Table Of ContentH. Salmang . H. Scholze
Keramik
Teil 1: Allgemeine Grundlagen
und wichtige Eigenschaften
Sechste, verbesserte und erweiterte Auflage
Mit 145 Abbildungen und 48 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg NewYork 1982
Prof. Dr. rer. nat. HORST SCHOLZE
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung
Neunerplatz 2,8700 Würzburg
CIp·Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Salmang, Hermann:
Keramik 1 Salmang ; Scholze. -Berlin ; Heidelberg ; New York : Springer
Bis 5. Aufl. u.d.T.: Salmang, Herrnann:
Die physikalischen und chemischen Grundlagen der Keramik
ISBN-13: 978-3-642-47493-4 e-ISBN-13: 978-3-642-47491-0
DDI: 10.1007/978-3-642-47491-0
NE: Scholze, Horst:
Teil I. Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften.-
6., verb. u. erw. Aufl. 1 von H. Scholze. - 1982.
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«'l Springer-Verlag Berlin/Heidelberg 1968 and 1982
Softcover reprint of the hardcover 6th edition 1982
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sem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche
Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
wären und daher von jedennann benutzt werden dürfen.
Gesamtherstellung: Konrad Triltsch, Würzburg
2060/3020-543210
Vorwort zur sechsten Auflage
Die neue Fassung der fünften Auflage des "Salmang" hatte eine freundliche Aufnahme
gefunden und damit gezeigt, daß dieses Buch dem doppelten Anspruch genügt, sowohl dem
Studierenden dieses Faches eine Stütze zu sein, als auch allen anderen an den keramischen
Werkstoffen Interessierten eine Einarbeitung und Information zu ermöglichen. Besonders
bewährt hat sich dabei die reichlich zitierte Literatur, die in der vorliegenden Auflage bis
Ende 1980 berücksichtigt werden konnte.
Auch auf dem Gebiet der Keramik ist die Zahl der Veröffentlichungen und damit der
Stand der Kenntnisse in den letzten 13 Jahren überproportional angestiegen. Dem Vorschlag
des Verlags, diesem Fortschritt durch eine Zweiteilung des Buches gerecht zu werden, wurde
daher gern zugestimmt. Der hier vorliegende erste Teil behandelt die zum Verständnis der
keramischen Werkstoffe notwendigen Grundlagen. Neu ist die Zusammenfassung wichtiger
Eigenschaften in einem eigenen Kapitel. Der in Kürze folgende zweite Teil wird sich mit den
Rohstoffen, den Vorgängen beim Brand und den verschiedenen Werkstoffen befassen.
Würzburg, im Januar 1982 H. Scholze
Aus dem Vorwort zur fünften Auflage
Professor Dr. Hermann Salmang, dem verdienstvollen Forscher und Hochschullehrer im
weiten Bereich der Keramik, war es nicht mehr vergönnt, die fünfte Auflage seines Keramik
Buches zu betreuen. Seine Ziele jedoch gelten auch für diese Auflage.
Das Erscheinen der letzten Auflage liegt zehn Jahre zurück, eine lange Zeit im Vergleich
zu den Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie der Keramik. Es stellte sich daher
die Frage, entweder die an zahlreichen Stellen notwendigen Ausbesserungen und
Ergänzungen vorzunehmen, oder den Text vollkommen neu zu fassen. Die Entscheidung fiel
zugunsten einer Neufassung, die zugleich auch zu einer neuen Gliederung an vielen Stellen
ausgenützt wurde.
Zur Bewältigung des inzwischen angewachsenen Stoffes war eine Auswahl nötig, die
meist unter dem Gesichtspunkt erfolgte, die Grundlagen herauszuarbeiten, die zum
Verständnis der Eigenschaften der vielen keramischen Werkstoffe und deren Herstellung
nötig sind. Nicht immer war es dabei möglich, die manchmal recht komplizierten
Zusammenhänge im begrenzten Rahmen dieses Buches in allen Einzelheiten zu behandeln,
so daß nur vereinfachte Darstellungen gebracht werden konnten.
VI Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Interessenten an Einzelheiten müssen auf das Literaturverzeichnis verwiesen werden, m
dem Veröffentlichungen bis Ende 1967 berücksichtigt sind. Der Verlag hat sich freundlicher
weise bereit erklärt, im Literaturverzeichnis die vollständigen Titel aufzunehmen, die eine
schnellere Orientierung über den Inhalt der Originalarbeit ermöglichen.
