Carbon ist Zukunft. 2. Auflage Carbon ist SGL Group. sind einer der weltweit führenden Hersteller von Produkten aus Carbon. Wir verfügen über ein breites Rohstoffverständnis, ausgereifte Herstellungsprozesse, langjähriges Anwendungs- und Engineering-Know-how, ein umfassendes Portfolio an Kohlenstoff-, Graphit- und CarbonfaserProdukten und eine integrierte Wertschöpfungskette von Carbonfasern bis hin zu Ver- CFK Spezialgraphite CFC Expandierter Graphit C/SiC Grundlagen Werkstoffe Verfahrenstechnik Carbonfasern Wir, die SGL Group The Carbon Company, Graphit Technische Keramik Grundlagen Werkstoffe Verfahrenstechnik Technische Keramik Kohlenstoff W. Kollenberg (Hrsg.) 2. Auflage bundwerkstoffen. Mit dieser breiten Basis bieten wir unseren Kunden beste Lösungen. Broad Base. Best Solutions. Umschlag #2953 165x230gb4cR36A.indd 1 VULKAN Mehr unter www.sglgroup.com 18.11.2009 15:18:01 Uhr
Technische Keramik 2. Auflage
WISSEN für die ZUKUNFT OLDENBOURG INDUSTRIEVERLAG GMBH VULKAN-VERLAG GMBH
Wolfgang Kollenberg (Hrsg.) III Technische Keramik Grundlagen Werkstoffe Verfahrenstechnik 2. Auflage VULKAN VERLAG
IV Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. ISBN 978-3-8027-2927-7 2009 Vulkan-Verlag GmbH Ein Unternehmen der Oldenbourg-Gruppe Huyssenallee 52-56, D-45128 Essen Telefon: (02 01) 8 20 02-0, Internet: http://www.oldenbourg.de Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung 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. Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Herausgeber und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung. Lektorat/Projektmanagement: Stephan Schalm
Vorwort zur 2. Auflage V Vorwort zur 2. Auflage Werkstoffe sind heute mehr denn je der Schlüssel für technische Innovationen. Dabei hat die Bedeutung der Keramik in den letzten Jahren deutlich zugenommen, was nicht zuletzt auch auf den gesteigerten Bekanntheitsgrad zurückzuführen ist. So ist es auch das Ziel der 2. Auflage dieses Buches Studierende, Ingenieure, Konstrukteure und Produktentwickler mit der Herstellung und den Eigenschaften Keramischer Werkstoffe vertraut zu machen. Die in der 1. Auflage gewählte Gesamtdarstellung mit starkem Bezug zur Praxis wurde beibehalten. Einige Kapitel (beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirconiumoxid) wurden grundlegend überarbeitet, neue Themen, wie Kohlenstoff, Rapid Prototyping und Keramische Schichten, wurden aufgenommen. Allen beteiligten Autoren sei an dieser Stelle herzlich für ihre Kooperation gedankt. Durch ihr Engagement haben sie bedeutenden Anteil an der Realisierung dieser 2. Auflage. Auch dem Vulkan-Verlag und seinen Mitarbeitern gilt es für die Möglichkeit das Buch herauszugeben und die gelungene Realisierung Dank zu sagen. Rheinbach, im November 2009 Wolfgang Kollenberg
