Snelle links
- Mechanische eigenschappen van keramische materialen
- Thermische eigenschappen van keramische materialen
- Chemische eigenschappen van keramische materialen
- Elektrische eigenschappen van keramische materialen
- Fysische eigenschappen van keramische materialen
|
Kenmerkend |
Keramisch materiaal |
|||||
|
|
Oxide keramiek |
Niet-oxide keramiek |
Speciale functionele keramiek |
|||
|
|
Al2O3 |
ZrO2 |
SiC |
Si3N4 |
AlN |
BaTiO3 |
|
Dikte |
3,95-3,98 g/cm³ |
5,68-6,1 g/cm³³ |
3,1-3,2 g/cm³ |
3,2-3,3 g/cm³ |
3,26 g/cm³³ |
5,85 g/cm³ |
|
Buigsterkte |
300-630 MPa |
800-1500 MPa |
350-550 MPa |
600-900 MPa |
300-450 MPa |
– |
|
Druksterkte |
2000-4000 MPa |
2000-2500 MPa |
2000-3500 MPa |
2500-3500 MPa |
– |
– |
|
Elastische modulus |
380-400 GPa |
200-210 GPa |
410-440 GPa |
300-320 GPa |
310-320 GPa |
– |
|
Thermische geleidbaarheid |
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) |
– |
|
Coëfficiënt van thermische uitzetting |
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 |
|
Maximale bedrijfstemperatuur |
1750°C |
2400°C |
1600°C |
1400°C |
– |
– |
|
Hardheid (Vickers) |
15-19 GPa |
12-14 GPa |
22-28 GPa |
14-16 GPa |
– |
– |
|
Breuktaaiheid |
3,5-4,5 MPa·M½ |
6-10 MPa·M½ |
3-4 MPa·M½ |
5-8 MPa·M½ |
– |
– |
|
Diëlektrische constante |
– |
– |
– |
– |
8.8-9.0 |
1500-6000 |
|
Piëzo-elektrische constante d33 |
– |
– |
– |
– |
– |
190 pC/N |
|
Weerstand |
– |
– |
– |
– |
>10¹⁴ Ω·cm |
10¹⁰ Ω·cm |
|
Hardheid (Vickers) |
– |
– |
– |
– |
12 GPa |
5 GPa |
Mechanische eigenschappen van keramische materialen
Hardheid en slijtvastheid
Keramische materialen hebben een uitstekende hardheid en slijtvastheid. Bijvoorbeeld: aluminiumoxide (Al2O3) Heeft een Mohs-hardheid van 9, wat drie keer zo hard is als roestvrij staal. Deze hoge hardheid is te danken aan de sterke ionische en covalente bindingsstructuur van keramische materialen. Dankzij de uitstekende hardheid presteren keramische materialen uitstekend in toepassingen die slijtvastheid vereisen.
Druksterkte en drukweerstand
Druksterkte en drukweerstand zijn andere opvallende eigenschappen van keramische materialen. Keramische materialen hebben een hoge druksterkte. De druksterkte van sommige technische keramieksoorten bereikt 2000-4000 MPa, wat de druksterkte van de meeste metalen ver overtreft.
Deze uitstekende drukvastheid geeft keramische materialen unieke voordelen bij technische toepassingen waarbij hoge druk in bepaalde bouwcomponenten en mechanische onderdelen wordt weerstaan.
Broosheid en breukkenmerken
Vanwege de eigenschappen van de kristalstructuur zijn keramische materialen gevoelig voor brosse breuk bij uitrekken of stoten. Deze breuk treedt vaak plotseling op en er is geen sprake van een duidelijk plastisch vervormingsproces. De uitzetting van microscheurtjes is de belangrijkste oorzaak van breuk in keramische materialen.
Er zijn ook keramische materialen met een hoge breuktaaiheid, zoals yttriumoxide-gestabiliseerd zirkonia, dat een sterkere breuktaaiheid heeft dan algemene keramische materialen.
Elastische modulus en stijfheid
De meeste keramische materialen hebben een hoge elasticiteitsmodulus, waardoor ze moeilijk grote vervormingen kunnen veroorzaken wanneer ze onder druk worden gezet. De elasticiteitsmodulus van aluminiumoxide bereikt bijvoorbeeld 380 GPa. Deze hoge stijfheid zorgt ervoor dat keramische materialen hun maatvastheid behouden.
