Biegefestigkeit von Hochleistungskeramiken

Die Biegefestigkeit, auch bekannt als Biegefestigkeit oder Bruchmodul, ist eine entscheidende mechanische Eigenschaft, die angibt, wie viel Spannung ein Material aushalten kann, bevor es unter einer Biegebelastung bricht. In der Hochleistungskeramik spielt die Biegefestigkeit eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Leistung in Struktur-, Verschleiß- und Thermoschockanwendungen.

Im Gegensatz zu Metallen, die vor dem Bruch nachgeben, sind Keramiken spröde und versagen ohne plastische Verformung. Daher ist ihre Biegefestigkeit für die Konstruktion und technische Berechnungen besonders wichtig.

Härte von Keramiken: Eigenschaften, Vergleich und Anwendungen

Warum Keramik für Anwendungen mit hoher Biegefestigkeit wählen?

Hochleistungskeramiken werden aus mehreren Gründen bevorzugt in Hochleistungskomponenten eingesetzt:

  • Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Keramiken wie Siliziumnitrid und Zirkoniumdioxid bieten außergewöhnliche mechanische Festigkeit bei geringem Gewicht.
  • Überlegene thermische Stabilität: Keramik behält seine Biegefestigkeit auch bei Temperaturen von über 1000°C und übertrifft damit die meisten Metalle und Kunststoffe.
  • Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit: Ideal für Umgebungen mit Chemikalien, Schleifmitteln oder Feuchtigkeit.
  • Maßhaltigkeit: Keine plastische Verformung unter Last, dadurch gleichbleibende Toleranzen.
  • Verlängerte Lebensdauer: Langlebig auch bei zyklischer Belastung und Ermüdungserscheinungen.

Daten zur Biegefestigkeit der wichtigsten Hochleistungskeramiken

Keramisches Material Biegefestigkeit (MPa)
Zirkoniumdioxid (ZrO₂) 800-1200
Siliziumnitrid (Si₃N₄) 700-1200
ZTA (Zirconiumdioxid gehärtetes Aluminiumoxid) 600-800
Siliziumkarbid (SiC) 400-600
Tonerde (Al₂O₃, 99,7%) 300-500
Aluminiumnitrid (AlN) 300-400
Borkarbid (B₄C) 200-400
Beryllium-Oxid (BeO) 150-250
Bearbeitbare Glaskeramik 100-150

*Die Daten dienen nur als Referenz.

Vergleichstabelle: Keramiken, Metalle und Kunststoffe

Das nachstehende Balkendiagramm zeigt die Biegefestigkeit (MPa) verschiedener technischer Werkstoffe in absteigender Reihenfolge, von superharten Keramiken bis hin zu gängigen Industriekunststoffen.

Keramik
Metall
Kunststoff

*Die Daten dienen nur als Referenz.

*Schlussfolgerung: Viele Metalle sind zwar zäh und dehnbar, aber nur wenige (wie Titanlegierungen) erreichen annähernd die Biegefestigkeit von Spitzenkeramiken. Kunststoffe hinken im Allgemeinen weit hinterher.

Brauchen Sie Hilfe bei der Auswahl der richtigen Keramik?

Die Wahl des richtigen keramischen Werkstoffs für eine hohe Biegefestigkeit ist entscheidend für die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit und Spitzenleistung. Ganz gleich, ob Sie Keramik auf der Basis von Zirkoniumdioxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid benötigen, unsere Materialien bieten branchenführende Festigkeit, Haltbarkeit und Präzision.

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Anwendungen auf der Grundlage von Keramik Biegefestigkeit