VI Vorwort zur 1. Auflage Vorwort zur 1. Auflage Keramische Werkstoffe übernehmen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften in den meisten technischen Prozessen heute wichtige Funktionen. Neben den klassischen Feldern der Hochtemperaturanwendungen werden sie zunehmend im Maschinen- und Anlagenbau, der Elektronik und Elektrotechnik, der Energieerzeugung, der chemischen Verfahrenstechnik, der Medizintechnik und in vielen Bereichen des Haushalts eingesetzt. Dabei haben sie zum Teil andere Werkstoffe verdrängt, aber in weit größerem Maße neue Technologien und Anwendungen erst ermöglicht. Mit dem vorliegenden Buch soll dem Leser ein umfassender Überblick über den Aufbau und die Eigenschaften der verschiedenen keramischen Werkstoffe sowie die Potentiale der unterschiedlichen Herstellungsverfahren gegeben werden. An Hand zahlreicher Anwendungsbeispiele wird ein Einblick in das Spektrum technischer Anwendungen gegeben. Unter dem Begriff Technische Keramik werden alle keramischen Werkstoffe zusammengefasst, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden können. Der Bogen spannt sich von der Funktionskeramik über die Konstruktionskeramik bis zur Feuerfestkeramik. Mit der hier gewählten Gesamtdarstellung und einem starken Bezug zur Praxis richtet sich das Buch an Studierende, Ingenieure und Konstrukteure. Die einzelnen Aspekte werden von kompetenten Fachleuten aus Industrie, Hochschule und Forschung vorgestellt. In der umfassenden Betrachtung der Themenbereiche Eigenschaften und Prüfverfahren, Werkstoffe, Verfahrenstechnik und Anwendung soll dem Leser ein aktueller und ausführlicher Überblick geboten werden. Selbstverständlich können trotz der angestrebten Ausführlichkeit nicht alle Fragen beantwortet werden. Der Herausgeber hofft aber, eine den Bedürfnissen des angesprochenen Leserkreises entsprechende Auswahl gefunden zu haben. Zur weiteren Vertiefung einzelner Aspekte wird in den jeweiligen Kapiteln auf umfassende Literatur verwiesen. Anregungen aus dem Leserkreis zur weiteren Verbesserung des Inhaltes sind willkommen. Den Autoren sei für ihre Kooperation herzlich gedankt. Durch ihr Engagement und ihre Mitarbeit haben sie ausschlaggebend zum Gelingen des Buches beigetragen. Dank gilt aber auch dem Vulkan-Verlag, der sich der Aufgabe gestellt hat, ein derart umfassendes und praxisorientiertes Buch herauszugeben. Rheinbach, im April 2004 Wolfgang Kollenberg
Autorenverzeichnis VII Autorenverzeichnis Dr. Rainer Bartusch KI Keramik Institut GmbH Ossietzkystraße 37a 01662 Meissen Prof. Dr. Wolfgang D.G. Böcker Hüninger Straße 4 14195 Berlin Prof. Dr. Michael Böhmer Fachhochschule Köln Institut für Werkstoffanwendungen Betzdorfer Straße 2 50679 Köln Dr. Dieter Brunner AnCeram GmbH & Co.KG Esbachgraben 21 95463 Bindlach Dr. habil. (DC) Gunter Carl JSJ Jodeit GmbH Am Naßtal 10 07751 Jena-Mana Ines Durmann Sembach GmbH & Co.KG Oskar-Sembach-Straße 15 91207 Lauf Dr. Andreas Gebhardt VITROW Spezialwerkstoffe GmbH Am Naßtal 5 07751 Jena-Mana Prof. Dr. Georg Grathwohl Universität Bremen Am Biologischen Garten 2 28359 Bremen Dr. Hermann Hald DLR Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Pfaffenwaldring 38-40 70569 Stuttgart Dr. habil Mathias Herrmann Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe Winterbergstraße 28 01277 Dresden Dr. Hans Hoppert CeramTEc ETEC GmbH An der Burg Sülz 53797 Lohmar Markus Kindtner Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße 1 53359 Rheinbach Prof. Dr. Gernot Klein Fachhochschule Koblenz Rheinstraße 52 56203 Höhr-Grenzhausen Dr. Hagen Klemm FhG IKTS Dresden Winterbergstraße 28 01277 Dresden Prof. Dr. Wolfgang Kollenberg Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße 1 53359 Rheinbach Sandra Lehmann Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße 1 53359 Rheinbach Dr. Johannes Liebermann Hühnerberg 16 96215 Lichtenfels Dr. habil. (PD) Ralph Lucke FIT-Ceramis Lindenweg 2 A 83714 Miesbach