Berlin, im August 1968 H. Scholze
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Buch entstand aus dem Bedürfnis heraus, dem Praktiker und dem
Studierenden der Keramik eine kritische Darstellung der Ergebnisse der keramischen
Forschung zu geben. Dieses Bedürfnis wurde seit vielen Jahren stark empfunden und dem
Verfasser von verschiedenen Seiten gegenüber geäußert, da die Verästelung der Forschung
die Übersicht über ihre Ergebnisse immer mehr erschwert.
Da es an guten Büchern und Monographien über die keramische Technik nicht fehlt, sind
alle Ausführungen über die keramische Technologie sehr kurz gehalten und die Beschreibung
der Apparatur, Maschinerie und Ofenanlagen vollständig fortgelassen worden. Der
Forderung des Tages ist weiterhin dadurch Rechnung getragen worden, daß gegenüber
stehende Anschauungen nur dann eingehend behandelt wurden, wenn sie noch nicht geklärt
waren oder die unterlegene Anschauung hohen wissenschaftlichen Wert hatte. Im übrigen
hat sich der Verfasser bemüht, nur die obsiegende Ansicht anzuführen. Die selbst auferlegte
Beschränkung brachte es mit sich, daß längere geschichtliche Übersichten über die
Entstehung der modernen Anschauung meist vermieden werden mußten. So karn es dazu,
daß manche Arbeiten unserer Altmeister nicht entsprechend den Anregungen, die sie gaben,
behandelt werden konnten. Mögen die Manen von Seger und anderer Meister dies dem
Verfasser vergeben.
Aachen, im September 1933 H. Salmang
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Strukturen . . . . . . 3
2.1 Bindungsarten . . . 3
2.1.1 Atombindung . 4
2.1.2 Ionenbindung. 4
2.1.3 Metallische Bindung . 5
2.1.4 Van der Waalssche Bindung 5
2.1.5 Sonstige Bindungsarten 5
2.1.6 Ionenradien - Koordinationszahlen 7
2.1.7 Silicatische Bindung. . . . . . 13
2.2 Kristalle. . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Grundlagen der Kristallographie 16
2.2.2 Gittertypen . . . . . . . . . . 19
2.2.3 Gitterenergie . . . . . . . . . 25
2.2.4 Abweichungen von der idealen Ordnung 27
2.2.5 Silicate. . . . . . . . . . . 30
2.2.5.1 Systematik der Silicate 31
2.2.5.2 Stabilitätskriterien. . . 36
2.2.5.3 Wichtige Si02-ModifIkationen 36
2.2.5.4 Wichtige Schichtsilicate . . . 41
2.2.5.5 Weitere keramisch wichtige Silicate 58
2.2.5.6 Isotypie und Mode11strukturen 66
2.3 Nichtkristalline Festkörper 68
2.3.1 Glasig - amorph . . 68
2.3.2 Gläser. . . . . . . 70
2.3.2.1 Struktur der Gläser 70
2.3.2.2 Eigenschaften der Gläser 75
2.4 Oberflächen - Grenzflächen . . . . . 82
2.4.1 Bindungsverhältnisse und Eigenschaften 82
2.4.2 Oberflächenspannung - Oberflächen energie 83
2.4.3 Grenzflächenspannung . . . 86
2.4.4 Gekrümmte Oberflächen .. 91
2.4.5 Bestimmung der Oberfläche 93
2.4.6 Bestimmung der Komgröße 98
2.5 Gefüge .......... . 104
2.5.1 Begriffe und Grundlagen 105
2.5.2 Untersuchungsmethoden . 105
2.5.3 Stereologie . 109
2.5.4 Porosität. . . . . . . . 112
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Thermochemie. 117
3.1 Thermodynamik . 117
3.1.1 Gleichungen 117
3.1.2 Anwendungsbeispiele 122
