Keramik

Keramik Wissen

Keramik ist ein aus anorganischen Stoffen bestehender Werkstoff, der unter Zugabe von Wasser geformt, bei Raumtemperatur getrocknet und anschließend durch einen Brennprozess ausgehärtet wird, und so seine charakteristischen Eigenschaften erhält.

Definition

Keramik ist die Bezeichnung für einen anorganischen- nichtmetallischen Werkstoff, der durch Sinter hergestellt wird.

Um Keramik herzustellen mischt man Ton, Lehm und Wasser miteinander. Die Mischung wird dann nach Wunsch geformt und über meist mehrere Stunden getrocknet. Um eine höhere Festigkeit zu erreichen wird die Keramik zusätzlich bei hohen Temperaturen in einem Ofen gebrannt. Die natürlichen Rohstoffe Ton, Kaolin, Sand und Feldspat haben den Nachteil, dass sie meist noch sehr stark verunreinigt sind. Erst die Herstellung hochreiner synthetischer Rohstoffe ermöglicht es die Eigenschaften von Keramik für jedes Bauteil maßschneidern zu können. Neben den Rohstoffen ist auch die Art der Formgebung von großer Bedeutung.

Die Töpferscheibe ist wahrscheinlich das bekannteste Hilfsmittel für die Herstellung rotationssymmetrischer Hohlkörper. Nicht-symmetrische Hohlkörper werden durch Treiben erzeugt.Das Gießen hat vorallem im industriellen Bereich eine große Bedeutung.

Beim Schlickergießen wird der aus Ton und Wasser bestehende Schlicker in eine Gipsform gegossen. Durch den Flüssigkeitsabbau schwindet die Formgeometrie, deshalb wird Schlicker für die Herstellung von Vollkörpern nachgegossen. Gießt man den überschüssigen Schlicker ab, so erhält man einen Hohlkörper. Nach der Trocknung kann der Rohling aus der Form herausgenommen werden.

Nach dem Erzeugen und Aufbereiten des Keramikpulvers ist hier das einfachste Verfahren für die Formgebung das Pressen. Man unterscheidet zwischen Trocken- und Nasspressen von Keramik. Das Trockenpressen wird hauptsächlich für die Produktion höherer Stückzahlen verwendet, während mit dem Feuchtpressen komplexe Formen erzeugt werden.

Für die Brandvorbereitung ist es wichtig, dass Verunreinigungen, Bindemittel und Feuchtigkeit entfernt werden, da diese Risse im fertigen Keramikbauteil verursachen können und dann unter Umständen zu Brüchen führen können. Die Feuchtigkeit wird durch längeres und sanftes Vortrocknen auf einen Wert zwischen 2-5 % reduziert. Durch die Trocknung entsteht ein Schwund, der für die Formgebung vorher einzurechnen ist.

Durch den Brennprozess wird der getrocknete Formkörper in ein hartes und wasserfestes Produkt verwandelt. Dabei werden Porenräume reduziert, die Dichte des Materials steigt und die einzelnen Keramikpartikel sintern. Für den Sintervorgang werden bei silikatkeramischen Ausgangswerkstoffen Temperaturen zwischen 800 und 1500°C benötigt. Bei technischen Keramiken steigen die Temperaturen bis 2000°C . Möchte man der Keramik spezielle Eigenschaften verleihen sind auch Temperaturen von 2200°C üblich. Um die Sintertemperatur zu senken und damit Energie einzusparen werden Flussmittel eingesetzt.

Die Qualität der Oberfläche kann durch nachträgliches Polieren, Nassschleifen mit Diamanten- Schleifscheiben oder durch Bearbeitung mit Ultraschall und Laser aufgewertet werden. Keramiken können durch Schmuck, Musterung oder Verzierung veredelt werden. Es drei verschiedene Arten der Vorgehensweise:> Die einfachste Form ist die mechanische Dekoration von Hand oder mit speziellen Werkzeugen. Vor dem Brennen werden in die noch weiche Keramik Muster, durch z.B. Kratzen, eingebracht.> Die zweite Möglichkeit der Oberflächenveredelung ist das Aufbringen von Farben. Hierbei wird zwischen Kalt- und Brandfarben unterschieden. Brandfarben verschmelzen unter dem Einfluss von Wärme mit der Keramik. Kaltfarben werden auf die Brandfarben aufgetragen.> Ein weiteres Vorgehen ist das Aufbringen von Glasuren, das häufig gemacht wird um die Keramik widerstandsfähiger gegen mechanische Einflüsse zu machen. Glasuren sind dünne Glasschichten, die auf die Keramik aufgeschmolzen werden. Die Schichten sollen die Keramikoberfläche glätten und zusätzlich gegen Flüssigkeiten abdichten.

