Glaskeramik

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Typisches Glaskeramikkochfeld

Glaskeramik bezeichnet Werkstoffe, die aus Glasschmelzen durch gesteuerte Kristallisation hergestellt werden. Die Verarbeitung der Schmelze verläuft analog zur Verarbeitung bei Gläsern, abschließend wird das Glas aber durch eine spezielle Temperaturbehandlung in einen teils-polykristallinen und teils glasigen, keramischen Zustand überführt. Das Resultat ist ein glasähnliches Produkt mit neuen Eigenschaften oder Eigenschaftskombinationen.

Als Hauptbestandteile werden Lithiumoxid-, Aluminiumoxid- und Siliciumoxid verwendet. Dieses für die glaskeramische Industrie wichtigste System wird auch als LAS-System bezeichnet und existiert in vielen Abwandlungen. Als Keimbildner wird meist Zirkoniumoxid in Kombination mit Titanoxid zugesetzt. Zu den in diesem System anzutreffenden Hauptkristallphasen Hochquarz-Mischkristall (HQMK) und Keatit-Mischkristall (KMK) haben Hummel ^[1] und Smoke ^[2] grundlegende Arbeiten geleistet.

Glaskeramiken des LAS-Systems mit HQMK als Hauptkristallphase besitzen durch ihren geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 0,1·10^-6 1/K (im Bereich 20°C bis 700°C) eine sehr gute Thermoschockbeständigkeit. Liegt die chemische Zusammensetzung des reinen Li₂O x Al₂O₃ x nSiO₂-Systems bei n > 3,5 , wandelt sich der HQMK ab etwa 950°C in Keatit-Mischkristall um. Die Phasenumwandlung ist irreversibel und rekonstruktiv, also mit dem Aufbruch von Bindungen gekoppelt. Trotzdem sind sich die beiden Kristallphasen, wie Li zeigen konnte, in ihren Strukturen sehr ähnlich ^[3] Nach der Umwandlung steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Glaskeramik aufgrund des höheren Wärmeausdehnungskoeffizient des KMK auf etwa 1·10^-6 1/K (im Bereich 20°C bis 700°C) an.

Charakteristisch für die gesamte Glaskeramik, die damit quasi als Composite-Werkstoff aus Glas und Kristallen zu verstehen ist, ist also ein sehr geringer oder sogar negativer Wärmeausdehnungskoeffizient in unterschiedlichen Temperaturbereichen, wodurch ein Bruch durch Temperaturschock vermieden wird. Es lassen sich daher mit diesen Phasen Glaskeramiken mit hervorragenden Thermoschockeigenschaften bei ebenfalls sehr guter mechanischer Festigkeit realisieren.

Anwendungen ergeben sich in vielfältiger Weise als Material für Lasergyroskope oder als Schutzgläser mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit, sowie im Haushaltsbereich als Kochfeld und Kochgeschirr. Spiegelträger großer Teleskope werden heute aus Glaskeramiken angefertigt, ebenso Hochleistungsreflektoren für digitale Projektoren. In Laboratorien haben Glaskeramikplatten giftige Asbestdrahtnetze als Unterlage beim Erhitzen abgelöst.

Bekannt sind Produktnamen wie zum Beispiel Ceran im Bereich Kochfelder und Zerodur für Teleskop-Spiegelträger.

[Bearbeiten] Quellen

↑ Hummel F.A.: "Thermal expansion properties of some synthetic lithia minerals" J. Am. Ceram. Soc. 1951, 34 (8), 235-239.
↑ Smoke E. J.: "Ceramic compositions having negative linear thermal expansion" J. Am. Ceram. Soc. 1951, 34, 87-90.
↑ Li C.T.: "Transformation mechanism between high-quartz and keatite phases of LiAlSi2O6 composition" Acta. Cryst. B27 1971, 1132-1140.

[Bearbeiten] Literatur

McMillan P.W., "The glass phase in glass-ceramics", Glass Technology 15 (1), 5-15 (1974).
Bach H. (Herausgeber), "Low thermal expansion glass ceramics", Springer-Verlag (1995).