Quelltext der Seite Holzkeramik

[[Datei:Keramik auf Vollholzbasis.jpg|mini|Keramik auf Vollholzbasis]]
'''Holzkeramik''' bezeichnet [[Keramik]]en auf der Basis von Holz, die technisch hergestellt werden und auf dem Prinzip der [[Verkieselung]] beruhen. Als Ausgangsmaterial dient Holz, das im Gegensatz zu vielen künstlich hergestellten Materialien eine komplexe [[Gefüge (Werkstoffkunde)|Mikrostruktur]] besitzt, in großer Menge vorhanden und erneuerbar ist.<ref name=":2">{{Literatur |Autor=Yongsoon Shin, Chongmin Wang, Gregory J. Exarhos |Titel=Synthesis of SiC Ceramics by the Caarbothermal Reduction of Mineralizes Wood with Silicia |Sammelwerk=Advanced Materials |Band=17 |Nummer=1 |Verlag=WILEY-VCH GmbH & Co KGaA |Datum=2005-01 |Seiten=73-77}}</ref> Neben der Verwendung von Vollholz können auch [[Holzwerkstoff]]e und [[Verbundwerkstoff]]e als Ausgangsmaterial zum Einsatz kommen.

== Herstellung ==
Der Herstellungsprozess einer auf Holz basierenden Keramik gliedert sich in mehrere Stufen.

# schonende [[Holztrocknung]], um Rissbildung im [[Holz]] zu verringern bzw. zu verhindern
# [[Pyrolyse]] bei bis zu 1000 °C, wobei die [[Cellulose]], die [[Hemicellulose]] und das [[Lignin]] abgebaut werden und ein [[Kohlenstofftemplat]] entsteht.
# Infiltration von flüssigem oder gasförmigem [[Silicium]]<ref name=":0" />

[[Datei:Verschiedene Wege der Herstellung biomorpher Keramiken .png|mini|Die verschiedenen Wege zur Herstellung biomorpher Keramiken<ref name=":0">{{Literatur |Autor=J. Ramirez-Rico, J. Martinez-Fernandez, M. Singh |Titel=Biomorphic ceramics from wood-derived precursors |Sammelwerk=International Materials Reviews |Band=62 |Nummer=8 |Datum=2017 |Seiten=465-485}}</ref> ]]

=== Holzpyrolyse ===
Holz besteht zu ca. 50 % aus Kohlenstoff, der in lange [[Cellulose]]- und [[Hemicellulose]]ketten eingebunden ist. Diese Ketten werden durch das [[Lignin]] verbunden und zusammengehalten und bilden die Zellstruktur des Holzes. Das Separieren des Kohlenstoffs aus dem Holzgefüge erfolgt durch die thermische Zersetzung des Holzes.<ref name=":1" />

Die thermische Zersetzung erfolgt unter Ausschluss von [[Sauerstoff]] in einer [[Inertgas|inerten]] Atmosphäre wie [[Stickstoffdioxid]] oder [[Argon]]. Je 1&nbsp;°C/min wird das [[Holz]] bis auf 400–500 °C erhitzt. Bei 200–260 °C wird zuerst die [[Hemicellulose]] thermisch zersetzt und abgebaut, gefolgt von der Cellulose bei 240–350 °C. Zuletzt findet ein Abbau des Lignings bei Temperaturen zwischen 280 und 500 °C statt. Diese langsame Erwärmung ist notwendig, damit die entstehende Gase der abgebauten chemischen Holzkomponenten langsam aus den Poren des Holzes entweichen können. Ansonsten könnte der entstehende Druck das Holz aufbrechen und unbrauchbar machen. Bei Erreichung der 500-°C-Grenze wird in einer Geschwindigkeit von 10–20 °C/min die Temperatur auf ca. 800 °C erhöht. Dieser langsame Prozess der thermischen Zersetzung des Holzes ermöglicht hohe Kohlenstoffausbeuten von 25–30 Gewichtsprozent des Ausgangsgewichts. Das durch die [[Pyrolyse]] entstehende [[Kohlenstofftemplat]], welches den meisten biomorphen Keramiken als Ausgangsmaterial dient, ist eine 1:1-Kopie des Holzkörpers, d.&nbsp;h. die Mikrostruktur, sowie jeder kleinste Riss im Holz spiegelt sich im Templat wider.

Während der [[Pyrolyse]] findet eine starke Schwindung in tangentialer, radialer und longitudinaler Richtung statt, sodass das Endprodukt kleinere Maße besitzt als der Ausgangskörper.<ref name=":0" />

=== Flüssiginfiltrierung (solide SiC/Si-Keramik) ===
Die häufigste Methode ist die Infiltrierung des [[Silicium]]s in flüssiger Form, d.&nbsp;h. das Silicium wird in einem [[Vakuum]] bis zu seinem [[Schmelzpunkt]] (>1450 °C) erhitzt und in das [[Kohlenstofftemplat]] gebracht. Durch [[Kapillareffekt]]e dringt das flüssige Silicium in das Templat ein, wo es spontan und [[Exotherme Reaktion|exothermisch]], also unter Freigabe von Energie, mit den Kohlenstoffatomen reagiert. Neben der Bindung des Siliciums mit dem [[Kohlenstoff]] des Kohlenstofftemplates, reichert sich das flüssige Silicium in den Poren, die <50&nbsp;µm im Durchmesser sind an, sodass eine solide SiC/Si-[[Keramik]] entsteht.

Der Gehalt an Silicium, [[Siliciumcarbid]] und Kohlenstoff im Templat, sowie die Verteilung des Siliciums in den Poren, hängt dabei von der Verarbeitung, der Menge des eingebrachten Siliciums und von der Form und Mikrostruktur des Holzkörpers ab.<ref name=":0" />

Um die Porenstruktur des Ausgangskörpers zu erhalten, wird das Silicium mittels [[Salpetersäure]] und [[Fluorwasserstoff]] aus den Porenräumen entfernt.