Thermische eigenschappen van keramische materialen
Hoge temperatuurbestendigheid
De meeste keramische materialen hebben extreem hoge smeltpunten, zoals aluminiumoxide (Al2O3) met een smeltpunt van 2072°C, en zirkoniumoxide (ZrO2) met een smeltpunt van 2715°C.
Hun uitstekende hoge temperatuurbestendigheid komt voornamelijk voort uit sterke chemische binding en een stabiele kristalstructuur. Zelfs in extreme temperaturen kunnen keramische materialen hun stabiliteit van fysische en chemische eigenschappen behouden.
Thermische geleidbaarheid
De thermische geleidbaarheid van keramische materialen is divers, wat u keuzemogelijkheden biedt voor verschillende toepassingsscenario's. Sommige keramische materialen, zoals aluminium nitride (AlN) hebben een hoge thermische geleidbaarheid (170-200 W/m·K), waardoor u snel warmte in elektronische producten kunt afvoeren en het uitstekende verpakkingsmateriaal voor elektronica is. Zirkonia heeft daarentegen een lage thermische geleidbaarheid (2-3 W/m·K) en is een ideaal warmteafschermend en isolatiemateriaal.
Thermische uitzettingseigenschappen
Keramische materialen hebben doorgaans een lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Zo heeft aluminiumoxide een lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt van ongeveer 8 × 10-6/℃, wat veel lager is dan de meeste metalen. Hierdoor behoudt het zijn maatvastheid bij hoge temperaturen. Deze eigenschap is uiterst belangrijk bij toepassingen in sommige precisie-instrumenten en optische systemen.
Thermische schokbestendigheid
De thermische schokbestendigheid van keramische materialen is relatief zwak en vereist speciale aandacht bij verschillende toepassingen. Wanneer keramische materialen worden blootgesteld aan snelle temperatuurschommelingen, kan er door hun slechte thermische geleidbaarheid en anisotrope thermische uitzettingscoëfficiënt gemakkelijk thermische spanning ontstaan, wat kan leiden tot scheuren of beschadigingen.
Chemische eigenschappen van keramische materialen
Chemische stabiliteit
Dit is een van de meest opvallende kenmerken van keramische materialen. Deze stabiliteit is te danken aan sterke chemische bindingskrachten, met name de gecombineerde effecten van ionische en covalente bindingen. Aluminiumoxide (Al₂O₂) vertoont een extreem hoge chemische stabiliteit over een breed temperatuurbereik van kamertemperatuur tot 1000 °C. Zelfs in extreem zware omstandigheden behoudt het de stabiliteit van zijn chemische structuur en prestaties.
Deze stabiliteit van keramische materialen maakt ze bijzonder geschikt voor chemische toepassingen.
Corrosiebestendigheid
Keramische materialen hebben een uitstekende corrosiebestendigheid en zijn bestand tegen erosie door diverse corrosieve media zoals zuren, logen en zouten. Zirkoniumoxide (ZrO2) is een zeer typisch voorbeeld. Het behoudt een goede stabiliteit in sterk zure en alkalische omgevingen en is een ideaal materiaal voor diverse chemische apparatuur en pijpleidingsystemen.
De uitstekende corrosiebestendigheid van keramische materialen is hoofdzakelijk te danken aan de dichte beschermlaag die zich op het oppervlak van keramische materialen vormt. Deze laag voorkomt effectief verdere erosie door corrosieve media.
Oxidatiebestendigheid
Antioxidatie is een andere opvallende chemische eigenschap van keramische materialen. Veel keramische materialen zijn oxiden, zoals aluminiumoxide en zirkoniumoxide, waardoor ze van nature stabiel zijn in oxiderende omgevingen met hoge temperaturen. Zelfs niet-oxidekeramiek, zoals siliciumcarbide (SiC) en siliciumnitride (Si3N4) vormen bij hoge temperaturen een beschermende oxidefilm, waardoor de oxidatiebestendigheid verder wordt vergroot.
Chemische inertheid
De chemische inertheid van keramische materialen zorgt ervoor dat ze stabiel blijven in verschillende chemische omgevingen en niet gemakkelijk chemisch reageren met het omringende medium. Aluminiumoxide is bijvoorbeeld extreem inert en reageert niet gemakkelijk met andere chemicaliën, waardoor het een ideaal materiaal is voor chemische reactievaten en laboratoriumbenodigdheden.
