{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:2095"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:2095","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Entwicklung hochfester Net shape Oxidkeramiken im System Al2O3-SiO2-ZrO2","abstract":"Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Reaktionssinterprozess für die
Herstellung von dichtgesinterten Oxidkeramiken im System
Al2O3-SiO2-ZrO2 entwickelt, bei dem als reaktive
Komponenten anstatt der reinen Metalle intermetallische Verbindungen
wie ZrAl3, ZrSi2 und Zr2Si verwendet werden.
Während des Reaktionssinterns in Umgebungsluft werden die
intermetallischen Verbindungen zu ZrO2, Al2O3 und SiO2
oxidiert. Das neu gebildete Al2O3 reagiert mit SiO2 zu Mullit
(3Al2O3.2SiO2). Die Oxidationsreaktionen und die
Mullitbildung sind jeweils mit einer Volumenvergrößerung verbunden,
die den Sinterschwund vollständig kompensieren kann. Um die
Verdichtungseigenschaften der Ausgangspulvermischungen zu verbessern,
wurde zusätzlich ein Si-Harz als so genannter low loss Binder
verwendet. Im Vergleich zu konventionellen Bindern werden diese nicht
vollständig ausgebrannt, sondern nach der Pyrolyse verbleibt ein
keramischer Rückstand, was den Sinterschwund ebenfalls verringert.
Durch den relativ hohen Gehalt an organischem Binder ist eine
Bearbeitung im Grünzustand möglich. Daher können auch in einem für die
Mikrosystemtechnik relevanten Dimensionsbereich komplex geformte
Grünkörper hergestellt werden, die durch den Reaktionsbindeprozess
exakt wiedergegeben werden. Durch eine Variation des
Zr/Al/Si-Verhältnisses sind verschiedene Phasenzusammensetzungen in
dem ternären Oxidsystem Al2O3-SiO2-ZrO2 herstellbar.
Es wurden verschiedene Keramiken in den Systemen Al2O3-ZrO2,
Mullit-ZrO2 und Al2O3-Mullit-ZrO2 hergestellt und
charakterisiert. Der Reaktionssinterprozess wurde mit thermischen
Analysemethoden (TG/DSC) und der Dilatometrie untersucht. Außerdem
wurde die Phasenentwicklung während des Reaktionssinterns anhand von
Röntgenpulverdiffraktogrammen quantitativ bestimmt. Aufgrund einer
dichten Mikrostruktur weisen reaktionsgesinterte Mullit-ZrO2
(45/55 Vol.-%) Keramiken biaxiale Festigkeiten von 630 MPa auf.
Dreiphasige reaktionsgesinterte Al2O3-Mullit-ZrO2
(25/45/30 Vol.-%) Keramiken zeigen vergleichbare Festigkeiten von
635 MPa. Die höchsten Festigkeiten von 780 MPa zeigen
reaktionsgesinterte Al2O3-ZrO2 (62/38 Vol.-%) Keramiken,
bei denen der Sinterschwund jedoch nicht vollständig kompensiert
werden kann.
Das Oxidationsverhalten von ZrAl3-Pulver, das ein Hauptbestandteil
der Grünkörper ist, wurde thermogravimetrisch untersucht.
Nichtisotherme und isotherme TG-Messungen wurden in einer
multivariaten nichtlinearen Regressionsanalyse ausgewertet, um ein
geeignetes Zeitgesetz zu finden, das den Umsatz des ZrAl3-Pulvers
über ein weites Temperatur-Zeit-Umsatz-Feld beschreiben kann. Mit den
ermittelten kinetischen Parametern wurde ein eindimensionales Modell
für die Oxidation von ZrAl3-Grünkörpern aufgestellt, das zusätzlich
noch die Abhängigkeit der Gesamtreaktionsrate von der Diffusion des
gasförmigen Sauerstoffes durch die poröse Feststoffmatrix und die
Wechselwirkung von Energie- und Massenbilanzen berücksichtigt.