elektrisch

> Isolierfähigkeit / elektrische Leitfähigkeit> Durchschlagsfestigkeit> Dielektrische Eigenschaften> Piezoelektrische Eigenschaften

mechanisch

> Verschleißfestigkeit> Festigkeit> Härte> Formbeständigkeit

thermisch

> Hochtemperaturfest> Temperatur Wechselbeständigkeit> Wärmeisolation/ Wärmeleitfähigkeit> Formbeständigkeit

chemisch/ biologisch

> Korrosionsbeständigkeit> katalytische Eigenschaften> biochemische Eigenschaften> Lebensmittelverträglichkeit

Bereits 15.000 v. Chr. fand Keramik im Alltag Verwendung. Vor allem eigneten sich Keramikgefäße zur Aufbewahrung von Lebensmitteln. Optisch sahen Keramikerzeugnisse damals anders aus als heute und bestanden nur aus Ton. Ungefähr 10000 Jahre später wurden die ersten Ziegelsteine hergestellt.Nach der Wiederfindung des Porzellans in Europa begann ca. 1850 das Zeitalter der Elektrokeramik. Ab 1960 wurden Konstruktionswerkstoffe wie Aluminiumoxid und Siliciumcarbid entwickelt.Heute ist Keramik ein Hochleistungswerkstoff und ein wichtiger, unersetzbarer Standard-Werkstoff geworden.

Sorten & Arten

Aluminiumnitrid besteht aus einer chemischen Verbindung von Aluminium und Stickstoff. Der farblose Werkstoff ist bekannt für seine hohe Wärmeleitfähigkeit und seine effiziente Stromisolierung. Üblicherweise wird diese Keramik bei ca. 1800°C drucklos gesintert.

Tonerde besteht aus Aluminiumoxid und gehört zu den meistgefragten Keramiken. Die Tonerde ist problemlos mit anderen Keramiken und Metallen zu verbinden und besitzt gute mechanische und elektronische Eigenschaften.

Pyrolytisches Bornitrid wird durch Gasphasenabscheidung gebildet und ist ein guter elektrischer Isolator. Bornitrid besitzt eine geringe Wärmeausdehnung, gute Temperaturwechselbeständigkeit und eine niedrige Dichte.

Glaskeramik wird aus kristallisierter Glasschmelze hergestellt und durch eine spezielle Temperaturbehandlung in ein teils polykristallinen und teils glasigen, keramischen Zustand überführt.

Kaolin ist die reine Form von Aluminiumsilikat-Hydrat und wird zur Herstellung von Porzellan verwendet.

Knochenporzellan ist ein Weichporzellan, welches in England entwickelt wurde. Es wird hergestellt aus entfetteten Rinderknochen, Feldspat,Quarz und Kaolin.

Porzellan gesteht in der Regel bis zur Hälfte aus Kaolin. Jeweils ein viertel der Bestandteile sind Feldspat und Quarz. Gebrannt wird Porzellan bei Temperaturen über 1300°C. Zu den Eigenschaften gehören gute Härte, ausgezeichnete chemische Beständigkeit und geringe Temperaturwechselbeständigkeit.

Siliziumcarbid gehört zu den nichtoxidischen Keramiken. Es besitzt eine hohe Härte und eine gute Verschleißbeständigkeit, hat eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und eine geringe Wärmeausdehnung. Erschwert wird die Herstellung durch den hohen kovalenten Bindungsanteil, der die Sinterneigung deutlich verringert.

Terrakotta heißt übersetzt gebrannte Erde und ist unglasierter Ton, der bei niedrigen Temperaturen gebrannt wird. Bekannt ist Terrakotta für seine orangerote Farbe, aber es ist auch in anderen Tönungen erhältlich. Gerne wird Terrakotta im Außenbereich verwendet, da es hoch frostbeständig ist.

Ton besteht aus, durch natürliche Witterung, verriebenen Steinen. Besonders an Flussufern kommt diese Erdschicht an die Oberfläche. Es gibt weißen, gelben, braunen und roten Ton. Ton weist eine gute Formbarkeit auf und wird erst durch das Brennen dauerhaft hart.

