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- Mechanische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
- Thermische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
- Chemische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
- Elektrische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
- Physikalische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
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Merkmal |
Keramikmaterial |
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Oxidkeramik |
Nichtoxidkeramik |
Spezielle Funktionskeramiken |
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Al2O3 |
ZrO2 |
SiC |
Si3N4 |
AlN |
BaTiO3 |
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Dichte |
3,95–3,98 g/cm³ |
5,68–6,1 g/cm³ |
3,1–3,2 g/cm³ |
3,2–3,3 g/cm³ |
3,26 g/cm³ |
5,85 g/cm³ |
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Biegefestigkeit |
300-630 MPa |
800-1500 MPa |
350-550 MPa |
600-900 MPa |
300-450 MPa |
– |
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Druckfestigkeit |
2000-4000 MPa |
2000-2500 MPa |
2000-3500 MPa |
2500-3500 MPa |
– |
– |
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Elastizitätsmodul |
380–400 GPa |
200-210 GPa |
410–440 GPa |
300–320 GPa |
310–320 GPa |
– |
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Wärmeleitfähigkeit |
20-30 W/(m·K) |
2-3 W/(m·K) |
80-150 W/(m·K) |
15-50 W/(m·K) |
170-200 W/(m·K) |
– |
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Wärmeausdehnungskoeffizient |
8.0×10⁻⁶/°C |
10.5×10⁻⁶/°C |
4.0×10⁻⁶/°C |
3.0×10⁻⁶/°C |
4.5×10⁻⁶/°C |
6.0×10⁻⁶/°C |
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Maximale Betriebstemperatur |
1750°C |
2400°C |
1600°C |
1400°C |
– |
– |
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Härte (Vickers) |
15-19 GPa |
12-14 GPa |
22-28 GPa |
14-16 GPa |
– |
– |
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Bruchzähigkeit |
3,5–4,5 MPa·M½ |
6-10 MPa·M½ |
3-4 MPa·M½ |
5-8 MPa·M½ |
– |
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Dielektrizitätskonstante |
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8.8-9.0 |
1500-6000 |
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Piezoelektrische Konstante d33 |
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190 pC/N |
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Spezifischer Widerstand |
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>10¹⁴ Ω·cm |
10¹⁰ Ω·cm |
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Härte (Vickers) |
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12 GPa |
5 GPa |
Mechanische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
Härte und Verschleißfestigkeit
Keramische Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) hat eine Mohshärte von 9, was der dreifachen Härte von Edelstahl entspricht. Diese hohe Härte ist auf die starke ionische und kovalente Bindungsstruktur keramischer Werkstoffe zurückzuführen. Aufgrund ihrer hervorragenden Härte eignen sich keramische Werkstoffe gut für Anwendungen, bei denen Verschleißfestigkeit erforderlich ist.
Druckfestigkeit und Druckwiderstand
Druckfestigkeit und Druckbeständigkeit sind weitere herausragende Eigenschaften keramischer Werkstoffe. Sie weisen eine hohe Druckfestigkeit auf. Die Druckfestigkeit einiger technischer Keramiken erreicht 2000–4000 MPa und übertrifft damit die der meisten metallischen Werkstoffe bei weitem.
Diese hervorragende Druckfestigkeit verleiht keramischen Materialien einzigartige Vorteile bei technischen Anwendungen, da sie in einigen Bauteilen und mechanischen Teilen hohem Druck standhalten.
Sprödigkeit und Bruchverhalten
Aufgrund der Eigenschaften ihrer Kristallstruktur neigen keramische Werkstoffe bei Dehnung oder Stoßbelastung zu Sprödbrüchen. Dieser Bruch tritt oft plötzlich auf, ohne dass eine plastische Verformung erkennbar ist. Die Ausbreitung von Mikrorissen ist die Hauptursache für den Bruch keramischer Werkstoffe.
Es gibt auch keramische Werkstoffe mit hoher Bruchzähigkeit, wie zum Beispiel Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, das eine höhere Bruchzähigkeit als allgemeine Keramikmaterialien aufweist.
Elastizitätsmodul und Steifigkeit
Die meisten keramischen Werkstoffe weisen einen hohen Elastizitätsmodul auf, wodurch sie bei Krafteinwirkung nur schwer große Verformungen erzeugen können. Beispielsweise erreicht der Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid 380 GPa. Diese hohe Steifigkeit ermöglicht es keramischen Werkstoffen, ihre Dimensionsstabilität zu bewahren.
