Technik im Fokus
Konzeption der Energie-Bände in der Reihe Technik im Fokus: Prof. Dr.-Ing. Viktor Wesselak, Institut für Regenerative Energiesysteme, Fachhochschule Nordhausen Technik im Fokus Photovoltaik Wie Sonne zu Strom wird Wesselak, Viktor; Voswinckel, Sebastian, ISBN 978-3-642-24296-0 Komplexität Warum die Bahn nie pünktlich ist Dittes, Frank-Michael, ISBN 978-3-642-23976-2 Kernenergie Eine Technik für die Zukunft? Neles, Julia Mareike; Pistner, Christoph (Hrsg.), ISBN 978-3-642-24328-8 Energie Die Zukunft wird erneuerbar Schabbach, Thomas; Wesselak, Viktor, ISBN 978-3-642-24346-2 Werkstoffe Unsichtbar, aber unverzichtbar Weitze, Marc-Denis; Berger, Christina, ISBN 978-3-642-29540-9 Werkstoff Glas Alter Werkstoff mit großer Zukunft Schaeffer, Helmut; Langfeld, Roland, ISBN 978-3-642-37230-8 3D-Drucken Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert Fastermann, Petra, ISBN 978-3-642-40963-9 Wasserstoff und Brennstoffzellen Unterwegs mit dem saubersten Kraftstoff Lehmann, Jochen; Luschtinetz, Thomas, ISBN 978-3-642-34667-5 Weitere Bände zur Reihe finden Sie unter http://www.springer.com/series/8887
Dagmar Hülsenberg Keramik Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird
Dagmar Hülsenberg acatech, TU Ilmenau Ilmenau, Deutschland ISSN 2194-0770 ISBN 978-3-642-53882-7 DOI 10.1007/978-3-642-53883-4 ISBN 978-3-642-53883-4 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de
Vorwort zu Technik im Fokus: Keramik Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird Fragt man eine beliebige Person nach Keramik, wird man Antworten erhalten, die sich ausschließlich auf Geschirr und künstlerische Keramik, vielleicht noch auf elektrische Isolatoren und Sanitärkeramik oder auch auf Ziegel begrenzen. Damit schränkt sich die allgemeine Kenntnis über Keramik-Werkstoffe auf solche ein, die Tone und Kaoline als wichtigen Rohstoff enthalten. Dass die Palette der Keramik-Werkstoffe, beginnend an der Wende zum 20. Jahrhundert, weit über die klassische Keramik hinausgegangen ist, konnte sich in der allgemeinen Wahrnehmung bisher nicht etablieren. Das ist auch der Grund dafür, dass die Fachleute in Abgrenzung zur breiten Palette von neuen technischen Keramik-Werkstoffen für die seit Jahrhunderten hergestellten Keramik-Erzeugnisse den Begriff Ton-Keramik geprägt haben. Das vorliegende Buch versucht, in einem einleitenden, historischen Überblick eine Übersicht über diese klassischen Ton-Keramiken zu geben. Da moderne, technische Keramik-Werkstoffe ohne diesen bildsamen Rohstoff auskommen müssen, folgen neue Anforderungen an deren Herstellungsmöglichkeiten. Neue Verfahren der Rohstoffgewinnung, der Formgebung und des Brennens werden als Übersicht in einem eigenständigen Kapitel der Behandlung der speziellen Keramik-Werkstoffe vorangestellt. Ohne auch nur im Entferntesten eine vollständige Darstellung der heute verfügbaren Keramik-Werkstoffe geben zu können, wird versucht, in den Kapiteln Silikat-Keramik, Oxid-Keramik und Nichtoxid- Keramik wenigstens einen Überblick zu geben, wie moderne Keramik- V