Be- & Verarbeitung

Dieses Verarbeitungsverfahren dient zur Herstellung runder symmetrischer Produkte. Zuerst wird der Ton vermischt und zu einem langen Stück gepresst. Anschließend werden kleinere Teile abgeschnitten, welche an der Drehmaschine befestigt und bearbeitet werden.

Beim Eindrehen werden Tonscheiben zu tassenähnlichen Gestalten vorgeformt und dann auf eine Spindel gesteckt, welche sich auf einer sich drehenden Scheibe befindet. An der Spindel zieht sich dann der Ton auf der Innenseite hoch. Anschließend wird eine Schablone in die Tasse eingeführt um die gewünschte Form zu verleihen und den überschüssigen Ton abzuziehen. Das Eindrehverfahren dient somit zur Herstellung von tiefem Geschirr.

Der Tonbrei wird in eine vorgefertigte Form gegeben und dort ausgehärtet. Nach dem trocknen kann die Form geöffnet werden und der Rohling kann noch bearbeitet werden.

Bei diesem Verfahren wird der Schlicker unter Druck in einer Gipsform geformt.

Hierbei wird das Keramikgranulat, mit Hilfe von Hochdruck, in einen aus zwei Teilen bestehenden Hohlraum gepresst.

Die Keramik wird bei diesem Verfahren durch zwei Formwerkzeuge gepresst.

Zuerst wird das gewünschte Muster auf einer Schablone erstellt, welche dann auf die Keramik aufgebracht wird. Keramik und Schablone werden dann in ein Säurebad getaucht. Die Säure greift die nicht bedeckten Flächen an und hinterlässt eine flache Vertiefung.

Die Keramik muss vor dem Brennen langsam getrocknet werden, da eine zu hohe Feuchtigkeit zu Rissen führen würde.

Dieses Verfahren dient zur Herstellung von Flachgeschirr. Flache Scheiben werden auf ein drehendes Formwerkzeug aufgebracht. Eine Metallschablone formt die Außenseiten.

Bei dieser Technik wird der Ton zu Wülsten geformt und aufeinander aufgebaut bis die gewünschte Form erreicht ist. Die einzelnen Wülste werden mit Schlicker verbunden.

Phänomene

Durch seine thermisch isolierende Eigenschaft kann Keramikschaum den gesundheitsschädigenden Asbest ersetzten. Hergestellt wird der Keramikschaum mit Hilfe eines Polymerschaumstoffes, der in die gewünschte Form gebracht werden kann. Anschließend wird der geformte Polymerschaum in ein Bad mit Keramikschlicker getaucht. Im nächsten Schritt wird der Kunststoff im Ofen ausgebrannt und die Keramik verfestigt.

Biokeramiken sind biokompatible Werkstoffe, die natürliche Gewebe und Knochen des menschlichen Körpers ersetzten können. In der Dentalmedizin sind Biokeramiken als künstliche Gebisse oder Porzellankronen bekannt. Die wichtigsten Biokeramischen Vertreter sind Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Hydroxylapatit und Bioglas.

Lexikon

Energiestrahlen werden von einer Materie entweder aufgenommen oder geschwächt.

Die Angussmasse wird auch als Engobe bezeichnet und ist dünnflüssiger Tonschlicker, der zum Einfärben von keramischen Produkten verwendet wird. Die Angussmasse kann entweder auf lederhaftem Ton oder auf Scherben aufgetragen und anschließend gebrannt werden.

Um Risse in der fertigen Keramik zu vermeiden ist es wichtig, dass die Tonmasse vorgetrocknet wird. Wenn die Masse trocken genug ist um gebrannt zu werden ist sie brennreif.

Beim Brennvorgang werden Materialien solange erhitzt, bis sie sich in eine wasserunlösliche Substanz umwandeln oder die Glasur sich als Schmelze mit der Keramik verbindet.

Engobe wird auch als Angussmasse bezeichnet und ist dünnflüssiger Ton, der zumEeinfärben von keramischen Produkten verwendet wird. Die Angussmasse kann entweder auf lederhaften Ton oder auch auf Scherben aufgetragen und anschließend gebrannt werden.

Fayence ist nicht nur die Bezeichnung einer Stadt in Italien, sondern bezeichnet auch eine Tonware, die durch poröse Scherben gekennzeichnet ist. Die Scherben sind mit einer Zinnglasur überzogen und werden mehrmals gebrannt.

