Angewandte und technische Mineralogie (Materialwissenschaften)

Werk- und Baustoffe werden seit den Anfängen der Menschheit benutzt und immer weiter verbessert oder neu entwickelt. Sie dienen auch zur Einteilung der Menschheitsgeschichte in historische Epochen (Stein-, Kupfer-, Bronze-, Eisen-, Stahl-, Kunststoff- und High-Tech-Zeit).

99% der Menschheitsgeschichte ist charakterisiert durch den Gebrauch von unveränderten natürlichen Werkstoffen (Faustkeile und Schaber aus Silex, natürliche Farbpigmente usw.), und erst während der letzten zehntausend Jahre begann der Mensch mit Energieeinsatz neue, künstliche Werkstoffe herzustellen (Kupfer, Bronze, Eisen usw.). Damit begann das Metallzeitalter, welches erst im vorigen Jahrhundert mit der Verwendung von Stahl seinen Höhenpunkt erreichte. Nahezu gleichzeitig mit der ersten Produktion von Metallen begann die Herstellung erster Keramiken (Töpfergut und Ziegelsteine) sowie von Glas.

Diese drei Werkstoffarten - Metall, Keramik und Glas - bestimmten nun wiederum mit relativ langsamer Weiterentwicklung ca. 99% des technischen Zeitalters, bis mit der Synthese der ersten Kunstseide (1881) eine völlig neue Werkstoffgruppe, die synthetischen, organischen Werkstoffe - Kunststoffe - in den Gebrauch der Menschheit gelangten.

Erst seit wenigen Jahren kommen nun völlig neue High-Tech-Werkstoffe aus den Entwicklungslabors. Es handelt sich einerseits um weiterentwickelte Metall-, Keramik- oder Glaswerkstoffe und andererseits um völlig neue Werkstoffgruppen, wie einkristalline Werkstoffe oder Reinstwerkstoffe. Im Gegensatz zu den eher zufällig entdeckten gebräuchlichen Werkstoffen, werden Hich-Tech-Werkstoffe theoretisch erdacht und aus diversen einzelnen Komponenten (z.T. am Computer) komponiert (deshalb auch häuffig als Ingenieur-Keramiken bezeichnet).

Obwohl die traditionellen Metallwerkstoffe (Messing, Aluminium etc.) zunehmend durch neue Werkstoffe ersetzt werden, sind auch in der Metallverarbeitung viele neue Wege zur Herstellung eingeschlagen worden. Fast schon historisch ist die Pulvermetallurgie, eine Verarbeitung von Metall zu Werkstoffen auf der Basis der Keramikherstellung. Spezielle Legierungen, wie z.B. Widia- und V2A-Stähle, werden weiterhin für Spezialzwecke entwickelt.

Völlig neue Eigenschaften besitzen amorphe Metalle bzw. Legierungen, die ähnlich Glas durch extrem schnelles Abkühlen der Schmelze erzeugt werden. Diese sogenannten Metgläser bestehen aus hochreinen Legierungen von Metallen mit Silizium, Bor und anderen Elementen. Neben extrem hoher Biegezugfestigkeit sind es insbesondere die magnetischen Eigenschaften, die z.B. beim Einsatz von Metglaskernen in Elektromagneten zu einer Energieeinsparung von bis zu 75% führen können. Sicherheitssysteme in Supermärkten und Läden basieren z.T. auf Metglasfolien in den Produkten oder als aufgeklebte Streifen, die erst an der Kasse entschärft werden können, ansonsten beim Ausgang zu Alarmmeldungen führen.

Reinstmetalle

Die zunehmende Verwendung neuer Werkstoffe stellt an die metallurgische Industrie neue Aufgaben. Metalle werden nicht mehr nur als Massenwerkstoff benötigt, sondern zunehmend auch als Rohstoff in Reinstform für die Herstellung von chemischen Zwischenprodukten. So wird hochreines Germanium eingesetzt zur Herstellung von Elektronikbauteilen, als Komponente in Spezialgläsern, in Leuchstoffen der Lampenindustrie u.v.m.