VIII Prof. Dr. Ralf Moos Universität Bayreuth Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften Lehrstuhl für Funktionsmaterialien Universitätsstraße 30 95440 Bayreuth Dr. Bernhard Mussler Micro Systems Engineering GmbH Schlegelweg 17 95180 Berg Dr. Detlev Nicklas Verband der Keramischen Industrie e.v. Schillerstraße 17 95100 Selb Dieter Nikolay Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße 1 53359 Rheinbach Oswin Öttinger SGL CARBON GmbH Werner-von-Siemens-Straße 18 86405 Meitingen Dr. Ewald Pfaff RWTH Aachen Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau Nizzaallee 32 52072 Aachen Prof. Dr. Helmut Rasch Juchaczstraße 26 c 56203 Höhr-Grenzhausen Prof. Dr. Teja Reetz Carriera-Straße 11 01139 Dresden Prof. Dr. Hermann Riedel Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik Wöhlerstraße 11 79108 Freiburg Prof. Dr. Andreas Roosen Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl Gas und Keramik Martensstraße 5 91058 Erlangen Autorenverzeichnis Stefan Rünz Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH Lise-Meitner-Straße 1 53359 Rheinbach Jochen Schilm Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe Winterbergstraße 28 01277 Dresden Doz. Dr. Jürgen Schnapp Universität Jena Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie Löbdergraben 32 07743 Jena Prof. Dr. Hartmut Schneider Universität Köln Institut für Kristallographie Zülpicher Straße 49 b 50674 Köln Lars Schnetter CeramTec-ETEC An der Burg Sülz 17 53797 Lohmar Dr. Gerd Schwier Hochgrevetraße 12 38640 Goslar Michael Spillner Dörentrup Feuerfestprodukte GmbH & Co. KG Lemgoer Straße 9 32694 Dörentrup Dieter Sporn Fraunhofer-Institut für Silicatforschung Neunerplatz 2 97082 Würzburg Prof. Dr. Wolfgang Tillmann Technische Universität Dortmund Lehrstuhl für Werkstofftechnologie Leonhard-Euler-Straße 2 44227 Dortmund Gerald Vogt Vogt GmbH Ottensooser Str. 52 91239 Henfenfeld
Autorenverzeichnis IX Alfred Vuin ZSCHIMMER & SCHWARZ GmbH & Co KG Chemische Fabriken Max - Schwarz - Straße 3-5 56112 Lahnstein Hans-Jörg Walter Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH & Co Kg Walldürner Straße 50 74736 Hardheim Dr. Moritz von Witzleben INMATEL Technologis GmbH & Co. KG Heerstrassenbenden 10 53359 Rheinbach Dr. Mathias Woydt BAM Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung Unter den Eichen 87 12203 Berlin
Ihre Keramik - Experten! 04 09 JULI / AUGUST 61. JAHRGANG 04 2009 www.keramische-zeitschrift.de Aus dem Inhalt Über die Temperaturwechselbeständigkeit feuerfester Werkstoffe Vibrationsaustragsboden für hygroskopische und kohäsive Schüttgüter Wärmerückgewinnung mit Rauchgas-Wärmetauschern an keramischen Öfen Kohleton aus dem Steinkohlebergbau für die Ziegelindustrie Reportagen Hundisburg Aachen Hardheim Messen CERAMITEC 2009 ACHEMA 2009 CERAMITEC 2009 Visit us in Hall B6, Booth No. 303/502! Am Scheerleck 7 L-6868 Wecker Luxembourg Phone +352 27612 0 Fax +352 27612 109 info@laeis.eu 2009 MANUAL 2008 2009 www.ceramic-news.info From the Contents Review Papers Alkali Corrosion in Cement Rotary Kilns Structural and Technological Properties of Zircon-Limestone-Zirconia