Thermit
Thermit (altgr. θερμός thermós ‚warm‘) ist ein Handels- und Markenname für ein Gemisch aus Eisen(III)-oxid- (umgangssprachlich ‘Rost‘) und Aluminium-Granulat, welches vorrangig zum aluminothermischen Schweißen z. B. von Schienenstößen und für andere Thermitverfahren oder die Aluminothermie eingesetzt wird. Die beiden Stoffe sind normalerweise mit einem Bindemittel granuliert, um sie rieselfähig zu halten, sowie potenzielle Entmischung und Wasseraufnahme zu verhindern. ⓘ
Die Thermitreaktion wurde von Hans Goldschmidt in den 1890er Jahren entdeckt und 1895 patentiert. ⓘ
„Thermit“ ist eine geschützte Handelsmarke der Goldschmidt-Thermit-Gruppe, die sich 1999 von der Goldschmidt AG getrennt hat. ⓘ
Allgemein bezeichnet der Begriff Thermite rieselfähige Gemenge mehr oder weniger fein verteilter Metalle mit bestimmten Metalloxiden, die sich nach der Reaktionseinleitung durch spezielle pyrotechnische Anzündmittel (z. B. Mischung aus Bariumperoxid und Magnesium, oder Bariumnitrat und feinkörnigem Aluminium) innerhalb kurzer Zeit unter Entwicklung äußerst starker Hitze (ca. 2400 °C) und unter Bildung des vorher im Metalloxid enthaltenen Metalls umsetzen. Um die stark exotherme Reaktion in Gang zu setzen, reicht eine gewöhnliche, mit Schwarzpulver gefüllte Viscose-Zündschnur (oder gar die Flamme eines normalen Feuerzeugs) in der Regel nicht aus, was sich auch durch das im Normalfall grobkörnige Aluminium ergibt. Zu feines Aluminium würde die Gefahr einer explosionsartigen Zersetzung begünstigen und ebenfalls die Reaktionsgeschwindigkeit ungewollt erhöhen. ⓘ
Thermit (/ˈθɜːrmaɪt/) ist eine pyrotechnische Zusammensetzung aus Metallpulver und Metalloxid. Wenn es durch Hitze oder eine chemische Reaktion gezündet wird, führt Thermit eine exotherme Reduktions-Oxidations-Reaktion (Redox) durch. Die meisten Sorten sind nicht explosiv, können aber kurze Hitzeausbrüche und hohe Temperaturen in einem kleinen Bereich erzeugen. Seine Wirkungsweise ähnelt der anderer Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemische, wie z. B. Schwarzpulver. ⓘ
Thermite haben unterschiedliche Zusammensetzungen. Zu den Brennstoffen gehören Aluminium, Magnesium, Titan, Zink, Silizium und Bor. Aluminium ist wegen seines hohen Siedepunkts und seiner geringen Kosten weit verbreitet. Zu den Oxidationsmitteln gehören Bismut(III)-oxid, Bor(III)-oxid, Silicium(IV)-oxid, Chrom(III)-oxid, Mangan(IV)-oxid, Eisen(III)-oxid, Eisen(II,III)-oxid, Kupfer(II)-oxid und Blei(II,IV)-oxid. ⓘ
Die auch als Goldschmidt-Verfahren bezeichnete Reaktion wird für das Thermit-Schweißen verwendet, das häufig zum Verbinden von Eisenbahnschienen eingesetzt wird. Thermite werden auch in der Metallraffination, zur Entschärfung von Munition und in Brandwaffen eingesetzt. Einige thermitähnliche Mischungen werden als pyrotechnische Auslöser in Feuerwerkskörpern verwendet. ⓘ
Chemische Reaktionen
Im folgenden Beispiel reduziert elementares Aluminium das Oxid eines anderen Metalls, in diesem Beispiel Eisenoxid, da Aluminium stärkere und stabilere Bindungen mit Sauerstoff eingeht als Eisen:
- Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3 ⓘ
Die Produkte sind Aluminiumoxid, elementares Eisen und eine große Menge an Wärme. Die Reaktanten werden in der Regel pulverisiert und mit einem Bindemittel gemischt, um das Material fest zu halten und eine Entmischung zu verhindern. ⓘ
