keramik ||
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H. Salmang · H. Scholze
Keramik
H.Salmang · H.Scholze
Keramik 7., vollständig neubearbeitete und erweiterte Auflage
Herausgegeben von Rainer Telle
Mit 551 Abbildungen und 132 Tabellen
123
Professor Dr. Rainer Telle RWTH Aachen Institut Gesteinshüttenkunde, Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe Mauerstraße 5 52064 Aachen
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ISBN-10 3-540-63273-5 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-13 978-3-540-63273-3 Springer Berlin Heidelberg New York
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Vorwort zur siebenten Auflage
Anläßlich eines Besuches eines Mitarbeiters des Springer-Verlages in Salmangs Institut für Gesteinshüttenkunde in Aachen ergab sich die Frage, ob und wann der„Salmang-Scholze“ wieder erscheine. Zu viel Zeit war seit der letzten Edition im Jahre 1982 vergangen; die Hochleistungskeramiken waren zu einer nie vorherge-sehenen Reife entwickelt und ihre breite mechanische Anwendung bereits wieder in Zweifel gezogen worden; völlig neue Werkstoffklassen hatten sich hervorgetan, andere waren wieder in den Hintergrund gerückt. Der Schnellbrand klassischer Erzeugnisse war schon beinahe Stand der Technik; die elektronische Datenverar-beitung hatte Millimeterpapier und Tusche verdrängt. Es war an der Zeit, so herrschte Einigkeit, und es lag nahe, die Angelegenheit wieder an der traditions-reichen Forschungsstelle voranzutreiben. Daß seither nochmals acht Jahre bis zum Erscheinen vergehen mußten, ahnte niemand: Als Textvorlagen gab es nur das Buch, alte Bildvorlagen waren verloren. Allein die Erstellung der elektronischen Textvorlage auf der Basis der 1982er Auflage verschlang viel Mühe und Zeit, zumal man mit den ständig wechselnden Neufassungen der Textverarbeitungspro-gramme und der dazu benötigten Rechnerkapazität Schritt halten mußte. Neben dem Aufbau neuer Kapitel und der fachlichen Anpassung wichtiger Themen an den Stand der Technik galt es auch, alte, aber bewährte Abschnitte einer sprachli-chen Überarbeitung zu unterziehen. Es wurde dabei bewußt auf die ausführliche Schilderung von Fachdiskussionen mit Namensnennung der Autoren verzichtet, wie das zu Zeiten Salmangs, Scholzes, Hennickes und anderer schon aus Gründen des Selbstschutzes dienlich war. Die siebente Auflage ist sowohl als Lehrbuch als auch als Nachschlagewerk für eine schnelle Information gedacht. Sie soll detail-lierter informieren, wo Routine eingetreten ist, und weiterführende Hinweise auf umfassendere oder speziellere Literatur geben, soweit man den Forschungsstand der letzten zwanzig Jahre überhaupt verantwortlich aufarbeiten kann. Leider konnten nicht alle Kapitel komplett überarbeitet werden. Fehler, Unterlassungen und Ungenauigkeiten im Detail sind also unvermeidbar, wie bereits Salmang in seinem Vorwort zur ersten Auflage anklingen ließ. Es gibt aber heute ein Hilfs-mittel, dessen sich der Herausgeber gerne im Hinblick auf weitere Editionen be-dienen möchte:
heißt der „Kummerkasten“ bzw. die Anlaufstelle für Anregungen und Hinweise, aber auch für konstruktive Kritik. Der Leser ist eingeladen, sich seiner zu bedie-nen.
Dem Springer-Verlag ist der Herausgeber aus zahlreichen Gründen zu besonde-rem Dank verpflichtet: Die neue Auflage erscheint wieder als ein einziger Band
VI Vorwort zur siebenten Auflage
und zu einem erschwinglichen Preis. Was fast wichtiger ist, der Herausgeber hat zugestimmt, von einer „Übersetzung“ in die sog. neue deutsche Rechtschreibung abzusehen. Dieser Entschluß hat nicht nur einen zeitlichen Vorteil gebracht, son-dern sicherlich auch entscheidend zur Verständlichkeit des Textes beigetragen. Den neuen wie den alten Mitautoren sei für die wertvollen Fachbeiträge und – wie auch dem Verleger – für die Geduld ganz herzlich gedankt. Dank gebührt ferner den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Gesteinshüttenkunde, Aachen, die namentlich zu nennen den Rahmen eines Vorwortes sprengen würde. Nicht zuletzt sei auch Frau Gisela Scholze, Würzburg, herzlich gedankt für die Bereitstellung persönlicher Daten ihres Gatten und die wohlwollende Förderung der Neuauflage.
Aachen, im Mai 2006 R. Telle
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Buch entstand aus dem Bedürfnis heraus, dem Praktiker und dem Studierenden der Keramik eine kritische Darstellung der Ergebnisse der kerami-schen Forschung zu geben. Dieses Bedürfnis wurde seit vielen Jahren stark emp-funden und dem Verfasser von verschiedenen Seiten gegenüber geäußert, da die Verästelung der Forschung die Übersicht über ihre Ergebnisse immer mehr er-schwert.
