihren Lagen räumlich fixiert und haben nur wenig Bewegungsmöglichkeiten. Die Art der chemischen Bindung bestimmt dabei wesentlich die Wechselwirkung zwischen den Elementen, deren räumliche Anordnung die Struktur dieser Einzelkörper darstellt.

Keramische Produkte durchlaufen bei ihrer Herstellung einen Brennprozeß, in dessen Verlauf durch verschiedene Vorgänge aus den Rohstoffen das Endprodukt entsteht. Dabei ist es wichtig zu wissen, welche Produkte entstehen, wie schnell das geschieht und welcher Wärmebedarf dafür erforderlich ist. Berechnungen sind mit Hilfe der Thermodynamik möglich, die allerdings immer Gleichgewichtszustände voraussetzt. Das Erreichen dieser Gleichgewichte wird durch die Kinetik bestimmt, die Aussagen über die Geschwindigkeit des Ablaufs eines Prozesses zuläßt. Diese und eine Reihe weiterer Erscheinungen sollen hier unter dem Begriff Thermochemie dargestellt werden. Die Grundlagen dazu fallen in das Gebiet der Physikalischen Chemie. Im folgenden werden nur die wichtigsten Ergebnisse gebracht werden, mit denen es möglich sein wird, die wesentlichen Vorgänge in der Keramik zu verfolgen. Die Einteilung der folgenden Abschnitte ist nicht ganz frei von Überschneidungen, faßt aber so in sich geschlossene Gebiete besser zusammen.

Die meisten keramischen Produkte enthalten eine größere Anzahl von Komponenten, wodurch das Verstehen ihrer Eigenschaften und ihres Verhaltens erschwert werden kann. Oft ist eine Zurückführung auf einfachere Systeme möglich, die dann die wichtigsten Abhängigkeiten besser erkennen lassen. War schon die Zahl der Komponenten bei den altbekannten keramischen Produkten recht groß, so hat sie sich durch die modernen Entwicklungen der Keramik noch vermehrt. Die Auswahl in diesem Buch soll damit das Augenmerk vor allem auf einige typische Probleme richten und damit Wege zeigen, wie andere, hier nicht zur Sprache kommende Systeme zu betrachten sind. Grundlagen dazu sind bereits in den vorangegangenen Kapiteln gebracht worden. In diesem Kapitel sollen einige Phasendiagramme behandelt werden, wozu u. a. die Festlegung von Stabilitätsbereichen von Verbindungen und Modifikationen gehört. Für die Keramik ist dabei nicht nur die Lage der Umwandlungspunkte interessant, sondern auch die Umwandlungskinetik. Schließlich sollen einige Eigenschaften genannt werden, die entweder für die Praxis oder für den Nachweis bestimmter Substanzen wichtig sind. Als Einteilungsprinzip ergibt sich nach der Phasenregel sofort die Gliederung in Ein-, Zwei-, Drei- und Mehrstoffsysteme. Entsprechend seiner Bedeutung für die Keramik spielt dabei das SiO₂ die dominierende Rolle. Aber selbst da ist es nicht möglich, alle interessanten Systeme zu bringen. Man kann jedoch auf einige Handbücher zurückgreifen; für die Phasendiagramme z B auf die „Phase Diagrams for Ceramists“ [292].

Bei der Aufbereitung, der Herstellung und dem Brennen keramischer Massen sowie beim Einsatz der keramischen Werkstoffe haben oft bestimmte Eigenschaften einen vorherrschenden Einfluß. Diese Eigenschaften sollen im folgenden in ihren Grundlagen behandelt werden, wenn sie eine allgemeinere Bedeutung haben. Eigenschaften, die im wesentlichen nur einem Verfahrensschritt (z. B. Bildsamkeit, Trockenfestigkeit, Trocken- und Brennschwindung) oder nur einem Werkstofftyp (z. B. Frostwiderstandsfähigkeit, Ausblühungen, Transparenz) anhaften, werden im Teil 2 behandelt. Dort wird dann auch auf spezielle Auswirkungen oder Anwendungen eingegangen. Einzelne Daten findet man in den bekannten Nachschlagewerken, weitere Hinweise auf spezielle Quellen werden an den betreffenden Stellen gegeben. Hier sei nur ein von Wachtman [470] herausgegebener Band über ein Symposium erwähnt, das sich sowohl mit mechanischen als auch mit thermischen Eigenschaften keramischer Werkstoffe befaßte.