Spezialkeramiken, auch Feinkeramiken genannt, sind anorganische, nichtmetallische Werkstoffe, die aus hochreinen anorganischen, nichtmetallischen Rohstoffen durch präzise Formgebungs- und Sinterverfahren hergestellt werden. Im Gegensatz zu herkömmlicher Keramik verwenden sie keine natürlichen Mineralien wie Ton als Hauptrohstoffe. Stattdessen basieren sie auf künstlich synthetisierten, hochreinen Rohstoffen und fortschrittlichen Herstellungsverfahren und nehmen daher eine unverzichtbare Stellung in der modernen Industrie sowie in Wissenschaft und Technik ein.
Spezialkeramiken lassen sich anhand ihrer chemischen Zusammensetzung in verschiedene Typen unterteilen, darunter Oxidkeramiken (z. B. Aluminiumoxid, Zirkonoxid), Nitridkeramiken (z. B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid), Carbidkeramiken (z. B. Siliziumkarbid, Borkarbid), Boridkeramiken (z. B. Zirkonborid, Lanthanborid) sowie Verbundkeramiken aus mehreren Verbindungen und Cermets mit Metallzusätzen. Nach ihren Anwendungsgebieten lassen sie sich grob in zwei Kategorien einteilen: hochfeste, hochtemperaturbeständige Verbundwerkstoffkeramiken und elektrische und elektronische Funktionskeramiken.
Von hochtemperaturbeständigen Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt bis hin zu Chipgehäusen und Sensorelementen in der Elektronikindustrie; von Brennstoffzellenkomponenten im Energiesektor bis hin zu künstlichen Gelenken und Zahnersatzmaterialien im biomedizinischen Bereich – Spezialkeramiken sind allgegenwärtig. Sie sind wie ein stiller Held, der den Fortschritt moderner Wissenschaft und Technik vorantreibt und unser Leben verändert.
Aluminiumoxidkeramik: Eigenschaften und Anwendungen
(1) Leistungsmerkmale
Aluminiumoxidkeramiken, deren Hauptbestandteil Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist, nehmen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften eine wichtige Stellung im Bereich der Spezialkeramiken ein. Sie weisen eine extrem hohe Härte von HRA 80–90 auf, die nur von Diamant übertroffen wird, wodurch sie sich hervorragend für verschleißfeste Anwendungen eignen. In Verschleißtests ist die Verschleißfestigkeit von Aluminiumoxidkeramiken 266-mal höher als die von Manganstahl und 171,5-mal höher als die von hochchromhaltigem Gusseisen. Unter gleichen Betriebsbedingungen können sie die Lebensdauer von Anlagen um mindestens das Zehnfache verlängern.
Die Dichte von Aluminiumoxidkeramik beträgt ca. 3,8 g/cm³, also nur die Hälfte der Dichte von Stahl, wodurch die Belastung von Anlagen deutlich reduziert wird. Sie zeichnet sich zudem durch hervorragende chemische Beständigkeit aus und ist korrosionsbeständig gegenüber Chemikalien wie starken Säuren und Laugen. Daher findet sie breite Anwendung in korrosiven Umgebungen wie der chemischen Industrie. Auch ihre Hochtemperaturbeständigkeit ist bemerkenswert: Sie hält Temperaturen von bis zu 1600 °C und darüber hinaus stand und eignet sich als Auskleidung für Hochtemperaturöfen und als feuerfestes Material.
(2) Anwendungsgebiete
Im Maschinenbau werden Aluminiumoxidkeramiken aufgrund ihrer hohen Härte und Verschleißfestigkeit zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Lagern, Dichtungen usw. eingesetzt. Die Schnittgeschwindigkeit von Aluminiumoxidkeramik-Schneidwerkzeugen ist höher als die von herkömmlichen Hartmetall-Schneidwerkzeugen, was die Zerspanungsleistung deutlich steigert. Aluminiumoxidkeramik-Verbundwerkzeuge eignen sich zudem zur Bearbeitung verschiedener Werkstoffe wie gehärteter und legierter Stahl.
Im Bereich der Elektronik und Energietechnik finden Aluminiumoxidkeramiken breite Anwendung. Sie zeichnen sich durch gute Isolations- und Wärmeleitfähigkeit aus und lassen sich zu Keramiksubstraten, Wafern, Keramikfilmen, transparenten Keramiken und Isolierbauteilen etc. verarbeiten. So werden beispielsweise Aluminiumoxidkeramiksubstrate mit hoher mechanischer Festigkeit, guter Isolationsfähigkeit und hoher Lichtabschirmung häufig für mehrlagige Verdrahtungskeramiksubstrate, Elektronikgehäuse und Substrate für hochdichte Gehäuse verwendet.
In der chemischen Industrie werden Aluminiumoxidkeramiken zur Herstellung von Auskleidungen für Reaktionskessel, Rohrleitungen, Ventile usw. verwendet. 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, deren Hauptbestandteil Zirkonoxid (ZrO₂) ist, weisen hervorragende Eigenschaften auf. Sie besitzen eine relativ hohe Härte mit einer Mohs-Härte von 7–8 und eignen sich hervorragend für verschleißfeste Anwendungen. Unter gleichen Reibungsbedingungen beträgt der Verschleiß von Zirkonoxidkeramiken nur ein Zehntel des Verschleißes herkömmlicher Metalle.
Seine Zähigkeit ist ebenfalls sehr ausgeprägt, mit einer Bruchzähigkeit von 7–15 MPa·m¹/², die deutlich höher ist als die von herkömmlichen Keramiken. Es widersteht effektiv der Rissausbreitung und ist nicht leicht zu brechen. Seine Verschleißfestigkeit ist hervorragend und mehr als 200-mal höher als die von Edelstahl, wodurch es in Umgebungen mit hohem Verschleiß erhebliche Vorteile bietet.
Zirkonoxidkeramiken weisen zudem gute Isolationseigenschaften auf. Sie isolieren hervorragend bei Raumtemperatur und erfüllen die Isolationsanforderungen in der Elektronik und Elektrotechnik. Ihre hohe Temperaturbeständigkeit ist ebenfalls bemerkenswert; mit einem Schmelzpunkt von bis zu 2700 °C können sie auch in Hochtemperaturumgebungen stabil eingesetzt werden.
(2) Anwendungsbereich
Im Bereich der Strukturkeramik werden Zirkonoxidkeramiken häufig zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Lagern, Ventilen usw. verwendet. Zirkonoxidkeramik-Schneidwerkzeuge sind scharf und langlebig und zeichnen sich durch hervorragende Schneidleistung aus. Sie eignen sich zur Bearbeitung verschiedenster schwer zerspanbarer Materialien und reagieren nicht mit Lebensmitteln, weshalb sie beispielsweise für Tafelmesser und Skalpelle eingesetzt werden können. Zirkonoxidkeramik-Lager bieten Vorteile wie hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit und finden breite Anwendung in Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsmaschinen.
Im Bereich der Funktionskeramik können Zirkonoxidkeramiken zu Sauerstoffsensoren, Elektroden für Festoxidbrennstoffzellen usw. verarbeitet werden. Sauerstoffsensoren nutzen ihre Leitfähigkeit für Sauerstoffionen, um den Sauerstoffgehalt in der Umgebung schnell und genau zu bestimmen, und finden breite Anwendung in Bereichen wie der Abgasanalyse von Kraftfahrzeugen und der industriellen Verbrennungssteuerung.