Da es an guten Büchern und Monographien über die keramische Technik nicht fehlt, sind alle Ausführungen über die keramische Technologie sehr kurz gehalten und die Beschreibung der Apparatur, Maschinerie und Ofenanlagen vollständig fortgelassen worden. Der Forderung des Tages ist weiterhin dadurch Rechnung getragen worden, daß gegenüberstehende Anschauungen nur dann eingehend behandelt wurden, wenn sie noch nicht geklärt waren oder die unterlegene An-schauung hohen wissenschaftlichen Wert hatte. Im übrigen hat sich der Verfasser bemüht, nur die obsiegende Ansicht anzuführen. Die selbst auferlegte Beschrän-kung brachte es mit sich, daß längere geschichtliche Übersichten über die Entste-hung der modernen Anschauung meist vermieden werden mußten. So kam es dazu, daß manche Arbeiten unserer Altmeister nicht entsprechend den Anregun-gen, die sie gaben, behandelt werden konnten. Mögen die Manen von Seger und anderer Meister dies dem Verfasser vergeben.
Aachen, im September 1933 H. Salmang
Vorwort zur siebenten Auflage VII
Prof. Dr.-Ing. Hermann Salmang
Geboren 1890 in Aachen, Studium der Chemie in Aachen und Berlin, Abschluß 1913; 1914 Promotion in Aachen im Fach Chemische Technologie über Kohle-vergasung, Assistent am selben Institut, 1918 Heirat, 1925 Habilitation mit der Schrift „Über die Feuerfestigkeit der Tone“; Venia legendi in „Technische Silikat-chemie“, 1926 Dozent und Leiter des Silicatabteilung am Institut für Eisenhütten-kunde, RWTH Aachen, 1928 Gründung des zunächst privaten Institutes für Ge-steinshüttenkunde, 1930 Berufung zum außerordentlichen Professor, 1932 Ernen-nung zum Wissenschaftlichen Mitglied des Kaiser-Wilhelm-Institutes für Silikat-forschung. 1933 Aberkennung der Lehrbefugnis, 1935 Abschiedsgesuch und Übersiedlung nach Maastricht, Leiter des Labors der Firma „De Sphinx“; Ableh-nung des Rückrufes an die RWTH Aachen, ab 1953 Lehrtätigkeit am Institut für Gesteinshüttenkunde als o. Professor em.; 1954 Ernennung zum Auswärtigen Wissenschaftlichen Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft; 1955 Verleihung der Seger-Plakette der Deutschen Keramischen Gesellschaft; 1960 Verleihung der Otto-Schott-Denkmünze der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft; verstorben 1962 durch Unfall. Arbeitsgebiete: Bildsamkeit der Tone, Feuerfestigkeit von Tonen, Verschlackung feuerfester Stoffe, Konstitution von Silicatschmelzen, feuerfeste Werkstoffe für die Eisenmetallurgie, Hochtemperatureigenschaften feuerfester Erzeugnisse, insbesondere Wärmedehnung; keramische Schlicker; 70 Veröffentlichungen und zwei Bücher, seit 1933 Herausgabe des Werkes „Die physikalischen und chemischen Grundlagen der Keramik“, Übersetzungen ins Französische und Spanische.
VIII Vorwort zur siebenten Auflage
Prof. Dr.rer.nat. Horst Scholze
Geboren 1921 in Sohland an der Spree, 1946-1951 Studium der Chemie in Würz-burg, 1953 Promotion zum Dr.rer.nat. bei Prof. Brieglab, Heirat 1955 in Würz-burg; Habilitation 1959 mit dem Thema „Einbau des Wassers in Gläsern“, Venia legendi in „Physikalischer Chemie der Silikate“, 1953-1961 Wissenschaftlicher Assistent am Max-Planck-Institut für Silikatforschung in Würzburg, 1962-1963 Dozent für Glas und Keramik an der TU Clausthal, 1963-1971 Ordentlicher Pro-fessor und Direktor des neuen Institutes für Silikattechnik, später Institut für Glas, Keramik und Bindemittel an der TU Berlin; 1971-1986 Direktor des neu gegrün-deten Fraunhofer-Institutes für Silikatforschung in Würzburg; 1972-1988 Vor-standsmitglied der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft, 1972 Fellow der American Ceramic Society, 1978-1984 Vizepräsident und Präsident der Interna-tional Commission on Glass, 1986 Honorary Fellow der Society of Glass Tech-nology, 1988 Verleihung der Otto-Schott-Denkmünze der Deutschen Glastechni-schen Gesellschaft; verstorben 1990 in Würzburg. Arbeitsgebiete: Grundlagen der Strukturen und Eigenschaften von Glas, Keramik und Bindemitteln, u.a. Einfluß von Gasphasen auf den keramischen Brand, Gla-surbildung unter Wasserdampfeinfluß, erste Forschung über die Herstellung von Festkörpern nach der Sol-Gel-Methode (1962), erste Einführung organischer Komponenten und damit Begründung der Ormosil-Forschung; 130 Veröffentli-chungen, vier Bücher; seit 1968 Betreuung der Herausgabe des Werkes H. Salmang, H. Scholze, Die physikalischen und chemischen Grundlagen der Keramik.
