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Keramik

Ohne keramische Produkte ist unser modernes Leben kaum noch vorstellbar, oftmals haben wir es mit Keramik zu tun, ohne dass wir es bemerken. »Keramik« (griechisch = »Ton«) ist die Bezeichnung für alle durch einen Trocknungs- oder Sintervorgang hergestellten, anorganisch-nichtmetallischen Erzeugnisse. Die Herstellung von Keramik ist eine der ältesten menschlichen Kulturtechniken. Zur Herstellung werden feinkörnige tonige Rohstoffe (»Kaolinit«, »Illit« {Verwitterungsprodukte von Glimmern, Montmorillonit mit Quarz, Feldspat, Glimmer und Kalk) durch Wasser in einen plastischen Zustand versetzt, bei Raumtemperatur zu Gegenständen geformt und anschließend gebrannt. Durch diesen Herstellungsprozess bildet sich ein in der Regel dauerhafter Werkstoff, dessen Struktur aus feinen Kristallen besteht. Zwischen diesen Kristallen befinden sich häufig Poren und oftmals auch glasartige Bindesubstanzen. Ursprünglich gehörten zur Keramik nur vorwiegend aus Ton hergestellte Formkörper (Tonwaren) mit porösem beziehungsweise dichtem Scherben, die als Baustoffe oder Geschirr Verwendung fanden. Dabei unterscheidet man aufgrund der Korngröße zwischen:

• Grobkeramik mit Krongrößen > 0,1 mm (wie z.B. Ziegel, Klinker, Terrakotten, Steinzeug wie Kanalisationsrohre, säurefeste Steine, Feuerfestwerkstoffe wie Schamottsteine, Silikasteine, Magnesit- und Dolomiterzeugnisse). Bei diesen Produkten sind die Inhomogenitäten, d.h. die Poren, Kristalle, Körner, Glasbereiche und Ähnliches des keramischen Scherbens mit dem bloßen Auge zu erkennen.

• Feinkeramik mit Korngrößen bis 0,1 mm (z.B. Töpferwaren, Steingut, Porzellan). Bei diesen Materialien sind die Inhomogenitäten mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen.

Bezüglich der Verwendung wird unterschieden in:

• Baukeramik (z.B. Klinker),
• Geschirr- bzw. Haushaltskeramik,
• Sanitärkeramik (WC-Keramik),
• Kunstkeramik,
• Dentalkeramik und
• Schneidkeramik.

Daneben gibt es noch sonderkeramische Werkstoffe, die durch die Zugabe optimierter Komponenten bestimmte Eigenschaften erreichen (z.B. keramische Hochleistungsbremsen bei Sportwagen). Keramik ist als Werkstoff der Zukunft in seinen Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft, wie die Hochtemperatursupraleiter belegen, die aus Keramik bestehen. Die technische Keramik beschäftigt sich mit der Anwendung von keramischen Produkten im industriellen und technischen Bereich.

Archäologische Funde sind eine wichtige Erkenntnisquelle für die kulturelle Entwicklung der Menschheit. Volkskundler, Kunstgeschichtler, Ethnologen und Archäologen werten diese Funde aus, auch wenn es sich nur um Reste oder Bruchstücke von Gebrauchsgegenständen wie z.B. von Töpfen handelt. Durch die Einlagerung im Boden können Ton- oder sonstige keramische Scherben über lange Zeit erhalten bleiben.

Figurenfunde aus der Zeit des Jungpaläolithikums (Abschnitt der Altsteinzeit) und des Neolithikums (Jungsteinzeit) belegen die frühen Kenntnisse des Menschen über die Herstellung von keramischen Produkten. Anhand der Scherbenfunde mit unterschiedlichen Verzierungen kann eine zeitliche und räumliche Einordnung der Kulturepochen erfolgen, die sich danach in Bandkeramik, Becherkeramik, Schnurkeramik usw. unterteilen. In den frühen Hochkulturen wurden künstlerisch bedeutende Keramiken hergestellt, hier vor allem im Nordirak (Samarrakeramik, 6. Jahrtausend, weibliche Gesichtsgefäße, Schalen), im Südwestiran (Elam, 4. und 3. Jt.) und in Ägypten (Negadekultur, Anfang 4. Jt.).

