Keramik: Hochleistungskeramiken

Keramik: Hochleistungskeramiken

 

Zu den Keramiken gehören alle nichtmetallischen und anorganischen Werkstoffe. Die Fertigung erfolgt durch Mischen feinkörniger Rohstoffe, Formen zu Gegenständen bei Raumtemperatur und anschließendes Brennen (fachsprachlich Sintern genannt). Neu entwickelte Hochleistungskeramiken werden heute zunehmend in der Technik eingesetzt, wo sie sowohl andere Werkstoffe substituieren als auch völlig neue Einsatzgebiete ermöglichen.

 

 Eigenschaften keramischer Werkstoffe

 

Zu den wesentlichen Eigenschaften von Keramiken gehört die Druckfestigkeit, der hohe Schmelzpunkt sowie ihre chemische Beständigkeit. Nachteilig ist ihre hohe Sprödheit. Weitere Eigenschaften, z. B. die thermische Leitfähigkeit, werden in besonderem Maße durch die Gefügestruktur bestimmt, die wiederum von der Art der Herstellung abhängt. Von den metallischen Werkstoffen grenzen sich die keramischen durch den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes ab: Metalle leiten bei höheren Temperaturen immer schlechter, bei Keramiken ist es umgekehrt.

 

 Arten keramischer Werkstoffe

 

Nach ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheidet man drei Gruppen von keramischen Werkstoffen: Oxidkeramik, Silikatkeramik und Nichtoxidkeramik.

 

Oxidkeramiken bestehen aus Oxiden oder Oxidverbindungen. Typische Vertreter sind die Oxide von Aluminium (Al₂O₃), Zirkonium (ZrO₂), Magnesium (MgO) oder Beryllium (BeO) sowie Titandioxid (TiO₂). Werkstoffe dieser Gruppe sind sehr hart, druckfest, chemisch resistent und elektrisch isolierend.

 

Silikatkeramiken werden meist aus den drei Rohstoffen Quarz, Ton (Koalin) und Feldspat (SiO₂, Al₂O₃ und K₂O) hergestellt, die einen mehrphasigen Werkstoff, einen Verbund, bilden. Der Grundstoffanteil bestimmt, ob Steingut oder technisches Porzellan entsteht. In den Oxidgemischen müssen dabei möglichst reine Oxide eingesetzt werden. Typische Eigenschaften dieser spröden Werkstoffe sind ihre Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und chemisch aggressive Substanzen.

 

Hartstoffe wie Karbide, Nitride, Boride oder Silivide sind die Nichtoxidkeramiken. Aufgrund der besonderen Bindung ihrer Moleküle zeichnen sie sich durch hohe Schmelztemperaturen, hohen Elastizitätsmodul, hohe Festigkeit und hohe Härte aus. Die meisten dieser Werkstoffe sind chemisch resistent und zeigen hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit.

 

 Einsatz technischer Keramik

 

Aluminiumoxid gilt hinsichtlich seiner technischen Bedeutung heute als die wichtigste Oxidkeramik. Durch Variation des Aluminiumgehaltes lassen sich sowohl die Druckfestigkeit als auch der spezifische elektrische Widerstand und die maximale Einsatztemperatur variieren. Dementsprechend kann man Aluminiumoxide je nach Zusammensetzung für chemisch und mechanisch beanspruchte Teile ebenso einsetzen wie als Isolierstoff oder als medizinisches Implantat. Daher werden Aluminiumoxide heute z. B. sowohl bei der Herstellung von Zündkerzen und Lambdasonden, bei der Beschichtung von Katalysatoren als auch bei der Produktion von Hüftgelenkskugelköpfen oder als Knochenersatz verwendet. In der Zerspanungstechnik setzt man Aluminiumoxid mit metallischen Zusätzen als Schneidkeramik ein. Diese Cermets haben den Vorteil, dass sich die Teilchen der keramischen Phasen bis zum Erreichen des Schmelzpunktes weder vergrößern noch auflösen, wie es z. B. bei hartmetallischen Schneiden der Fall ist.

 

Bereits in den 1980er-Jahren wurden oxidkeramische Supraleiter (in ihnen fließt Strom verlustfrei) entdeckt, deren kritische Temperatur gegenwärtig bis auf 125 K (= -148 (C) erhöht werden konnte.

 

Siliciumkarbid (SiC) hat sich wegen seiner Härte vor allem als Schleifmittel etabliert. Da es zudem sehr gut wärmeleitend und oxidationsbeständig ist, lässt sich mit seinem Einsatz z. B. im Turbinenbau der thermodynamische Wirkungsgrad durch eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur erreichen. Aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) werden sowohl Ventile und Ventilsitze für Otto- und Dieselmotoren als auch Dichtleisten von Kreiskolbenmotoren gefertigt, da sie wegen der hohen Härte nicht durch Reibung verschleißen. Daneben gilt Siliciumnitrid als zukünftiger Werkstoff für die Herstellung bewegter Teile im Bereich der Energietechnik, da es bis 1400 ºC einsetzbar ist.

 

In der Mikroelektronik hat Aluminiumnitrid (AlN) als Keramik große Bedeutung erlangt, da es hohes elektrisches Isolationsvermögen und geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten vereint. Damit könnte es das bisher eingesetzte Berylliumoxid (BeO) ersetzen, das wegen seiner Toxizität bei der Herstellung und Entsorgung nicht unbedenklich ist.