Mikrostruktur und Eigenschaften keramischer Formmassen ... - OPUS

10 Grundlagen
Es wird von einem metastabilen Eutektikum bei ca. 1300 °C ausgegangen, wo
eine Alumosilikatschmelze mit Mullit koexistiert /RIS77/, /SMÜ94/. Nicht eindeutig
geklärt ist, ob Mullit kongruent (1850 °C) oder inkongruent (1810 °C) schmilzt.
Eine Übersicht der Reaktionsprodukte und Materialtransportmechanismen im
reinen System Al2O3-SiO2 in Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsmaterialien
wird bei /WEI89/ gegeben. Die Mullitreaktivität ist abhängig von der
verfügbaren freien Oberfläche und somit in Pulvern höher als in kompaktem
Material. Die Reaktion von SiO2 und Al2O3 zu Mullit erfolgt unter Volumenzunahme
(1,3-2,7 Vol.-% bei Umsetzung als Pulver vorliegender Edukte bedingt
durch die geringere Dichte des Reaktionsproduktes bezüglich der Edukte
/MEC98/). In der Literatur wird eine Vielzahl von Mechanismen wie Fest-Fest-
Reaktionen, Flüssig-Fest-Reaktionen und die Kombination aus beiden Mechanismen
beschrieben (Bild 3.7).
Typ 1 Typ 2a
Stofftransport vorwiegend Inter-Diffusion von
SiO 2 in Al 2 O 3 an Korngrenzen
Reaktionstyp Fest-Fest
Fest-Flüssig (SiO 2 )
Mechanismus zonarer Aufbau mit Konzen-
C Si
trationsgradient (C Si / C Al ) Typ 2b
SiO 2
SiO 2
Mullit
Mullit
Al 2O 3
Al 2O 3
Stofftransport vorwiegend Diffusion von Al2O3 in SiO2 Reaktionstyp Fest-Fest / Fest-Flüssig (SiO2 )
Mechanismus Bildung von Mullit aus SiO2 bei Temperaturerniedrigung
Stofftransport vorwiegend Auflösen
von Al 2O 3 in SiO 2
Reaktionstyp Fest-Flüssig (SiO 2 )
Mechanismus Ausscheidung von Mullit aus SiO 2
isotherm bei Übersättigung aufgrund
metastabilen Eutektikums
SiO 2
Mullit
Al 2 O 3
Bild 3.7: Schematische Darstellung der möglichen Grundtypen des Mullitreaktionsmechanismusses
nach /MEC98/, /LIU94,/ /SMÜ94/, /HO94,/ /WEI89/, /WEI81/, /GRF61/.
Fest-Fest-Reaktion: Da die Beweglichkeit der Atome eingeschränkt und thermisch
aktivierte Platzwechselvorgänge erforderlich sind, verlaufen Festkörperreaktionen
nur an Grenzflächen und träge. Der Reaktionsprozess ist diffusionskontrolliert.
Im Mehrkomponentensystem Cr2O3, SiC, Al2O3 wird Mullit durch die
Diffusion von SiO2 in Al2O3 gebildet /HO94/. Bei der Mullitfestkörperreaktion der
reinen Ausgangsoxide SiO2 und Al2O3 oder der thermischen Zersetzung von
Alumosilikaten haben Prozesstemperatur und Haltedauer sowie oxidische Zusätze
Einfluss auf die Größe und spezifische Oberfläche der Kristalle, nicht aber auf die
Menge des gebildeten Mullits /GRF61/.
Fest-Flüssig-Reaktion: Im Gegensatz zu Fest-Fest-Reaktionen können Fest-
Flüssig-Reaktionen spontan und schnell verlaufen. Während der diffusionskontrollierten
Hochtemperaturreaktion in Festkörpern ist die Al-Diffusion für eine