Autorenliste Salmang, Scholze, Telle: Keramik; 7.Auflage
Dr. ir. V.A.M. Brabers Technische Universiteit Eindhoven, MB Eindhoven (Niederlande): Abschnitte 5.4, 10.3
Dr.-Ing. Fred Brunk Dr. C. Otto Feuerfest GmbH, Bochum: Abschnitte 9.3.1.1, 9.3.1.2
Dr.-Ing. I. Elstner ehemals Didier Werke AG Forschungsinstitut, Wiesbaden: Kapitel 9
PD Dr.-Ing. Horst Fischer RWTH Aachen, Institut für Gesteinshüttenkunde, Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe: Abschnitt 10.4
Prof. em. Dr. Hans Hausner Garmisch-Partenkirchen: Abschnitt 10.5.1
Prof. Dr. Jürgen Heinrich TU Clausthal, Institut für Nichtmetallische Werkstoffe: Abschnitt 7.3
Prof. Dr. Michael Hoffmann Universität Karlsruhe, Institut für Keramik im Maschinenbau: Abschnitt 10.5.3
Dr.-Ing. Rolf Janßen TU Hamburg-Harburg, AB Technische Keramik: Abschnitte 11.1, 11.2
Dr. rer.nat. A. Kaiser RWTH Aachen, Institut für Gesteinshüttenkunde, Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe: Abschnitt 3.3.4.2
X Autorenliste Salmang, Scholze, Telle: Keramik; 7.Auflage
Dr. rer.nat. H. Leistner ehemals Didier Werke AG Forschungsinstitut: Wiesbaden Kapitel 9
Dr. rer.nat. Peter Quirmbach Deutsches Institut für Feuerfest und Keramik GmbH, Bonn: Abschnitte 5.6, 6.3 (unter Mitarbeit von: W. Geist, M. Hülzgen, W. Weiand, Zschimmer und Schwarz GmbH&CoKG, Lahnstein)
Prof. Dr. Gerold Schneider TU Hamburg Harburg, Institut für Keramische Hochleistungswerkstoffe: Abschnitt 10.1.3 (unter Mitarbeit von R. Telle)
Prof. em. Dr. K.-H. Schüller Georg-Simon-Ohm Fachhochschule Nürnberg, Fachbereich Werkstofftechnik: Kapitel 8
Prof. Dr. Rainer Telle RWTH Aachen, Institut für Gesteinshüttenkunde, Lehrstuhl für Keramik und Feuerfeste Werkstoffe: Kapitel 4, Abschnitte 5.2.5, 6.1, 6.2, 7.1, 7.2, 7.5, 10.1.1, 10.1.4, 10.5.2, 10.5.4
Prof. Dr. Rainer Waser RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik II und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik Abschnitte 5.3, 10.2
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung .......................................................................................................... 11.1 Definitionen ................................................................................................. 21.2 Historisches.................................................................................................. 31.3 Roh- und Werkstoffe .................................................................................... 5
2 Strukturen ........................................................................................................... 92.1 Bindungsarten .............................................................................................. 9
2.1.1 Kovalente Bindung (Atombindung)................................................. 102.1.2 Ionenbindung.................................................................................. 112.1.3 Metallische Bindung....................................................................... 122.1.4 Mischbindungen ............................................................................. 122.1.5 Van der Waals-Bindung.................................................................. 142.1.6 Wasserstoffbrückenbindung ............................................................ 142.1.7 Ionenradien - Koordinationszahlen .................................................. 15
2.2 Kristalle ..................................................................................................... 202.2.1 Grundlagen der Kristallographie...................................................... 202.2.2 Gittertypen und Kristallstrukturen ................................................... 232.2.3 Gitterenergie................................................................................... 332.2.4 Gitterfehler..................................................................................... 35
2.3 Kristallchemie der Silicate .......................................................................... 402.3.1 Bindungsverhältnisse am Silicium................................................... 412.3.2 Systematik der Silicate.................................................................... 43
2.3.2.1 Insel- und Ringsilicate...................................................... 512.3.2.2 Ketten- und Bandsilicate .................................................. 562.3.2.3 Schichtsilicate.................................................................. 592.3.2.4 Gerüstsilicate ................................................................... 78
2.3.2.4.1 SiO2-Modifikationen ......................................... 782.3.2.4.2 Feldspäte .......................................................... 852.3.2.4.3 Feldspatvertreter ............................................... 882.3.2.4.4 Zeolithe ............................................................ 90
2.4 Nichtkristalline Festkörper.......................................................................... 932.4.1 Nahordnung und Fernordnung......................................................... 932.4.2 Gläser............................................................................................. 95
2.4.2.1 Struktur der Gläser........................................................... 962.4.2.2 Eigenschaften der Gläser................................................ 101
2.5 Oberflächen - Grenzflächen ...................................................................... 1082.5.1 Bindungsverhältnisse und Eigenschaften ....................................... 1082.5.2 Oberflächenspannung - Oberflächenenergie................................... 1102.5.3 Grenzflächenenergie ..................................................................... 1132.5.4 Gekrümmte Oberflächen............................................................... 1192.5.5 Oberflächencharakterisierung........................................................ 121
XII Inhaltsverzeichnis
2.5.6 Teilchencharakterisierung.............................................................. 127 2.5.6.1 Begriffsbestimmungen und Prinzipien............................. 127 2.5.6.2 Methoden der Korngrößenanalyse und –separation:
Klassieren und Sichten ................................................... 131 2.5.6.2.1 Trennen durch Siebung.................................... 132 2.5.6.2.2 Trennen durch Sichtung................................... 134 2.5.6.2.3 Sedimentationsverfahren.................................. 138 2.5.6.2.4 Zählverfahren.................................................. 140
