Glas- und Keramikindustrie

Glasindustrie

Die Glasindustrie umfasst alle Unternehmen der Glasherstellung und -bearbeitung. Glas wird in Industrie, Forschung, Bauwesen sowie in den Privathaushalten vielfältig eingesetzt.

In diesem Wirtschaftszweig sind in Deutschland etwa 55.000 Menschen in rund 500 Betrieben beschäftigt. Im Jahre 2004 erzielten die Unternehmen der deutschen Glasindustrie einen Gesamtumsatz von 8,2 Milliarden Euro und exportierten ihre Erzeugnisse in über 200 Länder.


Geschichte

Zentren der deutschen Glasindustrie waren wegen des immensen Bedarfs an Holz von jeher die waldreichen Mittelgebirge, besonders die Dörfer und Städte im Bayerischen und Thüringer Wald, die bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts hauptsächlich von dieser Industrie lebten. Hier bildeten sich auch zahlreiche Spezialisierungsrichtungen heraus, so beispielsweise Christbaumschmuck aus Lauscha und Thermometer sowie andere Laborgeräte aus Glas aus Ilmenau. In Stützerbach nahe Ilmenau wurde das erste Thermometer und die erste Röntgenröhre der Welt gefertigt. Ilmenau war auch Standort des größten Glaswerkes der DDR, nämlich dem VEB Werk für Technisches Glas Ilmenau.

Weblinks
    • Bundesverband Glasindustrie e. V.
    • Arbeitgeberverband der Deutschen Glasindustrie e. V.


Keramik

Unter Keramik versteht man eine Gruppe anorganischer, nichtmetallischer Werkstoffe. Die Bezeichnung Keramik stammt aus dem Altgriechischen. Keramos (κέραμος) war die Bezeichnung für Tonmineral und die aus ihm durch Brennen hergestellten formbeständigen Erzeugnisse.

Der Begriff Keramik umfasst neben den Werkstoffen, die für die Herstellung keramischer Produkte verwendet werden, und ihrer Aufbereitung zur eigentlichen Keramik (Tonkeramik, Porzellan, technische Keramik, Glaskeramik, Verbundkeramik) auch die aus Keramiken geformten und gebrannten Gegenstände selbst, die als Bauteile, Gebrauchs- und Ziergegenstände oder Werkzeuge verwendet werden (etwa Töpferei, Sanitärkeramik, Keramikfliesen und anderes).


Begriff und Unterteilung

Heute ist der Begriff breiter gefasst. Keramiken sind weitgehend aus anorganischen, feinkörnigen Rohstoffen unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformte und danach getrocknete Gegenstände, die in einem anschließenden Brennprozess oberhalb 900 °C zu härteren, dauerhafteren Gegenständen gesintert werden. Der Begriff schließt auch Werkstoffe auf der Grundlage von Metalloxiden ein. Keramik wird heute im zunehmenden Maße für technische Einsatzzwecke genutzt (technische Keramik) und in ähnlichen Prozessen, allerdings meist höheren Sintertemperaturen, hergestellt. Im Bereich der faserverstärkten Keramik sind auch siliciumhaltige organische Polymere (Polycarbosilane) als Ausgangsstoffe zur Herstellung von amorpher Siliciumcarbid-Keramik in Verwendung. Sie wandeln sich in einem Pyrolyseprozess vom Polymer zur amorphen Keramik um.

Eine klare Systematik der keramischen Werkstoffe – wie beispielsweise bei Metall-Legierungen – ist schwierig, weil es hinsichtlich der Rohstoff-Zusammensetzung, des Brennvorgangs und des Gestaltungsprozesses fließende Übergänge gibt. Keramische Produkte werden deshalb häufig nach den jeweils im Vordergrund der Betrachtung stehenden Aspekten unterschieden, zum Beispiel nach regionalen Keramiktypen wie Westerwälder Keramik, Bunzlauer Keramik oder auch Majolika und Fayence, bei technischer Keramik nach der chemischen Zusammensetzung in Silikatkeramik Oxidkeramik und Nicht-Oxid-Keramik) oder auch nach dem Verwendungszweck (zum Beispiel Funktionskeramik, Gebrauchskeramik, Sanitärkeramik und Strukturkeramik).

Gebräuchlich ist auch die Unterteilung in Grob- und Feinkeramik. Zur ersteren gehört die große Gruppe der Baukeramik (zum Beispiel Bau- und Dachziegel, Kanalisationsrohre); diese Produkte sind dickwandig, häufig inhomogen, von oft zufälliger Färbung. Feinkeramik ist dagegen feinkörnig (Korngröße unter 0,05 mm), von definierter Färbung (zum Beispiel weiß für Haushaltskeramik, Tischgeschirr und Sanitärkeramik); hierher gehören auch die künstlerischen Erzeugnisse. Feinkeramik erfordert bezüglich Aufbereitung der Rohmasse, der Formgebung und des Trocknens sowie Brennens eine erheblich größere Sorgfalt als sie bei der Herstellung von Grobkeramik nötig ist. Die Eigenschaften keramischer Produkte werden bestimmt durch Art und Menge der in ihnen enthaltenen Kristalle und die als Bindung funktionierenden Verglasungen (sogenannte Glasphasen). Keramiken sind formbeständig, im Allgemeinen hart (es gibt Ausnahmen:beispielsweise pyrolytisches Bornitrid (hexagonal) ist flexibel durch seine Schichtstruktur) und hitzebeständig.


