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Thermische Analysen in der Keramik- und Glasindustrie

Hinter den Begriffen Glas und Keramik verbirgt sich heutzutage eine Vielzahl von Hightech-Produkten, die in den unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz kommen. Die Vielfalt reicht dabei von einfachem Fensterglas und dekorativ eingesetzten Keramiken bis hin zu Hochleistungswerkstoffen, die mit den ursprünglichen Materialien kaum noch etwas gemein haben.

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.

WerkstoffgruppeBeispiel
SilicatkeramikPoröse silicatkeramische Werkstoffe, Dichte silicatkeramische Werkstoffe
Feuerfeste WerkstoffeDichte, geformte, feuerfeste Erzeugnisse, Ungeformte, feuerfeste Erzeugnisse, Feuerleicht- und Isoliersteine,
Keramische Faserwerkstoffe
Technische KeramikOxidkeramik, Elektrokeramische Werkstoffe, Magnetokeramik, Biokeramik, Nichtoxidkeramik
VerbundwerkstoffeMetall-Keramik bzw. Faserverbundwerkstoffe

Rohstoffgruppen von Keramiken

Zu den Rohstoffen der klassischen Keramik gehören Ton, Quarz und Feldspat. Dabei besteht Ton aus hydratisierten Alumosilicaten mit einer Schichtstruktur und ist ein Verwitterungsprodukt. Dazu gehören Kaolinit, Illit, Montmorrilonit, Halloysite, Pyrophyllit. Der Quarz ist vor allem aus Sand, Sandstein und Quarzit. Feldspat ist rangiert von KAlSi3O8… NaAlSi3O8…CaAl2Si2O18.

Die Einteilung aller Rohstoffe erfolgt in den Gruppen Silicate, Oxidische-, Nichtoxidische, Organische, Synthetische Rostoffen und organische Additive.

RohstoffgruppenBeispiel
SilicatePlastische Rohstoffe: Tonminerale, Kaoline, Nichtplastische Rohstoffe: z.B. Quarz, Feldspat
Oxidischez.B. Al2O3, BeO, ZrO2, MgO, Al-Titanat, CaSiO3, MgO, usw.
Nichtoxidischez.B. SiC, BN, Si3N4, B4C, AlN, TiB2, usw.
OrganischeSi-haltige, organische Polymere
SynthetischeBayer-Prozess (Al2O3 • H2O a-Al2O3), Acheson-Verfahren (SiC), Hydrothermalsynthese (Quarz-Einkristalle)
Kondensation und Pyrolyse metallorganischer Vorstufen (SiC-Fasern)
Organische Additivez.B. Dispergator, temporäre Bindemittel

Analysierbare Eigenschaften von Keramiken innerhalb der Thermischen Analyse

Generell lassen sich mit der Thermischen Analyse die unterschiedlichsten Eigenschaften bestimmen. Die Tabelle 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.

EigenschaftenEffekte & Messgrößen
ThermischThermische Ausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Spezifische Wärmekapazität
MechanischHeißbiegefestigkeit, Elastizitäts- und Verformungsmodul
ElektrischElektrische Leitfähigkeit, Seebeck-Koeffizient
MagnetischCurie-Punkt
Chemischz.T. Zusammensetung 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.

Die Tabelle zeigt links die Reihenfolge der einzelnen Prozessschritte. Rechts daneben befinden sich beispielhaft verschiedene Eigenschaften bzw. Messgrößen, die während des entsprechenden Fertigungsprozess mit der Thermischen Analyse gezielt kontrolliert und optimiert werden können.

Zum Beispiel können mit der Thermischen Analyse ganz einfache Qualitätskontrollen der Rohstoffe durchgeführt werden. Weiterhin lassen sich Reinheitsgrade von Rohstoffen feststellen und auch Korngrößen, wie z.B. bei der Bestimmung des Quarzgehaltes.

ProzessschrittMessgrößen und Beispiel
RohstoffherstellungQualitätskontrolle: i.O./n.i.O. (Tonminerale), Reinheitsgrade (Quarzgehalt), Optimierung der synthetischen Herstellung (Al2O3 (Bayer-Prozess)
MasseaufbereitungWassergehalt, Additive, Feinheit/Korngröße
FormgebungWassergehalt
TrocknenSpezifische Wärmekapazität
RohlingbearbeitungDichte
GlasierenChemische Zusammensetzung (Glasuraufbringung)
SinternOptimierung Sinterparameter, Additive (gezieltes Ausbrennen)
NachbearbeitungDichte
EndproduktMessung der thermischen, mechanischen, elektronischen,
magnetischen, chemischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit,Spezifische Wärmekapazität)

Glas

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.

Applikationen mit Gläsern oder Keramiken

DIL L75 VS – Glass rod – Thermal expansion

App. Nr. 02-001-001 DIL L75 VS – Glass rod – Thermal expansion

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DIL L75 VS – Zirconia – Rate controlled sintering (RCS)

App. Nr. 02-001-004 DIL L75 HS – Zirconia – Rate controlled sintering (RCS)

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