2.6 Gefüge...................................................................................................... 144 2.6.1 Begriffe und Grundlagen............................................................... 144 2.6.2 Untersuchungsmethoden ............................................................... 145
2.6.2.1 Lichtmikroskopie ........................................................... 145 2.6.2.1.1 Durchlicht-Polarisationsmikroskopie................ 146 2.6.2.1.2 Auflichtmikroskopie........................................ 150 2.6.2.2 Elektronenmikroskopie.................................... 153 2.6.2.2.1 Rasterektronenmikroskopie.............................. 153 2.6.2.2.2 Transmissionselektronenmikroskopie............... 155 2.6.2.2.3 Elektronenmikroskopische Analytik................. 162
2.6.3 Quantitative Bildanalyse (Stereometrie)......................................... 166 2.6.4 Porosität ....................................................................................... 169
3 Thermochemie ................................................................................................. 175 3.1 Thermodynamik........................................................................................ 175
3.1.1 Grundlagen................................................................................... 175 3.1.2 Anwendungsbeispiele.................................................................... 180
3.2 Heterogene Gleichgewichte....................................................................... 185 3.2.1 Phasenregel................................................................................... 186 3.2.2 Phasendiagramme ......................................................................... 190 3.2.3 Ungleichgewichte ......................................................................... 221 3.2.4 Thermodynamische Berechnungen ................................................ 221
3.3 Keramische Mehrstoffsysteme................................................................... 225 3.3.1 Einstoffsysteme............................................................................. 226
3.3.1.1 SiO2............................................................................... 226 3.3.1.2 Al2O3 ............................................................................. 236 3.3.1.3 H2O ............................................................................... 239
3.3.2 Zweistoffsysteme .......................................................................... 243 3.3.2.1 SiO2-Al2O3..................................................................... 243 3.3.2.2 SiO2-R2O ....................................................................... 248 3.3.2.3 SiO2-RO ........................................................................ 248 3.3.2.4 SiO2-ZrO2 ...................................................................... 251 3.3.2.5 H2O-haltige binäre Systeme............................................ 257
3.3.3 Dreistoffsysteme ........................................................................... 261 3.3.3.1 K2O-Al2O3-SiO2............................................................. 262 3.3.3.2 Na2O-Al2O3-SiO2 ........................................................... 263 3.3.3.3 Li2O-Al2O3-SiO2 ............................................................ 264 3.3.3.4 MgO-Al2O3-SiO2 ........................................................... 266 3.3.3.5 H2O-Al2O3-SiO2, H2O-MgO-SiO2................................... 267
3.3.4 Höherkomponentige Systeme ........................................................ 278 3.3.4.1 Feldspäte........................................................................ 278 3.3.4.2 Siliciumnitrid-Systeme ................................................... 281
Inhaltsverzeichnis XIII
3.4 Kinetik ..................................................................................................... 2863.4.1 Triebkräfte.................................................................................... 2863.4.2 Diffusion ...................................................................................... 2883.4.3 Reaktionen ................................................................................... 2983.4.4 Schmelzen und Kristallisieren ....................................................... 3033.4.5 Kristallwachstum.......................................................................... 307
4 Sintern ............................................................................................................. 3134.1 Triebkräfte und Phänomene ...................................................................... 3134.2 Festphasensintern ..................................................................................... 317
4.2.1 Anfangsstadium des Festphasensinterns......................................... 3174.2.1 Zwischenstadium des Festphasensinterns....................................... 3294.2.2 Endstadium des Festphasensinterns ............................................... 334
4.3 Sintern mit Additiven................................................................................ 3484.4 Sintern mit flüssiger Phase........................................................................ 351
4.4.1 Konstitutionelle Voraussetzungen.................................................. 3514.4.2 Halswachstum durch viskoses Fließen........................................... 3524.4.3 Anfangsstadium des Flüssigphasensinterns .................................... 3544.4.4 Mittelstadium des Flüssigphasensinterns........................................ 3604.4.5 Endstadium des Flüssigphasensinterns........................................... 366
4.5 Drucksintern............................................................................................. 3734.6 Reaktionssintern ....................................................................................... 376
5 Eigenschaften keramischer Werkstoffe........................................................... 3815.1 Thermische Eigenschaften ........................................................................ 381
5.1.1 Wärmedehnung............................................................................. 3835.1.2 Wärmetransport ............................................................................ 386
5.2 Mechanische Eigenschaften ...................................................................... 3905.2.1 Elastische Eigenschaften ............................................................... 3905.2.2 Festigkeit...................................................................................... 3935.2.3 Hochtemperatureigenschaften ....................................................... 4035.2.4 Temperaturwechselbeständigkeit................................................... 4085.2.5 Härte ............................................................................................ 416