Thermische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
Hohe Temperaturbeständigkeit
Die meisten keramischen Materialien haben extrem hohe Schmelzpunkte, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) mit einem Schmelzpunkt von 2072°C, und Zirkoniumoxid (ZrO2) mit einem Schmelzpunkt von 2715°C.
Ihre hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit beruht hauptsächlich auf der starken chemischen Bindung und der stabilen Kristallstruktur. Selbst in Umgebungen mit extremen Temperaturen können keramische Materialien die Stabilität ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften bewahren.
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit keramischer Werkstoffe ist vielfältig und bietet Ihnen Auswahlmöglichkeiten für unterschiedliche Anwendungsszenarien. Einige keramische Werkstoffe wie Aluminiumnitrid (AlN) verfügen über eine hohe Wärmeleitfähigkeit (170–200 W/m·K), die eine schnelle Wärmeableitung in elektronischen Produkten ermöglicht und sich hervorragend als Verpackungsmaterial für elektronische Produkte eignet. Zirkonoxid hingegen weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit (2–3 W/m·K) auf und eignet sich ideal als Wärmeschutz- und Isoliermaterial.
Wärmeausdehnungseigenschaften
Keramische Werkstoffe weisen üblicherweise niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Aluminiumoxid beispielsweise hat einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 8 × 10-6/℃, der deutlich niedriger ist als der der meisten metallischen Werkstoffe. Dadurch bleibt die Dimensionsstabilität auch bei Hochtemperaturanwendungen erhalten. Diese Eigenschaft ist für Anwendungen in einigen Präzisionsinstrumenten und optischen Systemen äußerst wichtig.
Thermoschockbeständigkeit
Die Temperaturwechselbeständigkeit keramischer Werkstoffe ist relativ gering und muss bei verschiedenen Anwendungen besonders beachtet werden. Bei schnellen Temperaturschwankungen entstehen aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit und des anisotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Inneren von Keramikwerkstoffen leicht thermische Spannungen, die zu Rissen oder Beschädigungen führen können.
Chemische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
Chemische Stabilität
Dies ist eine der bemerkenswertesten Eigenschaften keramischer Werkstoffe. Diese Stabilität beruht auf starken chemischen Bindungskräften, insbesondere der kombinierten Wirkung von Ionen- und kovalenten Bindungen. Aluminiumoxid (Al2O3) weist eine extrem hohe chemische Stabilität über einen weiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1000 °C auf. Selbst in extrem rauen Umgebungen behält es seine chemische Struktur und Leistungsfähigkeit.
Diese Stabilität keramischer Werkstoffe macht sie besonders geeignet für chemische Anwendungen.
Korrosionsbeständigkeit
Keramische Werkstoffe weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und sind resistent gegen Erosion durch verschiedene korrosive Medien wie Säuren, Laugen und Salze. Zirkoniumoxid (ZrO2) ist ein typisches Beispiel. Es ist in stark sauren und alkalischen Umgebungen stabil und eignet sich ideal für verschiedene chemische Anlagen und Rohrleitungssysteme.
Die hervorragende Korrosionsbeständigkeit keramischer Werkstoffe ist hauptsächlich auf die dichte Schutzschicht zurückzuführen, die sich auf der Oberfläche der keramischen Werkstoffe bildet und eine weitere Erosion durch korrosive Medien wirksam verhindert.
Oxidationsbeständigkeit
Die Antioxidationsfähigkeit ist eine weitere herausragende chemische Eigenschaft keramischer Werkstoffe. Viele keramische Werkstoffe sind Oxide, wie Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, was sie in oxidierenden Umgebungen mit hohen Temperaturen von Natur aus stabil macht. Selbst nichtoxidische Keramiken, wie z. B. Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4) bilden bei hohen Temperaturen einen schützenden Oxidfilm, der für zusätzliche Oxidationsbeständigkeit sorgt.
Chemische Inertheit
Die chemische Inertheit keramischer Werkstoffe ermöglicht es ihnen, in verschiedenen chemischen Umgebungen stabil zu bleiben und nicht leicht chemisch mit dem umgebenden Medium zu reagieren. Beispielsweise ist Aluminiumoxid extrem inert und reagiert nicht leicht mit anderen Chemikalien, was es zu einem idealen Material für chemische Reaktionsbehälter und Laborutensilien macht.
