Maximale Betriebstemperatur von Hochleistungskeramiken

Die maximale Betriebstemperatur von Hochleistungskeramiken liegt weit über der von herkömmlichen Metallen oder technischen Kunststoffen. Im Gegensatz dazu können einige Hochleistungskeramiken anhaltenden Betriebstemperaturen von bis zu 2200 °C standhalten, während herkömmliche Metalle bei 1200 bis 1500 °C zu schmelzen beginnen. Dies macht Hochtemperaturkeramik ideal für industrielle Hochtemperaturanwendungen.

Bei der Auswahl von Werkstoffen für den Einsatz bei Temperaturen um 2000 °C muss jedoch die Anwendungsumgebung sorgfältig berücksichtigt werden. Viele ultrahochtemperaturfähige Keramiken, wie Bornitrid und Siliziumkarbid, benötigen eine inerte oder reduzierende Umgebung. In einer oxidierenden Umgebung kann sich ihre maximale Betriebstemperatur erheblich verringern.

Dieser Artikel befasst sich mit den maximalen Betriebstemperaturen der wichtigsten keramischen Werkstoffe, vergleicht sie mit Metallen und Kunststoffen und erläutert, wie ihre Eigenschaften in Hochtemperaturanwendungen genutzt werden können.

Härte von Keramiken: Eigenschaften, Vergleich und Anwendungen

Warum Hochtemperaturkeramik wichtig ist

Hochleistungskeramik bewahrt die strukturelle und chemische Integrität bei extremen Temperaturen, was für Anwendungen wie z. B. in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung ist:

  • Triebwerkskomponenten für die Luft- und Raumfahrt
  • Auskleidungen von Industrieöfen
  • Metallurgische Schmelztiegel
  • Herstellung von Halbleitern
  • Hochleistungs-Wärmetauscher
  • Hochtemperatur-Filtrationssysteme
  • Werkzeuge zur Handhabung von geschmolzenem Metall

Sie bieten eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit, Oxidationsstabilität und geringe Wärmeausdehnung, insbesondere im Vergleich zu Metallen und Polymeren. Dies macht sie in vielen Hightech- und Industrieanwendungen unersetzlich.

Was ist die maximale Betriebstemperatur?

Die maximale Betriebstemperatur bezieht sich auf die höchste Temperatur, die ein Material über einen längeren Zeitraum ertragen kann, ohne dass es zu einer signifikanten Leistungsverschlechterung kommt, wie z. B. Erweichung, Schmelzen, Oxidation oder Strukturversagen.

Bei Keramiken wird diese Temperatur von folgenden Faktoren beeinflusst

  • Stabilität der Kristallstruktur
  • Phasenumwandlungsverhalten
  • Wärmeleitfähigkeit
  • Beständigkeit gegen Temperaturschock und Oxidation

Keramische Werkstoffe und ihre Höchsttemperaturen

Keramisches Material Maximale Betriebstemperatur (°C) Anmerkungen
Bornitrid (BN) 2000 Nur inerte Atmosphäre
Aluminiumoxid (Al2O3) 1650 Am häufigsten verwendete Hochleistungskeramik
Siliziumkarbid (SSiC) 1400 Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
ZTA20 1400 Verbundwerkstoff aus gehärtetem Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid
Siliziumnitrid (Si3N4) 1300 Hohe Temperaturwechselbeständigkeit
Aluminiumnitrid (AlN) 1200 Ideal für elektronische Substrate
Beryllium-Oxid (BeO) 1200 Hohe Leitfähigkeit, giftig bei der Bearbeitung
MGC 900 Einsatz im Prototyping, Elektronik
Zirkoniumdioxid (YPZ) 850 Begrenzt durch Phaseninstabilität

*Die Daten dienen nur als Referenz.

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Vergleich der maximalen Betriebstemperatur: Keramik vs. Metalle und Kunststoffe

Das nachstehende Balkendiagramm zeigt die maximalen Betriebstemperaturen verschiedener technischer Werkstoffe - von Hochtemperaturkeramiken bis hin zu gewöhnlichen Industriekunststoffen - in der Reihenfolge vom höchsten zum niedrigsten Wert.

Keramik Metalle Kunststoffe

*Die Daten dienen nur als Referenz.

Anwendungen auf Basis von Keramik Höchsttemperatur

Hochleistungskeramik wird aufgrund ihrer außergewöhnlichen Wärmebeständigkeit in vielen anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt, wobei die strukturelle Integrität und die funktionelle Stabilität oft über 1000°C erhalten bleiben. Nachfolgend finden Sie Anwendungsbeispiele nach Industriezweigen, in denen keramische Materialtypen und ihre typischen maximalen Betriebstemperaturen hervorgehoben werden.