Schließlich wurden erste Versuche zur Mikroformgebung durch Prägen und
spanabhebende Mikrostrukturierung kaltisostatisch verdichteter
Grünkörper durchgeführt, die das Potential dieses Formgebungsverfahren
für die entwickelten reaktionsgesinterten Keramiken aufzeigen.
Mögliche Anwendungsfelder dieser Strukturkeramiken sind in der
Mikrosystemtechnik und der Dentaltechnik zu finden.","abstract_html":"Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Reaktionssinterprozess für die <br>Herstellung von dichtgesinterten Oxidkeramiken im System <br>Al2O3-SiO2-ZrO2 entwickelt, bei dem als reaktive <br>Komponenten anstatt der reinen Metalle intermetallische Verbindungen <br>wie ZrAl3, ZrSi2 und Zr2Si verwendet werden. <br> <br>Während des Reaktionssinterns in Umgebungsluft werden die <br>intermetallischen Verbindungen zu ZrO2, Al2O3 und SiO2 <br>oxidiert. Das neu gebildete Al2O3 reagiert mit SiO2 zu Mullit <br>(3Al2O3.2SiO2). Die Oxidationsreaktionen und die <br>Mullitbildung sind jeweils mit einer Volumenvergrößerung verbunden, <br>die den Sinterschwund vollständig kompensieren kann. Um die <br>Verdichtungseigenschaften der Ausgangspulvermischungen zu verbessern, <br>wurde zusätzlich ein Si-Harz als so genannter low loss Binder <br>verwendet. Im Vergleich zu konventionellen Bindern werden diese nicht <br>vollständig ausgebrannt, sondern nach der Pyrolyse verbleibt ein <br>keramischer Rückstand, was den Sinterschwund ebenfalls verringert. <br>Durch den relativ hohen Gehalt an organischem Binder ist eine <br>Bearbeitung im Grünzustand möglich. Daher können auch in einem für die <br>Mikrosystemtechnik relevanten Dimensionsbereich komplex geformte <br>Grünkörper hergestellt werden, die durch den Reaktionsbindeprozess <br>exakt wiedergegeben werden. Durch eine Variation des <br>Zr/Al/Si-Verhältnisses sind verschiedene Phasenzusammensetzungen in <br>dem ternären Oxidsystem Al2O3-SiO2-ZrO2 herstellbar. <br> <br>Es wurden verschiedene Keramiken in den Systemen Al2O3-ZrO2, <br>Mullit-ZrO2 und Al2O3-Mullit-ZrO2 hergestellt und <br>charakterisiert. Der Reaktionssinterprozess wurde mit thermischen <br>Analysemethoden (TG/DSC) und der Dilatometrie untersucht. Außerdem <br>wurde die Phasenentwicklung während des Reaktionssinterns anhand von <br>Röntgenpulverdiffraktogrammen quantitativ bestimmt. Aufgrund einer <br>dichten Mikrostruktur weisen reaktionsgesinterte Mullit-ZrO2 <br>(45/55 Vol.-%) Keramiken biaxiale Festigkeiten von 630 MPa auf. <br>Dreiphasige reaktionsgesinterte Al2O3-Mullit-ZrO2 <br>(25/45/30 Vol.-%) Keramiken zeigen vergleichbare Festigkeiten von <br>635 MPa. Die höchsten Festigkeiten von 780 MPa zeigen <br>reaktionsgesinterte Al2O3-ZrO2 (62/38 Vol.-%) Keramiken, <br>bei denen der Sinterschwund jedoch nicht vollständig kompensiert <br>werden kann. <br> <br>Das Oxidationsverhalten von ZrAl3-Pulver, das ein Hauptbestandteil <br>der Grünkörper ist, wurde thermogravimetrisch untersucht. <br>Nichtisotherme und isotherme TG-Messungen wurden in einer <br>multivariaten nichtlinearen Regressionsanalyse ausgewertet, um ein <br>geeignetes Zeitgesetz zu finden, das den Umsatz des ZrAl3-Pulvers <br>über ein weites Temperatur-Zeit-Umsatz-Feld beschreiben kann. Mit den <br>ermittelten kinetischen Parametern wurde ein eindimensionales Modell <br>für die Oxidation von ZrAl3-Grünkörpern aufgestellt, das zusätzlich <br>noch die Abhängigkeit der Gesamtreaktionsrate von der Diffusion des <br>gasförmigen Sauerstoffes durch die poröse Feststoffmatrix und die <br>Wechselwirkung von Energie- und Massenbilanzen berücksichtigt. <br> <br>Schließlich wurden erste Versuche zur Mikroformgebung durch Prägen und <br>spanabhebende Mikrostrukturierung kaltisostatisch verdichteter <br>Grünkörper durchgeführt, die das Potential dieses Formgebungsverfahren <br>für die entwickelten reaktionsgesinterten Keramiken aufzeigen. <br>Mögliche Anwendungsfelder dieser Strukturkeramiken sind in der <br>Mikrosystemtechnik und der Dentaltechnik zu finden.","abstract_has_math":false,"creators":["Geßwein, Holger"],"institution":null,"degree_name":null,"degree_level":null,"degree_discipline":null,"degree_department":null,"school":null,"contributors":[],"advisors":[],"committee_chairs":[],"committee_members":[],"year":null,"date_issued":"","date_published":null,"updated_at":"2026-07-24T02:22:33Z","subjects":["reaction-bonding","net shape ceramics","mechanical properties","oxidation kinetics","intermetallic compounds"],"languages":[],"rights":[],"rights_urls":[],"identifier_entries":[]},"links":{"outbound_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/data/2095","outbound_label":"Repository record","outbound_source":"source_url"},"metadata_groups":[{"id":"people","label":"People","entries":[{"key":"dc:creator","label":"Author","values":["Geßwein, Holger"]}]},{"id":"academic_context","label":"Academic Context","entries":[{"key":"dc:type","label":"Dc Type","values":["DoctoralThesis"]}]},{"id":"subjects_keywords","label":"Subjects and Keywords","entries":[{"key":"dc:subject","label":"Dc Subject","values":["reaction-bonding","net shape ceramics","mechanical properties","oxidation kinetics","intermetallic compounds"]}]},{"id":"additional","label":"Additional Metadata","entries":[{"key":"dc:description.abstract","label":"Abstract","values":["Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Reaktionssinterprozess für die
Herstellung von dichtgesinterten Oxidkeramiken im System
Al2O3-SiO2-ZrO2 entwickelt, bei dem als reaktive
Komponenten anstatt der reinen Metalle intermetallische Verbindungen
wie ZrAl3, ZrSi2 und Zr2Si verwendet werden.
Während des Reaktionssinterns in Umgebungsluft werden die
intermetallischen Verbindungen zu ZrO2, Al2O3 und SiO2
oxidiert. Das neu gebildete Al2O3 reagiert mit SiO2 zu Mullit
(3Al2O3.2SiO2). Die Oxidationsreaktionen und die
Mullitbildung sind jeweils mit einer Volumenvergrößerung verbunden,
die den Sinterschwund vollständig kompensieren kann. Um die
Verdichtungseigenschaften der Ausgangspulvermischungen zu verbessern,
wurde zusätzlich ein Si-Harz als so genannter low loss Binder
verwendet. Im Vergleich zu konventionellen Bindern werden diese nicht
vollständig ausgebrannt, sondern nach der Pyrolyse verbleibt ein
keramischer Rückstand, was den Sinterschwund ebenfalls verringert.
Durch den relativ hohen Gehalt an organischem Binder ist eine
Bearbeitung im Grünzustand möglich. Daher können auch in einem für die
Mikrosystemtechnik relevanten Dimensionsbereich komplex geformte
Grünkörper hergestellt werden, die durch den Reaktionsbindeprozess
exakt wiedergegeben werden. Durch eine Variation des
Zr/Al/Si-Verhältnisses sind verschiedene Phasenzusammensetzungen in
dem ternären Oxidsystem Al2O3-SiO2-ZrO2 herstellbar.