Compositions for Ceramic and Refractory Applications Effects of Additives on the Sintering Behaviour of Al 2 O 3 -based Ceramic Materials Influence of Secondary Chrome Magnesia Additives on the Alumina Refractory Castables A Novel Magnesia Based Binder (MBB) for Refractory Castables An Investigation on Slag Resistance of Castable Refractories Containing Porous Spinel Aggre gates Special Technologies High Temperature Corrosion of Anchor Systems for Refractory Constructions at Different Atmospheres and Temperatures Advantages of Tundish Working Lining Installed by Dry Vibe Method Study on the Physicochemical Behaviour of Graphite of Eastern India Used for Refractory Manufacture Increasing the Service Life of Glass Melt Contact Refractories Refractories Quality and Testing for the Glass Industry and Other Major Heat Using Industries Markets Review of Refractories Business and Technology Raw Materials for Refractories a Strategic Challenge Reports CERAMITEC 2009 CERAMICS CHINA 2009 ACHEMA 2009 CERAMITEC 2009 Visit us in Hall B6, Booth No. 303/502! Am Scheerleck 7 L-6868 Wecker Luxembourg Phone +352 27612 0 Fax +352 27612 109 info@laeis.eu Weitere Infos unter: www.ceramic-news.info
Inhalt XI Inhalt Vorwort zur 2. Auflage... Vorwort zur 1. Auflage... Autorenverzeichnis... Einleitung... 1 Wolfgang Kollenberg 1. Struktur und Gefüge keramischer Werkstoffe... 7 Wolfgang Kollenberg 1.1 Atomaufbau der Elemente... 8 1.2 Interatomare Bindungen... 11 1.3 Aggregatzustände... 13 1.4 Kristalline und amorphe Strukturen... 14 1.4.1 Kristallgitter... 14 1.4.2 Gitterfehler... 17 1.5 Gefüge... 18 1.6 Thermochemie... 22 2. Eigenschaften und Prüfverfahren... 25 Georg Grathwohl, Mathias Herrmann, Hagen Klemm, Wolfgang Kollenberg, Meinhard Kuntz, Sandra Lehmann, Ralf Lucke, Ralf Moos, Teja Reetz, Jochen Schilm, Jürgen Dieter Schnapp, Mathias Woydt 2.1 Mineralogische Charakterisierung... 26 2.1.1 Erfassung der chemischen Zusammensetzung... 26 2.1.1.1 Elementaranalyse... 26 2.1.1.2 Atomabsorptions- (AAS) und Atomemissionsspektroskopie (AES)... 28 2.1.1.3 Röntgenfluoreszenzanalyse (FRA)... 29 2.1.1.4 Vergleich der Methoden zur chemischen Analytik... 30 2.1.2 Erfassung der Phasenzusammensetzung... 30 2.1.2.1 Röntgenbeugungsanalyse (RBA)... 30 2.1.2.2 Infrarotspektroskopie (IR)... 34 2.1.3 Erfassung des strukturellen Aufbaus... 35 2.1.3.1 Lichtmikroskopie... 35 2.1.3.2 Rasterelektronenmikroskopie (REM)... 36 2.1.4 Thermische Analyse... 39 2.1.5 Rohstoff und Gefüge... 43 2.1.5.1 Korngrößenanalyse... 43 2.1.5.2 Bestimmung der spezifischen Oberfläche... 44 2.1.5.3 Porosität... 45 2.2 Mechanische Eigenschaften... 47 2.2.1 Elastizität... 47 2.2.1.1 Grundlagen... 47 2.2.1.2 Messmethoden... 49 2.2.2 Bruchmechanik... 50 2.2.2.1 Allgemeines... 50 2.2.2.2 Spannungsintensitätsfaktor... 52 V VI VII