Weblinks

• Homepage des Bildungs- und Forschungszentrum Keramik, Höhr-Grenzhausen

• Homepage des Bundesverbandes Keramische Rohstoffe, Koblenz

• Homepage des Verbandes der Keramischen Industrie, Informationszentrum der Fachgruppe Technische Keramik, Selb

• Homepage der Verbände der Keramischen Industrie, Selb


Technische Keramik

Als Technische Keramik werden Keramikwerkstoffe bezeichnet, die in ihren Eigenschaften auf technische Anwendungen hin optimiert wurden. Sie unterscheidet sich von den dekorativ eingesetzten Keramiken oder Geschirr (Gebrauchskeramik), Fliesen oder Sanitärobjekten u.a. durch die Reinheit und die enger tolerierte Korngröße (Kornband) ihrer Ausgangsstoffe sowie oft durch spezielle Brennverfahren (z. B. heißisostatisches Pressen, Brennen unter reduzierender Atmosphäre).

Weitere Bezeichnungen für technische Keramik sind Ingenieurkeramik, Hochleistungskeramik, Industriekeramik oder industrielle Keramik.

Keramikwerkstoffe, die spezielle elektrische oder piezoelektrische Eigenschaften besitzen, werden auch als Funktionskeramiken bezeichnet.

Seit den ersten technischen Anwendungen von Porzellan als elektrische Isolatoren in der Mitte des 19. Jahrhunderts kann man von technischer Keramik sprechen.


Anwendungen

Keramische Werkstoffe werden heute in Bereichen verwendet, in denen früher Metalle zum Einsatz kamen. Noch vor wenigen Jahrzehnten galten Anwendungen, die heute selbstverständlich sind, als nicht realisierbar.

In der Medizintechnik werden keramische Werkstoffe als Ersatz für Knochen und Zähne eingesetzt. Hier hat die große mechanische Festigkeit und Verschleißfestigkeit sowie die hohe Korrosionsbeständigkeit und die gute Verträglichkeit mit lebendem Gewebe Bedeutung (Bioinert).




Ein bedeutendes Einsatzgebiet sind die sogenannten Heißanwendungen. Dazu zählen der Ofenbau, Brennersysteme oder Heizelemente. Einsatztemperaturen von bis zu 2500 °C halten einige keramische Werkstoffe ohne Verzug oder Ermüdung stand. Aufgrund der in Verbrennungsmotoren angestrebten immer höheren Temperaturen (höherer Wirkungsgrad!) steigen Entwicklungsaufwendungen und Ansprüche an Bauteile wie Lager, Turbinenschaufeln der Turbolader und Motorteile.

Häufigste Anwendungen bilden jedoch keramische Bauteile als Isolator bzw. als Isolierstoff (Zündkerzen, Hochspannungs-Kondensatoren, Freileitungs-Isolatoren). Dabei sind auch Temperaturen von 600 °C, wie sie beispielsweise bei Zündkerzen oder Zündeinrichtungen von Gasbrennern vorkommen, möglich. Die bei Zündkerzen eingesetzte Aluminiumoxid-Keramik hat bei 600 °C einen spezifischen Widerstand von 108 Ωcm.

Die meisten keramischen Werkstoffe sind elektrische Isolatoren, einige sind jedoch supraleitend, halbleitend oder dienen als Heizleiter.
Halbleitende Keramik wird für Varistoren (Zinkoxid), Heiß- oder Kaltleiter verwendet (Temperatursensoren, Einschaltstrombegrenzung, Entmagnetisierung, Selbstrückstellende Sicherungselemente (PTC-Sicherungselement)).

Auch in der Lager- und Dichtungstechnik dominieren keramische Werkstoffe. Als Lagerschalen von Gasturbinen mit Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute und Temperaturen von rund 1500 °C können keramische Werkstoffe eingesetzt werden. In Pumpen dichten Gleitringdichtungen aus Keramik die Wellendurchführungen durch das Pumpengehäuse der Außenwelt gegenüber korrosiven und abrasiven Medien ab. Bei der Rauchgasentschwefelung sind keramische Gleitlager der Pumpen hochkonzentrierter, basischer Kalkmilch ausgesetzt, die stark mit Sand verunreinigt ist. Ähnliche Verhältnisse herrschen bei Pumpenanlagen zur Meerwasserentsalzung. Hier fördern Pumpen mit keramischen Gleitlagern das stark mit Sand versetzte Salzwasser über Jahre, ohne Abrieb oder Korrosion zu erleiden.