Es wurden verschiedene Keramiken in den Systemen Al2O3-ZrO2,
Mullit-ZrO2 und Al2O3-Mullit-ZrO2 hergestellt und
charakterisiert. Der Reaktionssinterprozess wurde mit thermischen
Analysemethoden (TG/DSC) und der Dilatometrie untersucht. Außerdem
wurde die Phasenentwicklung während des Reaktionssinterns anhand von
Röntgenpulverdiffraktogrammen quantitativ bestimmt. Aufgrund einer
dichten Mikrostruktur weisen reaktionsgesinterte Mullit-ZrO2
(45/55 Vol.-%) Keramiken biaxiale Festigkeiten von 630 MPa auf.
Dreiphasige reaktionsgesinterte Al2O3-Mullit-ZrO2
(25/45/30 Vol.-%) Keramiken zeigen vergleichbare Festigkeiten von
635 MPa. Die höchsten Festigkeiten von 780 MPa zeigen
reaktionsgesinterte Al2O3-ZrO2 (62/38 Vol.-%) Keramiken,
bei denen der Sinterschwund jedoch nicht vollständig kompensiert
werden kann.
Das Oxidationsverhalten von ZrAl3-Pulver, das ein Hauptbestandteil
der Grünkörper ist, wurde thermogravimetrisch untersucht.
Nichtisotherme und isotherme TG-Messungen wurden in einer
multivariaten nichtlinearen Regressionsanalyse ausgewertet, um ein
geeignetes Zeitgesetz zu finden, das den Umsatz des ZrAl3-Pulvers
über ein weites Temperatur-Zeit-Umsatz-Feld beschreiben kann. Mit den
ermittelten kinetischen Parametern wurde ein eindimensionales Modell
für die Oxidation von ZrAl3-Grünkörpern aufgestellt, das zusätzlich
noch die Abhängigkeit der Gesamtreaktionsrate von der Diffusion des
gasförmigen Sauerstoffes durch die poröse Feststoffmatrix und die
Wechselwirkung von Energie- und Massenbilanzen berücksichtigt.
Schließlich wurden erste Versuche zur Mikroformgebung durch Prägen und
spanabhebende Mikrostrukturierung kaltisostatisch verdichteter
Grünkörper durchgeführt, die das Potential dieses Formgebungsverfahren
für die entwickelten reaktionsgesinterten Keramiken aufzeigen.
Mögliche Anwendungsfelder dieser Strukturkeramiken sind in der
Mikrosystemtechnik und der Dentaltechnik zu finden.","This thesis describes a modified reaction bonding process capable of
providing reaction bonded oxide ceramics in the system
Al2O3-SiO2-ZrO2 with high density and zero-shrinkage.
Instead of using pure metals intermetallic compounds like ZrAl3,
ZrSi2 and Zr2Si were used as reactive components.
During heat treatment in an oxidizing atmosphere the intermetallics
oxidize to ZrO2, Al2O3 and SiO2. The Al2O3 formed thereby reacts with SiO2
to form mullite (3Al2O3.2SiO2). The oxidation reactions and the mullite
formation are associated with a volume expansion which effectively
compensates the sinter shrinkage. To improve the compactibility of the
starting powder siloxanes are used as so-called low-loss binders.
Compared to binders that are usually applied this type of binder does
not totally burn out during the pyrolysis but is partially ceramised
so that the sinter shrinkage is further reduced. The relatively high
amount of organic binder in the precursor compacts makes easy green
machining possible. So even complex shapes can be formed in the green
state and can be reproduced exactly by the reaction bonding process.
By adjusting the intial Zr/Al/Si ratio composites belonging to
different phase fields in the ternary oxide system Al2O3-SiO2-ZrO2 can be produced.
Different starting powder compositions which result in the formation
of Al2O3-ZrO2, mullite-ZrO2 and Al2O3-mullite-ZrO2 composites were fabricated and investigated. Simultaneous thermal analysis and dilatometry were used
to investigate the processes occuring during reaction bonding. Phase
changes during reaction bonding were studied by quantitative X-ray
powder diffractometry. Due to their dense microstructure reaction
bonded 55/45 (vol.-%) mullite-ZrO2 composites exhibit biaxial flexure strengths up to 630 MPa. Reaction bonded Al2O3-mullite-ZrO2 composites (30/25/45 vol.-%) show biaxial flexure strengths of 635 MPa.
