Informationen über technische Keramiken

Bei technischen Keramiken handelt es sich um Keramikwerkstoffe, deren Eigenschaften für technische Anwendungen optimiert wurden. Im Unterschied zu Keramiken, die zu dekorativen Zwecken eingesetzt oder als Geschirr, in Form von Fliesen oder als Gegenstände im Sanitärbereich genutzt werden, kennzeichnen sich technische Keramiken durch eine deutlich höhere Reinheit und ein enger toleriertes Kornband der Ausgangsstoffe.  

Zudem werden bei technischen Keramiken üblicherweise besondere Brennverfahren angewandt, zu denen beispielsweise das Brennen unter reduzierter Atmosphäre oder das heißisostatische Pressen gehören. 

Technische Keramiken werden auch als Ingenieurkeramiken, Industriekeramiken und Hochleistungskeramiken bezeichnet und sofern sie über besondere elektrische Eigenschaften verfügen, wird auch von Funktionskeramiken gesprochen.  

 

Hier nun die wichtigsten Informationen über technische Keramiken
im kompakten Überblick:
 

 

 

 

Grundlegende Informationen

 

Keramikwerkstoffe sind nichtmetallisch, anorganisch und polykristallin. Normalerweise wird eine Rohmasse aus Keramikpulver, einem organischen Bindemittel und Flüssigkeit hergestellt und diese dann bei Raumtemperatur geformt. Die charakteristischen Eigenschaften entstehen erst bei hohen Temperaturen durch das Sintern als urformendes Fertigungsverfahren. Dadurch unterscheiden sich Keramikwerkstoffe auch von vielen anderen Werkstoffen.  

Während die wesentlichen Materialeigenschaften beispielsweise bei Metallen oder Kunststoffen schon vor der Formgebung gegeben sind, ergeben sich die Eigenschaften, die Form und die Größe von Keramiken erst im Zuge der jeweiligen Herstellungsprozessschritte. Dabei gliedern sich diese in die Aufbereitung des Keramikpulvers, die Formgebung und den Brand.  

Die konkreten Eigenschaften der Keramik ergeben sich dann einerseits aus dem Grundmaterial, das für das Bauteil verwendet wurde, und andererseits daraus, in welcher Form und in welcher Häufigkeit Fehler wie beispielsweise kleinste Risse, Poren oder minimale Anteile von Fremdstoffen vorhanden sind.  

Dabei können jedoch unterschiedliche Eigenschaften auch bei identischen Stoffgemischen erzielt werden, indem die Brennverfahren und die Brennatmosphären sowie die Brenntemperaturen und die Korngrößen variiert werden. Je größer eine Keramik ist und je komplexer ihre Form ist, desto schwieriger ist die Herstellung aus technischer Sicht, denn obwohl die Wärmezufuhr beim Brand nur von außen möglich ist, muss das homogene Gefüge bestehen bleiben.    

 

Die Eigenschaften von technischen Keramiken

 

Technische Keramiken können je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. So sind Heizelemente bis weit über 1000 °C hitzebeständig. Keramiken, die beispielsweise in Kugellagern oder als Schneidkeramiken verwendet werden, kennzeichnen sich durch eine große Härte, die deutlich über der Härte von Stahl liegt.  

Technische Keramiken, die als Gleitflächen, als Schneiddüsen oder als Gleitlager in Pumpen, Kolben und Zylindern Anwendung finden, weisen eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit auf. Funktionskeramiken verfügen je nach Typ über ein hohes elektrisches Isoliervermögen, Halbleiter- oder piezoelektrische Eigenschaften, zudem gibt es technische Keramiken mit einer hohen oder einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit.   

Genauso wie bei normalen Keramiken entstehen auch technische Keramiken durch das Verschmelzen von kristallinen Pulvern im Zuge des Brennens. Um eine gleichbleibende Qualität und Zuverlässigkeit der Werkstoffe sicherzustellen, kommen der Herstellung von hochreinen Pulvern mit einer feinen Körnung teils unter 1 µm, der Aufbereitung der Pulver, der Trocknung und dem Brand tragende Rollen zu. Beim Brand verändert sich die Korngröße nicht oder sie vergrößert sich.  

Für mechanische Anwendungen und Kondensatoren müssen die Korngrößen möglichst klein sein. Im Gegensatz dazu sind bei beispielsweise Brennerrohren Kompromisse notwendig, denn kleine Körner stellen die mechanische Festigkeit sicher, während große Körner für die optische Transparenz notwendig sind. Wichtig ist außerdem die Konstruktion der Bauteile.  

Unregelmäßige Änderungen der Wandstärke, scharfe Kerben oder Ecken im Innenraum können kleine Risse verursachen, die sich schon bei einer geringen Belastung ausbreiten und bis hin zur vollständigen Zerstörung des Bauteils führen können.  

Im Bereich der technischen Keramik stehen jedoch mittlerweile unterschiedliche keramische Verbundstoffe zur Verfügung, die für wesentlich höhere Bruchzähigkeiten, erhöhte Zuverlässigkeit und eine hervorragende Thermoschockbeständigkeit sorgen.  

 

 

Anwendungsbereiche von technischen Keramiken 

Technische Keramiken werden heute in Bereichen eingesetzt, in denen früher in erster Linie Metalle üblich waren. So finden sich keramische Werkstoffe beispielsweise im Bereich der Medizintechnik als Ersatz für Zähne und Knochen oder im Zusammenhang mit den sogenannten Heißanwendungen im Ofenbau, in Brennersystemen und in Heizelementen.  

Der überwiegende Teil von technischen Keramiken wird jedoch als Isolator oder als Isolierstoff sowie in der Dichtungs- und Lagertechnik eingesetzt. 

 

Die Werkstoffgruppen von technischen Keramiken 

Bei den Werkstoffgruppen wird zwischen Oxid- und Nicht-Oxid-Keramiken unterschieden.  

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Zu den Oxid-Keramiken gehören Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid und Titandioxid als Einstoffsysteme. Außerdem gibt es Mehrstoffsysteme wie beispielsweise Aluminiumtitanat als Mischung aus Aluminium- und Titanoxid, Mullit als Mischung aus Aluminium- und Siliciumoxid, Bleizirkonattitanat oder Dispersionskeramiken, bei denen zum Beispiel Aluminiumoxid mit Zirkoniumoxid verstärkt wird.  

Bei Bleizirkonattitanat handelt es sich um die sogenannte Piezokeramik, die für Schwingquarze, in Piezoeinspritzventilen in Dieselmotoren, in Stellantrieben sowie in Kleinst- und Hochfrequenzlautsprechern eingesetzt wird.

 

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Zu den Nicht-Oxid-Keramiken gehlren Carbide wie Siliciumcarbid und Borcarbid, Nitride wie Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid und Bornitrid, Boride und Silicide. 

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