VI Vorwort zu Werkstoffe zusammengesetzt sind, was sie heute leisten können und welche Anwendungsfelder ohne sie gar nicht möglich wären. Die Springer-Titelreihe Technik im Fokus wendet sich u. a. an Lehrer, Ingenieure jeglicher Fachdisziplinen, Politiker und Journalisten, die sich möglichst kurzfristig aus dienstlichen Gründen Informationen zu Keramik-Werkstoffen beschaffen möchten oder müssen. Aber auch Studierende der Ingenieurwissenschaften ganz allgemein können sich Grundkenntnisse zur Werkstoffgruppe aneignen. Es geht also einerseits um Einsteigerwissen. Andererseits besteht die Absicht des Buches darin, die Neugier auf weitergehende Informationen zu Keramik-Werkstoffen und zur detaillierteren Beschäftigung mit ihnen zu wecken. Dem Anliegen des Buchesentspricht es, dass sich der Leser möglichst ohne zusätzliche Recherchen Basiskenntnisse zu Keramiken aneignen kann. Deshalb wurde mit Literaturverweisen sparsam umgegangen. Da es hervorragende deutschsprachige Fachbücher auf diesem Gebiet gibt, wurde für weitergehende Informationen ausschließlich auf diese verwiesen. Das schließt natürlich die Beschäftigung mit fremdsprachlichen Texten vor allen Dingen in Zeitschriften und Konferenzberichten nicht aus. In der Abfassung des Buches werden bewusst Formeln vermieden. Die Absicht besteht darin, die teilweise sehr komplexen Zusammenhänge allgemein verständlich zu erklären. Dadurch wird an einigen Stellen auf die eigentlich notwendige Tiefe der Darstellung verzichtet. Das Buch enthält viele Diagramme und Fotos, um Aussagen zu verdeutlichen. Spezielle Anwendungsfälle sind besonders hervorgehoben. Anregungen zur Verbesserung der Darstellung und vor allen Dingen zur Neuaufnahme von aktuellen Entwicklungen und Tendenzen sind, sofern sie nicht den engen Rahmen sprengen, immer willkommen. Für die Bereitstellung von Dateien und Abdruckgenehmigungen für Diagramme und Fotos wird den Verlagen: Thieme-Verlag Stuttgart, HvB-Verlag Ellerau, Vulkan-Verlag Essen, Carl-Hanser-Verlag München, Hofmann-Verlag GmbH Schorndorf; sowie den Unternehmen: Rauschert Steinbach GmbH Steinbach, Morgan Advanced Materials: Technical Ceramics - Haldenwanger Waldkraiburg, SGL CARBON SE Wiesbaden, FCT Ingenieurkeramik GmbH Rauenstein, Matthys Orthopädie GmbH Mörsdorf, CeramTec GmbH Lauf, Elektrokeramik Sonneberg GmbH und CERApro Hochtemperaturtechnik GmbH Kalchreuth; sowie dem Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und
Vorwort zu VII Systeme IKTS Dresden herzlich gedankt. Das gilt auch fürdie konstruktive Zusammenarbeit mit Frau Eva Hestermann-Beyerle und Frau Birgit Kollmar-Thoni vom Springer-Verlag. Dagmar Hülsenberg; Mitglied des Themennetzwerkes Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften, acatech, und Professor i.r. an der TU Ilmenau im Herbst 2014
