Keramik

Arten von keramischen Materialien

Aus Gründen des Convenience-Gedankens werden keramische Produkte in der Regel in vier Sektoren unterteilt, die im Folgenden mit einigen Beispielen dargestellt werden:

• Strukturell, einschließlich Ziegel, Rohre, Boden- und Dachziegel
• Feuerfestmaterialien wie Ofenauskleidungen, Gasfeuerstrahler, Tiegel für die Stahl- und Glasherstellung
• Weißwaren, einschließlich Geschirr, Wandfliesen, dekorative Kunstgegenstände und Sanitärkeramik
• Technische Keramik ist auch als Ingenieur-, Hochleistungs-, Spezial- und in Japan als Feinkeramik bekannt. Dazu gehören Fliesen, die im Space Shuttle-Programm verwendet werden, Gasbrennerdüsen, kugelsichere Westen, Kernbrennstoff-Uranoxid-Pellets, biomedizinische Implantate, Turbinenschaufeln von Düsentriebwerken und Raketennasenkonen. Häufig enthalten die Rohstoffe keine Tone.

Beispiele von Keramiken

• Porzellan
• Hartpastöses" Porzellan, bei höherer Temperatur gebrannt.
• Weichpastöses" Porzellan, bei niedrigerer Temperatur gebrannt: Knochen-Porzellan
• Steingut, das oft aus Ton, Quarz und Feldspat hergestellt wird
• Steinzeug

Klassifizierung von technischer Keramik

Technische Keramik kann auch in drei verschiedene Materialkategorien eingeteilt werden:

• Oxide: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid
• Nicht-Oxide: Karbide, Boride, Nitride, Silizide
• Verbundwerkstoffe: partikelverstärkt, Kombinationen von Oxiden und Nichtoxiden

Jede dieser Klassen kann einzigartige Materialeigenschaften entwickeln.

Simulation der Außenseite des Space Shuttle, wie es sich beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre auf über 1.500 °C erwärmt

Eigenschaften von Keramiken

Mechanische Eigenschaften

Keramische Materialien sind in der Regel ionisch oder kovalent gebundene Materialien und können kristallin oder amorph sein. Ein Material, das durch eine der beiden Bindungsarten zusammengehalten wird, neigt zum Brechen (Bruch), bevor eine plastische Verformung stattfindet, was zu einer schlechten Zähigkeit dieser Materialien führt. Da diese Materialien außerdem dazu neigen, viele Poren zu haben, wirken die Poren und andere mikroskopisch kleine Unvollkommenheiten als Spannungskonzentratoren, die die Zähigkeit weiter herabsetzen und die Zugfestigkeit verringern. Diese führen zusammen zu katastrophalen Ausfällen, im Gegensatz zu den normalerweise viel sanfteren Versagensmodi von Metallen.

Diese Materialien zeigen eine plastische Verformung. Aufgrund der steifen Struktur der kristallinen Materialien gibt es jedoch nur sehr wenige verfügbare Gleitsysteme, in denen sich Versetzungen bewegen können, so dass sie sich nur sehr langsam verformen. Bei den nichtkristallinen (glasartigen) Materialien ist das viskose Fließen die Hauptquelle der plastischen Verformung, und es ist auch sehr langsam. Aus diesem Grund wird es bei vielen Anwendungen von keramischen Materialien ignoriert.

Elektrische Eigenschaften

Halbleiter

Es gibt eine Reihe von Keramiken, die Halbleiter sind. Die meisten davon sind Übergangsmetalloxide, die II-VI-Halbleiter sind, wie z. B. Zinkoxid.

Während man davon spricht, blaue LEDs aus Zinkoxid herzustellen, interessieren sich die Keramiker vor allem für die elektrischen Eigenschaften, die Korngrenzeffekte zeigen. Einer der am weitesten verbreiteten davon ist der Varistor.

Halbleitende Keramiken werden auch als Gassensoren eingesetzt. Wenn verschiedene Gase über eine polykristalline Keramik geleitet werden, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Durch Abstimmung auf die möglichen Gasgemische lassen sich sehr preiswerte Geräte herstellen.

Supraleitung

Unter bestimmten Bedingungen, wie z.B. bei extrem niedrigen Temperaturen, zeigen einige Keramiken Supraleitung. Der genaue Grund dafür ist nicht bekannt, aber es gibt zwei Hauptfamilien von supraleitenden Keramiken .

Ferroelektrizität und ihre Verwandten

Piezoelektrizität, eine Verbindung zwischen elektrischer und mechanischer Reaktion, zeigt sich in einer Vielzahl von Keramikmaterialien, einschließlich des Quarzes, der zur Zeitmessung in Uhren und anderer Elektronik verwendet wird. Solche Geräte wandeln Elektrizität in mechanische Bewegungen und zurück um, wodurch ein stabiler Oszillator entsteht.

