Aluminiumoxidkeramik und Zirkonoxidkeramik
Spezialkeramik, auch Feinkeramik genannt, ist eine Art anorganischer nichtmetallischer Werkstoffe, die durch präzise Formgebungs- und Sinterprozesse aus hochreinen anorganischen nichtmetallischen Rohstoffen hergestellt werden. Im Gegensatz zu herkömmlicher Keramik werden hier keine natürlichen Mineralien wie Ton als Hauptrohstoffe verwendet. Stattdessen setzen sie auf künstlich synthetisierte hochreine Rohstoffe und fortschrittliche Herstellungstechnologien und nehmen in der modernen Industrie sowie in Wissenschaft und Technik eine unersetzliche Bedeutung ein.
Spezialkeramiken lassen sich je nach chemischer Zusammensetzung in zahlreiche Typen unterteilen, darunter Oxidkeramiken (z. B. Aluminiumoxid, Zirkonoxid usw.), Nitridkeramiken (z. B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid usw.), Carbidkeramiken (z. B. Siliziumkarbid, Borkarbid usw.), Boridkeramiken (z. B. Zirkoniumborid, Lanthanborid usw.) sowie Verbundkeramiken aus mehreren Verbindungen und Cermets mit Metallzusätzen. Je nach Anwendungsfunktion lassen sie sich grob in zwei Kategorien unterteilen: hochfeste, hochtemperaturbeständige und zusammengesetzte Strukturkeramiken sowie elektrische und elektronische Funktionskeramiken.
Von hochtemperaturbeständigen Komponenten in der Luft- und Raumfahrt über Chipgehäuse bis hin zu Sensorelementen in der Elektronikindustrie, von Brennstoffzellenkomponenten im Energiesektor bis hin zu künstlichen Gelenken und Zahnersatzmaterialien in der Biomedizin – Spezialkeramik ist allgegenwärtig. Sie ist wie ein unbesungener Held, der den Fortschritt moderner Wissenschaft und Technologie still und leise vorantreibt und unser Leben verändert.
Aluminiumoxidkeramik: Eigenschaften und Anwendungen
(1) Leistungsmerkmale
Aluminiumoxidkeramiken, deren Hauptbestandteil Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist, nehmen aufgrund ihrer hervorragenden Leistung eine wichtige Position im Bereich der Spezialkeramiken ein. Sie zeichnen sich durch eine extrem hohe Härte aus und erreichen mit einer Rockwellhärte von HRA80–90 die zweithöchste Härte nach Diamant. Dadurch eignen sie sich hervorragend für verschleißfeste Anwendungen. In Verschleißfestigkeitstests ist die Verschleißfestigkeit von Aluminiumoxidkeramiken 266-mal höher als die von Manganstahl und 171,5-mal höher als die von hochchromhaltigem Gusseisen. Unter gleichen Arbeitsbedingungen können sie die Lebensdauer von Geräten um mindestens das Zehnfache oder mehr verlängern.
Die Dichte von Aluminiumoxidkeramik beträgt etwa 3,8 g/cm³ und ist damit nur halb so hoch wie die von Stahl. Dadurch wird die Belastung der Geräte effektiv reduziert. Aluminiumoxidkeramik weist zudem eine ausgezeichnete chemische Stabilität auf und widersteht der Korrosion durch Chemikalien wie starke Säuren und Laugen. Daher findet Aluminiumoxidkeramik breite Anwendung in korrosiven Umgebungen wie der chemischen Industrie. Auch die Hochtemperaturbeständigkeit ist herausragend: Aluminiumoxidkeramik hält Temperaturen von bis zu 1600 °C und mehr stand. Aluminiumoxidkeramik kann als Auskleidung für Hochtemperaturöfen und feuerfeste Materialien verwendet werden.
