Eigenschaften von Hochleistungskeramik

Great Ceramic bietet ein umfassendes Sortiment an hochentwickelten keramischen Werkstoffen wie Oxiden, Nitriden und Karbiden an, die über hervorragende mechanische, thermische, elektrische und chemische Eigenschaften verfügen und in stark nachgefragten Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Halbleiter, Medizin, Automobil und Energie eingesetzt werden.

Wir bieten nicht nur Materialien an, sondern bemühen uns auch um eine kontinuierliche Optimierung des Materialdesigns und der Leistungskombinationen, um den unterschiedlichen Marktanforderungen gerecht zu werden.

Auf dieser Seite finden Sie einen systematischen Überblick über die grundlegenden Eigenschaften verschiedener häufig verwendeter technischer keramischer Werkstoffe sowie detaillierte Tabellen mit Materialparametern, die Ihnen bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe helfen sollen.

  • Mechanische Eigenschaften (z. B. Biegefestigkeit, Elastizitätsmodul, Härte, Bruchzähigkeit)
  • Thermische Eigenschaften (z. B. Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung, maximale Betriebstemperatur)
  • Elektrische Eigenschaften (z. B. Durchschlagfestigkeit, spezifischer Widerstand, Permittivität)
  • Chemische Eigenschaften (z. B. Säurebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Alkalibeständigkeit)

Mechanische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften bestimmen die Leistung einer Keramik unter mechanischer Belastung wie Druck, Zug und Biegung. Dazu gehören Keramikhärte, Biegefestigkeit, Druckfestigkeit, E-Modul und Bruchzähigkeit. Sie sind entscheidend für verschleißfeste Keramik, keramische Lager, Dichtungen und hochbelastete strukturelle Anwendungen.

Relevante Schlüsselwörter werden erklärt:

Tabelle der mechanischen Leistungsparameter

Material Härte (Hv) Biegefestigkeit (MPa) Elastizitätsmodul (GPa) Bruchzähigkeit (MPa-m^1/2)
Tonerde (99,7%) ~1800 300-400 370 3.5-4.5
Zirkoniumdioxid (Y-TZP) ~1200 900-1200 210 8-10
ZTA20 ~1500 500-700 300 6-7
Siliziumnitrid ~1550 800-1000 320 6-8
Siliziumkarbid ~2500 400-550 410 3.0-4.0
Aluminiumnitrid ~1200 300-400 320 2.5-3.5
Bearbeitbare Keramik ~500 150-200 65 1.5-2.0
Bornitrid (h-BN) ~100 <100 30 K.A.
Beryllium-Oxid ~1200 250-300 300 2.5-3.0

Thermische Eigenschaften

Thermische Eigenschaften sind bei Anwendungen mit hohen Temperaturen oder schnellen Temperaturwechseln von entscheidender Bedeutung. Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und maximale Betriebstemperatur sind entscheidend für Kühlkörper, Hochtemperaturisolatoren und Motorkomponenten.

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Tabelle der thermischen Leistungsparameter

Material Wärmeleitfähigkeit (W/m-K) Wärmeausdehnungskoeffizient (10-⁶/K) Maximale Betriebstemperatur (°C)
Tonerde 25-35 7.5 1500
Zirkoniumdioxid 2-3 10-11 1000
ZTA 12-15 8-9 1450
Siliziumnitrid 25-30 3.2 1300
Siliziumkarbid 120-150 4.0 1600
Aluminiumnitrid 170-200 4.5 1000
Bearbeitbare Keramik 1.5 9.0 800
Bornitrid 30-50 1.0 900
Beryllium-Oxid 250 8.0 1200

Elektrische Eigenschaften

Die elektrischen Eigenschaften bestimmen die Fähigkeit eines Materials, Strom zu isolieren oder zu leiten. Hochleistungskeramik wie elektrisch isolierende Keramik oder dielektrische Keramik wird häufig in Kondensatoren, Isolatoren, Leiterplatten und Mikrowellengeräten verwendet.

