Glaskeramik

Glaskeramik ist weder eine typische Keramik noch ein gewöhnliches Glas. Die wohl bekannteste Verwendung des interessanten Materials (insbesondere unter dem Handelsnamen „Ceran“) sind Kochfelder (Abb. 1a).

Eigenschaften von Glaskeramik

Glaskeramik ist die allgemeine Werkstoffbezeichnung für ein ganz spezielles Glas, das eine hohe Durchlässigkeit für Wärmestrahlung, eine geringe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe
Temperaturwechselbeständigkeit aufgrund des geringen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Einige Glaskeramiken haben auch gute dielektrischen Eigenschaften (für elektronische Anwendungen) und gute Biokompatibilität. Sie können transpatent als auch opak sein. Glaskeramiken sind feinkörnige Werkstoffe, die aus einer polykristallinen und einer glasigen amorphen Phase bestehen.

                         Abb. 1 Glaskeramik a) Anwendung für ein Kochfeld, b) Herstellung (schematisch)

Herstellung von Glaskeramik

Bei den meisten anorganischen Gläsern lässt sich durch eine geeignete Wärmebehandlung ein teilweiser Übergang vom nichtkristallinen in den kristallinen Zustand erzielen. Der erste Schritt bei der Herstellung von Glaskeramiken (Abb. 1b) ist die Formgebung im Glaszustand. Die vorteilhaften konventionellen Formgebungstechniken aus der Glasverarbeitung können zur Massenproduktion von Produkten genutzt werden.

Die Umwandlung des Glases in eine Glaskeramik wird durch Wärmebehandlung erzielt. Nach dem Schmelzen und Formen erfolgt die Keimbildungs- und Kristallwachstumsphase jeweils isotherm bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Während dieser Herstellung wachsen in einem Glas mit Keimbildnern gesteuerte Kristallite, d.h. es erfolgt teilweise Kristallisation, sogenannte Keramisierung. Dieser teilkristalline Zustand verleiht dem Glas andere Eigenschaften, als es sie normalerweise hat. Dieser Anteil sowie die Größe und auch die Form der Kristallite lassen sich über das Temperaturprofil einstellen. Durch die chemische Zusammensetzung der Schmelze und in gewissem Maße durch die Temperbehandlung kann sogar die Kristallstruktur vorgegeben werden. Somit ist der gesamte mikroskopische Aufbau des Werkstoffs, anders als bei Sinterkeramiken, unabhängig von Formgebung und Verdichtung steuerbar.

Glaskeramiksysteme

Je nach Ausgangsstoffen gibt es viele verschiedene glaskeramische Systeme. Für das mit Abstand bedeutendste System werden als Hauptbestandteile Lithiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid verwendet. Dieses für die glaskeramische Industrie wichtigste System wird auch als LAS-System bezeichnet und existiert in vielen Abwandlungen. Das LAS-System ist besonders temperaturbeständig, und hält auch Temperaturschocks (bis zu 750 °C Temperaturunterschied) besonders gut stand. In der Ausgangsform hat das Material einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Für die Anwendung als Glaskeramik beispielsweise bei Kochfeldern ist das Material so eingestellt, dass es in den dort auftretenden Temperaturbereichen weder eine Ausdehnung noch eine Zusammenziehung erfährt. Ohne Wärmeausdehnung bleibt das Material bei Hitze stabil. Durch das Mengenverhältnis der Glasphase zur Kristallphase kann der Wärmeausdehnungskoeffizient einer Glaskeramik an verschiedene Anforderungen angepasst werden.

Vergleich mit Keramik und Glas

Kommen wir nun zurück zu den anfänglichen Aussagen. Warum ist die Glaskeramik keine typische Keramik? Keramiken werden sintertechnisch hegestellt, Glaskeramiken dagegen aus der Schmelze.

Warum ist Glaskeramik kein gewöhnliches Glas? Glas ist ein amorpher Stoff, Glaskeramik ist nicht vollständig amorph. Sie kann als Verbundstoff aus Glas und Kristallen angesehen werden. Bedingt durch die Herstellung wird die Glaskeramik jedoch zu den Gläsern gezählt.

Eignung von Glaskeramik für Kochfelder

Warum ist die Glaskeramik so gut für Kochfelder geeignet?
Die ersten schwarzen Glaskeramik-Kochfelder wurden 1971 von Schott vorgestellt und lösten seine Revolution in der Küche aus. Glatte und porenfreie Platten aus Glaskeramik haben eine hohe Durchlässigkeit für Wärmestrahlung. Mit anderen Worten hat Glaskeramik eine geringe Dämpfungskonstante für Teile des infraroten Spektrums. In Verbindung mit der elektrischen Strahlungsbeheizung kann dadurch die Hitze des Kochfelds direkt auf den Boden eines Kochgefäßes geleitet werden. Hierfür wird ein unterhalb der Glaskeramik angeordneter Heizwiderstand aufgeheizt. Die von dem Heizelement ausgesandte infrarote Wärmestrahlung tritt durch die infrarotdurchlässige Glaskeramik und heizt den Boden des Topfes oder der Pfanne auf. Die Kochfläche lässt die Heizenergie fast ohne Wärmeverlust an das Kochgefäß. Die Wärme wird wesentlich schneller und effizienter übertragen. Der größte Teil der Wärmeübertragung geschieht dabei durch Wärmestrahlung anstelle von Wärmeleitung (wie das bei Stahl-Herdplatten der Fall ist). Da die Wärmeleitfähigkeit von Glaskeramik sehr gering ist, bleibt der Bereich neben der Kochstelle kalt.

So kann das zusammenhängende Kochfeld aus Glaskeramik in mehrere einzeln schaltbare Zonen unterteilt werden, die sich kaum gegenseitig beeinflussen und an verschieden große Topfböden angepasst sind. Neben den klassischen Glaskeramik-Kochfeldern werden auch Grillgeräte, Kochmulden oder die Frontscheiben von Kaminöfen aus Glaskeramik gefertigt.

Andere Anwendungen von Glaskeramik

Übrigens wurde die Glaskeramik ursprünglich nicht für Kochfeldern sondern für Spiegelträger von astronomischen Teleskopen entwickelt und ist dort seit Jahrzehnten weiter im Einsatz.

Neben des Haushaltsbereichs gibt es vielfältige Anwendungen von Glaskeramik z. B. als Material für Lasergyroskope oder als Schutzgläser mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit. In Laboratorien haben Glaskeramikplatten Asbestdrahtnetze als Unterlage beim Erhitzen abgelöst.
Bekannt sind Produktnamen wie Ceran und KeraBlack im Bereich Kochfelder und Zerodur für Teleskop-Spiegelträger sowie die der transparenten Glaskeramik Robax und Pyroceram für Kaminsichtscheiben, ebenso wie Firelite und Neoceram.<<

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