Bereits im 4. Jahrtausend v.Chr. wurde die Töpferscheibe erfunden, wie entsprechende Funde in Mesopotamien belegen. Der Fußantrieb entstand um 3000 v.Chr. in Ägypten. Ebenfalls in Ägypten sind erste glasierte, grünblaue Keramiken gefunden worden, die im 3. Jt. in der Zeit der 18. Dynastie hergestellt worden sind. Aus der Zeit der Harappakultur (Pakistan, 4. bis 2. Jt.) stammen Terrakottastatuetten, die neben keramischen Gefäßen hergestellt wurden. Bereits im 2. Jt. v.Chr. war es möglich, gemusterte Gefäße mit Kalk herzustellen, wie Funde aus der minoischen Kulturepoche (2. Jahrtausend v.Chr.) belegen, in Kreta gab es zu dieser Zeit bereits kunstvolle farbige Keramiken, die berühmten Kamaresvasen. Im antiken Griechenland wurde die Vase entwickelt. Die Etrusker in Italien schufen ebenfalls Terrakottaplastiken (Sarkophagfiguren, Statuen, Bauplastik), die Römer schließlich entwickelten die Terra sigillata, eine rot gefirnisste Keramik, die ihre Blütezeit etwa um 40 v.Chr. bis 40 n.Chr. erlebte.

Angeregt durch die persische Tradition verbreiteten sich die Kenntnisse zur Herstellung von keramischen Produkten im gesamten islamischen Einzugsgebiet. Die Araber wiederum entwickelten die Lüsterglasur (u.a. mit Kupferoxid, belegt durch Funde in Samarra im heutigen Irak), die durch die Mauren im 9. Jh. n.Chr. nach Spanien kam und sich weiter nach Europa ausbreitete. Auch zinnglasierte Tonwaren (Fayencen) kamen über diesen Weg nach Europa. In Deutschland wurde die vergleichsweise primitive Hafnerware (Irdenware einfachen Brandes mit gefärbten Bleiglasuren, zum größten Teil handwerksmäßig hergestelltes Gebrauchs- und Ziergeschirr) und das Steinzeug erst im 17. Jh. n.Chr. durch Keramik verdrängt, die wiederum im 18. Jh. nach und nach durch Porzellan und Steingut ersetzt wurde.

Aufbauend auf einer langen keramischen Tradition entwickelte sich in Ostasien die Porzellanherstellung zu einer hohen Blüte, die Kenntnisse darüber gelangten erst sehr viel später nach Europa. Gefäße, seit dem 5. Jt. v.Chr. bekannt, erlebten eine Blüte im 3. Jt. v.Chr. (Yangshaokultur in Nordchina). Tönerne Wächterfiguren wurden für die unterirdische Grabanlage des Kaisers Shi Huangdi (210 v.Chr.) geschaffen. Die Keramik erlebte in der Songzeit einen künstlerischen Höhepunkt (Seladon). In Japan bildeten sich ebenfalls nach frühen Anfängen Keramikzentren heraus, in denen seit dem 13. Jh. n.Chr. zunächst unglasierte Gefäße hergestellt wurden. Durch die Schlichtheit der Form, die die Teezeremonie verlangte, stieg im 16. Jh. der Bedarf an glasierten Schalen, Teedosen u.a. von hohem künstlerischen Wert. In Kyoto begann die Herstellung des Raku-yaki, es handelt sich dabei um dickwandige Gefäße mit mehrfarbigen Bleiglasuren. Im 17. Jahrhundert entstand auf Kyushu durch koreanische Töpfer Karatsukeramik, einfache, weißlich oder dunkel glasierte Ware. Die farbig glasierte Keramik beeinflusste das Porzellan, das seit 1616 in Arita entstand.