Inhaltsverzeichnis 1 Technische Entwicklungen, die erst durch Keramikwerkstoffe möglich sind... 1 Literatur... 10 2 Keramikwerkstoffe in den verschiedenen Epochen eine Übersicht... 11 2.1 Ton-Keramik... 11 2.1.1 Einordnung in die Klasse der Keramikwerkstoffe 11 2.1.2 Verschiedene Ton-Keramiken... 12 2.2 Technische Anwendungsfelder zwischen 1850 bis 1950 17 2.2.1 Tendenzen in der Entwicklung keramischer Werkstoffe... 17 2.2.2 Neue Einsatzgebiete für Porzellan... 17 2.2.3 Erste Nichtoxid-Keramiken... 18 2.2.4 Technische Keramik mit hohem Aluminiumoxid- Anteil... 19 2.3 Entwicklung keramischer Werkstoffe seit 1950... 20 2.3.1 Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung, Herstellungsverfahren, Struktur und Eigenschaften von Keramik-Werkstoffen.. 20 2.3.2 Neue Keramiken auf Silikat-Basis... 21 2.3.3 Keramiken mit speziellen magnetischen und elektrischen Eigenschaften... 21 2.3.4 Übersicht über Einsatzgebiete von Keramik- Werkstoffen... 24 Literatur... 25 IX
X Inhaltsverzeichnis 3 Herstellungsverfahren... 27 3.1 Bildsame und unbildsame Rohstoffe... 27 3.1.1 Tonige Rohstoffe... 27 3.1.2 Unbildsame Rohstoffe, synthetische Pulver... 29 3.2 Aufbereitung keramischer Massen... 33 3.2.1 Zielstellung und Möglichkeiten der Formgebung 33 3.2.2 Oberflächenladungen... 34 3.2.3 Schlickerbereitung... 36 3.3 Formgebung... 40 3.3.1 Formgebung durch Gießen... 40 3.3.2 Plastische Formgebung... 43 3.3.3 Formgebung durch Pressen... 48 3.4 Brennen bzw. Sintern der Keramikrohlinge... 54 3.5 Nach- und Weiterbearbeitung von Keramikerzeugnissen 58 3.5.1 Mechanische Nachbearbeitung... 58 3.5.2 Fügen... 62 3.5.3 Beschichten... 65 Literatur... 68 4 Silikat-Keramiken für technische Anwendungen... 69 4.1 Zugehörige Werkstoffe... 69 4.2 Elektroporzellan... 70 4.2.1 Zusammensetzung und Struktur... 70 4.2.2 Mechanische Eigenschaften... 72 4.2.3 Herstellung von Hochspannungs-Porzellanisolatoren... 75 4.3 Steatit-Keramik... 76 4.4 Cordierit-Keramik... 78 4.5 Mullit-Keramik... 83 Literatur... 88
Inhaltsverzeichnis XI 5 Oxid-Keramik... 91 5.1 Gemeinsamkeiten... 91 5.2 Korund-Keramik... 93 5.2.1 Struktur und Eigenschaften... 93 5.2.2 Anwendung... 95 5.3 Zirkoniumdioxid-Keramiken... 99 5.4 Keramiken auf der Basis von Titandioxid... 104 5.4.1 Abhängigkeit der Permittivität vom Kristallgitter 104 5.4.2 Herstellung und Anwendungen von PZT- Keramik... 110 5.4.3 Katalysatoren auf der Basis von TiO 2... 112 5.5 Magnet-Keramiken, Ferrite... 113 5.5.1 Ursachen des Magnetismus von Keramiken... 113 5.5.2 Weich- und Hartmagnet-Keramiken... 114 5.6 Oxid-Keramik-Halbleiter... 118 5.6.1 NTC-Keramiken... 118 5.6.2 PTC-Keramiken... 120 5.6.3 Varistoren... 123 5.7 Ionenleitende Oxid-Keramik... 124 5.7.1 Sauerstoffanionenleitende Oxid-Keramik... 124 5.7.2 Kationenleitende Oxid-Keramik... 128 5.8 Keramik-Supraleiter... 130 5.9 Low temperature cofired ceramics (LTCC)... 132 Literatur... 136 6 Nichtoxid-Keramik... 139 6.1 Gemeinsamkeiten und Abgrenzung... 139 6.2 Siliziumkarbid-Keramik... 140 6.2.1 Struktur und Eigenschaften... 140 6.2.2 Herstellung... 144 6.3 Borkarbid-Keramik... 146 6.3.1 Eigenschaften... 146 6.3.2 Herstellung und weitere Anwendungen... 147 6.4 Siliziumnitrid-Keramik... 150 6.4.1 Besonderheiten... 150 6.4.2 Eigenschaften... 152 6.4.3 Anwendungen... 154
XII Inhaltsverzeichnis 6.5 Aluminiumnitrid-Keramik... 158 6.6 Bornitrid-Keramik... 161 6.6.1 Hexagonales Bornitrid... 161 6.6.2 Kubisches Bornitrid... 164 6.7 Titanborid-Keramik... 165 Literatur... 169 Sachverzeichnis... 171