Es können auch andere Metalloxide verwendet werden, wie z. B. Chromoxid, um das jeweilige Metall in seiner elementaren Form zu erzeugen. Eine Kupfer-Thermit-Reaktion unter Verwendung von Kupferoxid und elementarem Aluminium kann z. B. zur Herstellung von elektrischen Verbindungen in einem Verfahren namens Cadwelding verwendet werden, bei dem elementares Kupfer entsteht (es kann heftig reagieren):
- 3 CuO + 2 Al → 3 Cu + Al2O3 ⓘ
Thermite mit Partikeln in Nanogröße werden mit einer Vielzahl von Begriffen beschrieben, z. B. metastabile intermolekulare Verbundstoffe, Superthermite, Nano-Thermite und energetische Nanokomposite. ⓘ
Geschichte
Die Thermit-Reaktion wurde 1893 von dem deutschen Chemiker Hans Goldschmidt entdeckt und 1895 patentiert. Daher wird die Reaktion manchmal auch als "Goldschmidt-Reaktion" oder "Goldschmidt-Prozess" bezeichnet. Goldschmidt war ursprünglich daran interessiert, sehr reine Metalle herzustellen, indem er den Einsatz von Kohlenstoff beim Schmelzen vermied, entdeckte aber bald den Wert von Thermit beim Schweißen. ⓘ
Die erste kommerzielle Anwendung von Thermit war das Schweißen von Straßenbahnschienen in Essen im Jahr 1899. ⓘ
Arten
Rotes Eisen(III)-oxid (Fe2O3, gemeinhin als Rost bekannt) ist das am häufigsten verwendete Eisenoxid für Thermit. Magnetit funktioniert ebenfalls. Gelegentlich werden auch andere Oxide verwendet, z. B. MnO2 in Mangan-Thermit, Cr2O3 in Chrom-Thermit, Quarz in Silizium-Thermit oder Kupfer(II)-oxid in Kupfer-Thermit, allerdings nur für spezielle Zwecke. In all diesen Beispielen wird Aluminium als reaktives Metall verwendet. Fluorpolymere können in speziellen Formulierungen verwendet werden, wobei Teflon mit Magnesium oder Aluminium ein relativ häufiges Beispiel ist. Magnesium/Teflon/Viton ist ein weiteres Pyrolyt dieser Art. ⓘ
Kombinationen aus Trockeneis (gefrorenes Kohlendioxid) und Reduktionsmitteln wie Magnesium, Aluminium und Bor folgen der gleichen chemischen Reaktion wie herkömmliche Thermitmischungen, wobei Metalloxide und Kohlenstoff entstehen. Trotz der sehr niedrigen Temperatur einer Trockeneis-Thermit-Mischung kann ein solches System mit einer Flamme gezündet werden. Werden die Bestandteile fein verteilt, in einem Rohr eingeschlossen und wie ein herkömmlicher Sprengstoff scharf gemacht, ist dieses Kryothermit sprengbar und ein Teil des bei der Reaktion freigesetzten Kohlenstoffs entsteht in Form von Diamant. ⓘ
Im Prinzip könnte jedes reaktive Metall anstelle von Aluminium verwendet werden. Dies wird jedoch selten getan, da die Eigenschaften von Aluminium für diese Reaktion nahezu ideal sind:
- Es ist das mit Abstand billigste der hochreaktiven Metalle. Im Dezember 2014 lag der Preis für Zinn beispielsweise bei 19.829 US-Dollar pro Tonne, für Zink bei 2.180 US-Dollar pro Tonne und für Aluminium bei 1.910 US-Dollar pro Tonne.
- Es bildet eine Passivierungsschicht und ist daher sicherer zu handhaben als viele andere reaktive Metalle.
- Aufgrund seines relativ niedrigen Schmelzpunkts (660 °C) lässt sich das Metall leicht schmelzen, so dass die Reaktion hauptsächlich in der flüssigen Phase abläuft und somit recht schnell vonstatten geht.
- Sein hoher Siedepunkt (2519 °C) ermöglicht es, dass die Reaktion sehr hohe Temperaturen erreicht, da mehrere Prozesse dazu neigen, die Höchsttemperatur knapp unter den Siedepunkt zu begrenzen. Ein solch hoher Siedepunkt ist bei den Übergangsmetallen üblich (z. B. sieden Eisen und Kupfer bei 2887 bzw. 2582 °C), ist aber bei den hochreaktiven Metallen besonders ungewöhnlich (vgl. Magnesium und Natrium, die bei 1090 bzw. 883 °C sieden).