(2) Anwendungsgebiete
Im Maschinenbau wird Aluminiumoxidkeramik aufgrund ihrer hohen Härte und Verschleißfestigkeit zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Lagern, Dichtungen usw. verwendet. Die Schnittgeschwindigkeit von Schneidwerkzeugen aus Aluminiumoxidkeramik ist höher als die von herkömmlichen Hartmetall-Schneidwerkzeugen, was die Schneidleistung erheblich verbessern kann. Schneidwerkzeuge aus Al₂O₃-Verbundkeramik können auch verschiedene Materialien wie gehärteten Stahl und legierten Stahl bearbeiten.
Aluminiumoxidkeramiken finden in der Elektronik und Elektrotechnik breite Anwendung. Sie verfügen über gute Isoliereigenschaften und eine hohe Wärmeleitfähigkeit und können zu Keramiksubstraten, Wafern, Keramikfolien, transparenten Keramiken und Isolierbauteilen verarbeitet werden. Aluminiumoxidkeramiksubstrate mit hoher mechanischer Festigkeit, guter Isolierung und hoher Lichtabschirmung werden beispielsweise häufig in Keramiksubstraten für mehrschichtige Verdrahtung, elektronischen Verpackungen und hochdichten Verpackungssubstraten verwendet.
In der chemischen Industrie können Aluminiumoxidkeramiken zur Auskleidung von Reaktionskesseln, Rohrleitungen, Ventilen usw. verwendet werden. Dank ihrer chemischen Stabilität und Korrosionsbeständigkeit widerstehen sie der Erosion durch verschiedene chemische Medien und gewährleisten so einen sicheren und stabilen Betrieb der chemischen Produktion.
Zirkonoxidkeramik: Eigenschaften und Anwendungen
(1)Leistungsmerkmale
Zirkonoxidkeramiken mit Zirkonoxid (ZrO₂) als Hauptbestandteil zeichnen sich durch hervorragende Leistung aus. Sie weisen eine relativ hohe Härte von 7–8 nach Mohs auf und eignen sich hervorragend für verschleißfeste Anwendungen. Unter gleichen Reibungsbedingungen beträgt der Verschleißverlust von Zirkonoxidkeramiken nur ein Zehntel des Verschleißverlusts herkömmlicher Metallwerkstoffe.
Auch die Zähigkeit ist sehr ausgeprägt: Die Bruchzähigkeit von 7–15 MPa·m¹/² ist deutlich höher als bei herkömmlicher Keramik. Es ist rissbeständig und bricht nicht so leicht. Die Verschleißfestigkeit ist hervorragend und liegt mehr als 200-mal höher als bei Edelstahl. In Umgebungen mit hohem Verschleiß bietet es deutliche Vorteile.
Zirkonoxidkeramiken verfügen zudem über gute Isoliereigenschaften. Sie sind bei Raumtemperatur hervorragende Isolatoren und erfüllen die Isolationsanforderungen im elektronischen und elektrischen Bereich. Bemerkenswert ist auch ihre hohe Temperaturbeständigkeit mit einem Schmelzpunkt von bis zu 2700 °C, wodurch sie auch in Hochtemperaturumgebungen stabil eingesetzt werden können.
(2) Anwendungsbereich
Im Bereich der Strukturkeramik wird Zirkonoxidkeramik häufig zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Lagern, Ventilen usw. verwendet. Schneidwerkzeuge aus Zirkonoxidkeramik sind scharf und langlebig und zeichnen sich durch eine hervorragende Schneidleistung aus. Sie eignen sich für die Bearbeitung einer Vielzahl schwer zu schneidender Materialien und reagieren nicht mit Lebensmitteln. Daher eignen sie sich für die Herstellung von Tafelmessern, chirurgischen Messern usw. Zirkonoxidkeramiklager zeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aus und werden häufig in Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsgeräten eingesetzt.
Was Funktionskeramiken betrifft, können aus Zirkonoxidkeramiken Sauerstoffsensoren, Festoxid-Brennstoffzellenelektroden usw. hergestellt werden. Sauerstoffsensoren können aufgrund ihrer Leitfähigkeitseigenschaften für Sauerstoffionen den Sauerstoffgehalt in der Umgebung schnell und genau ermitteln und werden häufig in Bereichen wie der Abgaserkennung von Autos und der industriellen Verbrennungssteuerung eingesetzt.