Keramische Eigenschaften und Anwendungen

Keramik besteht aus einer Mischung aus Ton, Erdelementen, Pulver und Wasser, die in die gewünschte Form oder Gestalt verfestigt wird.

Sie werden seit Jahrtausenden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von der Töpferei bis hin zu fortschrittlichen technischen Lösungen. Aufgrund ihrer einzigartigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften werden Keramiken in verschiedenen Branchen wie dem Bauwesen, der Medizin, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

Unser heutiger Artikel konzentriert sich auf Keramik und beginnt mit der Definition von Keramik, ihren Eigenschaften und ihren Vorteilen. Tauchen wir direkt ein!

Keramikdefinition: Was ist Keramik?

Bildunterschrift: Was ist Keramik?

Aus wissenschaftlicher Sicht ist „Keramik“ ein nichtmetallisches anorganisches Material. Keramik unterscheidet sich von den Eigenschaften von Decke in Textilien. Keramik wird durch Erhitzen, Sintern, Verdichten und Erstarren hergestellt.

Keramik bietet typischerweise eine Kombination aus Härte, thermischer Stabilität und chemischer Beständigkeit, was sie in vielen technologischen Bereichen nützlich macht.

Generell unterscheidet man je nach Anwendungszweck zwei Keramikarten:

• Traditionelle Keramik

• Hochleistungskeramik

Traditionelle Keramik besteht aus natürlichen oder erdigen Elementen wie Feldspat, Quarz, Ton usw. Sie findet Anwendung in vielen alltäglichen Haushaltsgegenständen wie Krügen, Vasen, Töpfen, Pflanzgefäßen, Bauelementen, Fliesen, Geschirr usw., die im Nassformverfahren hergestellt werden. Ein Unterscheidungsmerkmal ihrer Mikrostruktur ist, dass sie nicht so gleichmäßig oder glatt ist wie bei Hochleistungskeramik. Zudem variiert die Mikrostruktur je nach Tonzusammensetzung.

Hochleistungskeramiken sind neuartige Keramiken aus hochreinen anorganischen Verbindungen, die durch Formgebung, Sintern und andere erforderliche Verfahren künstlich und unter strenger Kontrolle synthetisiert werden. Sie sind auf hohe Leistung ausgelegt und zeichnen sich durch Eigenschaften wie Strapazierfähigkeit, Festigkeit, extreme Zähigkeit sowie Hitze- und Chemikalienbeständigkeit aus.

Keramikmaterialzusammensetzung

Keramik wird aus Kombinationen verschiedener Substanzen hergestellt, darunter beispielsweise eine Mischung aus Ton, Wasser und einigen Zusatzpulvern für spezifische Verbesserungen. Die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften von Keramik verändern sich mit der Art und dem Verhältnis der in bestimmten Zusammensetzungen gemischten Rohstoffe. Diese spezifische Zusammensetzung der Mischungen bestimmt wiederum die spezifischen Eigenschaften und die Anwendung der fertigen Keramik.

Bildunterschrift: Mikrostruktur von Keramik 

Hauptzutaten

• Ton: Diese sorgen für Plastizität und ermöglichen eine einfache Formgebung der Keramik vor dem Brennen.

• Kieselsäure (SiO₂): Ein Hauptbestandteil vieler Keramiken, trägt in hohem Maße zur Härte und Wärmebeständigkeit der Keramik bei.

• Aluminiumoxid (Al₂O₃): Additiv für hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität.

• Zirkonoxid (ZrO₂): Wird hauptsächlich für Strukturkeramik verwendet und ist für die Erhöhung der Zähigkeit bekannt.

• Carbide und Nitride: Wie etwa Siliziumkarbid (SiC) und Bornitrid (BN), die für hohe Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität sorgen.

Arten von Rohstoffen

• Natürlich: Ton, Feldspat, Quarz, Kaolin und andere aus der Erde gewonnene Mineralien.

• Synthetik: Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid und technische Materialien für Hochleistungsanwendungen.

Arten von Keramik

Verschiedene Keramikarten werden in mehrere Kategorien eingeteilt, hauptsächlich basierend auf ihrer chemischen Zusammensetzung und Anwendung.

Oxidkeramik

„Oxidkeramiken“ bestehen aus Metalloxiden wie Aluminium (Al), Zirkonium (Zr), Titan (Ti), Magnesium (Mg) usw. und sind für ihre hohe thermische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und elektrischen Isolationseigenschaften bekannt.

