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Applikationen der thermische Analysen mit Keramik und Glas

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.

Werkstoffgruppe Beispiel
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

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.

Rohstoffgruppen Beispiel
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 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.

Eigenschaften Effekte & Messgrößen
Thermisch Thermische Ausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Spezifische Wärmekapazität
Mechanisch Heißbiegefestigkeit, Elastizitäts- und Verformungsmodul
Elektrisch Elektrische Leitfähigkeit, Seebeck-Koeffizient
Magnetisch Curie-Punkt
Chemisch z.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.

Prozessschritt Messgrößen und Beispiel
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

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

LFA 1000 – BCR 724 – Wärmeleitfähigkeit/ Temperaturleitfähigkeit

App. Nr. 02-007-003 Laserflash - LFA 1000 – BCR 724 – Thermal conductivity- thermal diffusivity

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DIL L75 VS – Glasstab – Thermische Ausdehnung

App. Nr. 02-001-001 DIL L75 VS – Glasstab – Thermische Ausdehnung

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DIL L75 VS – Zirkoniumdioxid – Ratenkontrolliertes Sintern (RCS)

App. Nr. 02-001-004 DIL L75 VS – Zirkoniumdioxid – Ratenkontrolliertes Sintern (RCS)

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DIL L75 VS – Quarz – Thermische Ausdehnung – errechnete DTA

App. Nr. 02-001-003 Dilatometer - DIL L75 VS – Quarz – Thermische Ausdehnung – errechnete DTA

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LFA 1000 – Hartmetallkeramik – Wärmeleitfähigkeit

App. Nr. 02-007-006 Laserflash - LFA 1000 – Carbide Ceramics – Thermal Conductivity

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LFA 1000 – Aluminiumoxid Al203 – Temperaturleitfähigkeit/ Wärmeleitfähigkeit

App. Nr. 02-007-009 LFA 1000 – Aluminum oxide Al2O3 – Thermal diffusivity-conductivity Ceramics - Thermal conductivity – Thermal diffusivity

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LFA 1000 – Glas – Wärmeleitfähigkeit/ Temperaturleitfähigkeit/
spezifische Wärmekapazität

App. Nr. 02-007-015 LFA 1000 – Glass – Thermal diffusivity -Thermal Conductivity -Specific Heat Capacity Optical Glass – Thermal diffusivity – Thermal Conductivity

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HFM – Fensterglas – Wärmedurchlässigkeit – Horizontale vs. Vertikale Messungen

App. Nr. 02-005-002 HFM – Window Glass – Thermal transmittance – Horizontal vs. Vertical Measurement

 

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