Keramik: Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird

183 Pages·2014·6.12 MB·German

by  Dagmar Hülsenberg (auth.)

TECHNIK IM FOKUS
DATEN FAKTEN HINTERGRÜNDE
Dagmar Hülsenberg
Keramik
Wie ein alter Werkstoff
hochmodern wird
Technik im Fokus
Konzeption der Energie-Bände in der Reihe Technik im Fokus: Prof.
Dr.-Ing. Viktor Wesselak, Institut für Regenerative Energiesysteme,
FachhochschuleNordhausen
TechnikimFokus
Photovoltaik–WieSonnezuStromwird
Wesselak,Viktor;Voswinckel,Sebastian,ISBN978-3-642-24296-0
Komplexität–WarumdieBahnniepünktlichist
Dittes,Frank-Michael,ISBN978-3-642-23976-2
Kernenergie–EineTechnikfürdieZukunft?
Neles, Julia Mareike; Pistner, Christoph (Hrsg.), ISBN 978-3-642-
24328-8
Energie–DieZukunftwirderneuerbar
Schabbach,Thomas;Wesselak,Viktor,ISBN978-3-642-24346-2
Werkstoffe–Unsichtbar,aberunverzichtbar
Weitze,Marc-Denis;Berger,Christina,ISBN978-3-642-29540-9
WerkstoffGlas–AlterWerkstoffmitgroßerZukunft
Schaeffer,Helmut;Langfeld,Roland,ISBN978-3-642-37230-8
3D-Drucken–WiediegenerativeFertigungstechnikfunktioniert
Fastermann,Petra,ISBN978-3-642-40963-9
WasserstoffundBrennstoffzellen–UnterwegsmitdemsauberstenKraft-
stoff
Lehmann,Jochen;Luschtinetz,Thomas,ISBN978-3-642-34667-5
WeitereBändezurReihefindenSieunter
http://www.springer.com/series/8887
Dagmar Hülsenberg
Keramik
Wie ein alter Werkstoff hochmodern
wird
DagmarHülsenberg
acatech,TUIlmenau
Ilmenau,Deutschland
ISSN2194-0770
ISBN978-3-642-53882-7 ISBN978-3-642-53883-4(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-53883-4
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lagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia
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Vorwort zu
TechnikimFokus:Keramik–WieeinalterWerkstoffhochmodern
wird
FragtmaneinebeliebigePersonnach„Keramik“,wirdmanAntwor-
tenerhalten,diesichausschließlichaufGeschirrundkünstlerischeKera-
mik, vielleicht nochauf elektrische Isolatoren undSanitärkeramik oder
auch auf Ziegel begrenzen. Damit schränkt sich die allgemeine Kennt-
nis über Keramik-Werkstoffe auf solche ein, die Tone und Kaoline als
wichtigenRohstoffenthalten.DassdiePalettederKeramik-Werkstoffe,
beginnendanderWendezum20.Jahrhundert,weitüberdie„klassische“
Keramik hinausgegangen ist, konnte sich in der allgemeinen Wahrneh-
mung bisher nicht etablieren. Das ist auch der Grund dafür, dass die
FachleuteinAbgrenzungzurbreitenPalettevonneuentechnischenKe-
ramik-WerkstoffenfürdieseitJahrhundertenhergestelltenKeramik-Er-
zeugnissedenBegriff„Ton-Keramik“geprägthaben.
Das vorliegende Buch versucht, in einem einleitenden, historischen
Überblick eine Übersicht über diese „klassischen“ Ton-Keramiken zu
geben.Damoderne,technischeKeramik-Werkstoffeohnediesenbildsa-
menRohstoffauskommenmüssen,folgenneueAnforderungenanderen
Herstellungsmöglichkeiten.NeueVerfahrenderRohstoffgewinnung,der
FormgebungunddesBrennenswerdenalsÜbersichtineinemeigenstän-
digenKapitelderBehandlungderspeziellenKeramik-Werkstoffevoran-
gestellt. Ohne auch nur im Entferntesten eine vollständige Darstellung
der heute verfügbarenKeramik-Werkstoffegeben zu können,wird ver-
sucht, in den Kapiteln Silikat-Keramik, Oxid-Keramik und Nichtoxid-
Keramik wenigstens einen Überblick zu geben, wie moderneKeramik-
V
VI Vorwortzu
Werkstoffezusammengesetztsind,wassieheuteleistenkönnenundwel-
cheAnwendungsfelderohnesiegarnichtmöglichwären.
Die Springer-Titelreihe „Technik im Fokus“ wendet sich u.a. an
Lehrer,IngenieurejeglicherFachdisziplinen,PolitikerundJournalisten,
die sich möglichst kurzfristig aus dienstlichen Gründen Informationen
zu Keramik-Werkstoffen beschaffen möchten oder müssen. Aber auch
Studierende der Ingenieurwissenschaften ganz allgemein können sich
Grundkenntnissezur Werkstoffgruppeaneignen. Es gehtalso einerseits
umEinsteigerwissen.AndererseitsbestehtdieAbsichtdesBuchesdarin,
die Neugier auf weitergehende Informationen zu Keramik-Werkstoffen
undzurdetaillierterenBeschäftigungmitihnenzuwecken.
DemAnliegendesBuchesentsprichtes,dasssichderLesermöglichst
ohne zusätzliche Recherchen Basiskenntnisse zu Keramiken aneignen
kann. Deshalb wurde mit Literaturverweisen sparsam umgegangen.Da
es hervorragendedeutschsprachigeFachbücher auf diesem Gebiet gibt,
wurdefürweitergehendeInformationenausschließlichaufdieseverwie-
sen.DasschließtnatürlichdieBeschäftigungmitfremdsprachlichenTex-
