Keramik

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Mat-CeramicComposite

 

Definition

Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nicht-metallisch und polykristallin. In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer aus Keramikpulver und Flüssigkeitsgemischen gebildeten Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften erst in einem Sintervorgang bei hohen Temperaturen.


 

 

Wesentliche Elemente und Verbindungen

Keramische Werkstoffe können hinsichtlich ihrer Zusammensetzung in die drei Gruppen Silicatkeramik, Oxidkeramik und Nichtoxidkeramik unterscheiden. Wesentliche Bestandteile der Silicatkeramik sind Ton und Kaolin, sowie Feldspat und Speckstein als Silikatträger. Oxidkeramiken bestehen im wesentlichen aus Metalloxiden. Diese Werkstoffgruppe hat den Vorteil, dass die Neigung zur Glasbildung nur sehr gering bzw. gar nicht ausgeprägt ist. Nichtoxidkeramiken bestehen beispielsweise aus Nitriden, Carbiden oder Boriden.

Technisch bedeutende Oxidkeramiken sind:

  • Aluminiumoxid (Al2O3)

  • Zirkoniumdioxid (ZrO2)

  • Titanoxid (TiO2)

  • Magnesiumoxid (MgO)

  • Aluminiumtitanat (Al2O3 + TiO2)

  • Bariumtitanat (BaO + TiO2)

Technisch bedeutende Nichtoxidkeramiken sind unter anderem

  • Siliciumnitrid (SiN)

  • Siliciumcarbid (SiC)

  • Aluminiumnitrid (AlN)

  • Hafniumcarbid (HfC)

  • Tantalcarbid (TaC)

  • Titannitrid (TiN)

  • Wolframcarbid (WC)

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Herstellungsprozess

Technische Keramiken werden so gut wie immer über einen Sinterprozess hergestellt. Aus einem Pulver wird zuerst ein sogenannter Grünkörper geformt, der anschließend unter Temperatureinwirkung gesintert wird. Durch die erhöhte Temperatur sind Diffusionsvorgänge möglich, so dass sich die im Grünkörper vorhandenen Poren schließen. Statt eines Pulvers kann auch ein so genannter Schlicker (Pulver in Flüssigkeit) benutzt werden.

 

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Typische Eigenschaften

Da im vorliegenden Fall Beschichtungen im Zentrum des Interesses stehen, konzentriert sich die folgende Übersicht im wesentlichen auf Eigenschaften von technischer Keramik (dies bedeutet nicht, dass Sanitär- oder Gebrauchskeramik vergleichbare Eigenschaften fehlen). Technische Keramiken sind bzw. haben:

  • Hitzebeständigkeit bis weit über 1000°C (Heizelemente)

  • elektrisch isolierend (Zündkerzen, Hochspannung, elektronische Miniatur- und Hochfrequenzschaltungen)

  • hohe Dielektrizitätskonstanten, ferroelektrisch (elektronische Kondensatoren)

  • abrieb- und verschleißfest (Gleitflächen, Wasserjet, Schneiddüsen, Gleitlager in Pumpen, Kolben und Zylinder)

  • hart (z.B. in Kugellagern, Verwendung als Schneidstoff in der spanenden Bearbeitung. Keramik ist leichter und härter als Stahl)

  • korrosionsbeständig (Salzwasser, Chemieanwendungen (speziell in Pumpen der chemischen Industrie), Oberflächenveredelung)

  • biokompatibel (Medizin)

  • geringe thermische Ausdehnung

  • niedrige Dichte

  • hohe mechanische Festigkeit, verbunden mit geringer Bruchzähigkeit

  • formstabil (hohe spezifische Steifigkeit beziehungsweise hoher E-Modul)

  • stark oder auch schwach wärmeleitend

  • in vielen Fällen Halbleitereigenschaften (besonders Übergangsmetalloxide)

  • Ebenso wie Metalle und Legierungen können manche Keramiken beim Unterschreiten einer kritischen Temperatur Tc sprunghaft ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren. Tc, heißt aus diesem Grund auch Sprungtemperatur oder kritische Temperatur. Ihr Wert ist materialabhängig und kann durch (von außen anliegende) Magnetfelder gesenkt werden.

