Keramik verändert die Welt

Technische Hochleistungskeramiken werden aufgrund ihrer bemerkenswerten Hochtemperaturfähigkeit, Härte und elektrischen Eigenschaften häufig als Ersatz für Metalle, Polymere und feuerfeste Materialien in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt. Durch Änderung der chemischen Zusammensetzung oder der Herstellungsprozesse können ihre Eigenschaften auf eine Vielzahl anspruchsvoller Bedingungen zugeschnitten werden. Bei richtiger Anwendung kann Keramik die Lebensdauer von Produkten verlängern, die Effizienz erhöhen, die allgemeinen Wartungskosten senken und die Produktleistung verbessern.

Was ist Technische Keramik?

Keramik, definiert durch die weit gefasste Definition von „anorganischen Festkörpern“, ist neben Metallen, Polymeren und Verbundwerkstoffen eine der wichtigsten Materialklassen. Es gibt verschiedene Arten von Keramik, wobei die technische Keramik (auch als Ingenieurkeramik oder Hochleistungskeramik bezeichnet) die Gruppe mit den leistungsfähigsten mechanischen, elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften ist. Ihre hohe Leistung verdanken sie zum Teil ihrer extrem hohen Reinheit. Meist handelt es sich um metallische Zusammensetzungen in Kombination mit Oxiden, Carbiden oder Nitriden. Keramik erlaubt es, die Produktlebensdauer zu verlängern, die Effizienz zu steigern, die allgemeinen Instandhaltungskosten zu senken und die Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Vorteile der Technischen Keramik

Hohe Härte

Eine der häufigsten Eigenschaften von technischen Keramiken ist die extreme Härte (und Festigkeit) – einige sind mehr als 4-mal härter als Edelstahl. Diese hohe Härte schlägt sich unmittelbar in einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit nieder. Das bedeutet, dass viele technische Keramiken ihre präzise, hochpräzise Oberfläche viel länger beibehalten können als jedes andere Material.

Extreme Druckfestigkeit

Technische Keramik hat eine sehr hohe Festigkeit, allerdings nur, wenn sie komprimiert ist. Viele technische Keramiken können beispielsweise extrem hohen Belastungen von 1000 bis 4000 MPa standhalten. Titan hingegen, das als ein sehr festes Metall gilt, hat nur eine Druckfestigkeit von 1000 MPa.

Niedrige Dichte

Eine weitere gemeinsame Eigenschaft der technischen Keramik ist ihre geringe Dichte, die zwischen 2 und 6 g/cm³ liegt. Dies ist deutlich leichter als Edelstahl (8 g/cm³) und Titan (4,5 g/cm³), wobei nur das viel weichere Aluminium eine ähnliche Dichte aufweist. Aufgrund ihrer besonderen Härte und ihres geringen Gewichts wird technische Keramik in einer Vielzahl von Branchen zunehmend in Anwendungen eingesetzt, bei denen kein anderes Material ihre Leistung und Langlebigkeit erreichen kann.

Hervorragende Verschleißfestigkeit

Viele technische Keramiken sind in der Lage, extrem hohen Temperaturen standzuhalten und gleichzeitig ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften beizubehalten. Wo alle Metalle und Polymere anfangen, ihre Eigenschaften zu beeinträchtigen, wird die technische Keramik weiterhin mit gleichbleibender Leistung und Zuverlässigkeit funktionieren. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich Keramik für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen wie Öfen, Düsentriebwerken, Bremssystemen und Schneidwerkzeugen.

Ausgezeichnete elektrische Eigenschaften

Technische Keramik ist in der Regel ein ausgezeichneter elektrischer Isolator (hohe Spannungsfestigkeit). Sie sind besonders nützlich bei Hochtemperaturanwendungen, bei denen die mechanischen und thermischen Eigenschaften anderer Materialien dazu neigen, sich zu verschlechtern. Einige Keramiken haben einen geringen elektrischen Verlust und eine hohe Dielektrizitätskonstante; diese werden typischerweise in elektronischen Anwendungen wie Kondensatoren und Resonatoren verwendet. Die Möglichkeit, einen Isolator mit einer strukturellen Komponente zu kombinieren, hat außerdem zu vielen Produktinnovationen geführt.

Fähigkeit zur Ultrahocherhitzung

Technische Keramik kann in Situationen funktionieren, in denen kein Metall (oder fast jedes andere Material) ihre Eigenschaften aufrechterhalten kann. Einige Keramiken können bei Temperaturen von über 1750 °C eingesetzt werden, was sie zu einer eigenen Klasse von Ultrahochtemperaturmaterialien macht. Diese Keramiken haben sich in Hochtemperaturanwendungen wie Motoren, Turbinen und Lagern als unschätzbar wertvoll erwiesen, wo sie die Lebensdauer, Leistung und Effizienz erhöht haben.