XII Inhalt 2.2.2.3 Risszähigkeit... 53 2.2.2.4 Messmethoden... 55 2.2.3 Festigkeit... 56 2.2.3.1 Weibullverteilung... 56 2.2.3.2 Messmethoden... 58 2.2.3.3 Ermittlung und Darstellung der Weibull-Verteilung... 60 2.2.3.4 Saumriss-Modell der Festigkeit... 61 2.2.4 Unterkritisches Risswachstum... 63 2.2.4.1 Allgemeines... 63 2.2.4.2 Messmethoden... 64 2.2.5 Kriechen... 66 2.2.5.1 Grundlagen... 66 2.2.5.2 Messmethoden... 68 2.2.6 Härte... 71 2.2.6.1 Allgemeines... 71 2.2.6.2 Verfahren nach VICKERS und KNOOP... 71 2.2.6.3 Spannungsverhalten und Verformung... 73 2.2.6.4 Temperaturabhängigkeit... 76 2.2.6.5 Zeitabhängigkeit... 77 2.2.6.6 Umwelteinflüsse aus der Härte... 78 2.2.7 Tribologisches Verhalten... 80 2.2.7.1 Allgemeines... 80 2.2.7.2 Grundlagen und Definitionen... 81 2.2.7.3 Gleitreibung und -verschleiß im Trockenlauf... 83 2.2.7.4 Gleitreibung und -verschleiß unter Misch- und Grenzreibung... 87 2.3 Thermische Eigenschaften... 91 2.3.1 Thermische Dehnung... 91 2.3.1.1 Physikalische Grundlagen... 92 2.3.1.2 Messmethoden... 93 2.3.1.3 Anwendungsbereiche... 94 2.3.2 Wärmeleitfähigkeit... 95 2.3.2.1 Physikalische Grundlagen... 95 2.3.2.2 Messmethoden... 97 2.3.2.3 Anwendungsbereiche... 99 2.4 Korrosionsbeständigkeit... 101 2.4.1 Allgemeines... 101 2.4.2 Gaskorrosion... 101 2.4.3 Oxidation von Nichtoxiden... 103 2.4.4 Korrosion in wässrigen Medien... 107 2.4.5 Verträglichkeit von Keramik mit Metallen... 112 2.4.5.1 Allgemeines... 112 2.4.5.2 Thermodynamische und kinetische Aspekte der Verträglichkeit... 112 2.4.5.3 Silicate... 116 2.4.5.4 Siliciumnitrid und Siliciumcarbid... 117 2.4.5.5 Aluminiumoxid-Keramik... 119 2.4.5.6 Zirconiumoxidkeramiken... 120 2.4.5.7 Yttriumoxidkeramik... 120 2.5 Elektrische Eigenschaften... 121 2.5.1 Isolatoren... 123 2.5.1.1 Isolatoren und Substrate... 123 2.5.1.2 Dielektrika... 125 2.5.1.3 Piezoelektrika... 126 2.5.2 Halbleitende Keramiken... 128
Siliciumcarbid individuell und korngenau Vielfalt und Reinheit Das sind die Stärken unseres Produkts ESK-SiC. Für die nahezu unbegrenzten Einsatzgebiete und Produkte produzieren wir SiC in Grün und in Dunkel, in allen Körnungen von mehreren Millimetern bis hin in den Submikronbereich, in homogenen Qualitäten und gemischten Fraktionen. Unser ESK-SiC entspricht immer den festgelegten Anforderungen: im Standard- und Hochleistungsbereich sowie bei Spezialitäten Korn für Korn, Charge für Charge, Lieferung für Lieferung. uns können Sie Vertrauen! ESK-SiC zeichnet sich besonders aus durch: hohe Reinheit extreme Härte exzellente Hochtemperatureigenschaften hohe Temperaturwechselbeständigkeit niedrige Wärmeausdehnung gute elektrische Leitfähigkeit chemische Beständigkeit Produktion streng nach internationalen Standards Wir entwickeln exklusiv in enger Zusammen arbeit mit ihnen genau das richtige SiC-Produkt für ihren speziellen Einsatz. ESK-SIC GmbH Günter-Wiebke-Straße 1 50226 Frechen Germany Phone +49 (0) 22 34-94 95-0 Fax +49 (0) 22 34-94 95-115 info@esk-sic.com www.esk-sic.com
XIV Inhalt 2.5.2.1 NTC-Keramiken... 129 2.5.2.2 Keramische Varistoren... 130 2.5.2.3 PTC-Keramiken... 131 2.5.3 Keramische Ionenleiter... 133 2.5.3.1 Yttrium stabilisiertes Zirconiumoxid... 133 2.5.3.2 Kationenleiter... 134 2.5.4 Elektrisch leitfähige Keramiken... 134 2.6 Magnetische Eigenschaften... 135 2.6.1 Allgemeines... 135 2.6.2 Grundlagen des Magnetismus... 136 2.6.3 Struktur von hart- und weichmagnetischen Ferriten... 139 2.6.4 Weichmagnetische Ferritwerkstoffe für technische Anwendungen... 139 2.6.5 Hartmagnetische Ferritwerkstoffe für technische Anwendungen... 144 2.7 Zerstörungsfreie Prüfung... 146 2.7.1 Allgemeines... 146 2.7.2 Sichtprüfung... 149 2.7.3 Eindringprüfung... 149 2.7.4 Klangprüfung... 151 2.7.5 Ultraschallverfahren... 151 2.7.6 Schallemissionsprüfung... 