<chem>3Si + 4HNO3 -> 3SiO2 + 4NO + 4H2O</chem>

<chem>SiO2 + 4HF -> SiF4 + 2H2O </chem>

Die Porosität des Körpers ist nach dieser Methode jedoch nur ähnlich der des Ausgangskörpers, da sich aufgrund der Volumenausdehnung während der Infiltration des flüssigen Siliciums die Poren mit einem Durchmesser <1 µm geschlossen haben.

=== Gasinfiltrierung (poröse SiC-Keramik) ===

Bei der Gasinfiltrierung wird das Silicium gasförmig in das, zuvor durch Pyrolyse hergestellte [[Kohlenstofftemplat]] gebracht, wodurch eine poröse [[Keramik]] entsteht, d.&nbsp;h. das Silicium reichert sich nur an den freien Kohlenstoffatomen an und der Porenraum bleibt frei.<ref name=":2" /><ref name=":0" />

Die chemische Umsetzung kann unter anderem durch den Einsatz von [[Silicium]]dampf (a), [[Siliciummonoxid]] (b) oder durch [[Trichlormethylsilan]] (c) erfolgen.<ref name=":0" />

a) <chem>C(s) + Si(g)-> SiC</chem>

b) <chem>2C + SiO -> SiC + CO</chem>

c) <chem>C + (1+x)CH3SiCl3 + 2H2 -> SiC + xSiC + 3(1+x)HCl + CH4</chem>

=== Infiltrierung von Siliciumdioxid oder TEOS (poröse SiC-Keramik) ===

Die dritte Möglichkeit der Herstellung von biomorphen Keramiken beruht auf der Infiltration einer [[Siliciumdioxid]]-[[Sole]] oder eines [[Tetraethylorthosilicat]]-Gels (kurz TEOS). Anschließend findet unter hohen Temperaturen und in einer [[Inertgas|inerten Atmosphäre]] eine carbothermische [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] statt. Die entstehende SiC-Keramik ist porös, jedoch aufgrund der rauen Oberfläche innerhalb der Porenstruktur von den anderen porösen SiC-Keramiken zu unterscheiden.<ref name=":0" />

== Eigenschaften ==

Die mechanischen Eigenschaften schwanken stark zwischen den eingesetzten Ausgangsmaterialien und sind abhängig von der Porosität und Mikrostruktur der Keramiken. So weist eine solide Keramik auf [[Buchenholz]]basis ein deutlich höheres [[Elastizitätsmodul|E-Modul]] auf als eine auf [[Roteiche]]nholz basierende poröse Keramik. Auch die [[Druckfestigkeit|Druck-]] und [[Biegefestigkeit]]en stehen in Abhängigkeit von der Porosität und der als Ausgangsmaterial eingesetzten Holzart.

Im Allgemeinen weisen auf Holzbasierende Keramiken folgende Eigenschaften auf:
* Hohe [[Verschleiß|Abräsionsbeständigkeit]]
* Hohe Härte ([[Härte|Mohssche Härte]] von 9,6)
* Hohe chemische und thermische Beständigkeit (Temperaturwechselbeständigkeit >1000 K/s)

Solide SiC/Si-Keramiken weisen bei [[Raumtemperatur]] die besten mechanischen Eigenschaften auf. Abhängig von der [[Holzart]], welche als Ausgangsmaterial gewählt wurde, liegt die [[Druckfestigkeit]] in axialer Richtung zwischen 1100 und 1400 MPa. Senkrecht zur Hauptachse sind die Druckfestigkeiten deutlich geringer und liegen zwischen 100 und 500 MPa.

Poröse Keramiken, welche mittels Dampfinfiltririerung auf Basis von Buchen- und [[Kiefernholz]]hergestellt wurden, haben in axialer Richtung [[Druckfestigkeit]]en von bis zu 80 MPa.<ref name=":1">{{Literatur |Autor=A.R. de Arellano-López, J. Martínez-Fernández, P. González, C. Domínguez, V. Fernández-Quero, M. Singh |Titel=Biomorphic SiC: A New Engineering Ceramic Material |Sammelwerk=International Journal of applied ceramic technology |Nummer=1 |Datum=2004 |Seiten=56-67}}</ref>

== Verwendungsmöglichkeiten ==

Die verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten beruhen auf den einzigartigen Eigenschaften der biomorphen Keramiken. Die Mikrostruktur des Holzes spielt bei dabei eine wichtige Rolle.

Die porösen Keramiken eignen sich aufgrund ihrer Porosität und der großen inneren Oberfläche besonders als [[Katalysator]]träger, vor allem für [[Hochtemperaturreaktor|Hochtemperaturreaktionen]] wie der katalytischen Verbrennung von [[Wasserstoff]]. Diese vaskulären Eigenschaften spielen auch in der Medizin eine wichtige Rolle, wo poröse biomorphe Keramiken für Implantate eingesetzt werden könnten, da sie einerseits die notwendigen Festigkeiten aufweisen und andererseits nicht [[Zytotoxizität|zytotoxisch]] und [[Biokompatibilität|biokompatibel]] sind. Aufgrund der enormen Hitzebeständigkeit können sie auch im Bereich von [[Mikroreaktionstechnik|Mikroreaktoren]], Luftreinigungsanlagen für Hochtemperaturabgase oder [[Wärmetauscher]]n eingesetzt werden.<ref name=":0" />

== Literatur ==
<references responsive />

[[Kategorie:Keramik]]
[[Kategorie:Holzwerkstoff]]
[[Kategorie:Verbundkeramik]]