Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 154 – September 2016

Sehr geehrte Damen und Herren,

Eines der bedeutendsten Entwicklungen in der Verfahrensentwicklung der letzten Jahre ist zweifellos die additive Fertigung mit all ihren Varianten, die auch im Bereich der Keramik deutlich Fuß fassen konnte. Bei der additiven Fertigung wird aus einem 3D-Datenmodell die Herstellung komplizierter Bauteile ohne zusätzliche Formen oder Werkzeuge ermöglicht. Zunächst wurde für die Bezeichnung dieser Verfahrensgruppe der Begriff "Rapid Prototyping" verwendet. Dieser Anglizismus lässt vermuten, dass die Verfahrensgruppe nur für die Herstellung von Mustern oder kleinen Losgrößen geeignet erscheint. Mit der fortschreitenden Entwicklung wurde aber erkannt, dass diese Verfahren durchaus wirtschaftlich genutzt werden können. W. Kollenberg stellt die wichtigsten Verfahren der additiven Fertigung vor, dabei unterteilt er sie in "Bindeverfahren" und "Abscheidungsprozesse". Er diskutiert Anwendungen für keramische Werkstoffe und weist auf die zukünftige wirtschaftliche Bedeutung der additiven Verfahren hin. Der Autor spricht von der Möglichkeit der "Serienfertigung von Einzelteilen". (Anwendungen: Formgebung, Mikrotechnik, Mikrosystemtechnik, komplizierte Formteile, computergestützte Fertigung, Serienfertigung von Einzelteilen) 3.4.2.9

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion



Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 153 – Juli 2016

Sehr geehrte Damen und Herren,

Silicate sind nicht nur dominierend am Aufbau unserer Erdkruste beteiligt sondern sind auch als technische Silicate sehr eng mit unserem Kulturleben und dem heutigen Stand der Technik verknüpft. Massen- und Spezialprodukte aus Silicaten bilden einen gewaltigen Wirtschaftsfaktor in allen Industrienationen der Erde.

Auch die Keramik basiert auf Silicaten. Jahrhunderte lang wurden ausschließlich silicatische Naturstoffe als Rohstoffe für die keramischen Produkte verwendet. Das hat sich zwar in den letzten Jahren etwas geändert, aber trotzdem spielen immer noch Silicate in der Keramik – auch im Bereich der technischen Keramik – eine entscheidende Rolle. Daher ist die Kenntnis des Aufbaus der Silicate zum Verständnis der keramischen Technologie, der Gefügebeschaffenheit der keramischen Werkstoffe und ihrer Eigenschaften von großer Bedeutung.

Mein in der letzten Ergänzungslieferung begonnener Übersichtsbeitrag über die kristallinen Silicate habe ich nun mit den Doppel-Kettensilicaten und Schichtsilicaten weiter fortgesetzt. Zur ersten Gruppe gehören die zum Aufbau unserer Erde bedeutenden Mineralgruppe der Amphibole. In der zweiten Gruppe finden wir die wichtigen Glimmer, aber auch mit den Tonmineralen Kaolinit, Illit und Montmorillonit die bedeutendsten Komponenten der natürlichen keramischen Rohstoffe. (Anwendungen: Mineralogie, Kristallographie, Geologie, Grundlagen der Keramik, keramische Rohstoffe, feuerfeste Baustoffe, Zement) 4.1.0.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 152 – Mai 2016

Sehr geehrte Damen und Herren,

generative Fertigungsverfahren (frühere übliche Bezeichnung "Rapid Prototyping") sind Prozesse zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von komplex gestalteten Modellen, Prototypen, Werkszeugen oder Endprodukten aufgrund rechnergestützter Datenmodelle aus formlosen (Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen) oder formneutralen (Bänder, Drähte) Materialien über chemische und/oder physikalische Reaktionen. Obwohl das Prinzip dieser Verfahrenstechnik noch sehr jung ist, sind inzwischen schon eine große Anzahl unterschiedlicher Verfahren erprobt worden. Eines der älteren Verfahren ist die Stereolithographie, bei der ein flüssiger Kunststoff durch einen UV-Laserstrahl selektiv ausgehärtet und schichtförmig aufgebaut wird. Die Stereolithographie ist ein Ein-Photonen-Prozess. Bei der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) absorbiert ein Molekül zwei Photonen der gleichen Frequenz und wird in ein höheres Niveau angehoben. Die Absorption der Strahlung erfolgt durch nichtlineare Wechselwirkung ausschließlich innerhalb des Fokusvolumens der Strahlung. Aus diesem Grund ist eine wesentlich höhere Auflösung der Strukturen als mit der konventionellen Stereolithographie möglich. U. Hinze, A. El-Tamer und B. Chichkov beschreiben die Grundlagen der Zwei-Photonen-Polymerisation und stellen Anwendungsbeispiele mit organisch/anorganischen Hybridmaterialien vor. (Anwendungen: Formgebung, generative Fertigung, Rapid Prototyping, Stereolithographie, Mikrotechnik, Biomedizintechnik, Implantologie) 3.4.2.8

Silicate sind in einer großen Vielfalt von Mineralen und Gesteinen beim Aufbau unserer Erdkruste beteiligt. Einige davon werden als Rohstoffe für die Herstellung klassischer und technischer keramischer Werkstoffe genutzt, andere dienen als Ausgangsprodukte zur Erzeugung anderer (synthetischer) Rohstoffe. Viele klassische, aber auch technische Keramiken bestehen selbst auch aus Silicaten. Die fundierte Grundkenntnis des vielfältigen und manchmal komplex erscheinenden Aufbaus der Silicate ist für das Verständnis der Prozesstechnik bei der Herstellung der keramischen Werkstoffe, ihrer Gefügebeschaffenheit und ihrer Eigenschaften von großer Wichtigkeit. Es gibt zahlreiche ausgezeichnete mineralogische oder technische Abhandlungen zum Aufbau der Silicate. Ich habe mich trotzdem entschlossen, zu dem Aufbau der Silicate einen Übersichtsbeitrag zu verfassen, um den Lehrbuchcharakter dieser Handbuchreihe zu verbessern. Der vorliegende erste Teil des Beitrags beschreibt den Aufbau der Silicate mit einer Auswahl von Mineralen der Insel-, Gruppen-, Ring- und Kettensilicaten. Im nachfolgenden Beitrag werden noch die Schicht- und Gerüstsilicate erläutert. (Anwendungen: Mineralogie, Kristallographie, Grundlagen der Keramik, keramische Rohstoffe, Rohstoffsynthese, feuerfeste Baustoffe, Zement, mineralogische Zusammensetzung von Keramiken) 4.1.0.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 151 – März 2016

Sehr geehrte Damen und Herren,

Diese Ergänzungslieferung widmet sich den elektrischen und magnetischen Eigenschaften keramischer Werkstoffe. Dazu hat D. Hennicke zwei Übersichtsbeiträge aus dem Jahr 1992 überarbeitet und auf den neusten Stand gebracht.

Wenn man metallische und keramische Werkstoffe hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften vergleichend gegenüberstellt, denkt man zunächst an die hohe elektrischen Leitfähigkeit der Metalle und den hohen ohmschen Widerstand vieler Keramiken als jeweils inhärente Eigenschaften dieser Werkstoffgruppen. Der hohe ohmsche Widerstand von Keramiken ist für einige Anwendungen von besonderem Nutzen wie etwa für Isolatoren, Chipträger oder Zündkerzen. Einige keramische Werkstoffe sind aber in der Lage, spezielle elektrische Signale umzusetzen, so dass sie Sensor-, Mess- und Regelfunktionen erfüllen können. Zu ihnen gehören Kondensatoren, Varistoren, Transistoren, Supraleiter und die Piezowandler. D. Hennicke erläutert in ihrem ersten Beitrag die Grundlagen der elektrischen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen, beschreibt die Funktionen, die dadurch herbeigeführt werden können, und nennt typische keramische Werkstoffe. (Anwendungen: Physik, Elektrotechnik, Elektronik, Isolatoren, Chipträger, Zündkerzen, Funktionskeramik, Kondensatoren, Varistoren, Transistoren, Piezowandler, Mikrowellenkeramik) 5.5.0.0