155 2.7.7 Durchstrahlungsprüfung... 156 3. Keramische Werkstoffe... 159 Wolfgang D.G. Böcker, Dieter Brunner, Gunter Carl, Andreas Gebhardt, Mathias Herrmann, Hans Hoppert, Wolfgang Kollenberg, Johannes Liebermann, Bernhard Mussler, Dieter Nikolay, Oswin Öttinger, Ewald Pfaff, Helmut Rasch, Hartmut Schneider, Lars Schnetter, Dieter Sporn, Gerald Vogt 3.1 Silicatische Technische Keramik... 164 3.1.1 Einleitung... 164 3.1.2 Technisches Porzellan... 165 3.1.2.1 Allgemeines... 165 3.1.2.2 Porzellan der ideale Werkstoff für Hochspannungs-Isolatoren... 165 3.1.2.3 Abbau der Gefügespannungen... 168 3.1.2.4 Wie erreicht man eine hohe Festigkeit und ein stabiles Porzellangefüge?... 169 3.1.2.5 Alterung des Porzellangefüges... 171 3.1.2.6 Weitergehende Werkstoffentwicklungen... 172 3.1.2.7 Trends und Leitlinien... 174 3.1.2.8 Gefügeanalyse an verschiedenen Elektroporzellanen... 182 3.1.2.9 Regeln und Richtwerte für Hersteller und Anwender... 183 3.1.2.10 Einfluss von Bauform und Oberflächeneigenschaften auf das elektrische Verhalten... 186 3.1.2.11 Einfluss der Splittung auf die Festigkeit... 187 3.1.3 Steatit... 188 3.1.4 Cordierit... 191 3.1.4.1 Allgemeine Mineral- und Gefügeeigenschaften... 191 3.1.4.2 Ausdehnungsanomalie als kristallographische Besonderheit... 191 3.1.4.3 Wechselwirkungen zwischen Cordieritbildung und Werkstoffgefüge... 193 3.1.4.4 Phasenbestand bei einer Rohstoffbasis Talk Tonmineralien Mullit... 194 3.1.4.5 Anwendungen von Cordierit... 195 3.2 Oxidische Technische Keramik... 197 3.2.1 Allgemeines... 197 3.2.2 Aluminiumoxid-Keramik... 198
3.2.2.1 Konventionelle Aluminiumoxid-Werkstoffe... 198 3.2.2.2 Rohstoffe und Rohstoffsynthesen... 200 3.2.2.2.1 Der Bayerprozess... 200 3.2.2.2.2 Synthesen von hochreinen, synthetischen Tonerden... 205 3.2.2.2.2.1 Flüssigphasensynthese... 205 3.2.2.3 Aluminiumoxid-Werkstoffe auf der Basis der Bayer-Tonerden... 207 3.2.2.3.1 Mullitwerkstoffe (C 600)... 207 3.2.2.3.2 Einteilung der Aluminiumoxid-Werkstoffe der Klasse C-700... 208 3.2.2.3.3 Eigenschaften und Anwendungen von Al 2 O 3 -Werkstoffen... 212 3.2.2.4 Aluminiumoxid-Werkstoffe auf der Basis der synthetischen Rohstoffe, dichtes Submikronaluminiumoxid... 220 3.2.2.4.1 Pulveranforderungen... 220 3.2.2.4.2 Aufbereitung und Verarbeitung... 224 3.2.2.4.3 Eigenschaften von submikronkristallinem Aluminiumoxid... 226 3.2.2.4.4 Anwendungen von Submikronaluminiumoxid... 229 3.2.3 Zirconiumoxid... 231 3.2.3.1 Einleitung... 231 3.2.3.2 Grundlegende Eigenschaften von ZrO 2... 232 3.2.3.3 Vorstellung der unterschiedlichen ZrO 2 -Typen... 234 3.2.3.3.1 PSZ partially stabilized zirconia (teilstabilisiertes ZrO 2 )... 235 3.2.3.3.2 TZP tetragonal zirconia polykristall... 236 3.2.3.3.2.1 Y-TZP... 236 3.2.3.3.2.2 Ce-TZP... 238 3.2.3.3.3 FSZ fully stabilized zirconia (Vollstabilisiertes ZrO 2 )... 239 3.2.3.3.4 Zusammenfassung der ZrO 2 -Typen... 239