tenvorallenDingeninZeitschriftenundKonferenzberichtennichtaus.
In der Abfassung des Buches werden bewusst Formeln vermieden.
DieAbsichtbestehtdarin,dieteilweisesehrkomplexenZusammenhän-
geallgemein verständlichzu erklären. Dadurchwird an einigen Stellen
aufdieeigentlichnotwendigeTiefederDarstellungverzichtet.DasBuch
enthältvieleDiagrammeundFotos,umAussagenzuverdeutlichen.Spe-
zielleAnwendungsfällesindbesondershervorgehoben.Anregungenzur
Verbesserung der Darstellung und vor allen Dingen zur Neuaufnahme
von aktuellen Entwicklungen und Tendenzen sind, sofern sie nicht den
engenRahmensprengen,immerwillkommen.
Für die Bereitstellung von Dateien und Abdruckgenehmigungenfür
Diagramme und Fotos wird den Verlagen: Thieme-Verlag Stuttgart,
HvB-Verlag Ellerau, Vulkan-Verlag Essen, Carl-Hanser-Verlag Mün-
chen, 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
SonnebergGmbHundCERAproHochtemperaturtechnikGmbHKalch-
reuth;sowie dem FraunhoferInstitut fürKeramischeTechnologienund
Vorwortzu VII
SystemeIKTSDresdenherzlichgedankt.Dasgiltauchfürdiekonstruk-
tiveZusammenarbeitmitFrauEvaHestermann-BeyerleundFrauBirgit
Kollmar-ThonivomSpringer-Verlag.
Dagmar Hülsenberg; Mitglied des Themennetzwerkes „Materialwis-
senschaft und Werkstofftechnik“ der Deutschen Akademie der Tech-
nikwissenschaften, acatech, und Professor i.R. an der TU Ilmenau
imHerbst2014
Inhaltsverzeichnis
1 Technische Entwicklungen, die erst durch Keramikwerk-
stoffemöglichsind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Keramikwerkstoffe in den verschiedenen Epochen – eine
Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Ton-Keramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 EinordnungindieKlassederKeramikwerkstoffe 11
2.1.2 VerschiedeneTon-Keramiken . . . . . . . . . . . 12
2.2 TechnischeAnwendungsfelderzwischen1850bis1950 17
2.2.1 Tendenzen in der Entwicklung keramischer
Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 NeueEinsatzgebietefürPorzellan. . . . . . . . . 17
2.2.3 ErsteNichtoxid-Keramiken. . . . . . . . . . . . . 18
2.2.4 TechnischeKeramikmithohemAluminiumoxid-
Anteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 EntwicklungkeramischerWerkstoffeseit1950 . . . . . 20
2.3.1 Zusammenhangzwischen chemischerZusam-
mensetzung, Herstellungsverfahren, Struktur
undEigenschaftenvonKeramik-Werkstoffen. . 20
2.3.2 NeueKeramikenaufSilikat-Basis. . . . . . . . . 21
2.3.3 Keramiken mit speziellen magnetischen und
elektrischenEigenschaften . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.4 Übersicht über Einsatzgebiete von Keramik-
Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
IX
X Inhaltsverzeichnis
3 Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 BildsameundunbildsameRohstoffe. . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 TonigeRohstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 UnbildsameRohstoffe,synthetischePulver . . . 29
3.2 AufbereitungkeramischerMassen . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 ZielstellungundMöglichkeitenderFormgebung 33
3.2.2 Oberflächenladungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.3 Schlickerbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Formgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.1 FormgebungdurchGießen . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.2 PlastischeFormgebung . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3 FormgebungdurchPressen . . . . . . . . . . . . . 48
3.4 Brennenbzw.SinternderKeramikrohlinge . . . . . . . 54
3.5 Nach-undWeiterbearbeitungvonKeramikerzeugnissen 58
3.5.1 MechanischeNachbearbeitung. . . . . . . . . . . 58
3.5.2 Fügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5.3 Beschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 Silikat-KeramikenfürtechnischeAnwendungen . . . . . . 69
4.1 ZugehörigeWerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Elektroporzellan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 ZusammensetzungundStruktur . . . . . . . . . . 70
4.2.2 MechanischeEigenschaften . . . . . . . . . . . . 72
4.2.3 HerstellungvonHochspannungs-Porzellanisola-
toren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3 Steatit-Keramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4 Cordierit-Keramik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5 Mullit-Keramik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88