- Außerdem neigt die geringe Dichte des bei der Reaktion gebildeten Aluminiumoxids dazu, es auf dem entstehenden reinen Metall schweben zu lassen. Dies ist besonders wichtig, um Verunreinigungen in einer Schweißnaht zu verringern. ⓘ
Obwohl die Reaktanten bei Raumtemperatur stabil sind, brennen sie mit einer extrem intensiven exothermen Reaktion, wenn sie auf Zündtemperatur erhitzt werden. Die Produkte treten aufgrund der hohen Temperaturen (bis zu 2500 °C bei Eisen(III)-oxid) als Flüssigkeiten aus, wobei die tatsächlich erreichte Temperatur davon abhängt, wie schnell die Wärme an die Umgebung entweichen kann. Thermit enthält einen eigenen Sauerstoffvorrat und benötigt keine externe Luftquelle. Folglich kann es nicht erstickt werden und kann sich in jeder Umgebung entzünden, wenn die Anfangshitze ausreicht. Es brennt gut, wenn es nass ist, und kann nicht ohne weiteres mit Wasser gelöscht werden - obwohl genügend Wasser, um die Reaktion zu stoppen, ausreichend Wärme abführen kann. Kleine Mengen Wasser kochen, bevor sie die Reaktion erreichen. Trotzdem wird Thermit zum Schweißen unter Wasser verwendet. ⓘ
Thermite zeichnen sich dadurch aus, dass bei der Verbrennung fast kein Gas entsteht, die Reaktionstemperatur hoch ist und geschmolzene Schlacke gebildet wird. Der Brennstoff muss eine hohe Verbrennungswärme aufweisen und Oxide mit niedrigem Schmelzpunkt und hohem Siedepunkt erzeugen. Das Oxidationsmittel sollte mindestens 25 % Sauerstoff enthalten, eine hohe Dichte und eine niedrige Bildungswärme aufweisen und Metalle mit niedrigem Schmelz- und hohem Siedepunkt erzeugen (damit die freigesetzte Energie nicht durch Verdampfung der Reaktionsprodukte verbraucht wird). Organische Bindemittel können der Zusammensetzung hinzugefügt werden, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, aber sie neigen dazu, endotherme Zersetzungsprodukte zu erzeugen, die einen gewissen Verlust an Reaktionswärme und die Bildung von Gasen verursachen. ⓘ
Die Temperatur, die während der Reaktion erreicht wird, bestimmt das Ergebnis. Im Idealfall erzeugt die Reaktion eine gut getrennte Schmelze aus Metall und Schlacke. Dazu muss die Temperatur hoch genug sein, um beide Reaktionsprodukte, das entstehende Metall und das Brennstoffoxid, zu schmelzen. Eine zu niedrige Temperatur führt zu einem Gemisch aus gesintertem Metall und Schlacke; eine zu hohe Temperatur (oberhalb des Siedepunkts eines der Reaktanten oder Produkte) führt zu einer raschen Gasentwicklung, die das brennende Reaktionsgemisch zerstreut, manchmal mit ähnlichen Auswirkungen wie eine Explosion mit geringer Ausbeute. In Zusammensetzungen, die für die Herstellung von Metall durch aluminothermische Reaktion bestimmt sind, kann diesen Effekten entgegengewirkt werden. Eine zu niedrige Reaktionstemperatur (z. B. bei der Herstellung von Silizium aus Sand) kann durch Zugabe eines geeigneten Oxidationsmittels (z. B. Schwefel in Aluminium-Schwefel-Sand-Zusammensetzungen) erhöht werden; eine zu hohe Temperatur kann durch Verwendung eines geeigneten Kühlmittels und/oder Schlackenflussmittels gesenkt werden. Das in Amateurzusammensetzungen häufig verwendete Flussmittel ist Kalziumfluorid, da es nur minimal reagiert, einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und eine niedrige Schmelzviskosität bei hohen Temperaturen aufweist (und somit die Fließfähigkeit der Schlacke erhöht) und mit Aluminiumoxid ein Eutektikum bildet. Ein zu hoher Flussmittelanteil verdünnt jedoch die Reaktanten so weit, dass sie die Verbrennung nicht mehr aufrechterhalten können. Auch die Art des Metalloxids hat einen entscheidenden Einfluss auf die erzeugte Energiemenge; je höher das Oxid, desto höher die erzeugte Energiemenge. Ein gutes Beispiel ist der Unterschied zwischen Mangan(IV)-oxid und Mangan(II)-oxid, wobei ersteres eine zu hohe Temperatur erzeugt und letzteres kaum in der Lage ist, die Verbrennung aufrechtzuerhalten; um gute Ergebnisse zu erzielen, kann eine Mischung mit dem richtigen Verhältnis beider Oxide verwendet werden. ⓘ