Ein wesentlicher Nachteil ist bei mechanischen Anwendungen das Sprödbruchverhalten von Keramik (niedrige Bruchzähigkeit). Metallische Werkstoffe sind dagegen duktil und brechen daher seltener. Sie verzeihen leichtere konstruktive Toleranzen, indem sie lokale Spannungsspitzen durch elastische und plastische Verformung abbauen. Die Entwicklung von keramischen Faserverbundwerkstoffen hat auf diesem Gebiet wesentliche Fortschritte erzielen können und das Anwendungsspektrum keramischer Werkstoffe deutlich erweitert.


Werkstoffeigenschaften

Technische Keramik kann folgende recht unterschiedliche Materialeigenschaften besitzen:

• Hitzebeständigkeit bis weit über 1000 °C (Heizelemente)

• elektrische Isolation (Zündkerzen, Hochspannung, elektronische Schaltungen (Hochfrequenz- und Dickschichtschaltkreise)

• hohe Dielektrizitätskonstanten (Kondensatoren hoher Volumenkapazität)

• Abrieb- und Verschleißfestigkeit (Gleitflächen, Düsen zum Laser- und Wasserstrahlschneiden (Schneiddüsen), Gleitlager in Pumpen, Kolben und Zylinder), Pulverbeschichten von Metallflächen

• große Härte (z. B. in Kugellagern, Verwendung als Schneidstoff (Schneidkeramik) bei der spanenden Bearbeitung (Schneidkeramik ist wesentlich härter als Stahl)

• Korrosionsbeständigkeit (Salzwasser, Chemieanwendungen (speziell in Pumpen der chemischen Industrie), Beschichtung von Metallen)

• Medizintechnische Anwendungen (Gute Biokompatibilität in Kombination mit Festigkeit)

• geringe thermische Ausdehnung

• niedrige Dichte

• hohe mechanische Festigkeit, allerdings verbunden mit niedriger Bruchzähigkeit

• Formstabilität (hohe spezifische Steifigkeit beziehungsweise hoher E-Modul)

• je nach Typ niedrige oder hohe Wärmeleitfähigkeit

• je nach Typ hohes elektrisches Isoliervermögen oder Halbleiter- oder piezoelektrische Eigenschaften (Funktionskeramik)

• ferroelektrische Eigenschaften („Epsilan“, keramische Vielschichtkondensatoren (MLC), Elektrete)

Wie bei konventioneller Keramik erfolgt die Herstellung durch Zusammenbacken von kristallinen Pulvern, dem Sintern. Zur Sicherstellung konstanter Werkstoffqualität und Zuverlässigkeit ist die Herstellung hochreiner Pulver definierter, feiner Körnung (teilweise unter 1 µm), deren Aufbereitung mit Sinterhilfsmitteln und die Trocknung und Sinterung von großer Bedeutung. Beim Brand (Sinterung) bleibt die Korngröße erhalten oder nimmt durch Kornwachstum zu. Während man für mechanische Anwendungen und Vielschichtkondensatoren kleine Korngrößen anstrebt, muss z.B. bei Brennerrohren für Gasentladungslampen (Natriumdampflampen, Halogen-Metalldampflampen) ein Kompromiss gefunden werden, um einerseits mechanische Festigkeit (kleine Körner) und andererseits hohe optische Transparenz (große Körner, wenig Streuzentren) zu erreichen.

Zwischen den kristallinen Körnern befindet sich oft eine sogenannte interkristalline Phase, die wesentlich für die elektrischen und mechanischen Eigenschaften ist. Obwohl sie den Sinterprozess erleichtert, möchte man sie oft vermeiden, da sie insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen für mechanische Kriechprozesse und absinkende Isolationswerte verantwortlich ist. Um hochdichte Keramik auch ohne interkristalline Phase oder Sinterhilfsmittel zu erhalten, erfolgt das Sintern teilweise unter Druck (heißisostatisches Pressen, HIP).

Auch die keramikgerechte Konstruktion der Bauteile kann dazu beitragen, das Risiko eines Versagens durch Sprödbruch zu reduzieren: scharfe Kerben und Innen-Ecken müssen vermieden werden und dass Änderungen der Wandstärke nicht stufig, sondern möglichst kontinuierlich erfolgen. Kerben und Ecken sind bei Biege- bzw. Zugbeanspruchung leicht Ausgangspunkt für einen Riss, dessen Ausbreitung dann auch bei geringen Kräften durch das ganze Bauteil geht und es zerstört.

Mit der Entwicklung von keramischen Verbundwerkstoffen stehen im Bereich der technischen Keramik inzwischen verschiedene Werkstofftypen zur Verfügung, die sich durch deutlich höhere Bruchzähigkeiten und damit verbundene Zuverlässigkeit sowie extreme Thermoschockbeständigkeit auszeichnen.


Literatur

• J. Kriegesmann (Hrsg.): DKG - Technische Keramische Werkstoffe. HvB-Verlag, Ellerau 2005, ISBN 978-3-938595-00-8

• W. Kollenberg (Hrsg.): Technische Keramik - Grundlagen, Werkstoffe, Verfahrenstechnik. Vulkan-Verlag, Essen 2004, ISBN 3-8027-2927-7


Weblinks

• [1] Fachinformation des Zentrums für Technische Keramik


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