Keramikseminar 2023

Programm:

1. Geschichte der Keramik – vom Krug bis zum Supraleiter
   Die Verarbeitung von Ton zu Figuren und Gefäßen ist viele Tausend Jahre alt. Die Erfindung des europäischen Hartporzellans war ein erster Meilenstein in der systematischen Entwicklung von Rohstoffen und Prozessen. Mit der Glühkerze aus Aluminiumoxid hielt vor 100 Jahren der erste synthetische keramische Rohstoff Einzug in die Technik. Viele weitere Werkstoffe, wie Zirconiumoxid, Siliciumnitrid oder keramische Supraleiter wurden erst in den letzten Jahrzehnten entwickelt.
2. Silicatkeramik
   Für diese Werkstoffgruppe, zu der Porzellan, Cordierit und Steatit zählt, werden natürliche Rohstoffe eingesetzt. Technisches Porzellan enthält Zusätze von Aluminiumoxid, wodurch die Festigkeit von Hochspannungsisolatoren gesteigert wird. Cordierit zeichnet sich durch eine geringe thermische Dehnung aus und wird beispielsweise als Katalysatorträger im PKW eingesetzt. Steatit weist eine gute elektrische Isolation auf und findet sich in nahezu allen Haushaltsgeräten.
3. Oxidkeramik
   Aluminiumoxid wird aus Aluminiumhydroxid, einem Zwischenprodukt bei der Aluminiumherstellung, gewonnen und ist daher in großen Mengen verfügbar. Im Bereich der technischen Anwendungen ist Aluminiumoxid aufgrund der hohen Härte und der guten elektrischen Isolation weit verbreitet. Zirconiumoxid wurde in den 1980er Jahren entwickelt und zeichnet sich durch seine Festigkeit und Zähigkeit aus, die durch Phasenumwandlungen hervorgerufen wird. Bekannteste Anwendung ist der Zahnersatz.
4. Nichtoxidkeramik
   Sand und Kohle reagieren bei Temperaturen zwischen 1700°C und 2500°C zu Siliciumcarbid, das wegen seiner sehr hohen Härte als Schleifmittel eingesetzt wird. Durch seine weiteren Eigenschaften, wie geringe Dichte, hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe thermische Dehnung und gute Korrosionsbeständigkeit, wird es als keramischer Werkstoffe in verschiedensten Anwendungen eingesetzt. Nitridkeramiken wie Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid wurden erste in den letzten Jahrzehnten entwickelt und zählen zu den jüngsten keramischen Werkstoffen. Aluminiumnitrid zeigt eine ungewöhnliche Eigenschaftskombination: hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger elektrischer Isolation – wodurch der Einsatz in der Elektronik möglich ist.
5. Methoden der chemischen und mineralogischen Charakterisierung
   Die chemische Zusammensetzung und die kristallinen bzw. amorphen Bestandteile des Gefüges bestimmen die Eigenschaften der keramischen Werkstoffe. Um sie zu charakterisieren stehen zahlreiche Analytische Verfahren zur Verfügung. Welche Möglichkeiten und Grenzen diese haben und wie Angeben in Prüfzeugnisse zu interpretieren sind, erfahren Sie in diesem Teil des Seminars. Mikroskopische Gefügeaufnahmen zeigen „was die Keramik im Innersten zusammenhält“ und lassen auch herstellungsbedingte Besonderheiten erkennen.
6. Physikalische Prüfungen (Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Thermische Dehnung…)
   Die Prüfung mechanischer Eigenschaften ist Grundlage für die Eignung einer Keramik für den gegebenen Anwendungsfall. Dabei ist auch hier die Palette der möglichen Prüfverfahren sehr groß und die Auswahl der richtigen Methode entscheidend für die Aussagekraft des Ergebnisses. Da einige physikalische Eigenschaften in den Werkstoffdatenblättern der Hersteller angegeben werden, ist es für den Anwender wichtig diese fundiert bewerten und hinterfragen zu können.
7. Formgebung und Sintern
   Die Herstellung keramischer Bauteile erfolgt immer nach einer ähnlichen Prozesskette: Rohstoffe und Additive werden gemischt, die Masse in Form gebracht und der Formkörper abschließend gesintert. Von zentraler Bedeutung ist das Formgebungsverfahren. Hier stehen Pressen, Extrudieren, Spritzgießen und viele andere Verfahren zur Verfügung. Durch den Sinterprozess bilden Rohstoffpartikeln Feststoffbrücken und schließlich einen stabilen Verbund aus. Die Sintertemperatur richtet sich nach dem Rohstoff und schwankt zwischen 1.200°C und >2.000°C. Nitride und Carbide müssen unter einer Sauerstoff freien Atmosphäre gesintert werden.
8.  Additive Fertigung keramischer Bauteile
   Die Additive Fertigung – auch als 3D-Druck bekannt – hat auch in der Keramikfertigung Einzug gehalten. Es stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung (Photopolymerisation, Binder Jetting, Material Extrusion, Material Jetting, 3D-Siebdruck), die sowohl für die Herstellung von Einzelteilen, als auch für die Serienfertigung genutzt werden können. Hervorzuheben ist, dass mit der Additiven Fertigung Geometrien gefertigt werden können, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich sind. Somit eröffnet die Additive Fertigung neue Gestaltungsmöglichkeiten und Anwendungen.
9. Anwendungsbeispiele keramischer Bauteile
   Aus der breiten Palette unterschiedlichster Anwendung keramischer Bauteile in der Technik werden Beispiele vorgestellt: Automobil, Maschinenbau, Medizintechnik, Elektronik, Energietechnik.