technische keramik
Überlegene mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffs sind für dessen Einsatz enorm wichtig. Für viele Anwendungen sind die mechanischen Eigenschaften keramischer Werkstoffe denen von Metallen oder Polymeren überlegen. Besonders die Härte, Festigkeit, Bruchzähigkeit und die geringe Dichte machen Keramik zu dem Hochleistungswerkstoff, der er ist.
Härte
Technische Keramik zeichnet sich im Vergleich zu typischen metallischen Werkstoffen durch eine hohe Härte aus. Die Härte eines Werkstoffes wird hier als Widerstand gegen das mechanische Eindringen eines anderen, härteren Körpers verstanden. Typischerweise wird dies durch einen instrumentierten Eindringversuch mit einem kleinen, spitzen Diamanten untersucht. Nach der Erzeugung eines Eindrucks wird die Größe oder die Tiefe des Eindrucks als Maß für die Härte angesehen. Zum Vergleich: die Härte von Aluminiumoxid-Keramik ist fast dreimal so hoch wie die von rostfreiem Stahl; Siliziumkarbid ist mehr als viermal härter als rostfreier Stahl. Diese extreme Härte ist eine von vielen einzigartigen Eigenschaften, die Hochleistungskeramiken zu "Superwerkstoffen" für die moderne Technik machen. Keramiken sind daher ideal für Anwendungen, die eine hohe Verschleißfestigkeit erfordern. So zeigen Keramiken bei hoher tribologischer Beanspruchung im Vergleich zu technischen Polymeren und Metallen oft deutlich geringere Verschleißerscheinungen.
Steifigkeit
Technische Keramiken weisen im Vergleich zu anderen technischen Werkstoffen einen hohen Widerstand gegen elastische Verformung auf. Als Messgröße dient hierbei der Elastizitätsmodul, der den Widerstand eines Werkstoffs gegen elastische Verformung angibt. Materialien, die sich unter Belastung weniger elastisch verformen, haben einen höheren Elastizitätsmodul. Aluminiumoxid und Siliziumkarbid haben im Vergleich zu rostfreiem Stahl fast doppelt so hohe Werte.
Der hohe Elastizitätsmodul ermöglicht die Herstellung keramischer Bauteile mit höchster Präzision. Da bei der mechanischen Bearbeitung zum Teil hohe mechanische Spannungen auf den Werkstoff einwirken, verformt sich dieser. Je geringer die elastische Verformung bei der Bearbeitung ist, desto präziser können die Bauteile bearbeitet werden.
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Bruchzähigkeit
Die Bruchzähigkeit beschreibt den Widerstand eines Materials gegen Risswachstum. Die Bruchzähigkeit kann anhand des kritischen Spannungsintensitätsfaktors KIc für senkrechte Rissöffnung verglichen werden. Wird der KIc-Wert überschritten setzt die instabile Rissausbreitung ein und das Werkstück versagt.
Obwohl Hochleistungskeramik im Allgemeinen eine geringere Bruchzähigkeit im Vergleich zu den meisten Metallen aufweist, bietet teilstabilisiertes Zirkonoxid, das für Produkte wie Spalttöpfe für Magnetkupplungspumpen verwendet wird, erhebliche Verbesserungen der Bruchzähigkeit.
Dichte
Aufgrund ihrer geringeren Dichte wiegen viele feinkeramische Werkstoffe bei gleichem Volumen nur etwa halb so viel wie ihre Pendants aus hochfestem Metall. Die Dichte bezieht sich auf die Masse eines Materials pro Volumen. Die Dichte technischer Keramiken liegt zwischen 3 g/cm³ und 6 g/cm³
