Keramik

Silicatkeramik: Geschirr, Fliesen, Sanitär, Ziegel

Feuerfest: Steine, Funktionselemente für Energietechnik, Glaserzeugung

Hochleistungskeramik:

• Strukturkeramik
• Funktionskeramik

Silicatkeramik:
Dachziegel/Fliesen: >10 M St.; Geschirr, Sanitär: 10.000 St. Feuerfest:
ungeformt: bis 10.000 t; Formteile: > 10.000 St. Hochleistungskeramik: Strukturkeramik: 10.000 St.; Elektronikkomp.: 1 Mio. St.

Silicatkeramik: Natürliche Rohstoffe

Feuerfest: natürliche und synthetische Werkstoffe

Hochleistungskeramik: synthetische Werkstoffe (reine und komplexe Oxide, Nichtoxide)

anorganische, nichtmetallische Werkstoffe, die in Wasser schwer löslich und zu wenigstens 30 % kristallin sind

Bei Raumtemperatur aus Rohmasse geformt und erhalten Werkstoffeigenschaften durch Temperaturbehandlung über 800°C

Abgrenzung zu

Salzen: Wasserlöslichkeit

Glas: Kristallinität

mineralische Baustoffe: Prozesstechnik

chemische Verbindungen aus Metallen, Halbmetallen und Nichtmetallen

starke Bindungen durch stark lokalisierte Elektronen

Resultierende Eigenschaften:

• hoher Schmelzpunkt
• chemische Beständigkeit
• mechanische Steifigkeit (hoher Elastizitätsmodul)

Oxide:

• Einfache Oxide: $Al_2O_3$, $SiO_2$
• Mischoxide: $MgAl_2O$
• Silicate: Mullit $Al_6Si_2O_{13}$
• Phosphate: Apatit

Nichtoxide:

• Carbide: $SiC$, $B_4C$
• Nitride: $Si_3N_4$, $BN$
• Boride: $TiB_2$, $ZrB_2$
• Silicide: $MoSi_2$

1. Aufbereitung und Formgebung: bei Raumtemperatur
2. Brand/Sintern: Verfestigung, chemische Reaktion, strukturelle Veränderung (70-80% der Schmelztemperatur)
3. Schleifen, Polieren: bei Raumtemperatur

Ungesinterter (unverfestigter) Pulverformkörper mit den Konturen des späteren Bauteils zuzüglich Aufmaße

Nass-Zerkleinerung:

• Trommelmühle
• Rührwerkskugelmühle

Trocken-Zerkleinerung:

• Walzenschüsselmühle
• Jet-Mühle (Gegenstrommühle)

Kunststoffspritzguss: Spritzgussteil ist Fertigteil (nur Abtrennen des Angusskanals)

Keramikspritzguss: Spritzgussteil ist nach Entbindern erst Grünteil. Keramikpartikel wirken wie "Füller" im Kunststoffspritzgussteil

• hoher Schmelzpunkt (Smp.) der Materialien
• stark unterschiedlicher Smp.
• hoher Dampfdruck
• Entmischen von Stoffen in der Schmelze
• Schaffen poröser Bauteile
• Auftreten von chemischen Reaktionen bei Schmelztemperatur
• reinste Stoffe

• Sinterhalsbildung an Korn-Korn-Kontakten
• Kornwachstum
• Porenschwund
• Porenwachstum

1. Verdampfung
2. Oberflächendiffusion
3. (Volumendiffusion unterhalb der Oberfläche)
4. Korngrenzendiffusion
5. Volumendiffusion (Gitterdiffusion)

Steigende Aktivierungsenergie

Punkt 3 gehört nicht zu den 4 Grundmechanismen

• Chemische Energie
• Elastische Energie
• Oberflächenenergie
• Grenzflächenenergie

• Oberflächenenergie erhöhen: Mahlen, feine Pulver synthetisieren
• Verzerrungsenergie erhöhen: Mahlen, Verformen bei Formgebung
• Grenzflächenenergie erhöhen: Sinteradditive zugeben
• Chemische Energie erhöhen: Reaktionssinterverfahren

• Wärmebehandlung unterhalb des Schmelzpunktes der höchstschmelzenden Verbindung
• Verringerung des Porenvolumens bedingt eine Dimensionsveränderung (Schwindung) des Körpers
• Verfestigung des Körpers

$\gamma_{SV}$: Oberflächenenergie

$p_0$: Gleichgewichtsdampfdruck über ebener Fläche

$V_m$: Molvolumen

$r_1, r_2$: Krümmungsradien

Natürliche Rohstoffe

• Reinheit abhängig von Lagerstätte
• Einstellbare Korngröße (KG) durch mech. Zerkleinerung
• geringer Preis

Synthetische Rohstoffe

• definierte Reinheit
• KG ohne Zerkleinerung
• Preis abhängig von Reinheit

Formgebung: größere und gleichmäßigere Packungsdichten

Sinterprozess: Schwindung bei niedrigeren Temperaturen und höhere Enddichten

mechanische Eigenschaften: höhere Festigkeit

Plastische Verformung wird verhindert durch:

• hohe Bindungsstärken
• lokalisierte Elektronen
• große Verschiebungsdistanzen
• niedrige Kristallsymmetrie und damit wenig Gleitrichtungen

Das erste Sinterstadium:

Kornform wird durch Verdampfung/Kondensation und Grenzflächendiffusion verändert.