Nach der landläufigen Vorstellung sind Magnete metallische Werkstoffe. Dabei wird übersehen, dass hochwertige keramische Magnete sich besonders kostengünstig herstellen lassen und daher auch häufig produziert werden. Keramische Magnete sind Eisenoxid-haltige Materialien und werden daher als "Ferrite" bezeichnet. Man unterscheidet auch bei den Ferriten weichmagnetische und hartmagnetische Materialien. Weichmagnetische Werkstoffe lassen sich leicht magnetisieren, verlieren ihre Magnetisierung aber schnell wieder, wenn der externe magnetische Einfluss schwindet. Typische Weichmagnete sind Spulenkerne. Hartmagnetische Materialien lassen sich zwar schwer magnetisieren, sie behalten aber ihre magnetischen Eigenschaften über lange Zeit bei. Hartmagnete sind "Dauermagnete". Weichmagnetische Ferrite besitzen eine Spinellstruktur, während Hartferrite eine Magnetoplumbitstruktur besitzen. D. Hennicke beschreibt in ihrem zweiten Beitrag die magnetischen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen, kennzeichnet die Ferrite und nennt typische Anwendungen. (Anwendungen: Physik, Elektrotechnik, Elektronik, Funktionskeramik, Hartferrite, Weichferrite, Dauermagnete, Spulenkerne) 5.6.0.0

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 150 – Januar 2016

Sehr geehrte Damen und Herren,

Keramik hat zwar eine lange Tradition. Die Zahl der Anwendungsfelder war in der Vergangenheit aber überschaubar. Erst durch die technischen keramischen Werkstoffe, die zwar schon seit dem Beginn der Neuzeit prinzipiell existieren aber sich erst seit wenigen Jahren richtig entfalten konnten, ist die Keramik zu einer bedeutenden Werkstoffgruppe geworden. Durch die vielen neuen Werkstoffvarianten und Anwendungsfelder scheint die "Welt der Keramik" jedoch ihre "Übersichtlichkeit" verloren zu haben. In der 142. Ergänzungslieferung – also vor nicht viel mehr als einem Jahr – haben N. Kratz und ich daher versucht, die Keramik zu definieren, ihre geschichtliche Entwicklung zu skizieren und ihre Systematik sowie die Abgrenzung zu anderen Werkstoffen für den mitteleuropäischen Raum festzulegen. Nun hielten wir es dennoch für notwendig, den jungen Beitrag schon jetzt zu ersetzen, da uns eine Verbesserung durch Berücksichtigung neuer Erkenntnisse und vor allem durch Einbau von charakteristischem Bildmaterial zu den Anwendungsfeldern der Keramik gelungen ist. Wir möchten allen Personen aus der keramischen Praxis danken, die uns diese Bilder zur Verfügung gestellt haben. (Anwendungen: Systematik der Keramik, Grundlagen der Keramik, Definition der Keramik, Keramikgeschichte) 2.1.0.0

Optokeramische Werkstoffe sind laut unseres oben genannten Beitrags solche, die für optische Zwecke eingesetzt werden. Von "passiver Optokeramik" wird dann gesprochen, wenn als charakteristisches optisches Phänomen die Lichtdurchlässigkeit zum Tragen kommt. Transluzente Keramiken sind solche, die zwar Licht durchlassen, wobei der Gegenstand dahinter nicht erkennbar ist. Typische transluzente Keramiken sind Porzellan und die Al2O3-Brenner für Natriumdampflampen. Dagegen ist bei transparenten Keramiken der Gegenstand dahinter klar zu erkennen. Wenn einphasige Keramiken hochgradig transparent sein sollen, werden Materialien benötigt, die optisch isotrop sind. Die Voraussetzung für die optische Isotropie sind Stoffe mit kubischer Kristallsymmetrie. Diese Voraussetzung erfüllen nur wenige keramische Werkstoffe. Beispiele sind Keramiken auf Basis Y2O3, Spinell (MgAl2O4), Magnesiumoxid (MgO), YAG (Y3Al5O12) und AlON. U. Reichel, G. Notni, A. Duparré, F. Müller, St. König und V. Herold untersuchen in ihrem Beitrag die Hochtemperaturstabilität der optikrelevanten Eigenschaften von transparenter Keramik am Beispiel des Spinells MgAl2O4. (Anwendungen: transparente Keramik, Keramiklinsen, optische Elemente, transparenter ballistischer Schutz) 8.6.2.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 149 – November 2015

Sehr geehrte Damen und Herren,

Das Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes gebildet wird. Im Gegensatz zum Schweißen wird die Liquidustemperatur des Grundwerkstoffs nicht erreicht. Um keramische Werkstoffe miteinander zu verbinden, haben sich Lötverfahren mit Glasloten schon lange bewährt. Normalerweise erfolgt das Fügeverfahren in einem Ofenprozess, bei dem die gesamte Baugruppe erhitzt wird. Enthalten die Baugruppen aber wärmeempfindliche Funktionselemente, so sind lokale Fügeverfahren anzuwenden. S. Kasch, D. Conrad, T. Schmidt und H. Müller zeigen an rotationssymmetrischen Bauteilen aus Aluminiumoxidkeramiken und Saphir-Einkristallen, dass das lokale Hochtemperaturlöten von Glaslot mittels des simultanen bzw. des quasisimultanen CO2-Laserverfahrenkonzepts möglich ist, um vakuuumdichte Lotverbindungen mit hohen Festigkeiten reproduzierbar zu erreichen, wobei unzulässig hohe Eigenspannungen an den Fügestellen vermieden werden können. Anwendungen: lokales Löten mit Glaslot, Laserlöten, Verkapselung, Gehäuse, elektrische Baugruppen, Sensoren, Optiken, Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik. 3.9.2.4

Für die Entwicklung und Produktionskontrolle ist die Verwendung verbesserter bestehender und die Einführung innovativer Prüfmethoden äußerst sinnvoll. In einem Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) sollte versucht werden, die Kohlenstoffdioxidemission als Folge der Verwendung kohlenstoffhaltiger Feuerfestkeramiken zu reduzieren. Dazu charakterisierten J. Solarek, C.G. Aneziris und H. Biermann das Gefüge sowie die mechanischen Eigenschaften von kohlenstoffgebundenem Magnesiumoxid (MgO-C). Für die mechanischen Untersuchungen wurden zwei neuartige Prüfmaschinen eingesetzt. Die Biege- und Druckuntersuchungen erfolgten bei variierenden Temperaturen in einer elektromechanischen Prüfmaschine mit Schutzgaskammer. Die quasi-statischen Zuguntersuchungen und die zyklischen Zug-Druck-Messungen wurden über eine servohydraulische Prüfmaschine mit Vakuumkammer vorgenommen. Anwendungen: Feuerfestkeramik, kohlenstoffgebundenes Magnesiumoxid (MgO-C), Gefügeanalyse, mechanische Prüftechnik, Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Kriechbeständigkeit, Druck-Zug-Wechseltests. 6.2.3.2

Noch in den 1970er Jahren war das Aufmahlen von Pulvern durch Rührwerkskugelmühlen bis zum Submikronbereich das ultimative Ziel. Heute ist es inzwischen möglich geworden, mit diesen Mühlen bis in den Nanobereich vorzustoßen. Um die dafür erforderliche Mahleffizienz auch ohne störende Verunreinigungen zu erreichen, sind sphärische Mahlkörper hinsichtlich Durchmesser, Materialdichte, Verdichtungsgrad, Härtegrad und Oberflächengüte zu optimieren. A. Müller beschreibt die heute üblichen Methoden zur Herstellung von Mahlkugeln. Eine besonders hohe Qualität von Mahlkugeln kann durch ein Herstellungsverfahren über die Sol-Gel-Technik erreicht werden. Anwendungen: Mahlkörperherstellung, Mahltechnik, Sol-Gel-Verfahren, Granulieren, Tropfverfahren, Pressen. 8.3.2.6