Die Reaktionsgeschwindigkeit kann auch mit der Partikelgröße abgestimmt werden; gröbere Partikel brennen langsamer als feinere. Der Effekt ist ausgeprägter, wenn die Partikel auf eine höhere Temperatur erhitzt werden müssen, um die Reaktion zu starten. Dieser Effekt wird bei Nanothermiten auf die Spitze getrieben. ⓘ
Die Temperatur, die bei der Reaktion unter adiabatischen Bedingungen, d. h. wenn keine Wärme an die Umgebung abgegeben wird, erreicht wird, kann mit Hilfe des Hess'schen Gesetzes geschätzt werden, indem die durch die Reaktion selbst erzeugte Energie (durch Subtraktion der Enthalpie der Reaktanten von der Enthalpie der Produkte) und die durch die Erwärmung der Produkte verbrauchte Energie (aus ihrer spezifischen Wärme, wenn die Materialien nur ihre Temperatur ändern, und ihrer Schmelzenthalpie und eventuell ihrer Verdampfungsenthalpie, wenn die Materialien schmelzen oder sieden) berechnet werden. Unter realen Bedingungen geht bei der Reaktion Wärme an die Umgebung verloren, die erreichte Temperatur ist daher etwas niedriger. Die Wärmeübertragungsrate ist endlich, d. h. je schneller die Reaktion abläuft, desto näher kommt sie dem adiabatischen Zustand und desto höher ist die erreichte Temperatur. ⓘ
Eisenthermit
Die häufigste Zusammensetzung ist Eisenthermit. Das verwendete Oxidationsmittel ist in der Regel entweder Eisen(III)-oxid oder Eisen(II,III)-oxid. Ersteres erzeugt mehr Hitze. Letzteres ist leichter zu entzünden, was wahrscheinlich auf die Kristallstruktur des Oxids zurückzuführen ist. Der Zusatz von Kupfer- oder Manganoxiden kann die Leichtigkeit der Zündung erheblich verbessern. Die Dichte von präpariertem Thermit liegt häufig bei nur 0,7 g/cm3. Dies wiederum führt zu einer relativ geringen Energiedichte (ca. 3 kJ/cm3), zu kurzen Brennzeiten und zum Verspritzen von geschmolzenem Eisen aufgrund der Ausdehnung der eingeschlossenen Luft. Thermit kann auf eine Dichte von bis zu 4,9 g/cm3 (fast 16 kJ/cm3) gepresst werden, bei langsamer Brenngeschwindigkeit (etwa 1 cm/s). Gepresstes Thermit hat eine höhere Schmelzleistung, d. h. es kann einen Stahlbecher schmelzen, wo ein Thermit mit geringer Dichte versagen würde. Eisenthermit mit oder ohne Zusätze kann in Schneidgeräte gepresst werden, die ein hitzebeständiges Gehäuse und eine Düse haben. Sauerstoffausgeglichenes Eisenthermit 2Al + Fe2O3 hat eine theoretische maximale Dichte von 4,175 g/cm3 und eine adiabatische Verbrennungstemperatur von 3135 K oder 2862 °C oder 5183 °F (einschließlich der Phasenübergänge, begrenzt durch Eisen, das bei 3135 K siedet), das Aluminiumoxid ist (kurzzeitig) geschmolzen und das erzeugte Eisen ist größtenteils flüssig, wobei ein Teil in gasförmiger Form vorliegt - 78,4 g Eisendampf pro kg Thermit werden erzeugt. Der Energiegehalt beträgt 945,4 cal/g (3 956 J/g). Die Energiedichte beträgt 16 516 J/cm3. ⓘ
Die ursprüngliche Mischung, wie sie erfunden wurde, verwendete Eisenoxid in Form von Walzzunder. Die Zusammensetzung war sehr schwer zu zünden. ⓘ
Kupferthermit
Kupferthermit kann entweder aus Kupfer(I)-oxid (Cu2O, rot) oder Kupfer(II)-oxid (CuO, schwarz) hergestellt werden. Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist in der Regel sehr hoch, und der Schmelzpunkt von Kupfer ist relativ niedrig, so dass bei der Reaktion in sehr kurzer Zeit eine beträchtliche Menge geschmolzenen Kupfers entsteht. Kupfer(II)-Thermitreaktionen können so schnell ablaufen, dass sie als eine Art Blitzpulver betrachtet werden können. Es kann zu einer Explosion kommen, bei der ein Sprühnebel aus Kupfertropfen in beträchtlicher Entfernung entsteht. Das Sauerstoff-Gleichgewichts-Gemisch hat eine theoretische maximale Dichte von 5,109 g/cm3, eine adiabatische Flammentemperatur von 2843 K (einschließlich Phasenübergänge), wobei das Aluminiumoxid geschmolzen ist und Kupfer sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form vorliegt; pro kg dieses Thermits werden 343 g Kupferdampf erzeugt. Der Energiegehalt beträgt 974 cal/g. ⓘ