The oxidation behavior of the main component of the green bodies
ZrAl3 has been studied using thermogravimetry. Nonisothermal and
isothermal measurements were simultaneously used in a multivariate
non-linear regression analysis to determine the most appropriate rate
law. The kinetic rate law is incorporated in a more detailed model
describing the oxidation of ZrAl3 green bodies and taking into
account energy and material balances.
In preliminary tests the potential for micro patterning of cold
isostactically pressed green bodies through embossing and shape
cutting was established. These engineering ceramics could be applied in the fields of microtechnology or dentistry for example."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Entwicklung hochfester Net shape Oxidkeramiken im System Al2O3-SiO2-ZrO2","Development of reaction-sintered Net shape ceramics in the system Al2O3-SiO2-ZrO2"]}]}],"canonical_facts":{"dc:creator":["Geßwein, Holger"],"dc:description.abstract":["Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Reaktionssinterprozess für die
Herstellung von dichtgesinterten Oxidkeramiken im System
Al2O3-SiO2-ZrO2 entwickelt, bei dem als reaktive
Komponenten anstatt der reinen Metalle intermetallische Verbindungen
wie ZrAl3, ZrSi2 und Zr2Si verwendet werden.
Während des Reaktionssinterns in Umgebungsluft werden die
intermetallischen Verbindungen zu ZrO2, Al2O3 und SiO2
oxidiert. Das neu gebildete Al2O3 reagiert mit SiO2 zu Mullit
(3Al2O3.2SiO2). Die Oxidationsreaktionen und die
Mullitbildung sind jeweils mit einer Volumenvergrößerung verbunden,
die den Sinterschwund vollständig kompensieren kann. Um die
Verdichtungseigenschaften der Ausgangspulvermischungen zu verbessern,
wurde zusätzlich ein Si-Harz als so genannter low loss Binder
verwendet. Im Vergleich zu konventionellen Bindern werden diese nicht
vollständig ausgebrannt, sondern nach der Pyrolyse verbleibt ein
keramischer Rückstand, was den Sinterschwund ebenfalls verringert.
Durch den relativ hohen Gehalt an organischem Binder ist eine
Bearbeitung im Grünzustand möglich. Daher können auch in einem für die
Mikrosystemtechnik relevanten Dimensionsbereich komplex geformte
Grünkörper hergestellt werden, die durch den Reaktionsbindeprozess
exakt wiedergegeben werden. Durch eine Variation des
Zr/Al/Si-Verhältnisses sind verschiedene Phasenzusammensetzungen in
dem ternären Oxidsystem Al2O3-SiO2-ZrO2 herstellbar.
Es wurden verschiedene Keramiken in den Systemen Al2O3-ZrO2,
Mullit-ZrO2 und Al2O3-Mullit-ZrO2 hergestellt und
charakterisiert. Der Reaktionssinterprozess wurde mit thermischen
Analysemethoden (TG/DSC) und der Dilatometrie untersucht. Außerdem
wurde die Phasenentwicklung während des Reaktionssinterns anhand von
Röntgenpulverdiffraktogrammen quantitativ bestimmt. Aufgrund einer
dichten Mikrostruktur weisen reaktionsgesinterte Mullit-ZrO2
(45/55 Vol.-%) Keramiken biaxiale Festigkeiten von 630 MPa auf.
Dreiphasige reaktionsgesinterte Al2O3-Mullit-ZrO2
(25/45/30 Vol.-%) Keramiken zeigen vergleichbare Festigkeiten von
635 MPa. Die höchsten Festigkeiten von 780 MPa zeigen
reaktionsgesinterte Al2O3-ZrO2 (62/38 Vol.-%) Keramiken,
bei denen der Sinterschwund jedoch nicht vollständig kompensiert
werden kann.
Das Oxidationsverhalten von ZrAl3-Pulver, das ein Hauptbestandteil
der Grünkörper ist, wurde thermogravimetrisch untersucht.
