Reaktionsbinden

Reaktionsbinden ist ein werkstoffspezifisches Verfahren aus dem Bereich der keramischen Werkstoffe, bei dem ein Metall mit einem Gas reagiert. Alle diese Reaktionen sind exothermer Natur, da Energie freigesetzt wird. Am bekanntesten ist das reaktionsgebundene Siliciumnitrid (RBSN), bei dem das metallische Silicium mit einer Stickstoffatmosphäre das entsprechende Nitrid bildet (dabei können reiner Stickstoff oder Ammoniumverbindungen verwendet werden). RBSN ist ein rein synthetischer Werkstoff, der kein natürliches Vorkommen in der Erdkruste aufweist.

Weitere Vertreter dieses Verfahrens sind reaktionsgebundenes Siliciumcarbid (RSiC), reaktionsgebundenes Aluminiumoxid (RBAO),[1][2] reaktionsgebundener Mullit (RBM),[3] reaktionsgebundenes Magnesiumoxid (RBMO) usw. Alle diese Reaktionsprodukte sind von besonders hoher chemischer Reinheit.

Charakteristisch für das Reaktionsbinden ist die Volumenzunahme während der thermischen Reaktion, wodurch die Sinterschrumpfung teilweise kompensiert werden kann. Bedingt durch die Exothermie bei der Herstellung können nur kleinformatige Bauteile reaktionsgebunden werden. Bei größeren Abmessungen sind die thermischen Spannungen bei unsachgemäßer Temperaturführung dann zu groß und führen zu Rissbildung im Sinterkörper. Um dies zu vermeiden, sind nur geringe Aufheizgeschwindigkeiten (ca. 0,5 - 1 K/min) möglich, typisch und charakteristisch für das Reaktionsbinden.

Die Anwendungsgebiete reichen von der Technischen Keramik bis zum Einsatz als feuerfester Werkstoff.

Das RBAO-Verfahren

RBAO ist die Abkürzung für Reaction Bonded Aluminum Oxide (reaktionsgebundenes Aluminiumoxid).[4] Vorläufer dieses Verfahrens war die direkte Schmelzoxidation (DMO - Verfahren: direct melting oxidation). Dabei wird ein poröser Körper mit einer Metallschmelze infiltriert und anschließend oxidiert. Beim RBAO wird das Metall Aluminium und Aluminiumoxid in geeigneten Mühlen auf Korngrößen im 1-µm-Bereich zerkleinert. Als Mahlflüssigkeiten werden Alkohole oder Öle verwendet, um eine frühzeitige Oxidation der Metallphase zu vermeiden. Nach der Trocknung des Versatzes werden die Körper idealerweise isostatisch gepresst, oxidiert und bei bis zu 1600 °C gesintert. Die Biegefestigkeit ist aufgrund des feinkörnigen Gefüges etwas höher als bei klassischer Korund-Keramik.

Die Modifikation RBM

Der reaktionsgebundene Mullit (RBM) ist eine weitere Modifikation des RBAO - Verfahrens, dabei werden ebenfalls Aluminium und zusätzlich Silicium, oder Siliciumcarbid (SiC), oder Zirkon (Zirkoniumsilikat) und Korund als Rohstoffe verwendet. Beim Einsatz von SiC besteht die Möglichkeit eine „Nullschrumpfungskeramik“ zu erzeugen, die Sinterschrumpfung wird durch die Oxidation des SiC und die damit verbundene Volumenzunahme kompensiert. Auf eine vollständige Oxidation des SiC muss geachtet werden (kleine Korngrößen, intensive Aufbereitung, Temperaturführung usw.), sonst verbleibt ein Rest-Anteil an SiC, der sich festigkeitsmindernd auswirken kann.

Einzelnachweise

Holz, D.: "Herstellung und Charakterisierung von reaktionsgebundenen Al2O3-Keramiken (RBAO - Verfahren) am Beispiel des Systems Al2O3 / ZrO2, Dissertation 1994, TUHH. VDI Verlag Düsseldorf (Fortschritt-Berichte VDI: Reihe 5, Grund- und Werkstoffe; 367)
Holz, D.; Röger, M.: "Mechanical Properties of Reaction-Bonded Al2O3 / ZrO2 Composites", Ceram. Eng. Sci. Proc. Vol 15, No. 5 (1994) 651-658.
Scheppokat, S.: "Reaktionsgebundener Mullit mit Nullschrumpfung auf Basis des Precursorsystems Al/Al2O3/SiC", Dissertation 1999, TUHH. VDI Verlag Düsseldorf, (Fortschritt-Berichte VDI: Reihe 5, Grund- und Werkstoffe; 552).
Holz, D.: "Herstellung und Charakterisierung von reaktionsgebundenen Al2O3-Keramiken (RBAO - Verfahren) am Beispiel des Systems Al2O3/ZrO2, Dissertation 1994, TUHH. VDI Verlag Düsseldorf (Fortschritt-Berichte VDI: Reihe 5, Grund- und Werkstoffe; 367).

5. P.O. Guglielmi, D.G. Garica, M.P. Hablitzel, D. Blaese, D.P. Goulart, A. Borchert, D. Hotza, R. Janssen, „Processing of All-Oxide Ceramic Matrix Composites with RBAO Matrix“, J. Ceram. Sci. Tech. Vol.7, No.1, Pages 87-96

6.. S. Scheppokat, R. Janssen, N. Claussen, ”In Situ Synthesis of Mullite - A Route to Zero Shrinkage“, Am. Ceram. Bull. 77 [11] (1998) 67-69

7. S. Scheppokat, R. Janssen, N. Claussen, ”Phase Development and Shrinkage of Reaction Bonded Mullite Composites with SiC of Different Particle Sizes“, J. Am. Ceram Soc. 82 [2] (1999) 319-24

Quellen

Klaus Irrgang: Temperaturmesspraxis mit Widerstandsthermometern und Thermoelemente, Vulkan-Verlag, Essen
W. Bergmann: Werkstofftechnik, Carl-Hanser-Verlag, München 1987, ISBN 3-446-14128-6
D.E. Garcia, J. Wendorff: „Fast firing of reaction-bonded aluminium oxide RBAO composites“ in Journal of Materials Science (Volume 30, Issue 20, pp 5121-5124) Januar 1995

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[1] Holz, D.: "Herstellung und Charakterisierung von reaktionsgebundenen Al2O3-Keramiken (RBAO - Verfahren) am Beispiel des Systems Al2O3 / ZrO2, Dissertation 1994, TUHH. VDI Verlag Düsseldorf (Fortschritt-Berichte VDI: Reihe 5, Grund- und Werkstoffe; 367)

[2] Holz, D.; Röger, M.: "Mechanical Properties of Reaction-Bonded Al2O3 / ZrO2 Composites", Ceram. Eng. Sci. Proc. Vol 15, No. 5 (1994) 651-658.

[3] Scheppokat, S.: "Reaktionsgebundener Mullit mit Nullschrumpfung auf Basis des Precursorsystems Al/Al2O3/SiC", Dissertation 1999, TUHH. VDI Verlag Düsseldorf, (Fortschritt-Berichte VDI: Reihe 5, Grund- und Werkstoffe; 552).

[4] Holz, D.: "Herstellung und Charakterisierung von reaktionsgebundenen Al2O3-Keramiken (RBAO - Verfahren) am Beispiel des Systems Al2O3/ZrO2, Dissertation 1994, TUHH. VDI Verlag Düsseldorf (Fortschritt-Berichte VDI: Reihe 5, Grund- und Werkstoffe; 367).