Kupfer(I)-Thermit wird in der Industrie z. B. beim Schweißen von dicken Kupferleitern (Cadwelding) verwendet. Diese Art des Schweißens wird auch für das Spleißen von Kabeln in der US-Marineflotte für den Einsatz in Hochstromsystemen, z. B. bei Elektroantrieben, geprüft. Das sauerstoffausgeglichene Gemisch hat eine theoretische maximale Dichte von 5.280 g/cm3, eine adiabatische Flammentemperatur von 2843 K (einschließlich Phasenübergänge), wobei das Aluminiumoxid geschmolzen ist und Kupfer sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form vorliegt; pro kg dieses Thermits werden 77,6 g Kupferdampf erzeugt. Der Energiegehalt beträgt 575,5 cal/g. ⓘ
Thermate
Thermate sind Thermite, die mit einem Oxidationsmittel auf Salzbasis (in der Regel Nitrate, z. B. Bariumnitrat, oder Peroxide) angereichert sind. Im Gegensatz zu Thermiten brennen Thermate unter Entwicklung von Flammen und Gasen. Das Vorhandensein des Oxidationsmittels erleichtert die Entzündung des Gemischs und verbessert die Durchdringung des Ziels durch die brennende Zusammensetzung, da das entstehende Gas die geschmolzene Schlacke aufwirbelt und für mechanische Bewegung sorgt. Aufgrund dieses Mechanismus eignet sich Thermat besser als Thermit für Brandsätze und für die Notfallzerstörung empfindlicher Geräte (z. B. kryptografischer Geräte), da die Wirkung von Thermit stärker lokalisiert ist. ⓘ
Zündung
Metalle verbrennen unter den richtigen Bedingungen in einem Prozess, der der Verbrennung von Holz oder Benzin ähnelt. (In der Tat ist Rost das Ergebnis einer sehr langsamen Oxidation von Stahl oder Eisen.) Eine Thermitreaktion entsteht, wenn sich die richtigen Mischungen von metallischen Brennstoffen verbinden und entzünden. Die Zündung selbst erfordert extrem hohe Temperaturen. ⓘ
Die Zündung einer Thermitreaktion erfordert in der Regel eine Wunderkerze oder ein leicht zu beschaffendes Magnesiumband, kann aber auch beharrliche Bemühungen erfordern, da die Zündung unzuverlässig und unvorhersehbar sein kann. Diese Temperaturen können mit herkömmlichen Schwarzpulverzündern, Nitrocellulosestäben, Sprengkapseln, pyrotechnischen Zündern oder anderen üblichen Zündmitteln nicht erreicht werden. Selbst wenn das Thermit so heiß ist, dass es hellrot leuchtet, zündet es nicht, da es weißglühend oder fast weißglühend sein muss, um die Reaktion auszulösen. Die Reaktion kann mit einer Propanfackel ausgelöst werden, wenn man es richtig macht. ⓘ
Häufig werden Magnesiumstreifen als Zündschnur verwendet. Da Metalle brennen, ohne Kühlgase freizusetzen, können sie potenziell bei extrem hohen Temperaturen brennen. Reaktive Metalle wie Magnesium können leicht Temperaturen erreichen, die für die Zündung von Thermit ausreichen. Magnesiumzünder sind bei Thermit-Amateuren nach wie vor sehr beliebt, vor allem weil sie leicht zu beschaffen sind, aber ein Stück des brennenden Streifens kann in das Gemisch fallen, was zu einer vorzeitigen Zündung führt. ⓘ
Die Reaktion zwischen Kaliumpermanganat und Glycerin oder Ethylenglykol wird als Alternative zur Magnesiummethode verwendet. Wenn sich diese beiden Stoffe vermischen, setzt eine spontane Reaktion ein, bei der die Temperatur des Gemischs langsam ansteigt, bis es zu einer Flammenbildung kommt. Die durch die Oxidation von Glycerin freigesetzte Wärme reicht aus, um eine Thermitreaktion auszulösen. ⓘ