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Tabelle der elektrischen Leistungsparameter

Material Durchschlagfestigkeit (kV/mm) Dielektrizitätskonstante (1MHz) Volumenwiderstand (Ω-cm)
Tonerde 10-15 9-10 >10¹⁴
Zirkoniumdioxid 7-9 22-30 >10¹⁰
ZTA 9-11 15-20 >10¹²
Siliziumnitrid 12 8-9 >10¹⁴
Siliziumkarbid ~5 9-10 ~10⁵-10⁶ (halbleitend)
Aluminiumnitrid 12-15 8.5 >10¹³
Bearbeitbare Keramik 6-8 6 >10¹²
Bornitrid 4-5 4 >10¹⁵
Beryllium-Oxid 9-10 6.5-7 >10¹⁴

Chemische Beständigkeit

Die chemische Stabilität gibt an, wie gut ein Material rauen chemischen Umgebungen standhält. Korrosionsbeständige Keramiken sind ideal für chemische Reaktoren, Halbleitergeräte und medizinische Sterilisationssysteme.

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  • Korrosionsbeständigkeit von Keramiken: Die Fähigkeit, chemisch inert zu bleiben, wenn sie aggressiven Chemikalien ausgesetzt sind.

  • Keramische chemische Stabilität: Langfristige Beständigkeit gegen Zersetzung in rauen Umgebungen.
  • Keramik in sauren und alkalischen Umgebungen: Leistung von Keramik bei Kontakt mit Säuren, Basen und Lösungsmitteln.

Vergleichstabelle der chemischen Beständigkeit

Material Säurebeständigkeit Alkalibeständigkeit Oxidationsbeständigkeit
Tonerde Ausgezeichnet Gut Ausgezeichnet
Zirkoniumdioxid Gut Mäßig Gut
ZTA Ausgezeichnet Gut Ausgezeichnet
Siliziumnitrid Ausgezeichnet Gut Ausgezeichnet
Siliziumkarbid Ausgezeichnet Ausgezeichnet Ausgezeichnet
Aluminiumnitrid Mäßig Schlecht Mäßig
Bearbeitbare Keramik Mäßig Schlecht Mäßig
Bornitrid Gut Schlecht Gut (inert gegenüber HF)
Beryllium-Oxid Gut Mäßig Gut

Anträge auf der Grundlage von Eigenschaftsanforderungen

Hochleistungskeramik wird aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Festigkeit, thermischen Stabilität, elektrischen Isolierung und chemischen Beständigkeit in verschiedenen Branchen eingesetzt. In diesem Abschnitt werden Anwendungsbeispiele auf der Grundlage verschiedener Eigenschaftsanforderungen vorgestellt, die Ingenieuren und Produktentwicklern bei der Auswahl des am besten geeigneten Keramikmaterials helfen.

Keramiken wie Zirkoniumdioxid, zirkoniumdioxidgehärtetes Aluminiumoxid (ZTA) und Siliziumnitrid bieten eine hohe Biegefestigkeit und eine ausgezeichnete Bruchzähigkeit und eignen sich daher ideal für mechanisch anspruchsvolle Umgebungen.

Typische Anwendungen sind:

  • Ventilsitze und Rückschlagventile
  • Kugel- und Rollenlager
  • Schneidwerkzeuge und Klingen
  • Pumpenplunger und Wellen
  • Strukturelle Stützen in hochbelasteten Umgebungen

Wesentliche Merkmale:

  • Hervorragende Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung und Ermüdung
  • Langfristige Dimensionsstabilität
  • Hohe Schlag- und Rissfestigkeit

Materialien wie Aluminiumoxid, ZTA und Siliziumkarbid werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen Härte und Verschleißfestigkeit in Umgebungen mit hoher Reibung oder Abrasivität eingesetzt.

Typische Anwendungen sind:

  • Gleitringdichtungen und Gleitlager
  • Pumpenauskleidungen und Plunger
  • Sprühdüsen und Führungsrohre
  • Textil- und Drahtziehwerkzeuge

Wesentliche Merkmale:

  • Hohe Oberflächenhärte
  • Ausgezeichnete Abrieb- und Erosionsbeständigkeit
  • Zuverlässige Leistung unter trockenen oder geschmierten Bedingungen

Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid und Berylliumoxid haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und werden häufig in elektronischen und optoelektronischen Systemen verwendet, um eine effektive Wärmeableitung zu gewährleisten.

Typische Anwendungen sind:

  • Wärmesenken und Spreizer
  • LED- und Laserdioden-Halterungen
  • Substrate für die Leistungselektronik
  • Thermische Isolatoren für Vakuumsysteme

Wesentliche Merkmale:

  • Hohe Wärmeleitfähigkeit mit elektrischer Isolierung
  • Gute Temperaturwechselbeständigkeit
  • Kompatibilität mit Löten und Metallisierung

Aluminiumoxid, hexagonales Bornitrid und maschinell bearbeitbare Glaskeramiken bieten eine hohe Durchschlagsfestigkeit und einen hohen spezifischen Widerstand und eignen sich daher für Hochspannungs-, RF- und elektronische Präzisionskomponenten.