Der piezoelektrische Effekt ist im Allgemeinen stärker in Materialien, die ebenfalls Pyroelektrizität aufweisen, und alle pyroelektrischen Materialien sind ebenfalls piezoelektrisch. Diese Materialien können verwendet werden, um zwischen thermischer, mechanischer und/oder elektrischer Energie umzuwandeln; zum Beispiel baut ein pyroelektrischer Kristall nach der Synthese in einem Ofen, wenn man ihn ohne Spannung abkühlen lässt, im Allgemeinen eine statische Ladung von Tausenden von Volt auf. Solche Materialien werden in Bewegungssensoren verwendet, wo der winzige Temperaturanstieg eines in den Raum eintretenden warmen Körpers ausreicht, um eine messbare Spannung im Kristall zu erzeugen.

Die Pyroelektrizität wiederum zeigt sich am stärksten bei Materialien, die ebenfalls den ferroelektrischen Effekt aufweisen, bei dem ein stabiler elektrischer Dipol durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes orientiert oder umgekehrt werden kann. Pyroelektrizität ist auch eine notwendige Folge der Ferroelektrizität. Sie kann verwendet werden, um Informationen in ferroelektrischen Kondensatoren, Elementen des ferroelektrischen RAM, zu speichern.

Die gebräuchlichsten derartigen Materialien sind Bleizirkonattitanat und Bariumtitanat. Abgesehen von den oben erwähnten Verwendungen wird ihr starkes piezoelektrisches Ansprechverhalten bei der Konstruktion von Hochfrequenzlautsprechern, Wandlern für Sonargeräte und Aktoren für Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskope ausgenutzt.

Positiver thermischer Koeffizient

Temperaturerhöhungen können dazu führen, dass Korngrenzen in einigen halbleitenden keramischen Materialien, meist Mischungen von Schwermetalltitanaten, plötzlich isolierend werden. Die kritische Übergangstemperatur kann durch Variationen in der Chemie über einen weiten Bereich eingestellt werden. In solchen Materialien fließt Strom durch das Material, bis es durch Joule-Erwärmung auf die Übergangstemperatur gebracht wird, woraufhin der Stromkreis unterbrochen und der Stromfluss unterbrochen wird. Solche Keramiken werden als selbstregelnde Heizelemente z.B. in den Heckscheibenabtaukreisläufen von Automobilen verwendet.

Bei der Übergangstemperatur wird die dielektrische Reaktion des Materials theoretisch unendlich. Während eine fehlende Temperaturkontrolle jeden praktischen Einsatz des Materials nahe seiner kritischen Temperatur ausschließen würde, bleibt der dielektrische Effekt auch bei viel höheren Temperaturen außergewöhnlich stark. Titanate mit kritischen Temperaturen weit unterhalb der Raumtemperatur sind genau aus diesem Grund im Zusammenhang mit Keramikkondensatoren zum Synonym für "Keramik" geworden.

Klassifikation von Keramiken

Nicht-kristalline Keramiken: Nicht-kristalline Keramiken neigen als Gläser dazu, aus Schmelzen gebildet zu werden. Das Glas wird geformt, wenn es entweder vollständig geschmolzen ist, durch Gießen, oder wenn es sich in einem Zustand mit Toffee-ähnlicher Viskosität befindet, durch Methoden wie das Blasen in eine Form. Wenn spätere Wärmebehandlungen dazu führen, dass diese Klasse teilweise kristallin wird, wird das resultierende Material als Glaskeramik bezeichnet.

Kristalline Keramiken: Kristalline Keramikmaterialien sind für eine Vielzahl von Verarbeitungen nicht geeignet. Die Methoden, mit ihnen umzugehen, lassen sich tendenziell in eine von zwei Kategorien einordnen - entweder Herstellung der Keramik in der gewünschten Form, durch Reaktion in situ, oder durch "Formung" von Pulvern in die gewünschte Form und anschließendes Sintern zu einem festen Körper. Zu den keramischen Formgebungstechniken gehören die Formgebung von Hand (manchmal einschließlich eines Rotationsverfahrens, das als "Werfen" bezeichnet wird), das Schlickergießen, das Foliengießen (wird zur Herstellung sehr dünner Keramikkondensatoren usw. verwendet), das Spritzgießen, das Trockenpressen und andere Variationen. (Siehe auch Keramische Formgebungstechniken. Einzelheiten zu diesen Prozessen werden in den beiden unten aufgeführten Büchern beschrieben). Einige Methoden verwenden eine Mischform zwischen den beiden Ansätzen.

Herstellung vor Ort

Am häufigsten wird diese Methode bei der Herstellung von Zement und Beton angewendet. Hier werden die dehydrierten Pulver mit Wasser gemischt. Dadurch werden Hydratationsreaktionen ausgelöst, die dazu führen, dass sich lange, ineinandergreifende Kristalle um die Zuschlagstoffe herum bilden. Diese ergeben mit der Zeit eine feste Keramik.

Das größte Problem bei dieser Methode ist, dass die meisten Reaktionen so schnell ablaufen, dass eine gute Vermischung nicht möglich ist, was tendenziell eine großflächige Bauweise verhindert. Kleinmaßstäbliche Systeme können jedoch durch Abscheidungstechniken hergestellt werden, bei denen die verschiedenen Materialien über einem Substrat eingebracht werden und auf dem Substrat reagieren und die Keramik bilden. Dies lehnt sich an Techniken aus der Halbleiterindustrie an, wie z.B. die chemische Gasphasenabscheidung, und ist für Beschichtungen sehr nützlich.