Neben der Magnesiumzündung verwenden einige Amateure auch Wunderkerzen, um das Thermitgemisch zu zünden. Diese erreichen die erforderlichen Temperaturen und bieten genügend Zeit, bevor der Brennpunkt die Probe erreicht. Dies kann eine gefährliche Methode sein, da die Eisenfunken wie die Magnesiumstreifen bei Tausenden von Grad brennen und das Thermit entzünden können, obwohl die Wunderkerze selbst nicht mit ihm in Berührung kommt. Besonders gefährlich ist dies bei fein pulverisiertem Thermit. ⓘ
Streichholzköpfe brennen heiß genug, um Thermit zu entzünden. Die Verwendung von Streichholzköpfen, die mit Aluminiumfolie umhüllt sind, und einer ausreichend langen Viskositätssicherung/einem elektrischen Streichholz, das zu den Streichholzköpfen führt, ist möglich. ⓘ
In ähnlicher Weise kann fein pulverisiertes Thermit durch ein Feuerzeug mit Feuerstein entzündet werden, da die Funken Metall verbrennen (in diesem Fall die hochreaktiven Seltenerdmetalle Lanthan und Cer). Daher ist es unsicher, ein Feuerzeug in der Nähe von Thermit zu zünden. ⓘ
Zivile Nutzung
.JPG)
Thermitreaktionen sind vielseitig einsetzbar. Es handelt sich dabei nicht um einen Sprengstoff, sondern um eine Reaktion, bei der ein sehr kleiner Bereich extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Die intensive, auf einen kleinen Punkt konzentrierte Hitze kann dazu verwendet werden, Metall zu durchtrennen oder Metallteile zusammenzuschweißen, indem das Metall der Teile geschmolzen wird oder indem geschmolzenes Metall aus der Thermitreaktion selbst eingespritzt wird. ⓘ
Thermit kann zur Reparatur durch Einschweißen von dicken Stahlteilen, wie z. B. Achsrahmen von Lokomotiven, verwendet werden, wobei die Reparatur erfolgen kann, ohne dass das Teil aus seinem Einbauort entfernt werden muss. ⓘ
Thermit kann zum schnellen Schneiden oder Schweißen von Stahl, z. B. von Eisenbahnschienen, verwendet werden, ohne dass komplexe oder schwere Geräte erforderlich sind. Allerdings treten bei solchen Schweißverbindungen häufig Defekte wie Schlackeneinschlüsse und Hohlräume (Löcher) auf, so dass große Sorgfalt erforderlich ist, um das Verfahren erfolgreich durchzuführen. Die numerische Analyse des Thermit-Schweißens von Schienen wurde ähnlich wie die Analyse der Gusskühlung angegangen. Sowohl diese Finite-Elemente-Analyse als auch die experimentelle Analyse von Thermit-Schienenschweißnähten hat gezeigt, dass der Schweißspalt der einflussreichste Parameter ist, der die Fehlerbildung beeinflusst. Es hat sich gezeigt, dass eine Vergrößerung des Schweißspalts die Bildung von Lunkern und Fehlern beim Kaltüberlappungsschweißen verringert, und eine Erhöhung der Vorwärm- und Thermit-Temperatur verringert diese Fehler weiter. Durch die Verringerung dieser Fehler wird jedoch eine zweite Form von Fehlern gefördert: die Mikroporosität. Es muss auch darauf geachtet werden, dass die Schienen gerade bleiben, ohne dass es zu Tauchfugen kommt, die auf Hochgeschwindigkeitsstrecken und Strecken mit hoher Achslast zu Verschleiß führen können. ⓘ
Eine Thermitreaktion, die zur Reinigung der Erze einiger Metalle verwendet wird, wird als Thermitprozess oder aluminothermische Reaktion bezeichnet. Eine Abwandlung dieser Reaktion zur Gewinnung von reinem Uran wurde im Rahmen des Manhattan-Projekts im Ames Laboratory unter der Leitung von Frank Spedding entwickelt. Sie wird manchmal auch als Ames-Verfahren bezeichnet. ⓘ
Kupferthermit wird zum Zusammenschweißen von dicken Kupferdrähten für elektrische Verbindungen verwendet. Es wird in großem Umfang von der Stromversorgungs- und Telekommunikationsindustrie verwendet (exotherme Schweißverbindungen). ⓘ
Militärische Verwendung