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 148 – September 2015

Sehr geehrte Damen und Herren,

Die quantitative Röntgenbeugungsanalyse von pulverförmigen Rohstoffen wird heute meist nach der von Hugo M. Rietveld Ende der 1960er Hare entwickelten Methode durchgeführt. Dabei werden über die Methode der kleinsten Quadrate die strukturellen und instrumentellen Parameter vom Ausgangsmodell der Atomanordnung immer weiter verfeinert, bis zwischen dem gefundenen und dem berechneten Röntgenbeugungsdiagramm praktisch kein Unterschied mehr besteht. B. Kurz betrachtet in seinem Beitrag kritisch die Röntgenbeugungsanalyse mit quantitativer Bestimmung der Phasen über die Rietveld-Methode und weist auf mögliche Fehlerquellen hin. Mit der Röntgenbeugungsanalyse in der Hochtemperaturkammer können Reaktionsabläufe und Sintervorgänge bei hohen Temperaturen verfolgt werden. Der Autor weist darauf hin, dass bei dieser Hochtemperaturbeugungsanalyse Peakverschiebungen berücksichtigt werden sollten. Er empfiehlt, dass grundsätzlich Röntgenbeugungsanalysen von Pulvern durch weitere zusätzliche Analysemethoden ergänzt werden sollten, um klarere Aussagen zu erhalten. (Anwendung: Pulvercharakterisierung) 6.1.5.3

Die Tintenstrahldruckverfahren wurden wie alle Druckverfahren zunächst nur für den Graphikdruck verwendet. Die ersten funktionsfähigen Tintenstrahldrucker arbeiteten mit einem kontinuierlichen Tintenstrahl (Continuous Ink Jet, CIJ). Diskontinuierlich arbeiteten die später entwickelten die Drop-On-Demand(DOD)-Verfahren, wobei nur dann ein Tintentropfen erzeugt wird, wenn dieser für den Druck tatsächlich benötigt wird. Das DOD-Verfahren wurde auch inzwischen zur Erzeugung von funktionellen Oberflächenbeschichtungen oder als Rapid-Prototyping-Verfahren zur Bildung von dreidimensionalen Bauteilen eingesetzt. M. Mikolajek, A. Friederich, W. Bauer und J. R. Binder beschreiben in ihrem Beitrag die Verwendung der DOD-Technik zur Herstellung von keramischen Dickschichten. Für ihre Arbeiten verwenden sie piezoelektrische Druckköpfe. Dieser Beitrag ergänzt Kapitel 3.4.2.6, bei dem alternativ das thermisch arbeitende Blasverfahren (Bubble-Jet) verwendet wurde. (Anwendung: Beschichtung, Dickfilmtechnik, Tintenstrahldrucken, Drop-On-Demand-Verfahren, Rapid Prototyping) 3.8.4.2

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 147 – Juli 2015

Sehr geehrte Damen und Herren,

Die Spezifikation von keramischen Rohstoffen und Fertigprodukten werden durch den Gesetzgeber, der die Anwesenheit toxischer Stoffe begrenzt, den Hersteller, der die Anwesenheit von produktionsfördernden Stoffen (z.B. Sinteradditive, organische Zusätze für die Formgebung) festlegt, sowie den Anwender, der die Konzentration der für die Funktion der Bauteile relevanten Bestandteile entscheidet, vorgegeben. Hierzu gibt es heute eine Vielzahl von Analysemethoden, die sich nicht nur auf die Elementaranalyse beschränken sondern die es auch ermöglichen Aussagen zu den Nukleid-Sorten sowie zur Art und Menge der chemischen Verbindungen und zusätzlich deren Kristallmodifikationen zu erhalten. Dabei sollten nicht wahllos die Methoden zur Analyse angewandt werden sondern vor allen Dingen anwendungsorientiert vorgegangen werden und die Aussagekraft der Analysenmethoden kritisch betrachtet werden. Berücksichtigt werden sollten nicht allein die Art und die Menge der Bestandteile sondern auch örtlich und zeitlich abhängige Anordnungen und Verteilungen in den Rohstoffen und Fertigprodukten erfasst werden. A. Priese charakterisiert in ihrem Beitrag die Schwankungsbreiten der Zusammensetzungen der Rohstoffe für die technische Keramik und entwirft Analysestrategien dafür. (Anwendung: Analytik, Rohstoffe) 6.1.6.5

Das Spritzgießen ist ein Formgebungsverfahren, das zunächst nur für Kunststoffverarbeitung entwickelt wurde. Mit dem Pulverspitzgießen (Powder Injection Molding, PIM) konnten auch Metall- und Keramikteile hergestellt werden, indem Metall- oder Keramikpulver mit dem Bindemittel spritzgegossen wird; nach der Entbinderung erfolgt die Sinterung des verbleibenden Pulvers. Das Spritzgießen hat den Vorteil im Vergleich zu anderen Formgebungsverfahren, dass kostengünstig kompliziert gestaltete Bauteile hergestellt werden können. Da aber die Werkzeugkosten den Großteil der Investitionen ausmachen, ist aber die Wirtschaftlichkeit erst bei großen Stückzahlen gegeben. Mikrotechnik befasst sich mit Verfahren zur Herstellung von mikrometergroßen Strukturen und Systemen. Zur Herstellung kompliziert gestalteter mikrostrukturierter Keramikbauteile wurde aus der PIM-Technologie das Mikro-Pulverspritzgießen (MikroPIM) entwickelt. Zur Übertragung der Mikroabmessungen sind einige Kriterien zu beachten; so ist es beispielsweise sinnvoll nanoskalige Pulver zu verwenden, um die Oberflächenrauigkeit gering zu halten und die Detailtreue sicher zu stellen. V. Piotter und T. Hanemann untersuchen in ihrem Beitrag den Einfluss der Massenaufbereitung auf die Verarbeitungseigenschaften für das MikroPIM zur Herstellung von keramischen Mikrostrukturen. (Anwendung: Formgebung, Mikrotechnik, Mikrosystemtechnik, Spritzgießen, PIM, MikroPIM) 3.4.8.10

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 146 – Mai 2015

Sehr geehrte Damen und Herren,

diese Ergänzungslieferung enthält Beiträge zum Themenkreis "Rohstoffe und Aufbereitung".

Die Teilchengrößenverteilung ist für die Verarbeitbarkeit der keramischen Massen und ihre Sinteraktivität von entscheidender Bedeutung. Zur Teilchengößenanalyse werden unterschiedliche Verfahren angewandt, von denen sich im keramischen Bereich die Methode mittels Laserstreulichtverfahren, bekannt als Lasergranulometrie, wegen der kurzen Messdauer und des breiten Messbereichs besonders bewährt hat. Die grundsätzliche Untergrenze des Messbereichs für Lasergranulometer liegt bei 100 nm. Da die Herstellung von hochwertigen technischen Keramiken immer feinere Ausgangspulver erfordert, ist einigen Keramikherstellern die Untergrenze des Messbereichs nicht fein genug. Zur Erweiterung des Messbereichs berücksichtigte man erfolgreich bislang ungenutzte Abhängigkeiten des Streulichts von der Teilchengröße, wodurch heute Teilchengrößenverteilungen bis zu einer Untergrenze von 20 nm verlässlich messbar sind. P. Kuchenbecker, M. Gemeinert und T. Rabe haben sich intensiv mit dem Laserstreulichtverfahren in der Rohstoffcharakterisierung auseinandergesetzt und berichten über ihre Erfahrungen aus umfangreich gestalteten Ringversuchen zur Präzision der Messergebnisse. (Anwendung: Rohstoffcharakterisierung) 3.2.5.1

Das Ziel des Mischens von Schüttgütern ist die Homogenität, also eine Gleichverteilung aller Komponenten des Gemenges. Um diese zu erreichen, sind dispersive und/oder erzwungene Relativbewegungen zwischen den einzelnen Komponenten erforderlich. Die Wechselwirkungen der Teilchen können andererseits zum gegenseitigen Anhaften d.h. zur Agglomeration führen. V. Wenzel, S. Schmelzle und H. Nirschl beschreiben in ihrem Betrag grundlegende Phänomene der Festoffmischtechnik. Zur theoretischen Betrachtung des Fließverhaltens wird die "Diskreten Elemente Methode" (DEM) verwendet. Die Unterdrückung von Entmischungsvorgängen und damit die Reduzierung des Agglomerationseffektes werden angestrebt. Für die Beurteilung der Mischgüte nach der gewählten Mischzeit wird ein Teil des Partikelhaufwerks vor dem Mischvorgang eingefärbt. Der Einfluss der Zugabe von Flüssigkeit auf die Mischgüte wird aufgezeigt. Die allgemein gültigen theoretischen Betrachtungen und praktischen Untersuchungen zur Mischtechnik wurden speziell zur Herstellung des Kathodenmaterials einer Lithium-Ionen Batterie genutzt. (Anwendung: Aufbereitung, Mahlen, Mischen, Homogenisieren, Granulieren, Lithium-Ionen Batterie) 3.3.2.2