5.3 Elektrische Eigenschaften ......................................................................... 4245.3.1 Elektrische Leitfähigkeit ............................................................... 4245.3.2 Dielektrische Eigenschaften .......................................................... 431
5.4 Magnetische Eigenschaften....................................................................... 4365.5 Optische Eigenschaften............................................................................. 4435.6 Chemische Eigenschaften ......................................................................... 446
5.6.1 Grundlagen................................................................................... 4465.6.2 Medienkorrosion........................................................................... 452
5.6.2.1 Gaskorrosion ................................................................. 4525.6.2.2 Flüssigkeitskorrosion ..................................................... 4545.6.2.3 Schmelzkorrosion und Salzschmelzkorrosion
(„Hot-Corrosion“).......................................................... 4565.6.2.4 Korrosion durch Festkörperkontakt................................. 461
5.6.3 Einfluß der Korrosion auf mechanische Eigenschaften ................... 4625.6.4 Experimentelle Untersuchungsmöglichkeiten................................. 462
XIV Inhaltsverzeichnis
6 Rohstoffe.......................................................................................................... 465 6.1 Natürliche Rohstoffe ................................................................................. 466
6.1.1 Plastische Rohstoffe ...................................................................... 468 6.1.1.1 Begriffsbestimmung für Tone und Kaoline...................... 468 6.1.1.2 Entstehung der Tonminerale ........................................... 470 6.1.1.3 Lagerstätten der Kaoline und Tone.................................. 473 6.1.1.4 Nomenklatursystem........................................................ 478 6.1.1.5 Untersuchungsmethoden................................................. 483
6.1.2 Gering plastische Rohstoffe ........................................................... 487 6.1.3 Nicht plastische Rohstoffe ............................................................. 489
6.2 Synthetische Rohstoffe.............................................................................. 494 6.2.1 Aufschluß natürlicher Rohstoffe, Raffination, Fällung
und Umkristallisation .................................................................... 494 6.2.2 Festkörperreaktionen und Sinterverfahren...................................... 496 6.2.3 Schmelzverfahren ......................................................................... 497 6.2.4 Reduktions- und Oxidationsverfahren ............................................ 499 6.2.5 Lösungs- und Fällungsprozesse aus wässeriger Lösung .................. 502 6.2.6 Hydrothermalverfahren ................................................................. 503 6.2.7 Sol-Gel-Verfahren......................................................................... 505 6.2.8 Synthese aus reaktiven Lösungen................................................... 507 6.2.9 Lösungs- und Fällungsprozesse aus Schmelzen .............................. 508 6.2.10 Synthese durch Kondensation und Pyrolyse metallorganischer
Vorstufen...................................................................................... 509 6.2.10.1 Carbid-Synthesen........................................................... 509 6.2.10.2 Nitrid-Synthesen ............................................................ 513 6.2.10.3 Synthesen borhaltiger Verbindungen............................... 514
6.2.11 Synthese aus der Gasphase ............................................................ 515 6.3 Organische und anorganisch-polymere Additive ........................................ 517
6.3.1 Additive für die Aufbereitung keramischer Massen ........................ 517 6.3.2 Additive für Formgebungsprozesse................................................ 522 6.3.3 Additive für Dekorationsverfahren................................................. 523 6.3.4 Additive für die Umwelttechnik..................................................... 525
7 Keramische Verfahrenstechnik ....................................................................... 527 7.1 Entwicklung und Bedeutung...................................................................... 527 7.2 Aufbereitung............................................................................................. 535
7.2.1 Aufbereitung silicatkeramischer Massen ........................................ 537 7.2.1.1 Gewinnung und Sortierung ............................................. 537 7.2.1.2 Lagern und Sumpfen ...................................................... 539 7.2.1.3 Zerkleinerung und Homogenisierung .............................. 542
7.2.1.3.1 Feuchtaufbereitung.......................................... 544 7.2.1.3.2 Naßaufbereitung.............................................. 548 7.2.1.3.3 Trockenaufbereitung........................................ 554
7.2.2 Aufbereitung technischer Keramiken ............................................. 555 7.2.2.1 Mischen......................................................................... 555 7.2.2.2 Mahlen .......................................................................... 558
Inhaltsverzeichnis XV
7.3 Formgebung ............................................................................................. 5687.3.1 Grundlegende Betrachtungen ........................................................ 568
7.3.1.1 Charakterisierung von Suspensionen............................... 5687.3.1.1.1 Partikeloberflächenladung in flüssigen
Suspensionen .................................................. 5687.3.1.1.2 Elektrische Doppelschicht
an Partikeloberflächen..................................... 5717.3.1.1.3 Elektrokinetische Eigenschaften
und Schlickerstabilität ..................................... 5737.3.1.1.4 Rheologische Eigenschaften keramischer
Suspensionen .................................................. 5787.3.1.2 Plastizität keramischer Massen ....................................... 5837.3.1.3 Granulierung.................................................................. 586