Thermit-Handgranaten und -Sprengladungen werden von den Streitkräften in der Regel sowohl zur Bekämpfung von Feinden als auch zur teilweisen Zerstörung von Ausrüstungsgegenständen eingesetzt, wenn keine Zeit für sicherere oder gründlichere Methoden zur Verfügung steht. Thermit kann beispielsweise für die Notzerstörung von kryptographischer Ausrüstung verwendet werden, wenn die Gefahr besteht, dass diese von feindlichen Truppen erbeutet werden könnte. Da Standard-Eisenthermit schwer zu entzünden ist, praktisch ohne Flamme brennt und einen kleinen Wirkungsradius hat, wird Standard-Thermit nur selten allein als Brandsatz verwendet. Im Allgemeinen erhöht eine Erhöhung des Volumens der gasförmigen Reaktionsprodukte einer Thermit-Mischung die Wärmeübertragungsrate (und damit den Schaden) dieser speziellen Thermit-Mischung. Es wird in der Regel zusammen mit anderen Bestandteilen verwendet, die seine Brandwirkung erhöhen. Thermate-TH3 ist eine Mischung aus Thermit und pyrotechnischen Zusätzen, die sich für Brandzwecke als besser als Standardthermit erwiesen hat. Seine Zusammensetzung besteht im Allgemeinen aus etwa 68,7 % Thermit, 29,0 % Bariumnitrat, 2,0 % Schwefel und 0,3 % eines Bindemittels (wie PBAN). Der Zusatz von Bariumnitrat zum Thermit erhöht dessen thermische Wirkung, erzeugt eine größere Flamme und senkt die Zündtemperatur erheblich. Obwohl Thermate-TH3 von den Streitkräften in erster Linie als Brandwaffe gegen Material eingesetzt wird, kann es auch zum Verschweißen von Metallteilen verwendet werden. ⓘ
Ein klassischer militärischer Verwendungszweck von Thermit ist das Ausschalten von Artilleriegeschützen, wofür es seit dem Zweiten Weltkrieg eingesetzt wird, beispielsweise in Pointe du Hoc in der Normandie. Thermit kann Artilleriegeschütze dauerhaft außer Gefecht setzen, ohne dass Sprengladungen verwendet werden müssen, so dass Thermit eingesetzt werden kann, wenn für eine Operation Ruhe erforderlich ist. Dazu werden eine oder mehrere scharfe Thermitgranaten in den Verschluss eingeführt und dann schnell wieder verschlossen; dadurch wird der Verschluss verschweißt und das Laden der Waffe unmöglich gemacht. Alternativ kann eine im Lauf der Waffe abgefeuerte Thermitgranate den Lauf verschmutzen, so dass die Waffe nicht mehr feuerbereit ist. Thermit kann auch den Verstell- und Hebemechanismus der Waffe verschweißen, was ein korrektes Zielen erheblich erschwert. ⓘ
Während des Zweiten Weltkriegs wurden sowohl bei deutschen als auch bei alliierten Brandbomben Thermitmischungen verwendet. Brandbomben bestanden in der Regel aus Dutzenden von dünnen, mit Thermit gefüllten Kanistern (Bomblets), die durch einen Magnesiumzünder gezündet wurden. Brandbomben verursachten in vielen Städten massive Schäden durch die vom Thermit ausgelösten Brände. Städte, die hauptsächlich aus Holzbauten bestanden, waren besonders anfällig. Diese Brandbomben wurden hauptsächlich bei nächtlichen Luftangriffen eingesetzt. Bombenvisiere konnten nachts nicht verwendet werden, so dass Munition eingesetzt werden musste, die Ziele ohne präzise Platzierung zerstören konnte. ⓘ
Die Thermitreaktion wird im Gleisbau verwendet, um Schienenenden miteinander zu verschweißen und einen nahtlosen Gleiskörper zu schaffen. Eine andere Verwendung war die Konstruktion großer Schiffsbauteile und deren Reparatur, ohne diese vom Schiffskörper trennen zu müssen. Thermit eignet sich auch für den Abriss von Gebäuden mit Stahlkonstruktion. Militärisch wird es als Bestandteil von Granaten oder Brandbomben (z. B. Stabbrandbomben) verwendet. ⓘ
Gefahren
Der Einsatz von Thermit ist aufgrund der extrem hohen Temperaturen und der Schwierigkeit, eine einmal ausgelöste Reaktion zu unterdrücken, gefährlich. Kleine Ströme von geschmolzenem Eisen, die bei der Reaktion freigesetzt werden, können beträchtliche Entfernungen zurücklegen und Metallbehälter durchschmelzen und deren Inhalt entzünden. Außerdem könnten brennbare Metalle mit relativ niedrigem Siedepunkt wie Zink (mit einem Siedepunkt von 907 °C, der etwa 1 370 °C unter der Temperatur liegt, bei der Thermit brennt) überhitztes, siedendes Metall in der Nähe einer Thermitreaktion heftig in die Luft spritzen. ⓘ