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 145 – März 2015

Sehr geehrte Damen und Herren,

Keramische nanoskalige Pulverhaufwerke besitzen eine hohe Sinteraktivität, so dass mit ihnen prinzipiell Keramiken mit dichten, homogenen und feinteiligen Gefügen schon bei niedrigen Sintertemperaturen herstellen lassen. Die hohe spezifische Oberfläche dieser Pulver hat eine starke Agglomerationsneigung zur Folge, so dass die Aufbereitung erschwert ist. M. Wegener, M. Lenhart und A. Roosen befassen sich in ihrem Beitrag mit dem Einfluss von Aufbereitungsparametern auf die mittlere Agglomeratgröße x50.3 (nach DIN 9276-2) und den damit verbundenen elektrischen und optischen Eigenschaften von Indiumzinoxid-Grünfolien. Indiumzinnoxid (engl. indium tin oxide, ITO, bestehend aus ca. 90 % In2O3 und 10 % SnO2) ist ein im sichtbaren Licht transparentes halbleitendes Oxid (engl. transparent conductive oxide, TCO). TCO-Beschichtungen für Frontelektroden in Solarzellen oder in Displays werden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik über Sputterverfahren hergestellt. Die in diesem Beitrag behandelte Foliengießtechnik zielt auf einen kostengünstigeren Schichtauftrag. (Anwendungen: Aufbereitung, Foliengießen, Nanotechnologie, Beschichtung, Solarzellentechnologie, Displaytechnologie) 3.3.3.10

Strukturkeramische Werkstoffe werden traditionsgemäß im Maschinen- und Anlagenbau eingesetzt. Einige können aber auch für elektrische Funktionen als Heizleiterwerkstoffe angewandt werden. E. Zschippang, H.-P. Martin, V. Lankau, H. Klemm, M.Herrmann und A. Michaelis zeigen, dass sich der ohmschen Widerstand einer Keramik durch Variation der Anteile der "Nichtoxide" SiC, Si3N4 und MoSi2 in weiten Bereichen variiert werden kann. Zunächst wird das festphasengesinterte SiC betrachtet und über Variation einer p-Dotierung die halbleitende Widerstandscharakteristik variiert. Im zweiten Ansatz wird das halbleitende SiC mit dem elektrisch isolierenden flüssigphasengesinterten Si3N4 kombiniert, dieser Kompositwerkstoff bietet über die Perkolationstheorie auch die Möglichkeit, "halbisolierende" elektrische Widerstände zu erzeugen. Der dritte Ansatz betrachtet Komposite aus den hableidenden SiC, dem isolierenden Si3N4 und dem metallisch leitenden MoSi2, wodurch sich Widerstandswerte sogar zwischen elektrisch isolierend bis quasimetallisch variieren lassen, wobei sich der Wärmeausdehnungskoeffizient trotz der variablen Anteile der Basiskomponenten nur wenig unterscheidet. (Anwendungen: Elektrotechnik, Wärmetechnik, Heizleiter) 8.5.9.1

Piezokeramiken wie das Bleizirkonattitanat (PZT) werden als dichte Werkstoffe für Aktoren genutzt, während poröse Piezokeramiken bevorzugt für Sensoren verwendet werden. Eine erhöhte Porosität reduziert die relative Permittivität, den Transversaleffekt ("d31-Effekt", mechanische Kraft wirkt senkrecht zum angelegten Feld) und den Longitudinaleffekt ("d33-Effekt", mechanische Kraft wirkt parallel zum angelegten Feld), wodurch ein Anstieg der der Leistungskennzahl (Figure of Merit, FoM) erreicht wird. Die Leistungskennzahl wird als Produkt aus dem "Hydrostatic Strain Coefficient" (dh) und dem "Hydrostatic Voltage Coefficient" (gh) definiert. Die erhöhte Leistungskennzahl bei porösen Piezokeramiken verbessert die Kopplung zu den akustischen Medien aufgrund der vergrößerten Oberfläche. Zur Stabilisierung der porösen Strukturen und zur Vermeidung Durchschlägen werden die Poren mit piezo-passiven Polymeren wie Epoxidharz gefüllt. Die Polymerphase erhöht die Konzentration der Raumladungen an den Grenzflächen und reduziert den Transversal- und Longitudinaleffekt dieser Polymer-Keramik-Komposite. F. Eichhorn, T. Fey, K. Kakimoto und P. Grail stellten über ein indirektes Fused Deposition Modeling, FDM, einem Rapid-Prototyping-Verfahren, RP (neuerdings auch als "Solid Free Form Fabrication", SFF, bezeichnet) zunächst Negativformen aus PLA (Polyactic Acid, Polymilchsäure) für Strukturen mit definierten monomodalen und bimodalen Poren her. Eine PZT-Spritzgussmasse wurde bei erhöhter Temperatur in die PLA-Formen gegossen. Nach dem Entbindern und dem Ausbrand der Form erfolge das Sintern der Keramik und die Infiltration der geometrischen Porenkanäle durch das Epoxidharz. Nach der Polarisation der Piezokeramiken wurden die piezoelektrischen und mechanischen Eigenschaften bestimmt. (Anwendungen: Hydrofon, Unterwassermikrofon, Unterwasserschalldetektion) 5.5.2.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 144 – Januar 2015

Sehr geehrte Damen und Herren,

Monolithische (d.h. unverstärkte) Keramiken sind leider sehr spröde. Durch den Einbau von Fasern in die keramische Matrix konnte die Zähigkeit erheblich verbessert werden. Allerdings war die Herstellung der entsprechenden keramischen Faserverbundwerkstoffe in der Regel sehr kostenintensiv, so dass sie zunächst fast ausschließlich in der Weltraumtechnik eingesetzt werden konnten. Kohlenstofffaserverstärkte Siliciumcarbid-Keramiken erwiesen sich wegen ihrer hohen Verschleißbeständigkeit, hohen Reibwerte und der niedrigen Dichte als besonders interessant für Friktionsanwendungen in allen möglichen translatorisch oder rotatorisch bewegten Systemen. Als Herstellungsverfahren bot sich das relativ preisgünstige Flüssigsilicierverfahren an. In den 90er Jahren des vorigen Jahrhunderts begann man, Beläge und Bremsscheiben aus faserverstärkten SiC-Keramiken zu entwickeln. Die ersten Tests zeigten zukunftsweisende positive Ansätze. Für Serieneinsätze waren aber noch viele Entwicklungsschritte notwendig. W. Krenkel und N. Langhof ersetzen den schon vorliegenden Beitrag über Leichtbaubremsen, indem sie in ihrem neuen Beitrag die weitere Entwicklung bis zum heutigen Stand aufzeigen. Ein echter Durchbruch für die Anwendung von keramischen Leichtbaubremsen ist nach Aussagen der Autoren aber erst dann zu erwarten, wenn sich die Herstellkosten deutlich weiter reduzieren lassen. (Anwendungen: Fahrzeugtechnik, Friktionstechnik, Bremssysteme) 8.3.1.1

In der Regel ist es das Ziel des Konsolidierungsprozesses bei der keramischen Fertigung, dichte Werkstoffe zu erzeugen, da eine Keramik mit einem hohen Verdichtungsgrad für die meisten Anwendungen von Vorteil ist. Für manche Anwendungen werden aber gezielt poröse Werkstoffe eingesetzt. So hemmen die Poren in den Feuerfestkeramiken den Rissfortschritt und sorgen damit für eine gute Temperaturwechselbeständigkeit. Zusätzlich wird durch die Poren in diesen Werkstoffen ein hohes Wärmedämmungsvermögen erreicht. In keramischen Schleifscheiben sind die Poren beim Schleifprozess in der Lage, einen Span auf zu nehmen. In der Filtrationstechnik sorgen die Poren der Keramiken für die gewünschte Fitrationseffizienz. U. Werr erläutert in seinem Beitrag über poröse Keramiken drei mögliche Prozessrouten, zeigt einige typische Eigenschaften auf und beschreibt bereits realisierte Anforderungsprofile zu Projekten mit porösen Keramiken. (Anwendungen: Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, Flüssigkeitsverdampfung, chemische Analytik, Temperaturmesstechnik) 4.6.3.0