3.2 Gleichgewichte. . . . . 127
3.2.1 Phasenregel. . . . 128
3.2.2 Phasendiagramme . 131
3.2.3 Ungleichgewichte . 150
3.3 Kinetik . . . . . . . . 151
3.3.1 Schmelzen und Kristallisieren 151
3.3.2 Diffusion. . 154
3.3.3 Reaktionen. . . . . . . . . 160
3.3.4 Sintern .......... . 165
3.3.4.1 Sintern ohne flüssige Phase 167
3.3.4.2 Sintern mit flüssiger Phase 178
3.3.4.3 Drucksintern . . 183
3.3.4.4 Reaktionssintern . . . . 185
4 Keramisch wichtige Systeme 186
4.1 Einstoffsysteme. 186
4.1.1 Si02 • 186
4.1.2 AI203 •• 195
4.1.3 H20 ... 197
4.2 Zweistoffsysteme. 201
4.2.1 Si02-Al203 201
4.2.2 SiO.-R20 . 205
4.2.3 Si02-RO . 206
4.2.4 H20-haltige binäre Systeme 207
4.3 Dreistoffsysteme . . . . 210
4.3.1 K20-Al203-SiO• . 210
4.3.2 Na20-AI203-Si02 211
4.3.3 Li20-AI203-Si02• 211
4.3.4 MgO-AI203-Si02 213
4.3.5 H.O-Al203-SiO., H20-MgO-SiO. 215
4.4 Feldspäte . . . . . . . . . . . . . . . 225
5 Eigenschaften . . . . . . . . 227
5.1 Thermische Eigenschaften . 227
5.1.1 Wärmedehnung .. . 228
5.1.2 Wärmetransport .. . 231
5.2 Mechanische Eigenschaften 235
5.2.1 Elastische Eigenschaften 235
5.2.2 Mechanische Festigkeit 238
5.2.3 Verhalten bei höheren Temperaturen 246
5.2.4 Verhalten bei wechselnden Temperaturen 250
5.2.5 Härte - Verschleiß 257
5.3 Elektrische Eigenschaften . . . . 259
5.3.1 Elektrische Leitfähigkeit .. 259
5.3.2 Dielektrische Eigenschaften. 264
Inhaltsverzeichnis IX
5.4 Magnetische Eigenschaften 268
5.5 Optische Eigenschaften . 273
5.6 Chemische Eigenschaften 276
Literaturverzeichnis 280
Namenverzeichnis 297
Sachverzeichnis . 301
1 Einführung
Die ersten Werkzeuge, die der Mensch verwendete, bestanden aus natürlichen Werkstoffen,
z.B. aus Holz oder aus Stein. Vor etwa 10000 Jahren wurde jedoch erkannt, daß sich einige
Erden gut formen und anschließend durch einen Brand verfestigen lassen. Damit war der
erste künstliche Werkstoff, Keramik, geschaffen. Ihre Entwicklung wurde wesentlich
dadurch mitbestimmt, daß solche gut verformbaren "Erden" bzw. Rohstoffe weit verbreitet
sind und daß sie ein sehr günstiges Brennverhalten besitzen, wie in späteren Kapiteln dieses
Buches gezeigt werden wird.
Die weite Verbreitung spiegelt sich auch in der Zusammensetzung wider, wenn man z.B.
die eines Ziegels mit der der Erdrinde vergleicht, wie es in Tab. 1 geschehen ist. Es besteht
zwar zwischen beiden Zusammensetzungen kein unmittelbarer Zusammenhang, Tab. 1 sagt
aber aus, daß zur Herstellung eines Ziegels keine relativ seltenen Elemente notwendig sind,
was auch für sehr viele andere keramische Produkte gilt.
Tabelle 1. Häufigste Elemente der Erdrinde
und Analyse eines Ziegels
Element Anteil in Gew.-%
Erdrinde Ziegel
0 49,4 48,8
Si 25,8 30,3
Al 7,5 11,3
Fe 4,7 2,1
Ca 3,4 3,3
Na 2,6 0,5
K 2,4 2,0
Mg 1,9 1,1
H 0,9
Ti 0,6 0,6
Summe 99,2 100,0
Diese sehr kurzen Hinweise erlauben bereits die Definition des Begriffes Keramik. Nach
Haase [178] versteht man darunter die Werkstoffe, "die dadurch zustande kommen, daß ein
Pulver geformt und die Form durch Einwirkung hoher Temperaturen verfestigt wird".