7.3.1.3.1 Granulatherstellung......................................... 5867.3.1.3.2 Granulatcharakterisierung................................ 591
7.3.2. Formgebungsverfahren ................................................................. 5937.3.2.1 Gießverfahren................................................................ 595
7.3.2.1.1 Schlickergießen............................................... 5957.3.2.1.2 Druckschlickergießen...................................... 5977.3.2.1.3 Foliengießen ................................................... 599
7.3.2.2 Plastische Formgebung................................................... 6067.3.2.2.1 Rollerformgebung ........................................... 6067.3.2.2.2 Extrudieren ..................................................... 6087.3.2.2.3 Spritzgießen.................................................... 611
7.3.2.3 Preßverfahren ................................................................ 6177.3.2.3.1 Uniaxiales Trockenpressen .............................. 6177.3.2.3.2 Isostatisches Pressen........................................ 621
7.3.2.4 Neuentwicklungen ......................................................... 6237.4 Trocknung................................................................................................ 629
7.4.1 Feuchtigkeitsabgabe...................................................................... 6297.4.2 Trocknungsgeschwindigkeit und Schnelltrocknung........................ 6347.4.3 Trockenfestigkeit .......................................................................... 6387.4.4 Gedächtnis der Massen ................................................................. 640
7.5 Brand....................................................................................................... 6417.5.1 Beurteilung des Brennverhaltens ................................................... 6417.5.2 Brand silicatischer Massen............................................................ 645
7.5.2.1 Phasenreaktionen ........................................................... 6467.5.2.2 Glasphase ...................................................................... 6597.5.2.3 Brennfarben................................................................... 6607.5.2.3 Brennfehler.................................................................... 6657.5.2.4 Schnellbrand.................................................................. 671
7.6 Glasuren und andere keramische Überzüge................................................ 6767.6.1 Engoben ....................................................................................... 6767.6.2. Glasuren....................................................................................... 677
7.6.2.1 Zusammensetzung.......................................................... 6777.6.2.2 Vorgänge beim Brand .................................................... 6797.6.2.3 Eigenschaften ................................................................ 683
XVI Inhaltsverzeichnis
8 Silicatkeramik.................................................................................................. 691 8.1 Poröse silicatkeramische Werkstoffe.......................................................... 693
8.1.1 Ziegel ........................................................................................... 694 8.1.1.1 Werkstoffe, Technologie und Eigenschaften.................... 694 8.1.1.2 Frostbeständigkeit .......................................................... 697 8.1.1.3 Ausblühungen................................................................ 698
8.1.2 Irdengut und Töpferwaren ............................................................. 699 8.1.3 Steingut ........................................................................................ 699
8.2 Dichte silicatkeramische Werkstoffe.......................................................... 702 8.2.1 Steinzeug...................................................................................... 703 8.2.2 Porzellan....................................................................................... 704
8.2.2.1 Porzellan-Typen............................................................. 704 8.2.2.2 Entwicklung des Gefüges im Brand ................................ 707 8.2.2.3 Transparenz ................................................................... 709 8.2.2.4 Mechanische Festigkeit .................................................. 711
8.2.3 Steatit ........................................................................................... 713 8.2.4 Werkstoffe mit geringer Wärmedehnung........................................ 717
9 Feuerfeste Werkstoffe...................................................................................... 719 9.1 Einführung ............................................................................................... 719 9.2 Eigenschaften feuerfester Werkstoffe......................................................... 721
9.2.1 Thermisch-mechanische Eigenschaften.......................................... 721 9.2.1.1 Feuerfestigkeit ............................................................... 721 9.2.1.2 Druckfeuerbeständigkeit (DFB), Druckerweichung (DE)
und Druckfließen (DFL) ................................................. 722 9.2.1.3 Heißbiegefestigkeit (HBF).............................................. 725 9.2.1.4 Thermische Ausdehnung ................................................ 725 9.2.1.5 Temperaturwechselbeständigkeit (TWB)......................... 726
9.2.2 Thermische Eigenschaften............................................................. 727 9.2.2.1 Wärmeleitfähigkeit......................................................... 727 9.2.2.2 Spezifische Wärmekapazität ........................................... 728 9.2.2.3 Volumenbezogene Wärmekapazität
und Temperaturleitfähigkeit............................................ 729 9.2.3 Mechanische Eigenschaften........................................................... 729
9.2.3.1 Kaltdruckfestigkeit (KDF) .............................................. 729 9.2.3.2 Elastizitäts- und Verformungsmodul ............................... 730 9.2.3.3 Porosität und Dichte ....................................................... 731
9.2.4 Chemische Beanspruchung............................................................ 733 9.2.4.1 Chemische Zusammensetzung ........................................ 733 9.2.4.2 Verschlackungsbeständigkeit .......................................... 733
9.3 Feuerfeste Werkstoffe ............................................................................... 736 9.3.1 Dichte geformte feuerfeste Erzeugnisse.......................................... 736