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 143 – November 2014

Sehr geehrte Damen und Herren,

Für die Herstellung keramischer Werkstoffe werden als Rohstoffe in der Regel nichtmetallisch-anorganische Materialien verwendet. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn in den Rohstoffen für die Keramikherstellung neben den konventionellen Pulverteilchen noch zusätzlich metallische Partikel enthalten sind. So können Al2O3-Keramiken hergestellt werden, wenn Al2O3/Al-Pulvermischungen vermahlen, kompaktiert und an Luft einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Der Vorteil ist, dass der Konsolidierungsprozess, der über eine "Reaktionsbindung" abläuft, zu einer dichten Keramik mit feinkörnigem Gefüge führt, wobei die Schwindung in diesem Fall gering ist. Metall/Keramik-Pulvermischungen sind auch einsetzbar für das Reaktivsintern zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbunden. Die Aufmahlung solcher Pulvermischungen ist aber nicht trivial, da sie in nichtwässrigen Medien erfolgen muss, um eine Aufoxidation der metallischen Pulverteilchen während des Mahlprozesses zu vermeiden. N. Kratz, K. Wiegandt, F. Holleyn, M.R. Kunze, J. Scholz, R. Janssen und ich konnten zeigen, dass die Wahl der verwendeten nichtwässrigen Mahlflüssigkeiten sich stark auf die Gefügeentwicklung der hergestellten Werkstoffe auswirkt. (Anwendung: Aufbereitung, Mahlen, Metallpulver, Reaktionsbinden, reaktives Sintern, reaktionsgebundenes Aluminiumoxid, Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe) 3.3.1.8

Keramische Schichten spielen für viele Anwendungen eine große Rolle. Sie können entweder funktionelle Aufgaben für Keramiksubstrate übernehmen oder sie dienen zum Schutz tragender Bauteile aus anderen Materialien, vorwiegend Metallen. Zur Keramik-Beschichtung der Trägermaterialien gibt es inzwischen eine beträchtliche Anzahl von angepassten Verfahren. Die bekanntesten Verfahren sind das thermische Spritzverfahren, die physikalische und die chemische Abscheidung aus der Gasphase (PVD; CVD), die Sol-Gel-Beschichtung, die Tauchbeschichtung und die elektrophoretische Abscheidung. L. Huesemann stellt mit der elektrokeramischen Beschichtung (ECC), bei der TiO2 elektrolytisch auf Metalloberflächen abgeschieden wird, ein neues multifunktionales Beschichtungsverfahren vor. (Anwendung: Beschichtung, Korrosionsschutz, Verschleißschutz) 3.8.11.0

Dieser Beitrag wurde in englischer Sprache verfasst. Bisher haben wir nur Aufsätze in deutscher Sprache für dieses Werk zugelassen. Dieser Beitrag ist damit der erste, der in unserem Werk in englischer Sprache erscheint. Wir haben uns entschlossen, auch in Zukunft im Zuge der Internationalisierung englische Aufsätze zuzulassen. Allerdings wollen wir weiterhin zukünftig vorwiegend deutschsprachige Aufsätze veröffentlichen.

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 142 – September 2014

Sehr geehrte Damen und Herren,

 

Keramische Werkstoffe haben eine lange Tradition. In manchen Regionen dieser Erde ist die Keramik aufgrund ihrer besonderen historischen Bedeutung zum Kulturbegriff geworden. Da in anderen Regionen die Wertschätzung dieser Werkstoffgruppe weniger ausgeprägt ist, folgt auch, dass der Begriff "Keramik" in unterschiedlichen Kulturlandschaften unterschiedlich definiert wird. In der letzten Zeit hat sich die Keramik weltweit rasch entwickelt, immer wieder neue Werkstoffvarianten und Anwendungsfelder wurden für die Keramik erschlossen. Somit hat sich auch die Systematik der Keramik deutlich verändert. N. Kratz und ich haben uns die Aufgabe gestellt, die Systematik der Keramik der Gegenwart anzupassen und gleichzeitig die keramische Tradition der Keramik im mitteleuropäischen Kulturkreis nicht außer Acht zu lassen. ( Anwendungen: Systematik der Keramik, Grundlagen der Keramik, Definition der Keramik) 2.1.0.0

 

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

 

Der Beitrag zum Thema "Axiales Pressen", den wir in unserer Mai-Lieferung entnommen und zunächst in unser Archiv auf CD abgelegt haben, ist inzwischen von R. Menzel auf den neuesten Stand gebracht worden und liegt jetzt auch wieder in Printform vor. Dieser muss jetzt wieder unter der alten Kapitel-Nummer in die Loseblattsammlung einsortiert werden. 3.4.3.0

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 141 – Juli 2014

Sehr geehrte Damen und Herren,

 

für den Brennprozess werden die zu konsolidierenden pulvermetallurgischen und keramischen Rohlinge auf Brennhilfsmittel angeordnet und gelagert. Da sie im Brennprozess zusammen mit dem Brenngut aufgeheizt werden, sollen sie thermisch und chemisch stabil sein, aus energetischen Gründen eine geringe Wärmekapazität und eine geringe Dichte und trotzdem eine hohe Steifigkeit besitzen. Brennhilfsmittel sollten eine hohe Thermoschockbeständigkeit aufweisen, damit der Abkühlvorgang beim Brennprozess relativ schnell erfolgen kann. Schließlich sollten die Brennhilfsmittel so konstruiert sein, dass im Brennaggregat keine inhomogenen Temperaturverteilungen vorliegen. U. Scheithauser, T. Slawik, E. Schwarzer und R. Scholl wählten einen neuen technologischen Ansatz, indem sie nach dem Vorbild des Leichtbaus Sandwichstrukturen mit geringen Wandstärken und mit durchströmbaren Stützkörpern aufbauten. Zur Formgebung wurden die Foliengießtechnik und papiertechnische Verfahren genutzt. Die hergestellten Bauteile bestanden aus Al2O3 oder aus einem Gemisch von Al2O3 und CaO·6Al2O3.

alt

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 156 – Januar 2017

Sehr geehrte Damen und Herren,

Für diese Ergänzungslieferung konnte ich den Beitrag über die kristallinen Silicate abschließen. Damit steht dem Leser dieser Handbuchreihe eine umfangreiche aktuelle Übersicht über den kristallographischen Aufbau der großen Gruppe der kristallinen Silicate zur Verfügung. Die ersten keramischen Werkstoffe wurden aus silicatischen Rohstoffen hergestellt. Auch heute noch werden für die klassischen keramischen Werkstoffe ausschließlich silicatische Rohstoffe verwendet. Zwar ist die Rohstoffpalette für die technischen keramischen Werkstoffe breiter angelegt, aber auch für viele technische keramische Erzeugnisse sind silicatische Rohstoffe immer noch unverzichtbar. Auch manche aktuellen synthetischen Rohstoffe für die technische Keramik können nur aus natürlichen silicatischen Rohstoffen gewonnen werden. Die Kenntnis der Silicate ist damit nicht nur als Grundlagenwissen für den klassischen Keramiker von besonderem Nutzen, sondern auch der Werkstoffwissenschaftler und -technologe der technischen Keramik kann durch den Einblick in die Silicate fachlich profitieren. Viele analytische, mineralogische, kristallographische, geologische und lagerstättenkundliche Aspekte habe ich weggelassen, um den Rahmen für diesen Beitrag in Grenzen zu halten. Doch auch dem an den Silicaten interessierten Geowissenschaftler bietet der Beitrage die Aussicht, seine Kenntnisse in dieser Hinsicht aufgrund der umfangreichen Literaturübersicht zu vertiefen. (Anwendungen: Mineralogie, Krisallographie, Geologie, Grundlagen der Keramik, Clathralithe, Zeolithe, Katalysatortechnik, Tocknungstechnik, Molekularsiebe, Waschmittel, Landwirtschaft, Dentalkeramik) 4.1.0.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 155 – November 2016

Sehr geehrte Damen und Herren,

Meinen Übersichtsbeitrag über die kristallinen Silicate habe ich – betrachtet aus der Sicht eines Keramikers – weiter fortgeführt und mich für diese Ergänzungslieferung mit dem Aufbau der Gerüstsilicate auseinandergesetzt.