Glas ist als synthetischer Werkstoff fast ebenso alt wie die Tonkeramik und zeichnet sich aus durch Homogenität, Tranparenz und Härte. Diese Eigenschaften basieren auf dem amorphen, also nichtkristallen Zustand der Gläser. Der für oxidische und silikatische Materialien ungewöhnliche Zustand wird z.B. in der Natur durch schnelle Abkühlung von viskoser Lava in Form des Obsidians erzeugt. Das Einfrieren des ungeordneten, atomaren Zustands wird künstlich ebenfalls durch sehr schnelles Abkühlen von silikatischen Schmelzen nachgeahmt. Die negativen Glaseigenschaften, wie extreme Sprödigkeit und starke Wärmeausdehnung, werden bei neu entwickelten Werkstoffen, die als Glaskeramiken bekannt wurden, unterdrückt (z.B. für Glaskeramik-Kochfelder, Glasfasern, Lichtleiterfasern etc.).

Schon 1849 vertraute Werner von Siemens beim Bau der Telegrafenleitung von Frankfurt/M. nach Berlin auf Isolatoren aus Porzellan. Als Werkstoff für Sicherungen, Schalter, Lampenfassungen und viele andere Bauteile wurde Porzellan zum wichtigen Wegbegleiter der Elektrotechnik. Porzellan, genauer Quarzporzellan, wird aus wenigen, ganz natürlichen Rohstoffen hergestellt: Quarz, Feldspat und Kaolin. Dieser traditionelle Werkstoff der Silikatkeramik verfügt über die wesentlichen Eigenschaften der Technischen Keramik, wie Isolationsvermögen, Formstabilität, Härte, Hitze- und Korrosionsbeständigkeit.

Keramiken sind Werkstoffe, die aus einem wasserunlöslichen, nichtmetallischen, kristallinen Korngefüge bestehen. Sie werden aus pulverförmigen Ausgangsstoffen entsprechender Zusammensetzung hergestellt. Das Pulver wird in der Regel mit Wasser zu einem hochplastsischen Blei angerührt, welcher entweder freihändig (Töpferscheibe) oder mittels Hohlformen in die gewünschte Form gebracht wird. Dieser Rohling (Grünling) wird getrocknet und danach gesintert. Unter Sinterung versteht man die Erhitzung des zunächst noch lockeren Materials bis kurz unterhalb des Schmelzpunktes. Bei heterogenen Grünlingen (Stoffgemischen) ergibt sich aufgrund der eutektischen Schmelzpunkterniedrigung ein Schmelzintervall, welches gezielt benutzt werden kann, um in dem lockeren Pulver einen 2- bis 10-prozentigen Schmelzanteil zu erzeugen, der bei Abkühlung glasig erstarrt und so die feste Keramik erzeugt.

Klassische Keramik (Tonkeramik oder Silikatkeramik)

Die bis auf 10000- 8000 v.Chr. zurückgehende Entdeckung der Tonkeramik basiert auf der besonderen Plastizität feuchter Tone (natürliche, feinstkörnige, vorwiegend aus Tonmineralen - u.a. Kaolinit, Montmorillonit - bestehende Sedimente). Beim Brennen werden die mit Feldspat und Quarz versetzten Tonminerale in unlösliche Aluminiumsilikate (u.a. Mullit, Sillimanit) umgewandelt, wodurch sie eine feste und harte Form bekommen. Die Keramiken können schließlich bei einem zweiten Arbeitsgang mit einer Glasur versehen werden.