Elektrische eigenschappen van keramische materialen
Isolatie-eigenschappen
De meeste keramische materialen vertonen uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen. Aluminiumoxide is een typisch voorbeeld; de soortelijke weerstand kan oplopen tot 1015 Ω·cm, wat veel hoger is dan bij de meeste andere materialen. Deze uitstekende isolatieprestaties zijn te danken aan de stabiele elektronische structuur en de brede bandgap, waardoor elektronen moeilijk naar de geleidingsband kunnen springen. De isolatie-eigenschappen maken keramische materialen uiterst belangrijke isolatiecomponenten voor elektrische apparatuur.
Diëlektrische eigenschappen
Keramische materialen kenmerken zich door een hoge diëlektrische constante en een laag diëlektrisch verlies. Bariumtitanaat (BaTiO3) is een typisch materiaal met een hoge diëlektrische constante van duizenden, wat een ideaal materiaal is voor de productie van condensatoren.
De diëlektrische eigenschappen worden hoofdzakelijk verkregen door de speciale kristalstructuur en het polarisatiemechanisme, waardoor onder invloed van een elektrisch veld een sterk polarisatie-effect kan ontstaan.
Halfgeleidereigenschappen
Sommige keramische materialen kunnen unieke halfgeleidereigenschappen vertonen, zoals zinkoxide (ZnO) en titaniumoxide (TiO2), twee overgangsmetaaloxiden, die halfgeleidereigenschappen kunnen vertonen door doping of defectcontrole.
De geleidbaarheid van deze materialen kan worden geregeld door de temperatuur en de dopingconcentratie, waardoor er meer mogelijkheden ontstaan voor het ontwerp van uw elektronische apparaat.
Piëzo-elektrische eigenschappen
Piëzo-elektrische eigenschappen behoren tot de meest unieke elektrische eigenschappen van sommige keramische materialen. Veelgebruikte piëzo-elektrische keramiek is loodzirconaattitanaat (PZT), dat onder mechanische spanning elektrische lading kan genereren. Deze unieke eigenschap maakt piëzo-elektrische keramiek breed toepasbaar in sensoren, actuatoren en akoestische golfcomponenten.
Fysische eigenschappen van keramische materialen
Dikte
Wat betreft dichtheidseigenschappen bedraagt de theoretische dichtheid van typische technische keramiek, zoals aluminiumoxide, ongeveer 3,95 g/cm³, terwijl de theoretische dichtheid van zirkoniumoxide kan oplopen tot 5,68 g/cm³. Tijdens het productieproces zelf zullen er onvermijdelijk poriën aanwezig zijn, waardoor de schijnbare dichtheid van het keramische materiaal vaak lager is dan de theoretische dichtheid.
Porositeit
Porositeitseigenschappen hebben een belangrijke invloed op de algehele prestaties van keramische materialen. Porositeit beïnvloedt niet alleen de dichtheid van het materiaal, maar is ook direct gerelateerd aan de mechanische eigenschappen, thermische geleidbaarheid en permeabiliteit. Daarom streven we voortdurend naar een lagere porositeit om betere mechanische eigenschappen te verkrijgen. De porositeit van hoogtemperatuurgesinterd keramiek wordt doorgaans onder 5% gehouden. Uiteraard is een geschikte porositeit soms noodzakelijk, zoals in speciale toepassingen zoals filtratietoepassingen en biomedische keramiek, waar een regelbare porositeit van 20-60 moet worden gehandhaafd.
Oppervlakte-eigenschappen
Oppervlakte-eigenschappen zijn een zeer belangrijke fysische eigenschap van keramische materialen. Keramische materialen hebben een hoge hardheid en chemische stabiliteit op hun oppervlak dankzij hun unieke chemische bindingseigenschappen. Vooral bij grensvlakbinding en oppervlaktebehandeling hebben eigenschappen zoals oppervlakte-energie en bevochtigbaarheid een directe invloed op de applicatieprestaties van keramische materialen.
Veel moderne keramische materialen maken gebruik van oppervlaktemodificatietechnologie om speciale functies te verkrijgen, zoals hydrofobiciteit, hydrofiliteit en antibacteriële eigenschappen, afhankelijk van de toepassingsvereisten.
Conclusie
De eigenschappen van keramische materialen variëren en elk materiaal heeft zijn eigen unieke eigenschappen. Bedankt voor het lezen van dit artikel, ik hoop dat het je helpt.