Gerüstsilicate umfassen eine besonders wichtige Gruppe von Silicaten für den Keramiker. Zu ihnen gehört das SiO2 mit seiner ausgeprägten Polymorphie. Die Kenntnis der SiO2-Modifikationen ist für die Vorgänge bei der Gefügeentwicklung im keramischen Brand von großer Bedeutung. Einige SiO2-Modifikationen sind strukturell auch richtungsweisend für andere Strukturen von Gerüstsilicaten, wie zum Beispiel die Lithiumalumosilicate mit ihren niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die strukturell mit den SiO2-Modifikationen Hoch-Quarz und Keatit verwandt sind und die sich als Gefügeelemente in besonders temperaturwechselbeständigen Glaskeramiken befinden. Zu den Gerüstsilicaten gehören auch die Feldspäte, die den Großteil unserer Erdkruste aufbauen. Einige von ihnen sind auch wichtige Komponenten von keramischen Werkstoffen. Den Feldspäten habe ich mich besonders intensiv gewidmet, um aufzuzeigen, dass sie trotz der strukturell bedingten Beschränkungen doch sehr facettenreich sein können. (Anwendungen: Mineralogie, Kristallographie, Geologie, Grundlagen der Keramik, keramische Rohstoffe, Gefügeentwicklung, Silicatkeramik, Porzellan, Glaskeramik, feuerfeste Baustoffe, Zement) 4.1.0.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

(Anwendungen: Brennhilfsmittel, keramischer Brand, pulvermetallurgischer Brand) 8.1.7.0

 

Mit der Spritzgießtechnik lassen sich kompliziert gestaltete Bauteile herstellen. Verwendet man als Granulat den konventionellen "Feedstock" bestehend aus dem Keramikpulver als Füller und einem thermoplastischen Binder (powder injection molding (PIM)), so ist die nachfolgende Sinterung noch mit einer deutlichen Schwindung verbunden. Wird aber das Pulver durch ein präkeramisches Polymer ersetzt und anschließend pyrolysiert, so lassen sich Vorkörper mit hohen Feststoffanteilen erzielen, so dass die Sinterung mit einer geringen Schwindung verbunden sein kann. Auch in diesem Fall erhält man eine monolithische Keramik. Will man aber eine 3D-faserverstärkte Keramik (fiber reinforced ceramic oder ceramic matrix composite (CMC)) über die Spritzgusstechnologie herstellen, so ist eine schwindungsarme Konsolidierung möglich, aber aufgrund der vielschichtigen Gefügeausbildung treten insbesondere bei kompliziert gestalteten Bauteilen starke Anisotropieeffekte auf, die auch zu Baufehlern im Gefüge führen können. A. Müller-Köhn, M. Ahlheim, T. Moritz, A. Michaelis und St. Ladisch stellten faserverstärkte Keramiken durch Pyrolyse eines Polysiliazan-Precursors als Matrix für Carbon-Kurzfasern her. Zur Optimierung der Befüllung der Formen wurde zunächst eine Computersimulation durchgeführt. Die Vorhersagen wurden an realen Teilen verifiziert. Es zeigte sich, dass mit Hilfe einer solchen Simulation die Faseranordnung auch bei spritzgegossenen, komplizierten Teilen optimal angepasst werden kann, um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften sicher zu stellen.
(Anwendung: Formgebung, Spritzgießen, Faserverstärkung, Gefügeoptimierung, komplizierte Bauteile) 3.4.8.9

 

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 140 – Mai 2014

Sehr geehrte Damen und Herren,

Um zwei gleich- oder fremdartige Werkstoffe stoffschlüssig miteinander zu verbinden, sollte man sich einer geeigneten Fügetechnik bedienen. Klassische Fügetechniken sind die Hochtemperaturverfahren Schweißen (d. h. ohne Zusatz) und Löten (d. h. mit Zusatz) sowie bei Raumtemperatur das Kleben. Eine Kombination von Kleben und Schweißen stellt in der keramischen Verfahrenstechnik das Garnieren dar, bei dem zunächst bei Raumtemperatur Grünlinge (Folien) durch Kleben verbunden werden, die dann im Sinterprozess über ein Diffusionsschweißprozess ihren endgültigen Verbund erhalten. Bei dem Fügen durch Kleben werden in der Regel als Klebstoffe organische Komponenten verwendet, die nur eine thermische Beständigkeit bis 350 °C besitzen. R. Luhn und A. Gans verwenden aber Klebstoffe aus refraktären pulverförmigen Stoffen und anorganischen Bindemitteln. Durch diese Kombination lassen sich an den Fügestellen thermische Beständigkeiten bis zu 1600 °C realisieren. 3.9.4.1 (Anwendungen: Fügetechnik, Hochtemperaturmaschinenbau, Hochtemperaturapparatebau)

Bei dem Trockenspritzverfahren in der Betontechnologie und in der Zustellungstechnologie für ungeformte feuerfeste Erzeugnisse werden die Komponenten zunächst trocken gemischt und über einen Druckluftstrom zu der Mischdüse gefördert. Hier wird diesem Trockengemisch dann das notwendige Anmachwasser zugeführt, um schließlich in diesem angefeuchteten Zustand auf eine Wand aufgespritzt zu werden. Das Trockenspritzverfahren eignet sich im feuerfesten Bereich im Gegensatz zum Nassspritzverfahren, bei dem eine Nassaufbereitung der Komponenten dem eigentlichen Spritzprozess vorgeschaltet wird, besonders für kleinere Zustellungen und Reparaturen. D. Schmidtmeier, A. Buhr, B. Long und Z. Wang führten für ihren Beitrag Untersuchungen an verschiedenen Trockenspritzmassen durch, bei denen herkömmliche Plastifizierungsmittel durch ein neues auf Basis von calcinierter Tonerde ersetzt wurde. Die neu entwickelten Massen zeichneten sich durch verbesserte rheolgische Eigenschaften, geringere Schwindungsneigung und gute Hochtemperaturbeständigkeit aus. 3.4.1.5 (Anwendung: Plastifizierung, Trockenspritzverfahren, ungeformte feuerfeste Erzeugnissse)

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 139 – März 2014

Sehr geehrte Damen und Herren,

Mit der Spritzgießtechnik gibt es zwar schon ein geeignetes Formgebungsverfahren zur Herstellung von kompliziert gestalteten Bauteilen, allerdings ist es wegen der hohen Werkzeugkosten nur für die Großserienproduktion geeignet. Für die Herstellung von monolithischen großen kompliziert gestalteten Bauteilen in kleinen Serien ist man auf eine Fügetechnik angewiesen. Um die über eine Fügetechnik verbundenen Keramikteile auch für den Hochtemperatureinsatz nutzen zu können, sollten die Teile stoffschlüssig verbunden sein. Wird ein Lötprozess als Fügetechnik hierfür angewendet, so ist das Lot im Fügebereich naturgemäß immer die thermomechanische Schwachstelle des Verbundes. H.-P. Martin und A. Trieben untersuchten die Möglichkeit, höherschmelzende Aktivlote zum Fügen von SSiC- und Al2O3-Keramiken zu verwenden. Dazu wurden Legierungen aus dem System Ta-Ni als Lote genutzt. Die gezeigten ersten Ergebnisse sind vielversprechend. Weiterführende Untersuchungen sind noch vorgesehen. 3.9.2.3 (Anwendung: Formgestaltung, Fügetechnik, Löten, Hochtemperatureinsatz bei Strukturkeramiken)