Sonderkeramiken

Zu den Sonderkeramiken gehört die große Gruppe von Keramiken mit stofflich nicht-silikatischen Ausgangsstoffen. Dazu zählen Oxidkeramiken aus ZrO2, Al2O3 sowie Steatitkeramik (aus Talk) und andere mehr. Synthetische Rohstoffe bilden die Grundlage dieser Gruppe von keramischen Werkstoffen. Der bedeutendste oxidkeramische Werkstoff ist das Aluminiumoxid. Es vereint in sich die wichtigsten Eigenschaften der Keramik und erfüllt auf breiter Basis die hohen Anforderungen beim Einsatz in der Elektronik, Elektrotechnik, der Meß- und Regeltechnik sowie im Maschinen- und Anlagenbau. Andere Werkstoffe der Oxid-Keramik erschließen mit speziellen Eigenschaften wie hoher Zähigkeit, Temperatur- und Temperaturschockbeständigkeit heute einzigartige Awendungsmöglichkeiten und bieten interessante Perspektiven für die Zukunft.

Feuerfestkeramiken

Als Sonderkeramik i.w.S. kann auch die Feuerfest- und Hochfeuerfestkeramik eingestuft werden. Die Entwicklung und Verwendung von feuerfesten Steinen ging parallel mit den Anforderungen und der Entwicklung der Metallurgie, wo solche Steine als Baustoffe für die Auskleidung von Hochöfen, Pfannen und dergleichen in großen Mengen und verschiedenen Anforderungen gebraucht wurden und werden. Man unterscheidet folgende Gruppen:

1. Silikasteine (aus SiO₂; Rohstoff = Quarz).
2. Schamottesteine (aus SiO₂-Al₂O₃; Rohstoff = Ton).
3. Tonerdereiche Steine (aus Al₂O₃-SiO₂; Rohstoff = Mullit, Andalusit, Bauxit u.a.).
4. Basische Steine (aus MgO-CaO-Cr₂O₃-SiO₂; Rohstoffe = Olivin, Dolomit, Magnesia, Chromit u.a.).

Hochleistungskeramiken

In DIN VENV 12212 wird Hochleistungskeramik definiert als "hochentwickelter, hochleistungsfähiger keramischer Werkstoff, der überwiegend nichtmetallisch und anorganisch ist, und über bestimmte zweckmäßige Eigenschaften verfügt." Der Begriff wird als Abgrenzung zur konventionellen Keramik gesehen und beinhaltet alle Werkstoffe der Technischen Keramik.

Technische Keramiken besitzen gegenüber den Metallen höhere Härte, geringere Dichte, hohe Temperatur-, Korrosions- und Säurebeständigkeiten sowie den Vorteil der billig verfügbaren Rohstoffe. Diese Eigenschaften werden gezielt eingesetzt, um Metalle in vielen Technikbereichen durch Keramik zu ersetzen. Insbesondere im Fahrzeugbau und in der der Luftfahrttechnik spielen die hohe Wärmebeständigkeit und das geringe Gewicht eine energetisch-preislich so große Rolle, daß die Entwicklung von Hochleistungskeramiken stürmisch vorangegeht. Feuerleichtsteine auf der Basis von geschäumtem SiO2 besitzen aufgrund unterschiedlicher Porengrößen (große Poren erhält man durch Zusatz von ausbrennbarem Zusätzen wie Sägemehl, Reis- oder Nußschalen; kleine Poren durch Zusatz chemischer Stoffe) verschiedene Isolationsstärken bei gleicher Dicke.

Hochleistungskeramiken aus Al₂O₃, Al₂TiO₅ (AT), Cr₂O₃, ZrO₂ und Cordierit (Oxidkeramische Werkstoffe) sowie AlN, Si₃N₄, SiC, SiSiC, B₄C, TiB₂ und W₂B (Nichtoxid-Werkstoffe) finden immer größere Einsatzmöglichkeiten. Es werden u.a Drahtzeihringe, Verschleißschutz, Düsen, Gleitringe, Flammspritzstäbe, Steigrohre daraus hergestellt.