• Beispiele: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkonoxid (ZrO₂)

• Anwendungen: Biomedizinische Implantate, feuerfeste Materialien, Schneidwerkzeuge und elektrische Isolatoren.

Hartmetallkeramik

„Hartmetallkeramiken“ bestehen aus Kohlenstoffatomen, die mit Metallen verbunden sind. Sie werden durch Sinterung hergestellt. Dank ihrer Eigenschaften wie extremer Härte, Verschleißfestigkeit und thermischer Stabilität werden sie als Hochleistungswerkstoffe in der Spitzentechnik eingesetzt.

• Beispiele: Siliziumkarbid (SiC), Borkarbid (B₄C)

• Anwendungen: Schleifmittel, Panzerplatten, Hochtemperaturkomponenten und Halbleiterkomponenten.

Nitridkeramik

„Nitridkeramiken“ enthalten Stickstoffatome und metallische Bindungen zu Metallen. Sie sind bekannt für ihre hohe Temperaturbeständigkeit, hervorragende mechanische Festigkeit und gute elektrische Eigenschaften.

• Beispiele: Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN)

• Anwendungen: Luft- und Raumfahrt, Lager, elektronische Komponenten und Hochtemperaturanwendungen.

Einzigartige Eigenschaften von Keramik

Wie bereits erwähnt, hängen die Eigenschaften von Keramiken von ihrer spezifischen Zusammensetzung und der atomaren Mikrostruktur ab. Im Allgemeinen sind keramische Werkstoffe:

• Hohe Härte

• Verschleißfest

• Korrosionsbeständig

• Gute thermische und elektrische Isolierung

• Antiferromagnetismus (d. h. nichtmagnetischer Natur)

• Oxidationsbeständig

• Inert und chemisch stabil

Mechanische Eigenschaften keramischer Werkstoffe

Bildunterschrift: Physikalische Eigenschaften von Keramik

• Verschleißfestigkeit und hohe Härte: Keramiken zeichnen sich durch hohe Härte und hohe Verschleißfestigkeit aus. Daher eignen sie sich hervorragend für die Herstellung von Schneidwerkzeugen und Schleifmitteln. Wolframkarbid (WC), eine Hartmetallkeramik, wird beispielsweise häufig in industriellen Bohrern und Schneidwerkzeugen verwendet.

• Geringe Duktilität und Sprödigkeit: Wissenschaftlich gesehen beschreibt Duktilität die Fähigkeit eines Materials, sich dauerhaft zu verformen, ohne bei Dehnung zu brechen. Im Gegensatz zu den meisten Metallen verformen sich Keramiken aufgrund ihrer geringen Zugfestigkeit nicht plastisch. Das bedeutet, dass sich Keramiken aufgrund ihrer spröden Beschaffenheit bei Belastung verformen. Sie neigen eher zum Brechen als zur Verformung. Schon geringe Mikrorisse in Keramiken können zu plötzlichen Spannungskonzentrationen und damit zu Sprödbrüchen führen. Es gibt jedoch auch Keramiken, die bei Raumtemperatur duktil sind, wie beispielsweise MgO, SrTiO3 usw.

• Hohe Druckfestigkeit: Keramik ist im Allgemeinen extrem druckfest, was für strukturelle Anwendungen von Vorteil ist. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz von Keramik im Bausektor.

Thermische Eigenschaften keramischer Werkstoffe

• Wärmeleitfähigkeit: Keramik weist im Allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Eigenschaften werden insbesondere bei Prozessen genutzt, bei denen Wärmedämmung oder Beständigkeit gegen extreme Temperaturen erforderlich sind. Beispielsweise werden Schamottesteine aus feuerfester Keramik in Brennöfen als Isolatoren eingesetzt. Einige Keramiken (z. B. Siliziumkarbid (SiC) und Aluminiumnitrid (AlN)) weisen jedoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und eignen sich daher gut zur Wärmeableitung (Elektronik, Wärmetauscher).

• Hohe Schmelzpunkte: Wie bereits erwähnt, hat Keramik einen hohen Schmelzpunkt, was eine gute Betriebstendenz in Hochtemperaturumgebungen ermöglicht.