Durch eine Hochtemperaturbehandlung werden Oxidkeramiken verfestigt. Da kein Quarz in den Rohstoffen enthalten ist, tritt im Herstellungsprozess auch keine glasige Bindephase auf. Ausgangsstoffe für Oxidkeramiken sind z.B. die Oxide des Magnesiums, des Aluminiums, des Berylliums oder andere Oxidmischungen. Die Vorteile dieser Oxidkeramiken sind ein sehr gutes Isoliervermögen, hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und große Härte, die Nachteile sind jedoch Sprödigkeit und damit Brüchigkeit. Angewendet werden Oxidkeramiken z.B. für Werkzeuge zum Schleifen und Schneiden von hartem Material, als Knochenersatz, als Halbleiter oder als Werkstoff im Reaktorbau.

Der Oxidkeramik nochmals weit überlegen sind die neuartigen Verbundwerkstoffe (»Cermets«, Abkürzung für englisch »ceramics« und »metals«), die hochtemperaturbeständig sind. Sie bestehen aus einer keramikverstärkten intermetallischen Verbindung, z.B. mit Siliciumcarbid verstärktes Molybdändisilicid. Gegenüber einer Aluminiumoxidkeramik ist die Festigkeit einer solchen Verbundkeramik um den Faktor 40 größer, und das bei Temperaturen zwischen 1200°C und 1800°C! Damit sind verbundkeramische Werkstoffe prädestiniert zum Einbau in Kfz-Motoren oder Flugzeugtriebwerken, Verwendung finden sie auch in der Fertigung von industriellen Heizelementen. Neben der sehr hohen Hitzebeständigkeit von bis zu 2800°C sind Verbundwerkstoffe aus Kohlefasern und Keramik leicht, mechanisch stabil und zudem bruchsicher. Damit können solche Werkstoffe auch in hochbelasteten Teilen von Düsentriebwerken und in Brennkammern eingesetzt werden, ebenso beim Bau von Flüssigtriebwerken für Raketen.

Die Glaskeramik zählt zur Gruppe der sonderkeramischen Werkstoffe, bei denen neben den Vertretern der amorphen Glasstrukturen kristalline Keramikstrukturen existieren. Dabei wird zunächst ein Glas mit kristallkeimbildenden Strukturen mit den üblichen glastechnischen Verfahren hergestellt und anschließend z.B. über Pressen oder durch Ziehen und Gießen geformt. Durch die nachträgliche gezielte Wärmebehandlung, die man als Tempern bezeichnet, wird das Glas teilweise feinstkörnig keramisiert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Glasphase ist positiv, der der keramischen Phase negativ. Durch eine Optimierung dieser beiden Phasen ist es möglich, dass Glaskeramiken über einen weiten Temperaturbereich keine Wärmeausdehnung zeigen, diese technisch sehr günstige Eigenschaft bezeichnet man als Nulldehnung. Bei Temperaturen bis zu 800°C ist damit eine unbegrenzte Temperaturwechselbeständigkeit gegeben, so dass solche Materialien z.B. bei Herdplatten (Ceran-Kochfeld), als Teleskopspiegelträger oder bei exakten Längenstandards eingesetzt werden.

Der Einsatzbereich von modernen Keramikprodukten erfolgt heute in nahezu allen technischen Disziplinen und Produkten:

• Maschinenbau,
• Elektrotechnik,
• Computertechnik,
• Hochtemperaturtechnik,
• Verfahrenstechnik,
• Kraftfahrzeugtechnik,
• Medizin und Medizintechnik,
• Luft- und Raumfahrttechnik,
• Elektronik und
• Kunsthandwerk.

siehe auch:
- Azulejos
- Fayence
- Feuerton
- Fliesen
- Fotofliesen
- Glas
- Industriekeramiker
- Kachel
- Majolika
- Steingut
- Steinzeug
- Terrakotta
- WC-Keramik