Bestimmte Industrieabfälle eignen sich nachweislich für die Herstellung von Mullitkeramik. Diese Abfälle sind reich an Metalloxiden wie Siliciumdioxid (SiO₂) und Aluminiumoxid (Al₂O₃). Dadurch bieten sie sich als Ausgangsmaterial für die Mullitkeramikherstellung an. Ziel dieses Übersichtsartikels ist es, verschiedene Herstellungsverfahren für Mullitkeramik unter Verwendung unterschiedlicher Industrieabfälle zusammenzutragen und zu bewerten. Der Artikel beschreibt außerdem die Sintertemperaturen und verwendeten chemischen Zusätze sowie deren Auswirkungen. Darüber hinaus werden die mechanische Festigkeit und die Wärmeausdehnung der aus verschiedenen Industrieabfällen hergestellten Mullitkeramiken verglichen.
Mullit, üblicherweise als 3Al₂O₃∙2SiO₂ bezeichnet, ist aufgrund seiner außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften ein hervorragender keramischer Werkstoff. Er zeichnet sich durch einen hohen Schmelzpunkt, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen sowie Beständigkeit gegen Temperaturschocks und Kriechen aus [1]. Diese außergewöhnlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften ermöglichen den Einsatz des Materials in Anwendungen wie Feuerfestmaterialien, Ofeneinrichtungen, Substraten für Katalysatoren, Ofenrohren und Hitzeschilden.
Mullit kommt als seltenes Mineral nur auf der schottischen Insel Mull vor [2]. Aufgrund seines seltenen Vorkommens in der Natur werden alle in der Industrie verwendeten Mullitkeramiken künstlich hergestellt. Umfangreiche Forschungsarbeiten befassen sich mit der Herstellung von Mullitkeramiken aus verschiedenen Vorläufermaterialien, entweder aus Chemikalien in Industrie-/Laborqualität [3] oder aus natürlich vorkommenden Aluminosilicatmineralien [4]. Die Kosten dieser Ausgangsmaterialien sind jedoch hoch, da sie synthetisiert oder abgebaut werden müssen. Seit Jahren suchen Forscher daher nach wirtschaftlichen Alternativen zur Synthese von Mullitkeramik. In der Literatur wurden bereits zahlreiche Mullit-Vorläufer aus Industrieabfällen beschrieben. Diese Industrieabfälle weisen einen hohen Gehalt an wertvollem Siliciumdioxid und Aluminiumoxid auf, den essentiellen chemischen Verbindungen für die Herstellung von Mullitkeramik. Weitere Vorteile der Verwendung dieser Industrieabfälle sind die Energie- und Kosteneinsparungen, wenn die Abfälle recycelt und als Konstruktionswerkstoff wiederverwendet werden. Darüber hinaus kann dies zur Reduzierung der Umweltbelastung und zur Steigerung des wirtschaftlichen Nutzens beitragen.
Um zu untersuchen, ob sich reine Elektrokeramikabfälle zur Synthese von Mullitkeramik eignen, wurden reine Elektrokeramikabfälle, vermischt mit Aluminiumoxidpulver, und reine Elektrokeramikabfälle als Rohmaterialien verglichen. Die Auswirkungen der Rohmaterialzusammensetzung und der Sintertemperatur auf die Mikrostruktur und die physikalischen Eigenschaften der Mullitkeramik wurden untersucht. Die Phasenzusammensetzung und die Mikrostruktur wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Mullitgehalt mit steigender Sintertemperatur zunimmt und gleichzeitig die Schüttdichte steigt. Da als Rohmaterial reiner Elektrokeramikabfall verwendet wird, ist die Sinteraktivität höher, der Sinterprozess beschleunigt und die Dichte erhöht. Wird Mullit ausschließlich aus Elektrokeramikabfall hergestellt, sind Schüttdichte und Druckfestigkeit am höchsten, die Porosität am geringsten und die physikalischen Eigenschaften insgesamt am besten.
Angetrieben vom Bedarf an kostengünstigen und umweltfreundlichen Alternativen, wurden in zahlreichen Forschungsarbeiten verschiedene Industrieabfälle als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Mullitkeramik verwendet. Die Verarbeitungsmethoden, Sintertemperaturen und chemischen Zusätze wurden untersucht. Das traditionelle Verfahren, bei dem der Mullitvorläufer gemischt, gepresst und reaktiv gesintert wird, war aufgrund seiner Einfachheit und Kosteneffizienz das am häufigsten angewandte Verfahren. Obwohl mit diesem Verfahren poröse Mullitkeramik hergestellt werden kann, lag die scheinbare Porosität der resultierenden Keramik Berichten zufolge unter 50 %. Im Gegensatz dazu konnte durch Gefriergießen hochporöse Mullitkeramik mit einer scheinbaren Porosität von 67 % hergestellt werden, selbst bei einer sehr hohen Sintertemperatur von 1500 °C. Es wurde eine Übersicht über die Sintertemperaturen und die verschiedenen chemischen Zusätze erstellt, die bei der Mullitherstellung verwendet werden. Für die Mullitherstellung ist eine Sintertemperatur von über 1500 °C wünschenswert, da die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Al₂O₃ und SiO₂ im Vorläufermaterial bei dieser Temperatur höher ist. Ein zu hoher Siliciumdioxidgehalt, bedingt durch Verunreinigungen im Vorläufermaterial, kann jedoch während des Hochtemperatursinterns zu Verformungen oder zum Schmelzen der Probe führen. Als chemische Zusätze zur Senkung der Sintertemperatur wurden CaF₂, H₃BO₃, Na₂SO₄, TiO₂, AlF₃ und MoO₃ beschrieben, während V₂O₅, Y₂O₃-dotiertes ZrO₂ und 3Y-PSZ die Verdichtung von Mullitkeramiken fördern können. Die Dotierung mit chemischen Zusätzen wie AlF₃, Na₂SO₄, NaH₂PO₄·2H₂O, V₂O₅ und MgO unterstützt das anisotrope Wachstum der Mullit-Whisker, was wiederum die Festigkeit und Zähigkeit der Mullitkeramik erhöht.
Veröffentlichungsdatum: 29. August 2023