XVI Inhalt 3.2.3.4 Verstärkungsmechanismen in ZrO 2 -Keramiken... 240 3.2.3.4.1 Mikrorissbildung... 241 3.2.3.4.2 Spannungsinduzierte Umwandlungsverstärkung... 241 3.2.3.4.3 Rissabschirmung (Crack deflection)... 241 3.2.3.4.4 Rissverzweigung... 241 3.2.3.5 Rohstoffe für ZrO 2 -Keramiken... 241 3.2.3.5.1 Natürliche Rohstoffe... 241 3.2.3.5.2 Synthetische Rohstoffe... 242 3.2.3.6 ZTC zirconia toughened ceramics... 243 3.2.3.7 Anwendungsbeispiele... 246 3.2.4 Titanate... 250 3.2.4.1 Einleitung und Überblick... 250 3.2.4.2 Kristalliner Aufbau und Eigenschaften... 251 3.2.4.3 Aluminiumtitanat... 253 3.2.4.4 Bariumtitanat... 254 3.2.4.5 Bleititanat, PZT-Keramik... 255 3.2.4.6 Ferroelektrische Schichten... 255 3.2.5 Mullit... 256 3.2.5.1 Einleitung... 256 3.2.5.2 Mullit-Feuerfestmaterialien... 257 3.2.5.3 Mullit-Strukturkeramiken... 257 3.2.5.4 Mullit-Schutzschichten... 258 3.2.5.5 Oxidfaser/Mullitmatrix-Verbundwerkstoffe... 258 3.2.5.6 Weitere Mullit-Anwendungen... 260 3.2.6 Transparente Keramik... 260 3.2.6.1 Pulverherstellung... 262 3.2.6.2 Aufbereitung und Verarbeitung... 263 3.2.6.3 Werkstoffe... 263 3.2.6.3.1 Stoffe mit nicht kubischen Kristallsystemen... 265 3.2.6.3.2 Werkstoff mit kubischem Kristallsystem... 267 3.3 Nichtoxidische Technische Keramik... 272 3.3.1 Allgemeines... 272 3.3.2 Siliciumcarbid... 272 3.3.2.1 Einleitung... 272 3.3.2.2 Struktur und Phasenbeziehungen... 274 3.3.2.3 Eigenschaften... 275 3.3.2.4 Weltmarkt und Verwendung... 276 3.3.2.5 Herstellung von Siliciumcarbid... 277 3.3.2.6 Chemische Bildung und Sintern... 279 3.3.2.7 Werkstoffeigenschaften... 282 3.3.2.8 Sonderherstellungsverfahren... 285 3.3.2.9 SiC als Verstärkungsmittel... 286 3.3.2.10 Großtechnische Anwendungen und Produkte... 287 3.3.2.11 Anwendungen in der Halbleiterindustrie... 291 3.3.2.12 Ausblick... 292 3.3.3 Siliciumnitridwerkstoffe... 293 3.3.3.1 Einleitung... 293 3.3.3.2 Modifikationen des Siliciumnitrids... 296 3.3.3.3 Oxidnitridische Phasendiagramme... 298 3.3.3.4 Werkstoffherstellung... 303 3.3.3.5 Gefügeentwicklung in dichter Si 3 N 4 -Keramik... 312 3.3.3.6 Eigenschaften dichter Siliciumnitridkeramik... 320 3.3.3.7 Reaktionsgebundene Si 3 N 4 -Werkstoffe... 326
www.rhi-ag.com EXCELLENCE IN REFRACTORIES RHI AG ist der global führende Hersteller von keramischen Feuerfestprodukten für industrielle Hochtemperaturprozesse. Weltweit schätzen und vertrauen führende Stahl-, Glas-, Zement-, und Nichteisenmetalle- Produzenten auf die Qualität der Produkte und Serviceleistungen von RHI. RHI AG, 1100 Vienna, Wienerbergstraße 11, Austria Phone: +43 (0) 502 13-0, Fax: +43 (0) 502 13-6213, E-mail: rhi@rhi-ag.com 3.3.3.8 Applikation... 327 3.3.3.9 Zusammenfassung / Ausblick... 328 3.3.4 Aluminiumnitrid... 330 3.3.4.1 Einleitung... 330 3.3.4.2 Physikalische Eigenschaften... 330 3.3.4.3 Vergleich mit anderen Keramiken... 333 3.3.4.4 Herstellung... 334 3.3.4.5 Anwendungen... 336 3.4 Keramische Fasern... 337 3.4.1 Allgemeines... 337 3.4.2 Einsatzfelder keramischer Fasern... 338 3.4.3 Stoffliche und strukturelle Varianten... 340 3.4.4 Herstellung keramischer Fasern... 342 3.4.5 Eigenschaftsprofile... 345 3.5 Glaskeramik... 348 3.5.1 Einleitung... 348 3.5.2 Glasbildung und Herstellung von Glaskeramiken... 348 3.5.3 Eigenschaften und Anwendungen von Glaskeramiken... 351 3.5.3.1 Glaskeramiken mit minimaler thermischer Ausdehnung... 351 3.5.3.2 Maschinell bearbeitbare Glaskeramiken... 352 3.5.4 Bioglaskeramiken... 354 3.5.5 Glaskeramiken mit ausgerichteten Kristallphasen orientierte Glaskeramiken... 356 3.5.6 Glaskeramiken mit hoher mechanischer Festigkeit... 359
