Technische Keramik
Der Werkstoffbereich Technische Keramik erschließt der voranschreitend wachsenden Industrie neue Möglichkeiten der Produktivität. Diese Möglichkeiten ergeben sich durch das Ausdehnen der Einsatzbedingungen und Standzeiten von Werkzeugen, Anlagenteilen und Produkten.
Als technische Keramik werden nicht-metallische, anorganische und (teil-)kristalline Materialien bezeichnet, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften in der Industrie Anwendung finden [RIE08]. Im Gegensatz zur klassischen Keramik werden insbesondere bei Hochleistungskeramiken als Ausgangsmaterialien häufig keine natürlich vorkommenden Mineralien verwendet, sondern chemisch aufbereitete oder synthetisch hergestellte, deren Zusammensetzung exakt eingestellt werden kann [GAU01]. Dadurch können die Eigenschaften gezielt und reproduzierbar auf die gewünschte industrielle Anwendung angepasst werden.
Keramiken zeichnen sich im Allgemeinen durch hohe Härte und Verschleißfestigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und herausragende thermische Eigenschaften, insbesondere einen hohen Schmelzpunkt und geringer thermischer Dehnung aus [HEI10] und können daher in Feldern eingesetzt werden, in denen herkömmliche Werkstoffe versagen würden.
In der Hochtemperaturtechnik bestehen beispielsweise feuerfeste Auskleidungen und Brennerdüsen aus Keramik. Die hohe Verschleißfestigkeit technischer Keramik ermöglicht den Einsatz als Gleit- und Dichtelemente mit langen Standzeiten[KOL18].
Dank ihres breiten Spektrums an elektrischen Eigenschaften sind technische Keramiken ebenso unabdingbar für die Elektro- und Elektronikindustrie. Sie finden unter anderem Anwendung als Isolatoren, (Halb‑) Leiter, Piezoelemente und Varistoren[HEI10]. Auch aus der Medizintechnik, insbesondere der Implantologie, sind Keramiken aufgrund ihrer Biokompatibilität und chemischen Beständigkeit nicht mehr wegzudenken[KOL18].
Keramiken lassen sich anhand ihrer Zusammensetzung in drei Hauptgruppen unterteilen:
- Silikatkeramik
- Oxidkeramik
- Nichtoxidkeramik
Silikatkeramiken waren die ersten Keramiken, die für technische Anwendungen genutzt wurden. Sie werden auch heute noch größtenteils aus natürlich vorkommenden Mineralien hergestellt und bestehen meist zu einem hohen Anteil aus silikatischer Glasphase[KOL18]. Aufgrund der hohen Verfügbarkeit der Rohstoffe und verhältnismäßig niedrigen Sintertemperaturen gehören Silikatkeramiken zu den günstigsten Vertretern der technischen Keramik. Sie werden hauptsächlich als Isolatoren in der Hoch- und Niederspannungstechnik angewendet.
Zu den Oxidkeramiken gehören im Wesentlichen einphasige Metalloxide wie Aluminium- (Al2O3), Magnesium- (MgO) und Zirkonoxid (ZrO2). Sie zeichnen sich durch deutlich höhere Schmelzpunkte als Silikatkeramiken, hohe Härte und ein feines Gefüge mit sehr geringer Korngröße aus[KOL18].
Die wichtigsten Vertreter der Nichtoxidkeramiken sind Carbide und Nitride, aber auch Boride, Silicide und Fluoride, sowie Modifikationen des Kohlenstoffs (Diamant, Graphit etc.) werden dieser Gruppe zugeordnet. Die äußerst große Bandbreite an Elementen und chemischen Bindungsarten bedingt die Heterogenität dieser Gruppe. Gemeinsame Merkmale sind sehr hohe Härte (HV ≥ 2000 N/mm-2) und ein hoher Schmelzpunkt (Tm ≥ 2400°C, abgesehen von Tm (Si3N4) = 1900°C)[HEI10].
Für die Verarbeitung dieser Hochleistungskeramiken bedarf es extrem feiner Pulver und sehr hoher Sintertemperaturen, meist in sauerstofffreier Atmosphäre[KOL18]. Dies führt zu höheren Verfahrens- und demnach Materialkosten.