Wenn Thermit aus irgendeinem Grund mit organischen Stoffen, hydratisierten Oxiden und anderen Verbindungen verunreinigt ist, die beim Erhitzen oder bei der Reaktion mit Thermitkomponenten Gase erzeugen können, können die Reaktionsprodukte versprüht werden. Wenn das Thermit-Gemisch außerdem genügend Leerräume mit Luft enthält und schnell genug brennt, kann die überhitzte Luft ebenfalls zu einer Versprühung des Gemischs führen. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, relativ grobe Pulver zu verwenden, damit die Reaktionsgeschwindigkeit moderat ist und heiße Gase aus der Reaktionszone entweichen können. ⓘ
Das Vorheizen von Thermit vor der Zündung kann leicht versehentlich erfolgen, indem beispielsweise ein neuer Haufen Thermit über einen heißen, kürzlich gezündeten Haufen Thermit-Schlacke gegossen wird. Wenn es gezündet wird, kann das vorgewärmte Thermit fast augenblicklich brennen, wobei Licht- und Wärmeenergie mit einer viel höheren Geschwindigkeit als normal freigesetzt wird und Verbrennungen und Augenschäden in einer Entfernung verursacht, die normalerweise als einigermaßen sicher gelten würde. ⓘ
Die Thermitreaktion kann versehentlich an Industriestandorten stattfinden, an denen Arbeiter Schleif- und Trennscheiben mit Eisenmetallen verwenden. Bei der Verwendung von Aluminium in dieser Situation entsteht ein Gemisch von Oxiden, das heftig explodieren kann. ⓘ
Das Mischen von Wasser mit Thermit oder das Gießen von Wasser auf brennendes Thermit kann eine Dampfexplosion verursachen, bei der heiße Splitter in alle Richtungen geschleudert werden. ⓘ
Die Hauptbestandteile von Thermit wurden aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, insbesondere ihrer Reflektivität und Wärmeisolierung, auch in einem Anstrich oder einer Spachtelmasse für den deutschen Zeppelin Hindenburg verwendet, was möglicherweise zu dessen feuriger Zerstörung beitrug. Diese Theorie wurde von dem ehemaligen NASA-Wissenschaftler Addison Bain aufgestellt und später von der wissenschaftlichen Reality-TV-Sendung MythBusters in kleinem Maßstab mit halbwegs schlüssigen Ergebnissen getestet (es wurde bewiesen, dass nicht die Thermitreaktion allein schuld war, sondern eine Kombination aus dieser und der Verbrennung von Wasserstoffgas, das den Rumpf der Hindenburg füllte). Die Sendung MythBusters überprüfte auch den Wahrheitsgehalt eines im Internet gefundenen Videos, in dem eine Menge Thermit in einem Metalleimer gezündet wurde, während er auf mehreren Eisblöcken stand, was eine plötzliche Explosion verursachte. Sie konnten die Ergebnisse bestätigen und fanden riesige Eisbrocken, die bis zu 50 m vom Explosionsort entfernt waren. Co-Moderator Jamie Hyneman vermutete, dass dies darauf zurückzuführen war, dass sich das Thermit-Gemisch in der Luft verteilte, vielleicht in einer Dampfwolke, wodurch es noch schneller brannte. Hyneman äußerte sich auch skeptisch über eine andere Theorie, die das Phänomen erklärt: dass die Reaktion irgendwie den Wasserstoff und den Sauerstoff im Eis getrennt und dann entzündet hat. Diese Erklärung besagt, dass die Explosion auf die Reaktion von geschmolzenem Aluminium bei hohen Temperaturen mit Wasser zurückzuführen ist. Aluminium reagiert bei hohen Temperaturen heftig mit Wasser oder Dampf und setzt dabei Wasserstoff frei und oxidiert. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion und die Entzündung des entstehenden Wasserstoffs können die nachgewiesene Explosion leicht erklären. Dieser Prozess ist vergleichbar mit der explosiven Reaktion, die durch das Fallenlassen von metallischem Kalium in Wasser ausgelöst wird. ⓘ
Weiterentwicklung
Eine Verkleinerung der Inhaltsstoffe zu Nanopartikeln führte zur Entwicklung des Nanothermits. Dieses hat andere Eigenschaften als konventionelles Thermit, wodurch es auch für militärische Anwendungen jenseits von Brandmitteln interessant wird. ⓘ