Alles über Keramik mit hoher Biegesteifigkeit

Einführung

Keramiken nehmen in Wissenschaft und Technik einen wichtigen Platz ein. Keramiken mit hoher Biegefestigkeit können trotz ihrer Sprödigkeit Biegekräfte aufnehmen. Sie werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, von der Luft- und Raumfahrt bis hin zu medizinischen Implantaten. Wir werden einen Blick darauf werfen, was Biegefestigkeit bedeutet, wie sie geprüft wird, welche Faktoren sie beeinflussen und welche Keramikfamilien sich auszeichnen.

Was Biegefestigkeit ist und warum sie für spröde Keramiken wichtig ist

DieBiegefestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einer Biegung zu widerstehen. Spröde Keramiken neigen dazu, unter Belastung zu brechen. Eine höhere Biegefestigkeit bedeutet, dass eine Keramik mehr Biegungen aushalten kann, bevor sie versagt. Diese Eigenschaft erweist sich in vielen praktischen Anwendungen als sehr nützlich. Für Zahnimplantate und Schneidewerkzeuge werden beispielsweise Materialien benötigt, die auch unter Belastung nicht brechen. In der Alltagssprache sind starke Keramiken so etwas wie der verlässliche Ziegelstein in einer Wand. Sie halten Biegungen stand und helfen, plötzlichen Bruch zu vermeiden.

Bei der Analyse von Keramiken in mechanischen Anwendungen ist die Biegefestigkeit eines der wichtigsten Kriterien. Ingenieure konstruieren Teile so, dass sie Ermüdung und Biegekräften im Betrieb standhalten. Mit einer höheren Biegefestigkeit können Keramiken auch in rauen Umgebungen eingesetzt werden. Dies macht sie zu einer natürlichen Wahl in Bereichen, in denen Metalle oder Polymere die Anforderungen nicht erfüllen können.

Prüfmethoden: 3-Punkt- und 4-Punkt-Biegung

Die Biegefestigkeit wird mit verschiedenen Methoden gemessen. Die beiden gebräuchlichsten Verfahren sind der Dreipunkt- und der Vierpunkt-Biegeversuch. Bei der Dreipunkt-Biegeprüfung wird eine Probe an zwei Punkten abgestützt, während an einem Punkt in der Mitte eine Last aufgebracht wird. Diese Methode ist einfach und vermittelt einen guten Eindruck von der Biegefestigkeit. Bei der Vier-Punkt-Biegeprüfung werden zwei Lastpunkte verwendet, die gleichmäßig belastet werden. Beide Methoden geben Aufschluss darüber, wie sich eine Keramik unter realen Bedingungen verhält. Die Wahl des Tests kann jedoch von der Form und Größe der Probe sowie von der erwarteten Spannungsverteilung in der endgültigen Anwendung abhängen.

Diese Tests sind Standard in Labors und werden seit vielen Jahren zur Qualitätskontrolle eingesetzt. Sie sind eine einfache, aber wirksame Methode zur Leistungsmessung. In vielen Fällen vergleichen Ingenieure die Ergebnisse, um sicherzustellen, dass die keramischen Bauteile den Kräften standhalten, denen sie im Gebrauch ausgesetzt sind.

Schlüsselfaktoren, die die Biegefestigkeit beeinflussen: Porosität, Korngröße, Risse, Mikrogefüge

Bei der Biegefestigkeit von Keramiken spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Die Porosität ist ein Schlüsselfaktor. Poröse Werkstoffe weisen winzige Löcher auf, die die Keramik schwächen können. Eine Verringerung der Porosität durch verbesserte Verarbeitungstechniken verbessert häufig die Festigkeit. Die Korngröße ist ein weiterer wichtiger Faktor. Kleinere, gleichmäßige Körner führen in der Regel zu einem Material mit besserer Biegefestigkeit, da sie dazu beitragen, die Spannung gleichmäßiger zu verteilen. Fehlstellen, wie winzige Risse oder Einschlüsse, können als Ausgangspunkt für ein Versagen dienen. Die Kontrolle dieser Fehler während der Produktion erhöht die allgemeine Zuverlässigkeit der Keramik. Schließlich spielt auch die Mikrostruktur insgesamt eine wichtige Rolle. Ein gut kontrolliertes Mikrogefüge führt zu einer verbesserten Festigkeit und Zähigkeit. Ingenieure verwenden viel Zeit auf die Optimierung dieser Faktoren, um Keramiken zu entwickeln, die die strengen Anforderungen von Hochleistungsanwendungen erfüllen.

Hochflexible Keramik-Familien

Nachstehend sind einige der interessantesten Keramikfamilien aufgeführt, die für ihre hohe Biegefestigkeit bekannt sind.

1. tetragonaler Zirkoniumdioxid-Polykristall
Die Keramiken dieser Familie halten Temperaturen von bis zu 900 °C stand. Sie können Spannungen von bis zu 1200 Megapascal standhalten. Diese Keramiken werden aufgrund ihrer beeindruckenden Zähigkeit und Festigkeit bevorzugt in der Zahntechnik und im Bauwesen eingesetzt.

2. zirkonoxidhaltigesAluminiumoxid, gehärtet
Diese Keramikfamilie ist bis zu einer Temperatur von ca. 800°C belastbar. Sie bieten eine Biegefestigkeit von bis zu 1100 Megapascal. Die Mischung aus Zirkoniumdioxidund Aluminiumoxid verleiht dem Material eine verbesserte Widerstandsfähigkeit, so dass es sich für verschleißfeste Teile und Schneidwerkzeuge eignet.

3. siliziumkarbid
Die Keramiken dieser Gruppe haben eine gute Leistung bei Temperaturen nahe 400°C. Sie weisen eine Biegefestigkeit von bis zu 600 Megapascal auf. Siliziumkarbid ist für seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit bekannt und wird in Hochgeschwindigkeitslagern und industriellen Komponenten verwendet.

4. hochreineTonerde
Die Leistung dieser Keramik reicht bis zu Temperaturen von etwa 300°C. Ihre Biegefestigkeit kann bis zu 500 Megapascal erreichen. Hochreines Aluminiumoxid wird häufig in elektronischen Substraten und verschleißfesten Anwendungen verwendet.

5. glaskeramische Werkstoffe
Dieses Material erträgt Temperaturen um 300°C. Sie weisen eine Biegefestigkeit von bis zu 450 Megapascal auf. Glaskeramik ist weithin bekannt für ihre einzigartige Kombination von Eigenschaften. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Haltbarkeit werden sie für Kochflächen und medizinische Implantate verwendet.

Schlussfolgerung

Keramik mit hoher Biegefestigkeit ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung, bei denen es auf Biege- und Rissfestigkeit ankommt. Weitere Informationen finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist Biegefestigkeit bei Keramik?
F: Sie ist das Maß für die Fähigkeit einer Keramik, Biegekräften zu widerstehen.

F: Wie wirkt sich die Porosität auf die Festigkeit von Keramik aus?
F: Eine höhere Porosität führt zu einer geringeren Festigkeit und einem höheren Risiko von Brüchen.

F: Was sind gängige Tests für die Biegefestigkeit von Keramik?
F: Drei-Punkt-Biegeversuche und Vier-Punkt-Biegeversuche sind am häufigsten.