• Schlechte Temperaturwechselbeständigkeit: Thermoschockbeständigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, plötzlichen Temperaturschwankungen standzuhalten. Die meisten Keramiken, insbesondere herkömmliche, weisen eine schlechte Thermoschockbeständigkeit auf. Das bedeutet, dass sie bei plötzlichen Temperaturschwankungen anfällig für Risse sind.

• Geringe Wärmeausdehnung: Einige Keramiken (z. B. Quarzglas) dehnen sich bei Temperaturänderungen nur minimal aus, was die Dimensionsstabilität fördert. Auch hier gibt es Ausnahmen. Manche Keramiken weisen eine hohe Wärmeausdehnung auf, wie beispielsweise Zirkonoxid (ZrO₂), das sich bei Temperaturänderungen deutlich ausdehnt.

Chemische Eigenschaften keramischer Werkstoffe

• Hohe Korrosionsbeständigkeit: Die meisten Keramiken sind chemisch sehr stabil und inert gegenüber der Natur. Dies trägt zu ihrer hohen chemischen Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen und anderen aggressiven Umgebungen bei. Sie sind außerdem von Natur aus korrosionsbeständig.

• Inerte Natur: Ihre Inertheit gegenüber Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Hitze usw. macht sie ideal für biomedizinische und chemische Verarbeitungsanwendungen. Biokeramischer Hydroxylapatit wird in Knochentransplantaten verwendet, da er nicht mit Körperflüssigkeiten reagiert. Ebenso wird Zirkonoxid (ZrO₂), eine korrosionsbeständige Keramik, weltweit in chemischen Verarbeitungsanlagen eingesetzt.

Anwendung keramischer Werkstoffe

Biomedizinische Anwendungen

Da Keramik nützliche Eigenschaften wie Biokompatibilität, Festigkeit und Verschleißfestigkeit besitzt, wird sie häufig in medizinischen Implantaten eingesetzt.

Einige der Anwendungen sind:

• Prothetik und Implantate (aufgrund ihrer Biokompatibilität werden sie in Hüft- und Knieersatzimplantaten verwendet)

• Knochentransplantate und Füllstoffe (d. h. einige Keramiken wie Hydroxylapatit (HA) weisen eine natürliche knochenähnliche Struktur auf)

• Dentalanwendungen (Aufgrund ihrer ästhetischen und mechanischen Eigenschaften bestehen die meisten Zahnimplantate aus Keramik wie Zirkonoxid)

• Medizinische Geräte (in Herzschrittmachern, chirurgischen Instrumenten und Medikamentenverabreichungssystemen enthalten)

• Bioaktive Gläser (Sie stimulieren außerdem das Zellwachstum, was bei der Geweberegeneration und der Heilung von Verletzungen/Wunden hilfreich ist.)

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Viele Komponenten der Luft- und Raumfahrttechnik, wie Turbinenschaufeln, Hitzeschilde oder Nasenkegel, erfordern fortschrittliche Werkstoffeigenschaften, die auch präzises Schneiden ermöglichen. Hochleistungskeramik eignet sich hierfür aufgrund ihrer Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, hohem Schmelzpunkt und hoher Härte gut.

• Strukturmaterialien (aufgrund ihrer hohen Festigkeit werden viele Keramiken wie Siliziumkarbid (SiC) für leichte, hochfeste Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet)

• Wärmeschutzsysteme oder TPS (Keramikfliesen aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid werden in Raumfahrzeugen verwendet, um extremen Temperaturen beim Wiedereintritt standzuhalten)

• Ablative Keramik für Hitzeschilde (diese Art von Keramik schützt Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt in die Atmosphäre, indem sie allmählich erodiert und so Wärme absorbiert)

Elektronik und Isolatoren

• Mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) und Widerstände (Keramiken wie Aluminiumoxid sind von entscheidender Bedeutung, da sie mithilfe von MLCC und Widerständen für die Isolierung und die Ableitung von Energie als Wärme sorgen.)

• ICs und Halbleiter (Keramiksubstrate sind dünn und flach und weisen eine niedrige Dielektrizitätskonstante und einen niedrigen dielektrischen Verlust, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute chemische Stabilität auf.)

