Mechanische Eigenschaften technischer Keramik
Technische Keramikwerkstoffe sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften wie hoher Härte, überlegener Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, starker elektrischer Isolierung und ausgezeichneter thermischer Stabilität aus der modernen Industrie nicht mehr wegzudenken. Diese Eigenschaften machen Keramik zu einem idealen Kandidaten für den Ersatz von Metallen und Polymeren in anspruchsvollen Anwendungen, insbesondere in extremen Umgebungen mit hohen Belastungen, Temperaturen oder Anforderungen an die elektrische Isolierung. Unter all ihren Eigenschaften sind die mechanischen Eigenschaften von Keramik bei der Materialauswahl für strukturelle Anwendungen oft die entscheidendsten.
Um Keramik in der Industrie effektiv bewerten und anwenden zu können, ist es wichtig, die wichtigsten Eigenschaften von Keramik zu verstehen, die ihre Leistung unter mechanischer Belastung bestimmen. Diese Indikatoren bilden eine wissenschaftliche Grundlage für die Auswahl des richtigen Materials für Ihre spezifischen technischen Anforderungen.
Wichtige mechanische Eigenschaften von Keramik
Biegefestigkeit
Die Biegefestigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, Biegekräften standzuhalten, ohne zu brechen. Für industrielle Keramikkomponenten ist diese Eigenschaft aufgrund ihrer inhärenten Sprödigkeit besonders relevant. Technische Keramiken wie Aluminiumoxid und Siliziumnitrid erreichen typischerweise Biegefestigkeitswerte zwischen 300 und 1200 MPa und eignen sich daher für Anwendungen mit hoher Belastung wie Lager, Stützstrukturen und verschleißfeste Teile.
Härte
Härte von Keramikbezieht sich auf ihre Fähigkeit, lokalisierter plastischer Verformung, Kratzern oder Penetration zu widerstehen. Mit Vickers-Härtewerten, die typischerweise zwischen 1000 und 2000 HV liegen,Technische Keramik zählt zu den härtesten Werkstoffen überhaupt. Diese Eigenschaft ist für Bauteile, die Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, wie beispielsweise Schneidwerkzeuge, Düsen oder Gleitringdichtungen, von entscheidender Bedeutung.
Bruchzähigkeit
Die Bruchzähigkeit gibt an, wie gut ein Material der Ausbreitung bestehender Risse widersteht. Obwohl Keramik für ihre Sprödigkeit bekannt ist, weisen bestimmte Materialien wie yttriumstabilisiertes Zirkonoxid eine erhöhte Zähigkeit auf.(bis zu 8,5 MPa·m¹Oh²)durch Phasentransformationsmechanismen. Durch die Verbesserung dieses Parameters können Keramikteile Stöße besser absorbieren und plötzliche Ausfälle verhindern.
Druckfestigkeit
Die Druckfestigkeit ist die maximale Druckbelastung, die ein Material ohne Versagen aushalten kann. Keramiken überschreiten in dieser Kategorie oft 2000 MPa und übertreffen damit Metalle und Polymere deutlich. Daher eignen sie sich ideal für Strukturblöcke, Kolben, Formeinsätze und Hochdruckträger, bei denen Dimensionsstabilität und Druckfestigkeit unerlässlich sind.
Elastizitätsmodul (Elastizitätsmodul)
Der Elastizitätsmodul gibt die Steifigkeit eines Materials an – seinen Widerstand gegen elastische Verformung. Die meisten technischen Keramiken weisen hohe Elastizitätsmodule im Bereich von 250–320 GPa auf und gewährleisten so eine hervorragende Dimensionsstabilität und strukturelle Steifigkeit. Diese Eigenschaften sind entscheidend für hochpräzise Komponenten wie Positionierungsvorrichtungen, Halbleitersubstrate und optische Halterungen.