Unter den Carbiden, Nitriden, Boriden und Siliciden zählen Siliciumcarbid (SiC) und Siliciumnitrid (Si₃N₄) zu den gebräuchlichsten Werkstoffen. Siliciumcarbid eignet sich hervorragend für Bauteile, die, neben starken mechanischen und korrosiven Belastungen, Temperaturen bis weit über 1400 °C ausgesetzt sind. Konstruktionsbauteile im Maschinen- und Anlagenbau sind dafür typische Beispiele. Andere nichtoxidische Keramiken vereinen niedriges spezifisches Gewicht und hohe Zähigkeit. Testfahrzeuge mit Motorventilen aus Siliciumnitrid sind bereits erfolgreich unterwegs. Aluminiumnitrid sorgt durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit bei Leistungshalbleitern für effektive Kühlung.

Siliziumnitrid (Si₃N₄) verfügt über eine bislang unerreichte Kombination hervorragender Werkstoffeigenschaften, wie extrem hohe Festigkeit, sehr hohe Zähigkeit, hervorragende Verschleißfestigkeit, sehr niedrige Wärmeausdehnung, hohe Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und sehr gute chemische Beständigkeit. Der Sinterprozeß des Siliziumnitrids muß mit einem hohen mechanischen Druck unter Schutzgasatmosphäre erfolgen. Je nach Verfahren entsteht so: Gesintertes Siliziumnitrid (SSN), Gasdruckgesintertes Siliziumnitrid (GPSSN) oder Heißgepreßtes Siliziumnitrid (HPSN).

Das Aluminiumoxid mit einem Al₂O₃-Gehalt von 80% bis 99% ist der technisch wichtigste oxidkeramische Werkstoff. Es zeichnet sich aus durch hohe Festigkeit und Härte, hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragendes Isolationsvermögen, hohe Zähigkeit und Hochtemperaturfestigkeit. Wegen seiner vielseitigen Eigenschaften und Eigenschaftskombinationen und seines guten Preis-Leistungs-Verhältnisses wird der Werkstoff praktisch in allen Anwendungsgebieten eingesetzt in der Elektrotechnik, in der Elektronik, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Chemie- und Verfahrenstechnik, in der Medizintechnik und in der Hochtemperaturtechnik.

Zirkondioxid tritt in monokliner, tetragonaler und kubischer Kristallmodifikation auf und wird als voll stabilisiertes (FSZ), teilstabilisiertes (TSZ) oder tetragonales (TZP) Zirkonoxid entsprechend der Menge der Dotierung hergestellt. Zirkonoxide haben wegen ihrer hervorragenden tribologischen Eigenschaften sowie ihrer höchsten Biegebruch- und Zugfestigkeit, hohen Bruchzähigkeit, hohen Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, niedrigen Wärmeleitfähigkeit, Sauerstoffionenleitfähigkeit und ihrem E-Modul ähnlich Stahl in den letzten Jahren zunehmend Bedeutung erlangt. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Zirkonoxid-Keramiken bevorzugt für mechanisch hochbelastbare Komponenten eingesetzt. Die Sauerstoffionenleitfähigkeit wird zur Messung von Sauerstoffpartialdrücken, z. B. in der Lambda-Sonde des Katalysators genutzt.

Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅) ist eine stöchiometrische Mischphase von Aluminiumoxid und Titandioxid. Der Werkstoff überzeugt durch niedrige Wärmeleitfähigkeit, sehr niedrigen Wärmeausdehnungkoeffizienten, verbunden mit sehr hoher Temperaturwechselbeständigkeit, geringe Benetzbarkeit durch Aluminium- und Buntmetallschmelzen und offene Porosität. Anwendung findet das Aluminiumtitanat beispielsweise als Portliner oder Zylinderauskleidung in Fahrzeugmotoren, Ofenschieber und in der Gießereitechnik.

Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₁) - ein in metamorphen Gesteinen vorkommendes Mineral - wird künstlich durch Brennen von einem Teil Ton und zwei Teilen Speckstein (Talk) hergestellt. Diese Cordierit-Steinzeug zeichnet sich durch hohe Temperaturwechselbeständigkeit und niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten aus und kann z.B. als Waben-Dieselrußfilter eingesetzt werden. Brennerdüsen werden heutzutage aus Si-infiltriertem SiC hergestellt, indem das Siliziumcarbid bei 2000°C in flüssigem Si gebrannt wird (wobei das Silizium den Körper infiltriert).

Ein Nachteil von Keramiken ist deren geringe Biegezugfestigkeit. Diese Sprödigkeit kann durch gezielte Strukturgebung des Korngefüges vermindert werden oder indem die Keramik mit Kohle– oder Glasfasern verbunden wird (Verbundwerkstoffe).

Im Bereich der Oxidkeramik ist eine weitere stürmische Entwicklung auf dem Gebiet der Supraleitfähigkeit zu verzeichnen. Verschiedenste Supraleiter, wie z.B. Cu-Ba-Y-Oxide, werden stetig weiterentwickelt und verbessert.

Fehlerfreie, synthetisch hergestellte Einkristalle besitzen aufgrund ihrer fast völligen Homogenität und Reinheit außergewöhnliche Eigenschaften.

Die Verfahren zur Herstellung von synthetischen Einkristallen gehen auf Versuche zur Herstellung von künstlichen Edelsteinen zurück. Bereits 1837 gelang es dem Franzosen Gaudin die Synthese von Rubin. 1891-1902 entwickelten Verneuil & Fremy die Synthese von Korund mit einem Verfahren, nach dem heute weltweit mehrere Tausend Tonnen an einkristallinem Material hergestellt werden.

Die stürmische Entwicklung zur Erzeugung synthetischer Phasen führte zu einer Reihe neuer Verfahrenstechniken, wie den Czochralski-, Tiegelzieh-, Zonenschmelz- und Bridgman-Verfahren sowie dem EFG-Verfahren (Edge defined Film fed Growth).

Nach Czochralski wird ein Kristallkeim an einem drehbaren Stab in die verflüssigte Ausgangssubstanz getaucht. Schicht für Schicht wächst dann an diesem Keim der Kristall. Auf diese Weise entstehen die vielbenutzten Nd:YAG-Laserkristalle und Siliziumkristalle. Insbesondere die Entwicklung im Bereich der Elektronik (Chip-Herstellung) förderte die Produktion von einkristallinem Silizium, derzeit ca. # Tonnen pro Jahr. Beim Verneuil- oder Flammenschmelzverfahren läßt man die jeweils hochreinen Ausgangsmaterialien in Pulverform auf eine Kristallkeim rieseln und dabei schmelzen. Nach diesem Verfahren werden künstliche Edelsteine (wie Rubin, Saphir und Fabulit, ein diamantähnliches Strontiumtitanat) hergestellt.

Als einer der ersten Mineralogen hat Richard Nacken, erster Direktor des neugegründeten Mineralogischen Instituts der Universität Tübingen (1914), die Notwendigkeit erkannt, zur Klärung physikalischer Zusammenhänge in der Welt der Kristalle möglichst fehlerfreie Kristalle unter definierten Bedingungen im Labor herzustellen. Ein wichtiges Verfahren, das auch heute noch zur Herstellung von Silizium-Einkristallen aus der Schmelze Verwendung findet, ist in der ganzen Welt unter seinem Namen bekannt. Nacken hat darüberhinaus auch die Synthese von Kristallen aus wässrigen Lösungen bei höheren Drucken - die Hydrothermalsynthese - wesentlich gefördert. Insbesondere beruht die industriell betriebene Synthese von Quarz-Einkristallen aus der wäßrigen Lösungsphase im Autoklaven für die Elektroakustik (Schwingquarze in Quarz-Uhren) auf dem von Nacken erfundenen Verfahren.