• Halbleiter und Keramik-Leiterplatten (Keramik hat eine geringe elektrische Leitfähigkeit und wird in Halbleitern und Leiterplatten verwendet, die eine hohe elektrische Isolierung erfordern)

• Hochspannungsisolatoren (Im Hochspannungsbereich sind Porzellan und Keramik auf Aluminiumoxidbasis für Stromübertragungsleitungen unverzichtbar)

Baumaterialien

• Ziegel und Fliesen (Aufgrund ihrer Eigenschaften wie Haltbarkeit, Feuerbeständigkeit und Wärmedämmung werden Tonkeramiken häufig im Ziegel- und Fliesenbau verwendet.)

• Sanitärkeramik (Die meisten Toiletten, Waschbecken und Badewannen bestehen aus verglaster Keramik, da diese Eigenschaften wie Resistenz gegen Feuchtigkeit, Flecken und Bakterienwachstum aufweist.)

• Glaskeramik (Keramikmaterialien wie Lithiumaluminiumsilikat werden aufgrund ihrer ästhetischen und hitzebeständigen Eigenschaften in Arbeitsplatten und architektonischen Anwendungen verwendet)

• Fassade und Beschichtung (Keramik wird als Fassaden- und Beschichtungsmaterial in Gebäuden verwendet, da sie die notwendigen Wärme- und Schalldämmeigenschaften bietet)

• Zement- und Betonzusatzstoffe (Um die Festigkeit, Haltbarkeit und Effizienz von Zement- oder Betonmischungen zu verbessern, werden häufig keramische Zusatzstoffe wie Flugasche und Silicastaub verwendet)

Vorteile keramischer Werkstoffe

Bildunterschrift: Vorteile von Keramik

Haltbarkeit und Langlebigkeit

Wie bereits erwähnt, ist Keramik aufgrund ihrer hohen Härte und ihrer inerten Natur sehr langlebig. Das bedeutet, dass Keramik im Gegensatz zu Metallen in rauen Umgebungen nicht oxidiert oder korrodiert. Außerdem sind die meisten Keramikmaterialien beständig gegen Säuren, Laugen und andere aggressive Chemikalien.

Leichtgewichtige Eigenschaften

Neben der hohen Festigkeit zeichnet sich Keramik durch ihr geringes Gewicht aus, was sie in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie nützlich macht. Beispielsweise wird SiC aufgrund seines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses in Flugzeugbremsscheiben eingesetzt.

Ästhetische Vielseitigkeit

Durch das Mischen verschiedener Materialien während der Formgebung lassen sich mit Keramik vielfältige optisch ansprechende Eigenschaften wie Farben, Texturen und Oberflächen erzielen. Porzellanfliesen sind beispielsweise aufgrund ihrer optisch ansprechenden Struktur sehr beliebt. Einige Keramiken werden aufgrund ihrer Transparenz und optischen Eigenschaften auch in der Optik und Displaytechnik eingesetzt (z. B. Saphirglas (Al₂O₃) zur Herstellung von gehärtetem Glas für Smartscreens).

Einschränkungen keramischer Materialien

Sprödigkeit und Zerbrechlichkeit

Bildunterschrift: Spröde Mikrostruktur von Keramik 

Obwohl sie im Allgemeinen eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, sind sie aufgrund ihrer sehr geringen Dehn- oder Zugfestigkeit unter Belastung spröde und bruchanfällig, anstatt sich wie dehnbare Materialien wie Metalle plastisch zu verformen.

Produktionskosten

Keramikformen werden gesintert (d. h. sie erfordern eine Hochtemperaturverarbeitung, manchmal bis zu 1500 Grad Celsius). Diese hohe Temperatur erhöht die Gesamtproduktionskosten von Keramik. Auch bei Hochleistungskeramik führen Fertigungskosten und hochpräzises Schneiden mit CNC-Maschinen oder 3D-Druck zu hohen Produktionskosten. Die Präzisionsfertigung erfordert teure Verfahren wie Heißpressen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und Funkenplasmasintern (SPS).

Es muss jedoch beachtet werden, dass die Gesamtergebnisse aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften für uns Menschen äußerst vorteilhaft sind.

Abschluss

Wir haben uns mit keramischen Werkstoffen, ihren Eigenschaften und Vorteilen vertraut gemacht. Keramische Werkstoffe spielen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie Haltbarkeit, Hitzebeständigkeit und chemischer Stabilität eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben.

Mit den Fortschritten in der Materialwissenschaft werden uns fortschrittlichere Keramiken mit besseren Konstruktionseigenschaften zur Verfügung stehen.