Die Glasur ist eine glasartige Oberflächenbeschichtung, die dazu dient die porösen Scherben wasserundurchlässig zu machen.

Der Glattbrand wird auch als Hochbrand bezeichnet, da Temperaturen von bis zu 1400°C benötigt werden. Das Material kommt zum Sintern, was ein Aufschmelzen der Scherben bedeutet. In diesem Zustand besteht die Gefahr der Verformung.

Das Hartporzellan wird bei sehr hohen Temperaturen gebrannt und besteht bis zu Zweidrittel aus Kaolin, Dadurch wird die Härte des Porzellans verbessert.

Der Hochbrand wird auch als Glattbrand bezeichnet, da Temperaturen von bis zu 1400°C benötigt werden. Das Material kommt zum Sintern, was ein Aufschmelzen der Scherben bedeutet. In diesem Zustand besteht die Gefahr der Verformung.

Kalkspatz ist ein Keramikfehler der entsteht, wenn ein Kalkstück eingeschlossen wird. Der Kalk nimmt nach dem Brennprozess Wasser aus der Luft auf und sein Volumen vergrößert sich. Durch die Vergrößerung werden Keramikteile weggesprengt und die Karamik wird zerstört.

Lederhart bezeichnet den Zustand von Ton wenn er nicht mehr weich genug ist um ihn zu verformen, aber man ihn noch dekorieren, also die Oberfläche bearbeiten, kann.

Lehm ist eine Mischung aus Sand, Schluff und Ton. Er entsteht aus der Verwitterung von Gestein oder durch die Ablagerung dieses Gemisches.

Zustand des Tons, bei der er, bei gegebener Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit, keine Feuchtigkeit mehr abgibt.

Fettigem Ton wird Sand beigemischt um eine Rissbildung beim Trocknen zu vermeiden.

Der Tonmasse wird Papier beigemischt, welches dann beim Brennen im Ofen verbrennt. Dadurch entsteht eine schwammartige aber feste Keramikstruktur.

Der im Ton vorkommende Quarzsand ist bei niedrigen Temperaturen als Tiefquarz vorhanden. Dieser verwandelt sich bei einer Temperatur von 573°C in Hochquarz, was eine Volumenänderung mit sich bringt. Die Volumenänderung kann in der Keramik zu Spannungen führen, da die Erwärmung nicht gleichmäßig erfolgt.

Raku ist eine Brenntechnik aus Japan, bei der glasierte oder unglasierte Gefäße direkt gebrannt werden. Bei Temperaturen von ca. 1000°C werden die noch glühenden Gefäße aus dem Ofen genommen und zusammen mit organischen Brennstoffen in einen luftdichten Behälter gegeben. Durch den entstehenden Rauch, dem Sauerstoffentzug und Mineralien der Brennstoffe, wird der Ton und die Glasurfarbe stark beeinflusst und es entstehen Risstrukturen.

Als Scherben wird Ton bezeichnet, der für die Keramikherstellung erstmals gebrannt wird. Die Umwandlung von Ton in Scherben findet bei ca. 650°C statt.

Getrocknete Gegenstände werden vorgebrannt um diese formstabil zu machen.

Steingut ist meist industriell hergestellte Töpferware, die bei geringen Temperaturen gebrannt wird. Anschließend muss sie glasiert werden, um wasserich und fostfest gemacht zu werden.

Terrakotta heißt übersetzt „gebrannte Erde“ und ist unglasierter Ton, der bei niedrigen Temperaturen gebrannt wird. Bekannt ist Terrakotta für seine orangerote Farbe, ist aber auch in anderen Tönen erhältlich. Wegen seiner Frostbeständigkeit wird Terrakotta gerne im Außenbereich verwendet.

Ton besteht aus durch natürliche Witterung verriebenen Steine. Besonders an Flussufern kommt diese Erdschicht an die Oberfläche. Es gibt weißen, gelben, braunen und roten Ton. Ton weist eine gute Formbarkeit auf und wird erst durch das Brennen dauerhaft hart.

Die Keramik muss vor dem Brennen langsam getrocknet werden, da eine zu hohe Feuchtigkeit zu Rissen führt.

Bei diesem Vorgang werden die Poren der Keramik geschlossen, um sie frostfest zu machen. Dieser Prozess findet bei über 1000°C statt.

Bei dieser Technik wird der Ton zu Wülsten geformt und aufeinander aufgebaut, bis die gewünschte Form erreicht ist. Die einzelnen Wülste werden mit Schlicker verbunden.

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