  • Anwendung: Triebwerkskomponenten (Brennkammern, Düsen, Wärmedämmschichten)

    • Materialien: Siliziumnitrid (Si₃N₄), Siliziumkarbid (SiC), Zirkoniumdioxid (ZrO₂)
    • Betriebstemperatur: 1200-1600°C
    • Merkmale: Ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit, geringe Wärmeausdehnung, Oxidationsbeständigkeit
  • Anwendung: Wärmeschutzsysteme für Wiedereintrittsfahrzeuge

    • Werkstoffe: Verbundwerkstoffe auf SiC-Basis, mit Aluminiumoxidfasern verstärkte Keramiken
    • Betriebstemperatur: >1600°C
    • Merkmale: Hervorragende Wärmedämmung und ultrahohe Temperaturstabilität
  • Anwendung: Ofenrohre, Schutzhüllen für Thermoelemente, Stützkonstruktionen

    • Materialien: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si₃N₄)
    • Betriebstemperatur: 1400-1700°C
  • Anwendung: Sinterschalen und -träger für die Pulvermetallurgie

    • Werkstoffe: Tonerde, Aluminiumnitrid (AlN)
    • Betriebstemperatur: >1500°C (in inerter Atmosphäre)
    • Merkmale: Hohe thermische Stabilität, inert gegenüber chemischen Angriffen
  • Anwendung: Elektrische Hochtemperatur-Isolationssubstrate und Vakuumkammerkomponenten

    • Werkstoffe: Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO)
    • Betriebstemperatur: 1000-1200°C
    • Merkmale: Hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende dielektrische Eigenschaften
  • Anwendung: Ionenimplantation und Plasma-Ätzung von Kammerteilen

    • Werkstoffe: Bornitrid (BN), Tonerde (Al₂O₃)
    • Betriebstemperatur: >1000°C (Vakuum)
  • Anwendung: Gasturbinenschaufeln und Wärmedämmschichten (TBCs)

    • Werkstoffe: Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), SiC-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC)
    • Betriebstemperatur: 1200-1600°C
    • Merkmale: Extreme Hitzebeständigkeit und Temperaturwechseltoleranz
  • Anwendung: Struktur- oder Hüllkomponenten von Kernreaktoren

    • Werkstoffe: SiC-Verbundwerkstoffe, BeO
    • Betriebstemperatur: >1200°C
    • Merkmale: Hohe Neutronentransparenz, Strahlungsbeständigkeit
  • Anwendung: Dieselmotor-Glühkerzen, Turbolader-Rotoren

    • Materialien: Siliziumnitrid (Si₃N₄)
    • Betriebstemperatur: 1000-1200°C
    • Merkmale: Geringes Gewicht, Schockbeständigkeit bei hohen Temperaturen
  • Anwendung: Dieselpartikelfilter (DPF)

    • Werkstoffe: Siliziumkarbid (SiC)
    • Betriebstemperatur: 900-1100°C
  • Anwendung: Hochtemperaturtiegel, Probenhalter für die thermische Analyse

    • Werkstoffe: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Siliziumnitrid
    • Betriebstemperatur: >1500°C (im Vakuum oder unter inerter Atmosphäre)
    • Anwendungsfälle: Thermische Analyse (DSC, TGA), XRF/XRD-Probenhalter
  • Anwendung: Keramische Rohre, Rinnen, Tiegel für geschmolzenes Metall

    • Werkstoffe: Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Bornitrid
    • Betriebstemperatur: 1600-1800°C
    • Merkmale: Korrosionsbeständigkeit, thermische Stabilität in aggressiven Umgebungen
  • Anwendung: Glasformungsformen und Wärmedämmplatten

    • Werkstoffe: ZTA, Tonerde
    • Betriebstemperatur: >1400°C
  • Anwendung: Reaktorauskleidungen und Träger in korrosiven Hochtemperaturumgebungen

    • Werkstoffe: Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid
    • Betriebstemperatur: 1000-1600°C
    • Merkmale: Hohe chemische Inertheit, Beständigkeit gegen saure und basische Atmosphären

Wichtige hochtemperaturbeständige Keramiken

Bornitrid-Keramik - hochtemperaturbeständige Keramiken

MAX: 2200℃

Aluminiumoxid-Keramik - hochtemperaturbeständige Keramiken

MAX: 1700℃

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Bornitrid kann in inerten Umgebungen bis zu 2000°C oder mehr arbeiten.

Keramik hat starke ionische/kovalente Bindungen, eine geringe Wärmeausdehnung und eine hohe Oxidationsbeständigkeit.

Ja, aber einige (wie BN) sollten vor Oxidation bei hohen Temperaturen geschützt werden.

Die meisten sind spröde, aber Materialien wie Si3N4 und ZTA bieten eine gute Kombination aus Zähigkeit und thermischer Stabilität.

Sie werden in der Leistungselektronik, der Luft- und Raumfahrt, der Metallverarbeitung, der Halbleiterindustrie und vielen anderen Bereichen eingesetzt.