Leistungsvergleich: Keramik vs. Metalle und Polymere
In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten Eigenschaften von Keramik mit denen von herkömmlichen Metallen und technischen Kunststoffen verglichen:
Eigentum | Technische Keramik | Metalle | Technische Kunststoffe |
Biegefestigkeit | 300–1200 MPa | 500–1500 MPa | 80–200 MPa |
Härte | 1000–2000 PS | 150–600 PS | <30 HV |
Bruchzähigkeit | 2–10 MPa·m¹Oh² | 50–200 MPa·m¹Oh² | 3–6 MPa·m¹Oh² |
Druckfestigkeit | 1500–3000 MPa | 800–2000 MPa | 80–250 MPa |
Elastizitätsmodul | 250–320 GPa | 100–210 GPa | 3–4 GPa |
Technische Keramikwerkstoffe übertreffen Metalle und Kunststoffe in Härte, Druckfestigkeit und Steifigkeit deutlich. Ihre geringere Bruchzähigkeit erfordert jedoch eine durchdachte Konstruktion, um Sprödbruch zu vermeiden.
Übersicht über gängige technische Keramikmaterialien
Aluminiumoxid ist eine der am häufigsten verwendeten industriellen Keramikkomponenten,Aluminiumoxidkeramik ist bekannt für ihre hervorragende Härte, hohe elektrische Isolierung und zuverlässige Verschleißfestigkeit. Mit einer Biegefestigkeit zwischen 300 und 400 MPa wird sie häufig in Isolierrohren, Gleitringdichtungen, Lagerringen und Thermoelement-Schutzkomponenten eingesetzt. Mascera liefert Aluminiumoxidkeramik in verschiedenen Reinheiten (95–99,8 %) für allgemeine und Präzisionsanwendungen.
Zirkonoxidkeramiken bieten die beste Bruchzähigkeit unter den technischen Keramiken und liegen zwischen 7 und 10 MPa·m¹Oh². Mit einer Biegefestigkeit von bis zu 1200 MPa eignen sie sich ideal für Anwendungen, die Schlagfestigkeit erfordern, wie z. B. Keramikklingen, Kolben und medizinische Implantate. Mascera verwendet Y-TZP (Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid) zur Herstellung von Komponenten mit hoher Festigkeit.
Siliziumnitrid bietet eine hervorragende Balance aus Festigkeit, Härte und Thermoschockbeständigkeit. Es zeigt hervorragende Leistung bei hohen mechanischen Belastungen und Temperaturwechselbeanspruchung. Die Siliziumnitrid-Komponenten von Mascera werden häufig in Keramiklagern, Aluminiumgussdüsen, Motorteilen und Präzisionshalterungen eingesetzt.
Siliziumkarbid zeichnet sich durch extreme Härte, Korrosionsbeständigkeit und thermische Stabilität aus. Trotz seiner moderaten Bruchzähigkeit eignet es sich aufgrund seiner Biegefestigkeit (350–450 MPa) für Düsen, Gleitringdichtungen und Ofenvorrichtungen. Mascera bietet sowohl reaktionsgebundene als auch gesinterte Siliziumkarbidkomponenten an.
Aluminiumnitrid vereint moderate mechanische Festigkeit mit außergewöhnlicher Wärmeleitfähigkeit (bis zu 170 W/m·K) und eignet sich daher ideal für Leistungselektronik und Wärmeableitung. Mascera produziert AlN-Keramiksubstrate und Wärmeleitpads für IGBT-Module, HF-Geräte und TO-Gehäuse.
TDie mechanischen Eigenschaften von Keramik – darunter hohe Härte, Festigkeit und Steifigkeit – machen sie in vielen anspruchsvollen Umgebungen Metallen und Kunststoffen überlegen. Aufgrund ihrer geringeren Zähigkeit ist jedoch eine sorgfältige Konstruktion erforderlich, um die Langlebigkeit zu gewährleisten. Durch das Verständnis und die Auswahl der richtigen technischen Keramikmaterialien können Ingenieure Komponenten mit herausragender struktureller, elektrischer und thermischer Leistung entwickeln. Mascera bietet eine breite Palette an industriellen Keramikkomponenten, die auf spezifische Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind. Wenn Sie hochpräzise, leistungsstarke Keramikteile suchen, kontaktieren Sie uns für eine fachkundige Materialauswahl und maßgeschneiderte Lösungen.