Synthesegase sind in der Regel industriell hergestellte Gasgemische, die im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthalten. Prinzipiell können Synthesegase aus festen, flüssigen oder gasförmigen Ausgangsstoffen gewonnen werden. Synthesegas hergestellt aus festen Edukten wird vor allem durch die Kohlevergasung gewonnen. Dabei wird die Kohle durch partielle Oxidation mit Wasserdampf zu CO und H2 umgesetzt. Die Kohlevergasung erfolgt bei hohen Temperaturen, es werden Temperaturspitzen bis 1600 °C erreicht. Daher müssen die Anlagen mit Feuerfestmaterial ausgekleidet werden. In der Vergangenheit wurden hierfür hochchromhaltiges feuerfeste Steine verwendet. Die Verwendung von chromoxidhaltigen Feuerfestmaterial ist aber nicht unproblematisch. Zum Einen ist ihre Verwendung mit hohen Kosten verbunden. Noch wichtiger aber ist, dass chromoxidhaltige Materialien bei hohen Temperaturen insbesondere bei Anwesenheit von Alkalien oder Erdalkalien schon bei geringen Konzentrationen Verbindungen des sechswertigen Chroms bilden, die wasserlöslich und sehr giftig sind. Als Alternative entwickelten G. Gehre und C. G. Aneziris Gießmassen aus dem System Al2O3-ZrO2-TiO2 mit einer guten Temperaturwechselbeständigkeit und hohen Korrosionsbeständigkeit. 8.1.6.0 (Anwendung: Feuerfeste Baustoffe, Kohlevergasung)

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 138 – Januar 2014

Sehr geehrte Damen und Herren,

Das Spritzgießen ist ein Verfahren, das hauptsächlich in der Kunsstoffverarbeitung angewendet wird. Daher überrascht es ein wenig, dass schon 1938 die Spritzgusstechnik als Formgebungsverfahren auch für die Keramik vorgeschlagen wurde. Durchsetzen konnte sich das Pulverspritzgießen ("Powder Injection Molding", PIM) eines homogenen Granulats (des "Feedstock") für die Pulvermetallurgie (Metal Injection Molding, MIM) und die Keramik ("Ceramic Injection Molding", CIM) erst ab Ende der 80er Jahre des vorigen Jahrhunderts. Durch Spritzgießen lassen sich dünnwandige, kompliziert geformte Teile vollautomatisch generieren. Allerdings lässt sich dieses Verfahren nur dann wirtschaftlich nutzen, wenn große Stückzahlen gefordert werden, da die Werkzeugkosten doch vergleichsweise hoch sind. U. Haupt ersetzt seinen schon vorliegenden Beitrag zum Spritzgießen von keramischen Werkstoffen aus der Sicht des Anlagenherstellers durch einen überarbeiteten und aktualisierten Artikel. 3.4.8.0 (Anwendung: keramische Formgebung)

In der vorigen Ergänzungslieferung konnten zum Thema "Aktivlöten" bereits einen aktuellen Beitrag beigesteuert werden. Da das Fügen mit diesem Verfahren bei höheren Temperaturen erfolgt, werden durch den Abkühlvorgang aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Keramik und dem meist vorliegenden metallischen Partner Eigenspannungen induziert, was zum frühen Versagen des Verbundes führen kann. Hier gibt es zwar Lösungskonzepte, die aber entweder zu (kosten)aufwendig oder nur beschränkt möglich sind. J. Kuebler und J. Janczak-Rusch schlagen in ihrem Beitrag zum Aktivlöten die Verwendung von modifizierten, eigenschaftsangepassten Lotwerkstoffen vor. Zum Aktivlöten von Si3N4-TIN-Keramiken mit Stahl verwendeten die Autoren Verbundlote mit eingelagerten SiC-Partikeln zur Reduzierung der Wärmedehnung des Lotes, um eine bessere Wärmedehnungsanpassung zu erreichen. Die modifizierten Aktivlote wurden zur Herstellung eines Schneidwerkzeugprototyps mit Erfolg eingesetzt. 3.9.2.2 (Anwendung: stoffschlüssige Verbindung, Fügen, Löten, Aktivlöten)

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 137 – November 2013

Sehr geehrte Damen und Herren,

Feuerbetone werden so genannte ungeformte feuerfeste Massen bezeichnet, die als Ausgangszementphasen die Calciumaluminate C12A7(CaO·7 Al2O3), CA(CaO·Al2O3)und CA2(CaO·Al2O3) enthalten. Die entsprechenden wässrigen Suspensionen verfestigen über einen Lösungs-/Wiederausscheidungsprozess, indem die gelösten Calciumaluminatphasen als stark verfilzte Caiciumaluminathydratphasen wieder ausfallen. Der Abbindevorgang zum Erreichen dieser "hydraulische Bindung" führt zu einer hohen Grünfestigkeit der Betone. Beim Aufheizen der Betone verlieren die Hydratphasen langsam ihr Kristallwasser und damit ihre Festigkeit. Ab etwa 1000 °C setzt der Sinterprozess ein und konsolidiert somit oberhalb dieser Temperatur zu einem keramischen Produkt. Zur Überprüfung der Abbindekinetik an der Baustelle werden heute verschiedene zerstörungsfreie in-situ Verfahren herangezogen. J. Kasper, K. Schwarz und O. Krause schlagen eine Verfahren vor, das als Messmethode die Abbindekinetik über die Variation der elektrischen Leitfähigkeit erfasst. Das vorgestellte Verfahren erweist sich als besonders innovativ, da damit nachweislich abbindeverzögernde und -beschleunigende Vorgänge präzise ermittelt werden können. Anwendungen: Werkstoffprüfung: Feuerfeste Baustoffe, ungeformte feuerfeste Massen, Abbindeverhalten, Betone, Feuerbetone. 3.4.1.4

Die Fügetechnik des Lötens metallisierter Keramik kann zwar zu brauchbaren Verbundkörpern führen, hat auch den Vorteil der Verwendung konventioneller Lote, allerdings erweist sich dieses Verfahren als äußerst aufwendig. Aus diesem Grunde wurden "Aktivlote" entwickelt, die die Keramikoberflächen direkt benetzen. Somit können die keramischen Werkstoffe beim Aktivlöten ohne besondere Vorbehandlung verbunden werden. Bei den Aktivloten wird die Benetzung auf der Keramik durch Zulegieren von Elementen mit hoher Aktivität zu Sauerstoff wie Ti, Zr und Hf erreicht, wobei sich Ti als am wirksamsten erwiesen hat. W. Tillmann, J. Pfeiffer, L. Wojarski, M. Bruns und H.- G. Rademacher haben am Beispiel von Substraten aus festphasengesintertem Siliciumcarbid (SSiC) den Oberflächeneinfluss auf das Benetzungs- und Ausbreitungsverhalten der Ti-haltiger Aktivlote untersucht. Dazu wurden die Oberflächen der Keramiken entweder durch Sandstrahlen mit Korundkörnungen aufgeraut, mit einer Laserbehandlung strukturiert oder mit einer Ti-PVD-Schicht beschichtet, wobei beim letzteren Lote ohne Aktivelementanteil zum Einsatz kamen. Es zeigte sich, dass die Benetzung und Ausbreitung in diesem Werkstoffsystem durch die Oberflächenbehandlung deutlich beeinflusst werden kann. (Anwendungen: Fügetechnik, Löten, Aktivlöten) 3.9.2.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 136 – September 2013

Sehr geehrte Damen und Herren,

unter dem Begriff "Rapid Prototyping" werden Verfahren zur aufbauenden oder additiven, also generativen Fertigung verstanden. Bei diesen Verfahren wird eine Fertigung komplizierter Funktionsmuster aus einem 3D-CAD-Modell ohne zusätzliche Formenwerkzeuge erreicht. In dieser Handbuchreihe finden sich schon verschiedene Beiträge zu diesen schnellen Herstellungsverfahren von Musterbauteilen. T. Schlordt, F. Keppner, S. Schwanke, M. Freihardt, N. Travitzky, T. Fey und P. Greil stellen in ihrem Beitrag das "Robocasting" vor, bei dem komplexe Gitter- und Spann-Strukturen durch Ablage von kontinuierlichen Pastenfilamenten erfolgen. Es werden zahlreiche mögliche Anwendungsfelder für generierte Strukturen genannt. Der vorliegende Beitrag berücksichtigt besonders prozessrelevante Aspekte wie die rheologischen Eigenschaften der Feedstocks und deren Einfluss auf die Formstabilität. (Anwendungen: Knochenersatz, Filter, kapillare Membranen, Katalysatorträger, Mikroreaktoren, Leichtbaustrukturen, mikromechanische Systemtechnik, Mikrofluidik).3.4.2.7