Wärmeleitend oder isolierend

Verschiedene Arten von technischen Keramikmaterialien haben sehr unterschiedliche thermische Eigenschaften. Es gibt einige Keramiken (Aluminiumnitrid), die sehr gut wärmeleitend sind und häufig als Kühlkörper oder Wärmetauscher in vielen elektrischen Anwendungen eingesetzt werden. Andere Keramiken sind wesentlich weniger wärmeleitend und eignen sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen.

Chemisch inert & korrosionsbeständig

Technische Keramik ist chemisch sehr stabil und hat eine geringe chemische Löslichkeit, was sie sehr korrosionsbeständig macht. Metalle und Polymere können nicht die gleiche Inertheit oder Korrosionsbeständigkeit bieten. Das macht Keramik zu einer äußerst attraktiven Option für viele kommerzielle und industrielle Anwendungen, insbesondere wenn auch Verschleißbeständigkeit gefragt ist.

Nachteile technischer Keramiken

Schlechte Zug- und Reißfestigkeit

Bei all diesen vorteilhaften Eigenschaften fragen Sie sich vielleicht, warum technische Keramik nicht häufiger eingesetzt wird. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, vor allem aber andere Arten der Festigkeit wie Zug- und Reißfestigkeit. Hier kann die Festigkeit von technischer Keramik 15-mal geringer sein als die von Metallen.

Hohe Sprödigkeit

Ein weiteres Problem, das bei technischer Keramik auftreten kann, ist, dass sie aufgrund ihrer geringen Verformbarkeit sehr spröde sein kann. Das bedeutet, dass technische Keramik eine sehr geringe Stossfestigkeit aufweist. Diese Eigenschaft wird durch die einzigartigen atomaren Bindungen der technischen Keramik hervorgerufen. Metalle haben „metallische“ Bindungen, die eine relativ geringe Festigkeit haben, aber sie können sich mit Atomen in jeder Richtung verbinden. Diese Fähigkeit, viele multidirektionale Bindungen einzugehen, macht Metalle dehnbar, zäh und relativ stark. Keramik hat natürlich keine metallischen Bindungen, sondern ionische und kovalente Bindungen. Diese sind sehr stark, können sich aber nur in ganz bestimmten Richtungen verbinden. Diese hoch organisierte Bindungsstruktur bedeutet, dass sich die atomare Struktur nur schwer verschieben lässt, wodurch Keramik nicht verformbar ist.

Schwer zu entwerfen

Jede Art von technischer Keramik hat spezifische thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften, die je nach Betriebsbedingungen und Produktdesign stark variieren können. In der Tat kann sogar der Herstellungsprozess genau derselben Art von technischem Keramikmaterial seine Eigenschaften drastisch verändern. Wir können Ihnen zum Glück helfen.

Keramik vs. Metalle, Polymere und feuerfeste Materialien

Diese Tabelle soll Ihnen einen Eindruck von der allgemeinen Tendenz jeder Materialgruppe vermitteln. Spezifische Informationen finden Sie auf den jeweiligen Materialseiten.

EigenschaftKeramikenMetallePolymereHitzebeständig
DichteNiedrig bis HochNiedrig bis HochNiedrigNiedrig bis Mittel
HärteHochMittelNiedrigMittel
HärteNiedrigHochMittelNiedrig
VerschleißfestigkeitHochMittelNiedrigMittel
ZugfestigkeitNiedrig bis MittelHochNiedrigNiedrig
Festigkeit KeramikHochMittel bis HochNiedrig bis MittelMittel
ElastizitätsmodulMittel bis HochNiedrig bis HochNiedrigMittel
Stabilität der DimensionenHochNiedrig bis MittelNiedrig
Thermische AusdehnungNiedrig bis MittelMittel bis HochHochNiedrig
WärmeleitfähigkeitMittelMittel bis HochNiedrigMittel
TemperaturschockNiedrigMittel bis HochHochNiedrig bis Mittel
Elektrischer WiderstandHochNiedrigHoch
Chemische BeständigkeitHochNiedrig bis MittelMittel
OxidationsbeständigkeitMittel bis HochNiedrigNiedrig
BearbeitbarkeitMittelNiedrigMittel

Precision Ceramics bietet eine breite Palette an hochentwickelten technischen Keramikmaterialien an, die nahezu alle Materialeigenschaften der Kategorie „Keramik“ abdecken. Alle unsere Materialien sind in einer Vielzahl von Formen erhältlich, von Platten und Rohren bis hin zu Stäben und fertigen Komponenten. Bei maßgefertigten Teilen können wir Sie bei der Konstruktion unterstützen und sie nach genauen Kundenvorgaben bearbeiten. Jedes Material, das wir anbieten, hat einzigartige Eigenschaften, die es für sehr spezielle Anwendungen geeignet machen. Einen allgemeinen Vergleich aller von uns angebotenen technischen Keramiken finden Sie im Leitfaden zur Auswahl und zum Vergleich technischer Keramiken.

Keramik Leitfaden für Design

Bei der Entwicklung eines Bauteils ist es wichtig, die intrinsischen Eigenschaften von Keramik zu berücksichtigen. Da sie in der Regel sehr spröde sind, ist es wichtig, Konzentrationen von Druck- und Zugspannungen zu vermeiden.