9.3.1.1 Silicasteine..................................................................... 736 9.3.1.2 Schamottesteine ............................................................. 740 9.3.1.3 Tonerdereiche Steine...................................................... 745 9.3.1.4 Basische Steine .............................................................. 749 9.3.1.5 Sondererzeugnisse.......................................................... 757 9.3.1.6 Schmelzgegossene Erzeugnisse....................................... 759
Inhaltsverzeichnis XVII
9.3.2 Ungeformte feuerfeste Erzeugnisse................................................ 7619.3.2.1 Ungeformte Erzeugnisse für monolithische
Konstruktionen und Reparaturen (Massen)...................... 7689.3.2.2 Verlege- und Verfugungsmaterialien
(Mörtel, Kitte, Kleber).................................................... 7709.3.2.3 Materialien für Anstriche und Oberflächenschutz............ 771
9.3.3 Feuerleicht- und Isoliersteine......................................................... 7719.3.3.1 Feuerleichtsteine ............................................................ 7719.3.3.2 Isoliersteine ................................................................... 772
9.3.4 Keramische Faserwerkstoffe ......................................................... 7739.3.4.1 Keramische Fasertypen .................................................. 7739.3.4.2 Hochtemperaturverhalten keramischer Fasern ................. 7749.3.4.3 Bauteile aus keramischen Fasern .................................... 7779.3.4.4 Wärmeleitfähigkeit keramischer Faserwerkstoffe ............ 7799.3.4.5 Umgang mit Keramikfasern............................................ 781
10 Technische Keramik........................................................................................ 78310.1 Oxidkeramik ............................................................................................ 784
10.1.1 Aluminiumoxid ............................................................................ 78510.1.1.1 Rohstoffe ....................................................................... 78510.1.1.2 Tonerdegewinnung ........................................................ 78710.1.1.3 Sinterverhalten............................................................... 79310.1.1.4 Eigenschaften ................................................................ 80110.1.1.5 Verwendung .................................................................. 810
10.1.2 Berylliumoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid ......................... 81110.1.2.1 Berylliumoxid................................................................ 81110.1.2.2 Magnesiumoxid ............................................................. 81310.1.2.3 Calciumoxid .................................................................. 816
10.1.3 Zirconiumdioxid ........................................................................... 81710.1.3.1 Kristallstruktur, Rohstoffe und Herstellungsverfahren ..... 81710.1.3.2 PSZ-Keramiken ............................................................. 82110.1.3.3 TZP-Keramiken............................................................. 82410.1.3.4 Umwandlungsverstärkung.............................................. 82710.1.3.5 Mechanische Eigenschaften............................................ 82810.1.3.6 Elektrische Eigenschaften............................................... 832
10.1.4 Yttriumoxid, Ceriumoxid, Hafniumoxid und Thoriumoxid............. 83410.1.4.1 Yttriumoxid ................................................................... 83410.1.4.2 Ceriumoxid.................................................................... 83610.1.4.3 Hafniumoxid.................................................................. 83810.1.4.4 Thoriumoxid.................................................................. 838
10.2 Elektrokeramische Werkstoffe .................................................................. 84010.2.1 Dielektrische Keramiken............................................................... 841
10.2.1.1 Kondensatoranwendungen.............................................. 84110.2.1.2 Mikrowellenbauelemente ............................................... 84410.2.1.3 Substrate........................................................................ 845
10.2.2 Ferroelektrische Keramiken .......................................................... 84510.2.2.1 Piezoaktoren und –sensoren............................................ 84710.2.2.2 Ferroelektrische Datenspeicher....................................... 85110.2.2.3 Pyroelektrische Infrarotdetektoren .................................. 85210.2.2.4 Elektrooptische Bauelemente.......................................... 853
XVIII Inhaltsverzeichnis
10.2.3 Elektronen- und ionenleitende Keramiken...................................... 854 10.2.3.1 Gassensoren und Hochtemperatur-Brennstoffzellen......... 854 10.2.3.2 Varistoren ...................................................................... 856 10.2.3.3 Temperaturabhängige Widerstände ................................. 857 10.2.3.4 Keramische Supraleiter................................................... 859
10.3 Magnetokeramik....................................................................................... 860 10.3.1 Weichmagnetische Ferrite ............................................................. 861
10.3.1.1 Ferritherstellung............................................................. 864 10.3.1.2 Einfluß der Rohstoffe und der Herstellbedingungen......... 866 10.3.1.3 Zusammensetzung der Weichferrite und Einfluß
von Zusätzen.................................................................. 868 10.3.2 Dauermagnetische Ferrite.............................................................. 869
10.3.2.1 Gitteraufbau und magnetische Eigenschaften................... 869 10.3.2.2 Einfluß von Zusätzen...................................................... 873 10.3.2.3 Herstellungsverfahren..................................................... 874 10.3.2.4 Eigenschaften................................................................. 876 10.2.3.5 Anwendungen ................................................................ 878