Die Gestaltungsmöglichkeiten von Bauteilen aus Keramik sind aufgrund der spezifischen keramischen Fertigungstechniken insbesondere durch die Grenzen bei der Formgebung eingeschränkt. Schon seit einiger Zeit versucht man daher, diesem Nachteil durch Verwendung von stoffschlüssigen Fügetechniken zu begegnen. Allerdings haben die meisten Fügetechniken Probleme durch zu geringe atomare Platzwechselreaktionsgeschwindigkeiten und durch eingeschränkte Benetzbarkeit der Fügestellen beim Fügevorgang sowie im Einsatz der gefügten Teile durch mangelnde Bindefestigkeit, durch zu geringe thermische Beständigkeit und/oder thermische Fehlanpassung der Fügestelle. S. Dahms, F. Gems, S. Jahn und S. Sändig stellen als neues Verfahren das LPS-Diffusionfügen von Keramiken vor, bei dem eine foliengegossene Zwischenschicht zwischen den Fügeteilen eingebracht wird, die bei Fügetemperatur über die Bildung einer flüssigen Phase einen Sinterverbund mit den Fügeteilen bewirkt. Der gefügte Verbund erweist sich auch geeignet für Hochtemperaturanwendungen. Vorgestellt werden arteigene und artfremde Verbunde aus Nichtoxidkeramiken. (Anwendung: Fügen von keramischen Bauteilen).3.9.3.0

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 135 – Juli 2013

Sehr geehrte Damen und Herren,

Die Messung der Schwindung ist die wichtigste Prozesskontrolle bei der Sinterung keramischer Formkörper. Meist wird die Schwindungsmessung ex situ mikroskopisch oder mechanisch nach dem Brand nach Abkühlung der Probe durchgeführt. Durch im Brennaggregat eingebaute optische oder mechanische Dilatometer kann die Sinterkinetik eindimensional in situ bestimmt werden. Bei der Erhitzungsmikroskopie werden Schattenbilder der sinternden Proben mit einfachen Geometrien mit einer Videokamera verfolgt, so dass eine 2D-Aussage möglich wird. Bei komplizierten Geometrien und/oder bei gradierten Strukturen können aber auch Verzugserscheinungen auftreten, die mit der Erhitzungsmikroskopie nicht erfasst werden können. L. Marzok, R. Müller, R. Schadrack, M. Krauhausen, F. Burgstedt, W. Brode und R. Reetz scannten die Oberfläche von foliengegossenen LTCC-Proben während des Sinterversuchs mithilfe der Lasertriangulation ab. Diese Vorgehensweise erlaubte es, in-situ-Aussagen zur lateralen und axialen Schwindung sowie zu Geometrieveränderungen während des Sinterversuchs zu erhalten. (Anwendung: Sintertechnik, Entbinderung, Folientechnologie, Mikrosystemtechnik, LTCC) 6.3.1.0

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Die Redaktion

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 134 – Mai 2013

Sehr geehrte Damen und Herren,

Nichtoxidkeramiken mit ihren kovalenten Bindungen haben inzwischen einen großen Stellenwert in der technischen Keramik erlangt. In den letzten Jahren sind zahlreiche neue Materialien entwickelt worden, die über eine kovalente Bindung verfügen. Dazu gehören die harten Modifikation des C3N4 oderdie Mischungen aus Diamant und Bornitrid, die Hetrodiamanten. Aber auch in Abwandlung zum Graphit gibt es eine Reihe von Modifikationen wie die Nanoröhrchen, die Fullerene und die aus nur einer Atomlage bestehenden Graphitschichten, die Graphene. Ebenfalls zum C3N4 wurden graphitische Modifikationen entdeckt, die sich funktionalisieren lassen, so dass sie durch ihre Mesoporen als effektive Katalysatoren wirken, wodurch eine künstliche Photosynthese ermöglicht wird. Aus manchen nitridischen kovalenten Stoffen lassen sich Leuchtdioden herstellen. Durch diese spektakulären Neuerungen habe ich mich veranlasst gesehen, einen Beitrag über kovalente anorganische Stoffe zu verfassen. Dazu habe ich den entsprechenden Teil meiner ehemaligen Vorlesung "Werkstoffkunde" ergänzt und aktualisiert. (Anwendungen: Schleifmittel, Maschinenbau, Ofenbau, Verschleißschutz, Leistungselektronik, Photokatalyse, Elektrolyse, Solartechnik, Halbleitertechnik, LED-Technik, chemische Prozesstechnik, Mikrotechnik, Nukleartechnik, Weltraumspiegelsysteme, Fahrzeugtechnik.) 4.3.0.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

Vorwort zur aktuellen Ergänzungslieferung 133 – März 2013

Sehr geehrte Damen und Herren,

Mikrowellen umfassen den Frequenzbereich elektromagnetischer Wellen von 1 bis 300 GHz. Hinsichtlich der Wellenläge werden Teile des Dezimeterbereichs und vollständig der Zentimeterbereich abgedeckt. Mikrowellen sind besonders geeignet zum Anregen von Dipolschwingungen. Die Erwärmung von Wasser durch Mikrowellen bei einer Frequenz von 2,45 GHz beruht darauf, dass die Wassermoleküle als Dipole versuchen, sich nach dem elektrischen Wechselfeld auszurichten, der dabei auftretende dielektrische Verlust erzeugt dann Wärme. Die Mikrowellentechnik wird daher schon standardmäßig zum Trocknen keramischer Grünlinge verwendet, wodurch die Prozesszeiten gegenüber der herkömmlichen Trockentechnik über Konvektion verkürzt werden können. Eine Besonderheit der Mikrowellenerwärmung ist es, dass der innere Bereich eines Bauteils stärker erwärmt, wodurch Temperaturgradienten kritisch werden können. Neben der Trocknung kann die Mikrowellentechnik auch für das Sintern von Keramik verwendet werden. Allerdings absorbieren Keramiken die elektromagnetische Strahlung erst oberhalb einer materialspezifischen kritischen Temperatur, so dass es hierbei sinnvoll wird, konventionelle Brenntechniken mit der Mikrowellenerhitzung zu kombinieren. Im Beitrag von I. Imenkhoyev, H. Windsheimer, R. Waitz, N. Kintsel und H. Linn erläutern die Mikrowellenwärmetechnik und ihre Aggregate und kennzeichnen die Möglichkeiten und Grenzen. (Anwendungen: Trocknen, Brennen, Ofenbau) 3.5.2.2

Der Elastizitätsmodul (E-Modul) ist nicht nur eine wichtige Größe für die Konstruktion mit Werkstoffen. Im keramischen Bereich spielt er neben dem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Wärmeleitfähigkeit, der Zugfestigkeit, der Poisson-Konstante eine bedeutende Rolle bei der Thermoschock- bzw. Temperaturwechselbeständigkeit. Die Porosität vermindert den E-Modul einer Keramik beträchtlich. Bei monolithischen Keramiken nimmt der E-Modul in der Regel mit der Temperatur ab. Feuerfeste Materialien weisen meist ein komplexes Gefüge auf mit Poren und mehreren Phasen mit jeweils unterschiedlichem Wärmedehnungsverhalten. Aus diesem Grunde zeigen diese Stoffe einen nicht-linearen Verlaufs des E-Moduls im Abhängigkeit von der Temperatur. J. Werner, Ch. G. Aneziris und S. Dudzig untersuchten für ihrem Beitrag den Verlauf des E-Moduls von kohlenstoffgebundenem Aluminiumoxid in Abhängigkeit von Temperatur. Es wurde dabei ein deutlicher Anstieg des E-Moduls festgestellt. Der Kurvenverlauf war mit einem Hysteresiseffekt verbunden. (Anwendungen: Feuerfeste Werkstoffe, Werkstoffprüfung) 5.2.1.1

Mit freundlichen Grüßen

Prof. Dr. Jochen Kriegesmann

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