Elektrische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
Isolationseigenschaften
Die meisten keramischen Werkstoffe weisen hervorragende elektrische Isoliereigenschaften auf. Aluminiumoxid ist ein typisches Beispiel. Sein spezifischer Widerstand kann 1015 Ω·cm erreichen und ist damit deutlich höher als bei den meisten Materialien. Diese hervorragende Isolierleistung ist auf die stabile elektronische Struktur und die große Bandlücke zurückzuführen, die den Elektronen den Sprung ins Leitungsband erschwert. Aufgrund dieser Isoliereigenschaften sind keramische Werkstoffe äußerst wichtige Isolierkomponenten für elektrische Geräte.
Dielektrische Eigenschaften
Keramische Materialien zeichnen sich durch eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust aus. Bariumtitanat (BaTiO3) ist ein typisches Material mit hoher Dielektrizitätskonstante und einer Dielektrizitätskonstante von mehreren Tausend und somit ein ideales Material für die Herstellung von Kondensatoren.
Die dielektrischen Eigenschaften beruhen hauptsächlich auf der speziellen Kristallstruktur und dem Polarisationsmechanismus, der unter Einwirkung eines elektrischen Felds einen starken Polarisationseffekt erzeugen kann.
Halbleitereigenschaften
Einige Keramikmaterialien können einzigartige Halbleitereigenschaften aufweisen, wie etwa Zinkoxid (ZnO) und Titanoxid (TiO2), zwei Übergangsmetalloxide, die durch Dotierung oder Defektkontrolle Halbleitereigenschaften aufweisen können.
Die Leitfähigkeit dieser Materialien kann durch Temperatur und Dotierungskonzentration gesteuert werden, was Ihnen mehr Möglichkeiten für die Entwicklung Ihres elektronischen Geräts bietet.
Piezoelektrische Eigenschaften
Piezoelektrische Eigenschaften zählen zu den einzigartigsten elektrischen Eigenschaften einiger Keramikmaterialien. Zu den gängigen piezoelektrischen Keramiken gehört Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), das unter mechanischer Belastung elektrische Ladung erzeugen kann. Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaft werden piezoelektrische Keramiken häufig in Sensoren, Aktoren und Schallwellengeräten eingesetzt.
Physikalische Eigenschaften keramischer Werkstoffe
Dichte
Die theoretische Dichte typischer technischer Keramiken wie Aluminiumoxid beträgt etwa 3,95 g/cm³, während die theoretische Dichte von Zirkonoxid bis zu 5,68 g/cm³ betragen kann. Im Herstellungsprozess bilden sich zwangsläufig Poren, die die scheinbare Dichte des Keramikmaterials oft unter die theoretische Dichte senken.
Porosität
Die Porositätseigenschaften haben einen wichtigen Einfluss auf die Gesamtleistung keramischer Werkstoffe. Sie beeinflusst nicht nur die Dichte des Materials, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit seinen mechanischen Eigenschaften, der Wärmeleitfähigkeit und der Permeabilität. Daher streben wir kontinuierlich nach geringerer Porosität, um bessere mechanische Eigenschaften zu erzielen. Die Porosität von Hochtemperatur-Sinterkeramiken liegt üblicherweise unter 5%. Natürlich ist eine entsprechende Porosität manchmal notwendig, beispielsweise bei Spezialanwendungen wie Filtrationsanwendungen und biomedizinischer Keramik, bei denen eine kontrollierbare Porosität von 20–60 eingehalten werden muss.
Oberflächeneigenschaften
Die Oberflächeneigenschaften sind eine sehr wichtige physikalische Eigenschaft keramischer Werkstoffe. Keramische Werkstoffe weisen aufgrund ihrer einzigartigen chemischen Bindungseigenschaften eine hohe Härte und chemische Stabilität an ihren Oberflächen auf. Insbesondere bei der Grenzflächenbindung und Oberflächenbehandlung wirken sich Eigenschaften wie Oberflächenenergie und Benetzbarkeit direkt auf die Anwendungsleistung keramischer Werkstoffe aus.
Bei vielen modernen Keramikmaterialien wird häufig eine Oberflächenmodifizierungstechnologie eingesetzt, um je nach Anwendungsanforderungen spezielle Funktionen wie Hydrophobie, Hydrophilie und antibakterielle Eigenschaften zu erreichen.
Abschluss
Die Eigenschaften keramischer Materialien variieren, und jedes Material hat seine eigenen, einzigartigen Eigenschaften. Vielen Dank für das Lesen dieses Artikels. Ich hoffe, er kann Ihnen helfen.