10.4 Biokeramik............................................................................................... 880 10.4.1 Biokeramik-Anwendungsbeispiele................................................. 880 10.4.2 Anforderungsprofil biokeramischer Werkstoffe.............................. 881 10.4.3 Eigenschaftsprofil von Biokeramik................................................ 882 10.4.4 Ausgewählte Biokeramiken........................................................... 884 10.4.5 Zulassung von Biowerkstoffen....................................................... 887
10.5 Nichtoxidkeramik ..................................................................................... 888 10.5.1 Kohlenstoff................................................................................... 891
10.5.1.1 Diamant und Graphit ...................................................... 891 10.5.1.2 Herstellung und Eigenschaften........................................ 893
10.5.2 Siliciumcarbid............................................................................... 897 10.5.2.1 Struktur und Phasenbeziehungen..................................... 897 10.5.2.2 Herstellung und Verarbeitung ......................................... 900 10.5.2.3 Sintermöglichkeiten und Werkstofftypen......................... 906 10.5.2.4 Polytypentransformation und Gefügeentwicklung
beim Sintern................................................................... 917 10.5.2.5 Eigenschaften und Verwendung...................................... 919
10.5.3 Siliciumnitrid................................................................................ 922 10.5.3.1 Struktur und Phasenbeziehungen..................................... 922 10.5.3.2 Herstellung .................................................................... 924 10.5.3.3 Eigenschaften und Anwendung....................................... 929
10.5.4 Borcarbid und Übergangsmetallboride ........................................... 931 10.5.4.1 Chemische Bindung borhaltiger Werkstoffe .................... 931 10.5.4.2 Borcarbid....................................................................... 932 10.5.4.3 Übergangsmetallboride................................................... 939
11 Verbundwerkstoffe .......................................................................................... 947 11.1 Metall-Keramik-Werkstoffsysteme............................................................ 947
11.1.1 Metall-Keramik-Verbundwerkstoffsysteme.................................... 948 11.1.2 Fügen von Metall- und Keramikbauteilen ...................................... 949 11.1.3 Beschichtungen............................................................................. 950
11.1.3.1 Keramik auf Metall ........................................................ 950 11.1.3.2 Metall auf Keramik ........................................................ 952
11.1.4 Reaktionsverfahren ....................................................................... 952
Inhaltsverzeichnis XIX
11.2 Faserverbundwerkstoffe............................................................................ 95411.2.1 Verstärkungsmechanismen............................................................ 954
11.2.2 Fasern............................................................................ 95611.2.2.1 Oxidische Fasern............................................................ 95711.2.2.2 Nichtoxidische Fasern .................................................... 95811.2.2.3 C-Fasern (Kohlefasern) .................................................. 959
11.2.3 Matrixsysteme - Herstellungsverfahrenund mechanische Eigenschaften .................................................... 96111.2.3.1 Oxidische Matrixsysteme ............................................... 96111.2.3.2 SiC-Matrices.................................................................. 96211.2.3.3 CFC-Verbundwerkstoffe ................................................ 963
Anhang ..................................................................................................................... 9671 Das internationale Einheitensystem (SI) .................................................... 967
SI-Basiseinheiten...................................................................................... 967Gebräuchliche abgeleitete Einheiten.......................................................... 967
Definitionen der SI-Basiseinheiten ................................................ 968Dezimale Teile und Vielfache ................................................................... 968Numerische Präfixe .................................................................................. 969
2 Grundlegende Konstanten (Revision 1986)................................................ 9703 Wichtige Umrechnungsfaktoren ................................................................ 971
Energie......................................................................................... 971Energieäquivalente........................................................................ 971Druck ........................................................................................... 971
Umrechnung in andere Maßsysteme.......................................................... 9714 Das griechische Alphabet.......................................................................... 9725 R-Sätze (Gefahrenhinweise)...................................................................... 973
R-Sätze......................................................................................... 973Kombinationen von R-Sätzen........................................................ 974
6 S-Sätze (Sicherheitsratschläge).................................................................. 975Kombination von S-Sätzen............................................................ 977
7 DIN-EN-Normen zur Prüfung keramischer Erzeugnisse............................. 9787.1 Allgemeine Definitionen............................................................... 9787.2 Prüfverfahren für Pulver................................................................ 9797.3 Prüfverfahren für monolithische Keramik...................................... 9807.4 Prüfverfahren für Verbundwerkstoffe ............................................ 9827.5 Prüfverfahren für Schichten........................................................... 9837.6 Anwendungesrelevante Normen.................................................... 9837.7 Produktionstechnik, Fügetechnik, Korrosion und Verschleiß ........... 984
8 Tabelle wichtiger Akronyme für die Materialcharakterisierung ................... 985
Literaturverzeichnis ................................................................................................ 1005
Sachverzeichnis ....................................................................................................... 1117