Untersuchung von mikrobieller und chemischer Korrosion an Si3N4- und SiC-Keramiken und ihre Auswirkungen auf das Hochtemperatur- Oxidationsverhalten der keramischen Werkstoffe

Abstract

Gezielte biologische und chemische Korrosion an nichtoxidischen Keramiken wie Si3N4 und SiC wurden vor dem Hintergrund einer möglichen Modifikation der Oberflächeneigenschaften der Keramiken untersucht. Anschließende thermische Oxidation der korrodierten Werkstoffe sollte zur Bildung schützender Oxidschichten an der Probenoberfläche führen. Dadurch könnte erreicht werden, dass das Material eine höhere Resistenz gegen korrosive und oxidative Oberflächenschädigungen und Angriffe aufweist. Zahlreiche Versuche im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten belegen, dass die mikrobielle Korrosion effizient ist und materialschädigender wirkt, als die unter offenbar gleichen Auslagerungsbedingungen durchgeführte chemische Korrosion. Diese Ergebnisse wurden durch Auslagerungsversuche mit kommerziellen Si3N4-Keramiken in 5 und 50 mM H2SO4 und H2SO4- synthetisierenden Bakterienkulturen (Acidithiobacillus ferrooxidans) erzielt. Die Verwendung anderer Bakterienstämme, wie bestimmte Escherichia coli Stämme, führte zu keiner Korrosionsreaktion. Auch Auslagerungen in pH-neutralen Verbindungen sowie Korrosionsversuche an SiC-Keramiken verliefen ohne ein weiteres Ergebnis. Thermische Oxidation an Si3N4-Keramiken führte zu unterschiedlichen Resultaten, je nach Vorbehandlung. Unkorrodierte Proben wiesen ein anderes Oxidationsverhalten auf als korrodierte; vorherige mikrobielle Korrosion führte zu einem anderen Oxidationsverhalten der Keramiken als chemische. Die Zielsetzung, diverse Korrosionsmethoden mit anschließender, thermischer Oxidation zu verknüpfen, um eine Verbesserung der Oberflächeneigenschaften der Keramiken zu erreichen, konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erfüllt werden. Ebenso konnte keine eindeutige Erklärung für die effizientere und materialschädigendere Korrosion unter biologischer Einwirkung gefunden werden.

Selective microbial and chemical corrosion of non-oxide ceramics such as Si3N4 and SiC were investigated against the background of a potential modification of the surface properties of the ceramics. Subsequent thermal oxidation of the corroded material should lead to the formation of protective oxide-layers on the sample surfaces. As a result a better resistance of the material against corrosive and oxidative surface deterioration and attacs could be achieved. Within the context of this work numerous experiments proved that the microbial corrosion is efficient and affects the material more than the chemical corrosion under apparently similar conditions. These results were achieved by corrosion experiments with commercial Si3N4 ceramics in 5 and 50 mM H2SO4 and H2SO4-synthesizing bacterial cultures of Acidithiobacillus ferrooxidans. No corrosion occured when other bacterial strains, such as Escherichia coli, were used for corrosion experiments. Exposure to pH- neutral compounds and corrosion experiments on SiC ceramics also proceeded without further results. Thermal oxidation of Si3N4 ceramics led to different results depending on the pretreatment. Uncorroded samples showed a different oxidation behaviuor than corroded ones; previous microbial corrosion resulted in a different corrosion behaviour than chemical corrosion. Within the context of this work, the objective, a combination of various corrosion methods with subsequent thermal oxidation to attain better surface properties of the ceramics, could not be fulfilled. An explicit reason for the more efficient and material damaging corrosion after biological exposure could also not be found.