  • Supraleiter zeigen den Meißner-Ochsenfeld-Effekt: Magnetfelder unterhalb eines kritischen Wertes werden wegen des verschwindenden Widerstandes aus dem Leiter gedrängt.

  • Ein von außen angelegtes Magnetfeld induziert sofort einen Kreisstrom, der im Inneren des Supraleiters ein entgegengesetztes Feld aufbaut, welches das äußere kompensiert. Aufgrund des nicht vorhandenen elektrischen Widerstandes wird der Kreisstrom nicht mehr schwächer, das Magnetfeld bleibt erhalten. Durch den Effekt kann eine kleine supraleitende Probe im Magnetfeld zum Schweben gebracht werden.

  • Keramiken sind in der Regel Supraleiter 2. Art; sie befinden sich nur bis zu einem unteren kritischen Magnetfeld Bc1 in der Meissner-Phase, darüber können magnetische Feldlinien in Form so genannter Flussschläuche in das Material eindringen (Shubnikov- oder Mischphase), ehe der supraleitende Zustand bei einem oberen kritischen Magnetfeld Bc2 vollständig zerstört wird. Der magnetische Fluss in den Flussschläuchen beträgt immer ein ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Flussquants. Oberhalb ihrer Sprungtemperatur sind Supraleiter 2. Art Isolatoren.



Tabelle 6: Supraleiter 2. Art und ihre Sprungtemperaturen

Substanz

Sprungtemperatur/K

Sprungtemperatur/°C

K3C60

19,00

-254,15

Nb3Ge

23,00

-250,15

La2CuO4

35,00

-238,15

MgB2

39,00

-234,15

Cs3C60

40,00

-233,15

YBa2Cu3O7-x;x~0,2

93,00

-180,15

HgBa2Ca2Cu3O8+x

133,00

-140,15

 

 

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Anwendungen

  • Hinsichtlich ihrer Anwendungsgebiete können keramische Werkstoffe in Sanitär- und Gebrauchskeramik auf der einen Seite, sowie Technische Keramik auf der anderen Seite unterteilt werden. Da die Werkstoffe in der Sanitär- und Gebrauchskeramik jedoch als Substrate, nicht als Beschichtungen eingesetzt werden, interessiert uns im vorliegenden Fall eigentlich nur die technische Keramik.

  • Technische Keramiken lassen sich wiederum in Strukturkeramik und Funktionskeramik unterscheiden. Während es beim erst genannten Typ hauptsächlich auf gute mechanische Eigenschaften ankommt, stehen bei Typ zwei in der Regel optische, thermische, elektrische oder magnetische Eigenschaften im Vordergrund.

  • Supraleiter werden in der Hauptsache zur Herstellung von extrem starken Elektromagneten verwendet, z. B. in der Medizin (Kernspintomografie), in Teilchendetektoren, zur Trennung von geladenen und ungeladenen Partikeln (Pigmente), oder zum Bau von sehr empfindlichen Magnetometern (SQUIDS)

  • Bariumtitanat ist ebenso wie Bleizirkonat-Titanat (PZT) ferroelektrisch, und wird z. B. in Kondensatoren und Datenspeichern eingesetzt.

  • Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid ist ein Hochtemperatursupraleiter wie Magnesiumdiborid MgB2

  • Borcarbid (B4C)wird in Form von Platten als Werkstoff für den Personen-, Hubschrauber und Tankschutz verwendet

  • Bornitrid ist strukturell mit Kohlenstoff verwandt. Als Pendant zu Graphit wird es als Schmiermittel eingesetzt, als Pendant zu Diamant benutzt man es als Schleifmittel

  • Ferrit Fe3O4 ist ferrimagnetisch und wird als z. B. Magnetkern von Transformatoren benutzt

  • Siliciumkarbid - SiC – wird in Mikrowellenöfen oder als Schleifmittel verwendet, wie Siliciumnitrid – Si3N4

  • Zinkoxid – ZnO – ist ein Halbleiter

  • Anwendung als Gassensoren

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