Gängige Arten von Hochleistungskeramik

Arten von Hochleistungskeramik

1. Oxidkeramik

• Tonerde (Al₂O₃):

Von allen Hochleistungskeramiken ist Tonerde oder Aluminiumoxid eine der am häufigsten verwendeten und kostengünstigsten Optionen. Es ist bekannt für seine bemerkenswerte Härte, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und hervorragende elektrische Isolierung und findet breite Anwendung in elektronischen Substraten, mechanischen Dichtungen, biomedizinischen Implantaten und Schneidwerkzeugen. Seine thermische Stabilität und seine Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, machen es zu einem idealen Material für die Halbleiterherstellung, wo eine hohe Durchschlagsfestigkeit bei gleichzeitiger mechanischer Robustheit erforderlich ist.

• Zirkoniumdioxid (ZrO₂):

Zirkoniumdioxid zeichnet sich durch hervorragende Zähigkeit, Bruchfestigkeit und hohe Festigkeit aus. Es wird oft als "keramischer Stahl" bezeichnet, weil es die Ausbreitung von Rissen und Schlagbeanspruchung verhindert. Zirkoniumdioxid wird in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, darunter Zahnimplantate, Hochleistungslager, Schneidinstrumente und Verschleißteile. Aufgrund seiner Biokompatibilität und ästhetischen Qualität wird Zirkoniumdioxid besonders für medizinische Implantate und Schmuck verwendet.

2. Nicht-Oxid-Keramik

• Aluminiumnitrid (AlN):

Aluminiumnitrid ist ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichneter elektrischer Isolierung. Es ist auch in der Hochleistungselektronik von großer Bedeutung, da es im Wärmemanagement eingesetzt wird, z. B. für Kühlkörper, Substrate für Leistungselektronik und optische Komponenten. Seine Fähigkeit zur effizienten Wärmeableitung bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung macht es in der Halbleiterindustrie unverzichtbar.

• Siliziumnitrid (Si₃N₄)

Siliziumnitrid hat eine ausgezeichnete Härte, Verschleißfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Aufgrund der extremen mechanischen und thermischen Belastungen, denen das Material standhält, wird es häufig in der Luft- und Raumfahrt und in mechanischen Teilen, in Motorkomponenten, als Material für Schneidwerkzeuge und in Hochleistungslagern verwendet. Seine Beständigkeit unter Hochtemperaturbedingungen macht es ideal für Turbinentriebwerke und andere Hochtemperaturanwendungen.

• Siliziumkarbid (SiC):

Siliziumkarbid gehört zu den härtesten bekannten Materialien und zeichnet sich durch extreme Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und Abriebfestigkeit aus. Dieses Material wird in Schleifmitteln, Schneidwerkzeugen, Wärmetauschern und Halbleitergeräten verwendet. Aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität und Festigkeit eignet sich Siliciumcarbid für die Verwendung in Bremsteilen von Kraftfahrzeugen und keramischen Panzerungen im militärischen Bereich.

• Bornitrid (BN):

Neben der Wärmeleitfähigkeit und den Schmiereigenschaften von Graphit ist Bornitrid auch ein elektrischer Isolator. Bornitrid gibt es in zwei Formen. Hexagonales Bornitrid, hBN, ähnelt in seiner Struktur dem Graphit und ist wie dieser ein elektrischer Isolator. Kubisches Bornitrid, cBN, ist nach Diamant das zweithärteste Material, das in Schneidwerkzeugen und Schleifscheiben für die Bearbeitung gehärteter Metalle und Legierungen verwendet wird. hBN wird in Hochtemperaturschmiermitteln, als thermischer Isolator und in Schleifmitteln verwendet.

• Borkarbid (B₄C):

Borkarbid ist einer der härtesten bekannten Werkstoffe, der in seiner Härte nur von Diamant und kubischem Bornitrid übertroffen wird. Borkarbid weist eine ausgezeichnete Härte, geringe Dichte, hohe chemische Beständigkeit und Neutronenabsorption auf. Daher findet Borkarbid im Verteidigungsbereich beträchtliche Verwendung, insbesondere als leichte Panzerung für Militärfahrzeuge und persönliche Schutzausrüstung. Seine neutronenabsorbierenden Eigenschaften sind in Kernreaktoren nützlich, sowohl für Steuerstäbe als auch für Abschirmungen. Umfangreiche Anwendungen betreffen Schleifmittel, Schneidwerkzeuge und Poliermittel.

Tabelle der Eigenschaften und Verwendungsdaten

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften und die häufigsten Verwendungszwecke der vorgestellten keramischen Werkstoffe.

Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist der Unterschied zwischen Hochleistungskeramik und herkömmlicher Keramik?

Hochleistungskeramik wurde speziell für überlegene mechanische Eigenschaften, Beständigkeit in einem breiten Temperaturbereich und gegen chemische Angriffe entwickelt. Aufgrund all dieser Eigenschaften eignen sie sich für kritische industrielle Anwendungen, während herkömmliche Keramiken normalerweise für Dekorationszwecke und Anwendungen mit geringer Leistung verwendet werden.

2. Warum wird Zirkoniumdioxid für Zahnimplantate bevorzugt?

Zirkoniumdioxid wird für Zahnimplantate unter anderem wegen seiner Biokompatibilität, Festigkeit und Bruchzähigkeit sowie aus ästhetischen Gründen verwendet. Die Ähnlichkeit mit natürlichen Zähnen und die Fähigkeit dieses Materials, sich wie ein Zahn zu verhalten, in Verbindung mit seiner hohen Festigkeit und Rissbeständigkeit machen es zu einem perfekten Material für zahnmedizinische Verfahren.

3. Kann Aluminiumoxid-Keramik Strom leiten?

Nein, Tonerdekeramik ist ein hervorragender elektrischer Isolator und findet überall dort Anwendung, wo elektrische Isolierung erforderlich ist, von elektronischen Bauteilen bis hin zu Substraten.

4. Warum eignet sich Borkarbid als Panzerungsmaterial?

Die extreme Härte, das geringe Gewicht und die Durchdringungsfestigkeit machen Borkarbid zu einem idealen Material für einen wirksamen Schutz gegen ballistische Bedrohungen, sowohl für persönliche Panzerungen als auch für Panzerungen von Militärfahrzeugen.

5. Warum wird Borkarbid in Kernreaktoren verwendet?

Borcarbid wird in Kernreaktoren aufgrund seiner neutronenabsorbierenden Eigenschaften verwendet, die es zu einem sehr effektiven Material für Steuerstäbe und Strahlungsabschirmungen machen. Dies hilft bei der Kontrolle von Kernreaktionen und dem Schutz empfindlicher Ausrüstung.