Applikationen der thermische Analysen mit Keramik und Glas
Übersicht der Grob- und Feinkeramiken
Keramiken lassen sich in Grob- und Feinkeramiken aufteilen. Dabei werden innerhalb der Grobkeramiken natürliche Rohstoffe verwendet und man spricht daher von der Klassischen Keramik.
Die Feinkeramik nutzt dagegen aufbereitete synthetische Rohstoffe, die Korngrößen sind hier < 0,1 mm. Das ist das Gebiet der Technischen Keramik.
Eine spezielle Stellung nimmt die Hochleistungskeramik oder Ingenieurkeramik ein, die überall dort zur Anwendung kommt, wo andere Werkstoffe an ihre Grenzen stoßen, etwa unter enormen Belastungen, bei extremen Temperaturen, unter Strom oder als Implantat im menschlichen Körper.
Nach wie vor ist Keramik aber auch in der Küche zu finden, zum Beispiel in Form von Keramikpfannen oder Geschirr für die Mikrowelle. Hierfür wird die Keramik in aller Regel glasiert, um dem eigentlich kristallin porösen Ausgangsstoff eine glasartige, geschlossene und damit wasserundurchlässige Oberfläche zu verleihen.
- Silicatkeramik: Poröse silicatkeramische Werkstoffe, Dichte silicatkeramische Werkstoffe
- Feuerfeste Werkstoffe: Dichte, geformte, feuerfeste Erzeugnisse, ungeformte, feuerfeste Erzeugnisse, Feuerleicht- und Isoliersteine,
keramische Faserwerkstoffe - Technische Keramik: Oxidkeramik, Elektrokeramische Werkstoffe, Magnetokeramik, Biokeramik, Nichtoxidkeramik
- Verbundwerkstoffe: Metall-Keramik bzw. Faserverbundwerkstoffe
Rohstoffgruppen von Keramiken
- Silicate: Plastische Rohstoffe: Tonminerale, Kaoline, Nichtplastische Rohstoffe: z.B. Quarz, Feldspat
- Oxidische: z.B. Al2O3, BeO, ZrO2, MgO, Al-Titanat, CaSiO3, MgO, usw.
- Nichtoxidische: z.B. SiC, BN, Si3N4, B4C, AlN, TiB2, usw.
- Organische: Si-haltige, organische Polymere
- Synthetische: Bayer-Prozess (Al2O3 • H2O a-Al2O3), Acheson-Verfahren (SiC), Hydrothermalsynthese (Quarz-Einkristalle) Kondensation und Pyrolyse metallorganischer Vorstufen (SiC-Fasern)
- Organische Additive: z.B. Dispergator, temporäre Bindemittel
Analysierbare Eigenschaften von Keramiken innerhalb der Thermischen Analyse
Generell lassen sich mit der Thermischen Analyse die unterschiedlichsten Eigenschaften bestimmen. Die Auflistung zeigt die analysierbaren Eigenschaften eingeteilt in thermische, mechanische, elektrische, magnetische und chemische Eigenschaften.
Die Thermische Analyse bietet die Möglichkeit diese Eigenschaften zu bestimmen und somit gezielt Optimierungen vorzunehmen.
Somit kann zum Beispiel der Rohstoff ideal aufbereitet oder die Prozessparameter optimal eingestellt werden. Dies ermöglicht nicht nur ein optimiertes Endprodukt, sondern auch die Möglichkeit in den einzelnen Prozessschritten Energie zu sparen.
- Thermisch: Thermische Ausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Spezifische Wärmekapazität
- Mechanisch: Temperaturabhängigkeit der Steifigkeit, Elastizitäts- und Verformungsmodul
- Elektrisch: Elektrische Leitfähigkeit, Seebeck-Koeffizient
- Magnetisch: Curie-Temperatur
- Chemisch: z.T. Zusammensetzung bzw. Inhaltsstoffe
Mögliche Anwendungen der Thermischen Analyse mit Keramiken
Die oben beschriebenen analysierbaren Eigenschaften mittels Thermischer Analyse lassen sich angefangen von der Rohstoffherstellung bis hin zum Endprodukt gezielt zur Verbesserung der Eigenschaften, der Prozessparameter bzw. der Energieeffizient einsetzen.
- Rohstoffherstellung: Qualitätskontrolle: i.O./n.i.O. (Tonminerale), Reinheitsgrade (Quarzgehalt), Optimierung der synthetischen Herstellung (Al2O3 (Bayer-Prozess)
- Masseaufbereitung: Wassergehalt, Additive, Feinheit/Korngröße
- Formgebung: Wassergehalt
- Trocknen: Spezifische Wärmekapazität
- Rohlingbearbeitung: Dichte
- Glasieren: Chemische Zusammensetzung (Glasuraufbringung)
- Sintern: Optimierung Sinterparameter, Additive (gezieltes Ausbrennen)
- Nachbearbeitung: Dichte
- Endprodukt: Messung der thermischen, mechanischen, elektronischen, magnetischen, chemischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit,Spezifische Wärmekapazität)
Glas in der thermischen Analyse
Auch Glas erfreut sich in außerhalb des traditionellen Einsatzspektrums immer größerer Beliebtheit. Längst wird es nicht mehr nur zu Trinkgläsern weiterverarbeitet, sondern auch zu Sicherheitsglas, Glaskeramikkochfeldern oder Lichtwellenleitern. Glas als Verpackung ist mittlerweile ebenso selbstverständlich wie Glaswasserkocher oder optische Elemente in Astronomie und Raumfahrt.
Da bereits geringste Abweichungen im Ausgangsmaterial und im Produktionsprozess die gewünschten Eigenschaften von Glas- und Keramikwerkstoffen ungünstig beeinflussen, sind Rohstoffprüfungen und regelmäßige Probenahmen für das Qualitätsmanagement unerlässlich. Nur so lässt sich feststellen, wann Keramik bricht oder wann eine bestimmte Glassorte schmilzt oder brennt.
