Mullit

Mullit ist als wichtiger Bestandteil von Tonwaren schon lange bekannt [2]. In diesem Abschnitt wird auf einige Aspekte der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Mullites hingewiesen.

Allgemeine Eigenschaften

Mullit ist nach dem Ort seines Entdeckens, die Isle of Mull, Schottland, benannt und gehört zur großen Gruppe der Alumosilikate. Daneben kommt er auch in den basalthaltigen Schlacken mehrere Vulkane in der Eifel vor. Allerdings findet man ihn in der Natur nirgendwo in abbauwürdigen Mengen.

Mullit ist die einzige unter Normaldruck und hohen Temperaturen stabile kristalline Verbindung im System $Al_2O_3-SiO_2$. Seine Struktur kann man als fehlgeordente Sillimanit-Struktur beschreiben, in welcher 19% der Brückensauerstoffatome zwischen den $[AlO_4]$ und $[SiO_4]$ Tetraedern fehlen [2]. Die Struktur besteht aus eckenverknüpften Zweierketten von $[AlO_4]$ und $[SiO_4]$ Tetraedern. Diese Ketten sind untereinander durch $[AlO_6]$ Oktaeder verknüpft. Eine genaue Diskussion über die Struktur des Mullites findet sich in [3].

Die ersten Untersuchungen am Mullit wurden 1924 durchgeführt und zeigten, daß Mullit der Zusammensetzung $3\ Al_2O_3 \cdot 2\ SiO_2$ bei einer Temperatur von 1810°C inkongruent schmilzt. In jüngerer Zeit wurde ein inkongruentes Schmelzen von Mullit bestätigt, allerdings erst bei Temperaturen um 1890°C [4].

Verwendung

Die technische Bedeutung des Mullites beruht auf seinen hervorragenden mechanischen Hochtemperatureigenschaften, wie etwa der niedrigen Kriechrate oder des geringen Festigkeitsverlusts, guter chemischer Stabilität, niedriger Dichte sowie niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Mullit findet bei der Herstellung von Hochtemperaturbausteinen und infrarotdurchlässigen Fenstern Verwendung [5]. Mullit ist die wesentliche kristalline Komponente von Porzellan und bewirkt mit seinen feinen Kristallaggregaten die Festigkeit des Porzellans. Daneben wird er als Trägermaterial bei der Herstellung von Katalysatoren zur Abgasreinigung in Kraftfahrzeugen verwendet. Schamottsteine sind als feuerfester Werkstoff um so brauchbarer, je höher ihr Gehalt an Mullit ist [2].

Technische Darstellung

Mullit wird klassischerweise durch Erhitzen geeigneter Mischungen von Ton (Kaolin) oder Quarzsand und calcinierter Tonerde bzw. Bauxit im Tunnel- oder Lichtbogenofen dargestellt. Dabei erhält man den sogenannten Sinter- bzw. Schmelzmullit. Er kann auch durch Sintern natürlich vorkommender Mineralien wie Kaolinit oder Sillimanit bei Temperaturen oberhalb von 1500°C gewonnen werden [2].

Für zahlreiche mögliche technische Anwendungen, wie zum Beispiel Faserbeschichtungen, sind Synthesebedingungen mit solch hohen Temperaturen jedoch ungeeignet, da technisch verfügbare Fasern diesen Temperaturen nicht standhalten. Als alternative Synthesemethode für die keramische Matrix in solchen Verbundwerkstoffen hat sich deshalb in letzter Zeit das Sol-Gel-Verfahren herausgebildet.