Mikrostruktur und Eigenschaften keramischer Formmassen ... - OPUS

8 Grundlagen
3.2.3 Reaktionen im Stoff-System Al2O3-SiO2-Na2O
SiO2 (Binder)
Vor dem Brennen der Formschale liegt das SiO2 in amorpher Form vor. Bild 3.5
skizziert die Umwandlungen von Siliziumoxid nach heutigem Wissensstand, wobei
Tridymit nur bei Verunreinigungen im SiO2 auftritt, das ansonsten bei ca. 1025 °C
in Hochcristobalit (�) übergeht /MAT93/, /SAL82/. Diese irreversiblen und
displaziven Umwandlungen verlaufen träge, wohingegen die Hoch-/Tieftemperatur-Modifikationsänderungen
(�-�) reversibel und spontan ablaufen.
irreversibel/
rekonstruktiv
SiO2 amorph
�-Quarz
(Silika)
870 °C
reversibel/
displaziv
573 °C
�-Quarz
> 1000 °C
��Tridymit 1470 °C
160 °C
��Tridymit
120 °C
��Tridymit
reversibel/
displaziv
�-Cristobalit
1713 °C
Schmelze
230 °C
�-Cristobalit Kieselglas
Bild 3.5: SiO2: Phasen und Umwandlungstemperaturen nach /PET92/ und /HEI77/.
Die diffusionsgesteuerte Kristallisation von SiO2-Gel korreliert mit der Viskosität
und ist daher nicht nur temperatur- sondern auch zeitabhängig /SHO88/. Je nach
gewählten Parametern kann die SiO2-Binderphase der Formschale nach dem
Sinterbrand bei ca. 1000 °C bis 1200 °C amorph oder kristallin oder in beiden
Modifikationen nebeneinander vorliegen /MEU99/, ROT99/.
Neben der Temperatur- und Zeitabhängigkeit wird das Umwandlungsverhalten
des SiO2-Binders von der Zusammensetzung beeinflusst (Tabelle 3.1). Die
Cristobalitbildung verläuft in verunreinigter Kieselsäure aufgrund der strukturellen
Ähnlichkeit schneller als im reinen Kieselgel /FLÖ61/. Die Bildungsreaktion ist
oberflächengesteuert, d. h. die Kristallisation erfolgt von der Oberfläche der
amorphen SiO2-Bereiche in diese hinein /KNI96/. Bei Abkühlung durchläuft
Cristobalit die Modifikationsänderung vom kubischen Hoch- zum tetragonalen
Tiefcristobalit, die mit einer Volumenschrumpfung von ca. 2,8% verbunden ist
/MAT93/, /PET92/, /MAJ88/. Beim Brennvorgang zunächst gebildeter Tridymit
wandelt sich bei erneutem Aufheizen in Cristobalit um /MEU99/.
Tabelle 3.1: Phasenumwandlungen von SiO2 in Silika-Solen nach /WAN92/.
Zusammensetzung Umwandlungstemperatur
SiO2-rein 1500
SiO2 + 30 Gew.-% Al2O3
1000
SiO2 + 0,15 Mol Na2O 950
SiO2 + 0,15 Mol Na2O+ 2 Gew.-% Al2O3 > 1100
irreversibel/
rekonstruktiv
Die Anwesenheit des Alkalioxids Na2O begünstigt die Glasbildung im amorphen
SiO2-Binder /SHO88/. Es senkt die Viskosität in SiO2-Glasschmelzen und