  • Anwendung: Waferträgerplatten in Abscheide- oder Ätzkammern.
  • Warum: Diese Platten sind wiederholten thermischen Zyklen und mechanischen Belastungen ausgesetzt.
  • Vorteile: Keramik hat eine hohe Biegefestigkeit (~900-1000 MPa), eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und Dimensionsstabilität.
  • Vorteile: Verhindert Verformungen oder Risse bei der Verarbeitung bei hohen Temperaturen, verbessert die Geräteausbeute und Prozesssicherheit, verlängert die Lebensdauer in rauen Umgebungen usw.
  • Anwendung: Plungerkomponenten in Pumpen für abrasive oder korrosive Flüssigkeiten
  • Warum: Der Plunger hält zyklischen Biege- und Druckkräften unter hohem Druck stand.
  • Vorteile: SSiC kombiniert eine Biegefestigkeit von ~800-1000 MPa mit einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit.
  • Vorteile: Keine Verformung oder Bruch bei mechanischer Belastung, hervorragende Leistung in korrosiven chemischen Umgebungen, geringer Wartungsaufwand, lange Lebensdauer
  • Anwendung: Hybrid-Keramik-Kugellager
  • Warum: Kugeln sind während des Betriebs radialen Belastungen, Zentrifugalkräften und Mikrovibrationen ausgesetzt.
  • Vorteile des Materials: Siliziumnitrid ist leicht und hat eine ausgezeichnete Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
  • Vorteile: Höhere Drehzahlen ohne thermische Verformung, längere Lebensdauer im Vergleich zu Stahllagern, Betrieb ohne Schmierung unter Vakuum- oder Hochtemperaturbedingungen.
  • Anwendung: High-Power-LED-Submounts und Chipträger
  • Warum: Dünne Keramiksubstrate müssen mechanischen Biegungen und thermischen Belastungen standhalten.
  • Vorteile: AlN bietet eine Biegefestigkeit von ~300-400 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von >170 W/m-K.
  • Vorteile: Bewahrt die strukturelle Integrität bei Temperaturschwankungen, unterstützt die Miniaturisierung von Leistungsgeräten, ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung und langfristige Zuverlässigkeit.
  • Anwendung: Isolierstangen und Konstruktionsklammern in Umspannwerken
  • Warum: Mechanische Belastungen durch Wind, Kabel und Umwelteinflüsse erfordern eine hohe Steifigkeit.
  • Vorteile: Tonerdekeramik hat eine zuverlässige Festigkeit (300-450 MPa) und eine lange Haltbarkeit im Freien.
  • Vorteile: Zuverlässige Trägerstruktur für elektrische Komponenten, minimierte Alterung unter Außenbedingungen, hervorragende mechanische und dielektrische Eigenschaften.
  • Anwendung: Keramische Reibelemente in Bremssystemen
  • Warum: Bremsbeläge müssen bei wiederholten thermischen Zyklen Scher- und Biegekräften standhalten.
  • Vorteile: ZTA (zirconia toughened alumina) bietet erhöhte Zähigkeit und Biegefestigkeit (~600-800 MPa).
  • Vorteile: Verbesserte Verschleißfestigkeit, längere Lebensdauer im Vergleich zu Metallsystemen, erhöhte Sicherheit unter extremen Bremsbedingungen.
  • Anwendungen: Strukturelle Tragarme in CT-, Röntgen- und Robotergeräten
  • Warum: Tragarme erfordern präzise Abmessungen und Steifigkeit bei statischen oder dynamischen Belastungen.
  • Vorteile: MGC bietet eine Biegefestigkeit von etwa 150 MPa und kann mit engen Toleranzen bearbeitet werden.
  • Vorteile: Hohe Maßgenauigkeit, leicht zu bearbeiten, elektrisch isolierend und thermisch stabil, ideal für die kundenspezifische Kleinserienfertigung.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Die Biegefestigkeit ist die maximale Spannung, die ein Material beim Biegen aushalten kann, bevor es versagt. Sie ist entscheidend für spröde Materialien wie Keramik.

Da Keramik sich nicht plastisch verformen kann, ist ihre Fähigkeit, Biegebelastungen standzuhalten, bevor sie brechen, der Schlüssel zur Zuverlässigkeit in strukturellen Anwendungen.

Siliziumnitrid und Zirkoniumdioxid gehören zu den stärksten Materialien mit Werten von oft über 1000 MPa.

Einige Keramiken übertreffen Metalle in Bezug auf die Biegefestigkeit, insbesondere wenn man das Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit berücksichtigt, aber sie sind spröder und erfordern eine sorgfältige Konstruktion, um Brüche zu vermeiden.

Die Biegefestigkeit wird in der Regel mit Drei- oder Vierpunktbiegeverfahren (ASTM C1161) geprüft.

Hohe Reinheit, Kornstruktur und starke ionische/kovalente Bindungen verleihen der Keramik eine hohe Festigkeit bei geringem Kriechen und Verschleiß.

Nein. Zirkoniumdioxid und Siliziumnitrid gehören zu den stärksten Werkstoffen. Bearbeitbare Keramiken haben eine geringere Festigkeit, lassen sich aber leichter verarbeiten.

Wärmeleitfähigkeit von Siliciumcarbid-Keramiken