Typische Anwendungen sind:

  • Hochspannungsisolatoren und -durchführungen
  • RF/Mikrowellen-Substrate
  • Vakuum-Durchführungen
  • Elektrostatische Spannvorrichtungen und Isolationsbauteile

Wesentliche Merkmale:

  • Ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften
  • Geringer dielektrischer Verlust und stabile Permittivität
  • Zuverlässige Leistung in hochfrequenten Umgebungen

Für den Kontakt mit Säuren, Laugen und korrosiven Gasen sind Materialien wie Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Siliziumnitrid aufgrund ihrer chemischen Inertheit und Oxidationsbeständigkeit ideal.

Typische Anwendungen sind:

  • Auskleidungen von chemischen Reaktoren
  • Komponenten zum Ätzen von Halbleitern
  • Systeme zur Förderung von Flüssigkeiten
  • Auspuff- und Verbrennungsteile

Wesentliche Merkmale:

  • Beständigkeit gegen Säuren, Laugen und Oxidationsmittel
  • Geringe Verunreinigung und hohe Reinheit
  • Stabil bei hohen Temperaturen und chemischer Belastung

Die maschinell bearbeitbare Glaskeramik (MGC) ist so konzipiert, dass sie mit herkömmlichen Werkzeugen leicht geformt werden kann. Sie eignet sich daher ideal für die Kleinserienfertigung, komplexe Geometrien und das Rapid Prototyping.

Typische Anwendungen sind:

  • Kundenspezifische Prüfvorrichtungen und Abstandshalter
  • Laser- und Optikhalterungen
  • Vakuumtaugliche Teile
  • F&E-Komponenten und schnell umsetzbare Prototypen

Wesentliche Merkmale:

  • Leicht bearbeitbar ohne Versinterung
  • Gute elektrische Isolierung
  • Stabil im Vakuum und bei hohen Temperaturen

In Bereichen wie der Halbleiterverarbeitung und der analytischen Instrumentierung werden hochreine Keramiken wie Aluminiumoxid (99,7%), Aluminiumnitrid und Bornitrid aufgrund ihrer extrem geringen Verunreinigung und chemischen Stabilität bevorzugt.

Typische Anwendungen sind:

  • Komponenten für die Handhabung und Unterstützung von Wafern
  • Plasmabeständige Kammerteile
  • Optische Präzisionsfassungen
  • Medizinisch einwandfreie und sterile Umgebungen

Wesentliche Merkmale:

  • Geringe Ausgasung und minimale Kontamination
  • Hohe dielektrische und thermische Leistung
  • Kompatibel mit Reinraum- und UHV-Bedingungen

Häufig gestellte Fragen zu den Eigenschaften keramischer Materialien

Hochleistungskeramiken werden auf der Grundlage der Leistungsanforderungen für bestimmte Anwendungen ausgewählt. Nachfolgend finden Sie Beispiele, die auf den oben untersuchten Eigenschaften basieren:

Berylliumoxid (BeO) hat die höchste Wärmeleitfähigkeit (>230 W/m-K), gefolgt von Aluminiumnitrid (AlN). Diese Keramiken werden in elektronischen Hochleistungsanwendungen eingesetzt, bei denen die Wärmeableitung entscheidend ist.

Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (Y-TZP) und ZTA sind für ihre hohe Bruchzähigkeit und Druckfestigkeit bekannt. Sie werden häufig in mechanischen Systemen verwendet, die Schlagfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit erfordern.

Die meisten Hochleistungskeramiken sind ausgezeichnete Isolatoren, wie Aluminiumoxid und Bornitrid. Einige Keramiken wie Siliziumkarbid sind jedoch halbleitend und werden aufgrund ihres spezifischen elektrischen Verhaltens in elektronischen Geräten verwendet.

Siliziumkarbid und Aluminiumoxid sind extrem beständig gegen Säuren, Laugen und oxidierende Umgebungen. Sie werden häufig in Chemieanlagen, Abgassystemen und Halbleiterverarbeitungskammern eingesetzt.

Während die meisten technischen Keramiken hart und spröde sind, lassen sich Materialien wie maschinell bearbeitbare Glaskeramik (z. B. MGC) mit herkömmlichen Werkzeugen leicht bearbeiten. Sie sind ideal für Prototypen und komplexe Formen.

Vergleichstabelle der Leistung von Ingenieurkeramikmaterialien

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