Nichtisotherme und isotherme TG-Messungen wurden in einer
multivariaten nichtlinearen Regressionsanalyse ausgewertet, um ein
geeignetes Zeitgesetz zu finden, das den Umsatz des ZrAl3-Pulvers
über ein weites Temperatur-Zeit-Umsatz-Feld beschreiben kann. Mit den
ermittelten kinetischen Parametern wurde ein eindimensionales Modell
für die Oxidation von ZrAl3-Grünkörpern aufgestellt, das zusätzlich
noch die Abhängigkeit der Gesamtreaktionsrate von der Diffusion des
gasförmigen Sauerstoffes durch die poröse Feststoffmatrix und die
Wechselwirkung von Energie- und Massenbilanzen berücksichtigt.
Schließlich wurden erste Versuche zur Mikroformgebung durch Prägen und
spanabhebende Mikrostrukturierung kaltisostatisch verdichteter
Grünkörper durchgeführt, die das Potential dieses Formgebungsverfahren
für die entwickelten reaktionsgesinterten Keramiken aufzeigen.
Mögliche Anwendungsfelder dieser Strukturkeramiken sind in der
Mikrosystemtechnik und der Dentaltechnik zu finden.","This thesis describes a modified reaction bonding process capable of
providing reaction bonded oxide ceramics in the system
Al2O3-SiO2-ZrO2 with high density and zero-shrinkage.
Instead of using pure metals intermetallic compounds like ZrAl3,
ZrSi2 and Zr2Si were used as reactive components.
During heat treatment in an oxidizing atmosphere the intermetallics
oxidize to ZrO2, Al2O3 and SiO2. The Al2O3 formed thereby reacts with SiO2
to form mullite (3Al2O3.2SiO2). The oxidation reactions and the mullite
formation are associated with a volume expansion which effectively
compensates the sinter shrinkage. To improve the compactibility of the
starting powder siloxanes are used as so-called low-loss binders.
Compared to binders that are usually applied this type of binder does
not totally burn out during the pyrolysis but is partially ceramised
so that the sinter shrinkage is further reduced. The relatively high
amount of organic binder in the precursor compacts makes easy green
machining possible. So even complex shapes can be formed in the green
state and can be reproduced exactly by the reaction bonding process.
By adjusting the intial Zr/Al/Si ratio composites belonging to
different phase fields in the ternary oxide system Al2O3-SiO2-ZrO2 can be produced.
Different starting powder compositions which result in the formation
of Al2O3-ZrO2, mullite-ZrO2 and Al2O3-mullite-ZrO2 composites were fabricated and investigated. Simultaneous thermal analysis and dilatometry were used
to investigate the processes occuring during reaction bonding. Phase
changes during reaction bonding were studied by quantitative X-ray
powder diffractometry. Due to their dense microstructure reaction
bonded 55/45 (vol.-%) mullite-ZrO2 composites exhibit biaxial flexure strengths up to 630 MPa. Reaction bonded Al2O3-mullite-ZrO2 composites (30/25/45 vol.-%) show biaxial flexure strengths of 635 MPa.
The oxidation behavior of the main component of the green bodies
ZrAl3 has been studied using thermogravimetry. Nonisothermal and
isothermal measurements were simultaneously used in a multivariate
non-linear regression analysis to determine the most appropriate rate
law. The kinetic rate law is incorporated in a more detailed model
describing the oxidation of ZrAl3 green bodies and taking into
account energy and material balances.
In preliminary tests the potential for micro patterning of cold
isostactically pressed green bodies through embossing and shape
cutting was established. These engineering ceramics could be applied in the fields of microtechnology or dentistry for example."],"dc:format.medium":["application/pdf"],"dc:subject":["reaction-bonding","net shape ceramics","mechanical properties","oxidation kinetics","intermetallic compounds"],"dc:title":["Entwicklung hochfester Net shape Oxidkeramiken im System Al2O3-SiO2-ZrO2","Development of reaction-sintered Net shape ceramics in the system Al2O3-SiO2-ZrO2"],"dc:type":["DoctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T02:22:33Z"}