Korngröße entscheidet über Stattfinden von Verdampfung

• Bruchzähigkeit erhöhen
• Defektgröße verringern

abgeleitet aus Griffith-Gleichung

$K_c$: Bruchwiderstand

$\sigma_c$: Festigkeit

$a_c$: Defektgröße

Druckfestigkeit $\approx$ 15 x Zugfestigkeit

Kritischer Spannungsintensitätsfaktor

Gibt den Bruchwiderstand/die Bruchzähigkeit an

Kann über Verstärkungsmechanismen beeinflusst werden

1. Bruchspannung im Biege- oder Zugversuch bestimmen (20-50 Proben)
2. Bruchwahrscheinlichkeiten zuordnen
3. Weibullgleichung zweimal logarithmieren
4. Erstellen des doppelt log. Weibull-Diagramms mit $\ln(\ln\frac{1}{1-F})$ und $\ln\sigma$
5. Delogarithmieren

• Bruchfläche erhöhen
• Riss ablenken
• Riss stoppen
• Rissflanken zusammenhalten
• Zugspannungen abbauen
• Druckspannungen aufbauen

unterkritisches Risswachstum: kurze Risse mit $a< a_c$, die sich geometrisch wieder schließen können

überkritisches Risswachstum:
lange Risse mit $a> a_c$, die zum katastrophalen Bauteilversagen führen

• Poren einbringen: Rissspitzenradius wird vergrößert
• Partikel in Matrix einlagern: Rissfrontbiegung
• Einlagerung duktiler Teilchen: Rissenergie wird für Verformung der duktilen Teilchen verbraucht

Es muss oberhalb von $T_0$ geglüht werden. Beim Abkühlen bauen sich die Spannungen wieder auf

$T_0$: kritische Spannungsrelaxationstemperatur

Die Einführung von Druckspannungen durch Phasenumwandlung von Teilchen unter Volumendehnung in einem lastbedingten Zugspannungsfeld

• Wärmeleitfähigkeit $\lambda$: hoch, Ausgleich von Temp.-gradient
• Wärmeausdehnungskoeff.: niedrig, für Vermeidung von Wärmespannungen
• Elastizitätsmodul $E$: niedrig für Aufnahme elast. Energie
• Festigkeit $\sigma$: hoch, Spannungen aushalten
• Bruchwiderstand $K_{Ic}$: hoch, Risse behindern

$a$: halbe Risslänge

$\rho$: Rissspitzenradius

• Verwendung hochreiner Pulver
• Verwendung extrem feiner Pulver
• Sorgfalt bei Aufbereitung, Formgebung und Endbearbeitung
• Kontrolle des Sinterprozesses

Oxide: Zwischen 800 - 1000°C

Nichtoxide: 1000 - 1200°C

1. Gipsform
2. Füllen der Form mit Gießschlicker
3. Scherbenbildung in der gefüllten Form
4. Entleeren der Gießform
5. Trocknen und Schwinden des Gießlings
6. Ausformen

Vorteile:

• Hohe Stückzahlen möglich
• wenig Nacharbeit
• geringe Werkzeug-entwicklungskosten (1 - 5 T€)

Nachteile:

• schneller Formenverschleiß
• schlechte Oberflächengüten
• langwierige Rücktrocknung
• Prozesswasserführung

Vorteile:

• kontinuierliche Produktion
• gute Automatisierbarkeit

Nachteile:

• hoher Verschleiß
• mittlere Oberflächengüte
• Nacharbeit erforderlich
• Werkzeugentw. (20-50 T€)
• Nur einfache Geometrien

• Freistrahl
• Einfallstellen
• Texturen, eingeschlossene Poren
• Fließnaht

Vorteile:

• Hohe Stückzahlen möglich
• kaum Nacharbeit, hohe Präzision

Nachteile:

• Werkzeugentwicklungskosten (20 - 60 T€)
• lange Entwicklungszeiten
• schwieriger Entbinderungs-prozess ( bis 3 Wochen)

Anfangsstadium: Am Anfang Verdampfung/Kondensation, dann Oberflächendiffusion

Schwindungsstadium: Bis fast zum Ende Korngrenzendiffusion, ab 2/3 setzt Volumendiffusion ein

Endstadium: Volumendiffusion

Mode I: Zug

Mode II: Schub

Mode III: Scherung

gefügeimmanente Fehler: Korngrenzen, Kristallite, Sinterporen

Aufbereitungsfehler: Agglomerate, chemische Inhomogenitäten, anorganische Einschlüsse

Formgebungsfehler:
Organische Einschlüsse, Oberflächenrisse, Texturen

Fall 1: $\alpha_p < \alpha_m$
radiale Druckspannungen, tangentiale Zugspannungen

Fall 2: $\alpha_p > \alpha_m$
radiale Zugspannungen,
tangentiale Druckspannungen

Fall 3: $\alpha_p = \alpha_m$
nur E-Modul-Effekte

$\alpha_m$: Wärmeausdehnung Matrix
$\alpha_p$: Wärmeausdehnung Partikel

biotolerant (Distanzosteogenese): Implantat wird eingekapselt

bioaktiv (Verbundosteogenese) Einwachsen des Implantats in den Knochen

bioinert (Kontaktosteogenese): keine biochemische Interaktion, keine Kraftübertragung

biotolerant: Knochenzement, Edelstahl

bioinert: Aluminiumoxidkeramik, Zirkonoxidkeramik, Titanlegierungen

bioaktiv: Calciumphosphate, Hydroxylapatitkeramik, Bioglas, Glaskeramik