Während damit der Begriff Keramik dem Werkstoff zugeordnet wird, versteht der
Nomenklaturausschuß der Deutschen Keramischen Gesellschaft darunter eine Technologie,
wie Hennicke [198] gegenüberstellt:
2 1 Einführung
"Keramik ist ein Zweig der chemischen Technologie oder Hüttenkunde, der sich mit der
Herstellung keramischer Werkstoffe und Weiterverarbeitung bis zum keramischen
Erzeugnis befaßt. Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nichtmetallisch, in Wasser
schwer löslich und zu wenigstens 30 % kristallin. In der Regel werden sie bei Raumtempera
tur aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffe igenschaften durch
eine Temperaturbehandlung meist über 800 oe. Gelegentlich geschieht die Formgebung auch
bei erhöhter Temperatur oder gar über den Schmelzfluß mit anschließender Kristallisation."
Die Ausführlichkeit dieser technologisch orientierten Definition ist ein Zeichen für die
Vielfalt der Keramik, die eine kurze und eindeutige Beschreibung nicht zuläßt. Sie bringt
aber alle wesentlichen Merkmale, wobei man beachten muß, daß der wissenschaftliche und
technische Fortschritt sich auch in der Keramik auswirkt, wodurch neue Möglichkeiten
erschlossen und die bisherigen Grenzen oft zu fließenden Übergängen werden.
Letztere Definition kennzeichnet die keramischen Werkstoffe nicht nur als nichtmetalli
sche anorganische Festkörper, sondern weist auch darauf hin, daß sie ganz oder teilweise
kristallin sind. Das am Schluß genannte Kriterium gilt nicht für den im amerikanischen
Sprachgebrauch verwendeten Begriff "ceramics", für den Kingery u. M. [248] schreiben:
"We define ceramics as the art and science ofmaking and using solid articles which have as
their essential component, and are composed in large part of, inorganic nonmetallic
materials." Es hat vieles für sich, die herkömmliche Keramik mit dem Glas und den
anorganischen Bindemitteln (Zement, Kalk, Gips) gemeinsam zu betrachten.
Die exakte wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Keramik hat erst Ende des
19. Jh. eingesetzt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse dienen nicht nur der Verbesserung der
bekannten Produkte oder Verfahren, sondern auch der Entwicklung neuer Werkstoffe und
Herstellungsmethoden. Diese Erfolge waren nur dadurch möglich, daß man auf breiteren
Grundlagen aufbaute. Diese beginnen bereits bei den chemischen Bindungen und den
Strukturen von Festkörpern. Der Weg vom Rohstoff zum Endprodukt wird einerseits durch
die möglichen Gleichgewichte, andererseits durch die Reaktionsgeschwindigkeiten, also die
Kinetik bestimmt. Wichtige Aussagen dazu sind durch die Thermodynamik möglich. Damit
ergibt sich zugleich die Anlage dieses Buches. Erst nach Behandlung dieser physikalisch
chemischen Grundlagen und einiger Eigenschaften im vorliegenden ersten Teil kann im
folgenden zweiten Teil näher auf die Vorgänge bei der Herstellung der Masse und deren
Weiterverareitung eingegangen werden, um abschließend dann im einzelnen die verschiede
nen Typen von keramischen Werkstoffen zu erörtern.
Im Rahmen eines Buches ist es nicht möglich, alle Fragen bis in die letzten Einzelheiten
zu behandeln. Auch kann aus dem zahlreichen Schrifttum nur eine Auswahl zitiert werden,
die als Anregung zu einem vertieften Studium dienen soll. Hier seien eingangs nur die drei
Werke von Eitel [107], Hinz [207] und Kingery u. M. [248] erwähnt, die sich vorzugsweise
den Grundlagen widmen, während speziellere Monographien bei den jeweiligen Kapiteln
genannt werden. Eine Bibliographie mit etwa 1000 Büchern, die sich mehr oder weniger
direkt mit Keramik befassen, erschienen bis 1974, haben Hench und McEldowney [197]
vorgelegt. Daneben sei auf die zahlreichen Fachzeitschriften verwiesen, in denen man den
Fortschritt der Keramik verfolgen kann. Gelegentlich erscheinen auch Serien, die die
Vorträge von Tagungen mit bestimmten Themen bringen, sowohl auf nationaler als auch auf
internationaler Ebene, z.B. seit 1964 die "Proceedings of the British Ceramic Society" oder
seit 1962 "Science of Ceramics", letztere mit verschiedenen Herausgebern und bei
verschiedenen Verlagen.