XVIII Inhalt 3.6 Kohlenstoffwerkstoffe... 362 3.6.1 Einleitung... 362 3.6.2 Die Graphitstruktur... 362 3.6.3 Herstellung und Eigenschaften von Kohlenstoffwerkstoffen... 363 3.6.4 Hauptanwendungen von Kohlenstoffwerkstoffen... 367 3.6.5 Ausblick: Kohlenstoffwerkstoffe... 373 4. Herstellungsverfahren der Keramik... 375 Rainer Bartusch, Michael Böhmer, Ines Durmann, Herbert Gasthuber, Michael Hölzgen, Markus Kindtner, Gernot Klein, Wolfgang Kollenberg, Ralf Löbe, Marcus Müller, Peter Nold, Peter Quirmbach, Hermann Riedel, Andreas Roosen, Stefan Rünz, Gerd Schwier, Wolfgang Tillmann, Gerald Vogt, Alfred Vuin, Hans-Jörg Walter, Moritz v. Witzleben 4.1 Allgemeines... 376 4.2 Pulverherstellung... 377 4.2.1 Einleitung... 377 4.2.2 Pulvereigenschaftsanforderungen... 377 4.2.3 Pulverherstellung allgemein... 378 4.2.4 Pulveraufbereitung... 380 4.2.4.1 Aluminiumoxid... 382 4.2.4.2 Zirconiumoxid... 384 4.2.4.3 Yttriumoxid... 386 4.2.4.4 Aluminiumnitrid... 386 4.2.4.5 Bornitrid... 388 4.2.4.6 Siliciumnitrid... 389 4.2.4.7 Titannitrid, Titancarbonitrid, Titancarbid... 390 4.2.4.8 Borcarbid... 393 4.2.4.9 Siliciumcarbid... 393 4.2.4.10 Titanborid... 395 4.2.4.11 Molybdänsilicid... 396 4.3 Organische Additive... 398 4.3.1 Einleitung... 398 4.3.2 Additive als Bestandteil der keramischen Produktionstechnologie... 399 4.3.3 Funktionalität der einzelnen Additivtypen... 399 4.3.3.1 Verflüssigungs- bzw. Dispergiermittel... 399 4.3.3.2 Temporäre Bindemittel... 400 4.3.3.3 Presshilfsmittel... 400 4.3.3.4 Gleithilfsmittel... 401 4.3.3.5 Plastifizierungsmittel... 401 4.3.3.6 Thermoplastische Binder... 401 4.3.3.7 Feedstocks... 402 4.3.3.8 Trennmittel... 402 4.3.3.9 Entschäumer... 402 4.3.3.10 Filtrationshilfsmittel... 402 4.4 Aufbereitung... 403 4.4.1 Einleitung... 403 4.4.2 Mechanische Granulierverfahren... 405 4.4.2.1 Aufbauagglomeration... 405 4.4.2.2 Pressagglomeration... 407 4.4.2.3 Wirbelschichtagglomeration... 407 4.4.3 Thermische Granulierverfahren... 408 4.4.3.1 Wirbelschichtgranulation... 408
Dilatometer Dilatometer DIL801L 1500 C Einproben - Dilatometer Zweiproben - Dilatometer Differenz - Dilatometer Temperatur: -160 C bis 2400 C Atmosphäre: Luft, Vakuum, Inert Genauigkeit: =0,01 bis 0,05x10-6 [K -1 ] professionelle 32-bit WinTA 8.0 Software Netzwerkanschluss BÄHR-Thermoanalyse GmbH Postfach 1105 D-32603 Hüllhorst Tel: ++49-5744-9302-0 Fax: ++49-5744-9302-90 Internet: www.baehr-thermo.de 4.4.3.2 Sprühgranulation... 408 4.4.3.3 Kneten... 408 4.4.3.4 Dispergieren... 410 4.5 Formgebungsverfahren... 412 4.5.1 Axialpressen... 412 4.5.2 Kaltisostatisches Pressen... 419 4.5.2.1 Grundprinzip... 419 4.5.2.2 Verfahrensprinzipien... 421 4.5.2.3 Anlagentechnik... 424 4.5.2.4 Anwendungsbeispiele... 426 4.5.3 Heißisostatisches Pressen... 426 4.5.4 Extrudieren... 432 4.5.4.1 Die Arbeitsmasse... 432 4.5.4.2 Die Formgebungsaggregate... 434 4.5.5 Druckgießen... 437 4.5.5.1 Einleitung... 437 4.5.5.2 Entwicklung des Druckgießens in der keramischen Industrie... 438 4.5.5.3 Physikalische Grundlagen des Druckgussprozesses... 438 4.5.5.4 Anwendung der Druckgusstechnologie in der silicatischen und nichtsilicatischen Keramik... 439 4.5.5.5 Beeinflussung der Scherbenbildung silicatkeramischer Suspensionen... 444 4.5.5.6 Scherbenbildung beim Druckguss in der Oxid- und Nichtoxidkeramik... 448 4.5.6 Spritzgießen... 451 4.5.6.1 Einleitung... 451