Diese neigen dazu, sehr dichte Keramiken herzustellen, tun dies aber nur langsam.

Auf Sintern basierende Methoden

Das Prinzip der sinterbasierten Methoden ist einfach. Sobald ein grob zusammengehaltener Gegenstand (ein so genannter "Grünkörper") hergestellt ist, wird er in einem Ofen gebrannt, wo Diffusionsprozesse den Grünkörper schrumpfen lassen. Die Poren im Objekt schließen sich, was zu einem dichteren, festeren Produkt führt. Der Brand erfolgt bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Keramik. Es bleibt praktisch immer eine gewisse Porosität übrig, aber der eigentliche Vorteil dieser Methode besteht darin, dass der Grünkörper auf jede erdenkliche Weise hergestellt und dennoch gesintert werden kann. Dies macht es zu einem sehr vielseitigen Verfahren.

Es gibt Tausende von möglichen Verfeinerungen dieses Prozesses. Einige der gebräuchlichsten beinhalten das Pressen des Grünkörpers, um der Verdichtung einen Vorsprung zu geben und die benötigte Sinterzeit zu verkürzen. Manchmal werden organische Bindemittel wie Polyvinylalkohol hinzugefügt, um den Grünkörper zusammenzuhalten; diese brennen während des Brennens (bei 200-350 °C) aus. Manchmal werden organische Schmiermittel während des Pressens hinzugefügt, um die Verdichtung zu erhöhen. Es ist nicht ungewöhnlich, diese zu kombinieren und Bindemittel und Schmiermittel zu einem Pulver hinzuzufügen und dann zu pressen. (Die Formulierung dieser organisch-chemischen Additive ist eine Kunst für sich. Dies ist besonders wichtig bei der Herstellung von Hochleistungskeramiken, wie sie milliardenfach in der Elektronik, in Kondensatoren, Induktivitäten, Sensoren usw. verwendet werden. Die in der Elektronik am häufigsten verwendeten Spezialformulierungen sind in dem Buch "Tape Casting" von R.E. Mistler, et al. Keramische Gesellschaft [Westerville, Ohio], 2000). Ein umfassendes Buch zu diesem Thema, sowohl für mechanische als auch für elektronische Anwendungen, ist "Organic Additives and Ceramic Processing", von D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Anstelle eines Pulvers kann eine Aufschlämmung verwendet werden, die dann in eine gewünschte Form gegossen, getrocknet und dann gesintert wird. In der Tat wird traditionelle Töpferei mit dieser Art von Methode durchgeführt, bei der eine Kunststoffmischung mit den Händen bearbeitet wird.

Wenn eine Mischung aus verschiedenen Materialien zusammen in einer Keramik verwendet wird, liegt die Sintertemperatur manchmal über dem Schmelzpunkt einer Nebenkomponente - einem Flüssigphasensintern. Dies führt zu kürzeren Sinterzeiten im Vergleich zum Sintern im festen Zustand.

Andere Anwendungen von Keramik

• Einige Messer sind aus Keramik. Die Klinge eines Keramikmessers bleibt viel länger scharf, obwohl sie spröder ist und beim Fallenlassen auf eine harte Oberfläche brechen kann.

• Keramiken wie Aluminiumoxid und Borcarbid wurden in Körperpanzern verwendet, um Kugeln abzuwehren. Ähnliches Material wird aufgrund des geringen Gewichts zum Schutz der Cockpits einiger Militärflugzeuge verwendet.

• Keramikkugeln können als Ersatz für Stahl in Kugellagern verwendet werden. Dank ihrer höheren Härte halten sie dreimal so lange. Außerdem verformen sie sich unter Last weniger, was bedeutet, dass sie weniger Kontakt mit den Wänden der Lagerhalterung haben und schneller rollen können. Bei Anwendungen mit sehr hohen Geschwindigkeiten kann die Reibungswärme beim Rollen Probleme für Metalllager verursachen; Probleme, die durch den Einsatz von Keramik reduziert werden. Keramik ist außerdem chemisch beständiger und kann in nassen Umgebungen eingesetzt werden, in denen Stahllager rosten würden. Der größte Nachteil bei der Verwendung von Keramik sind die hohen Kosten.

• In den frühen 1980er Jahren erforschte Toyota einen adiabatischen Keramikmotor, der bei einer Temperatur von über 3300 °C (6000 °F) betrieben werden kann. Keramikmotoren benötigen kein Kühlsystem und ermöglichen daher eine erhebliche Gewichtsreduzierung und damit eine höhere Kraftstoffeffizienz. Die Kraftstoffeffizienz des heißeren Motors ist nach dem Carnot'schen Theorem ebenfalls höher. In einem Metallmotor muss ein Großteil der aus dem Kraftstoff freigesetzten Energie als Abwärme abgeführt werden, damit die Metallteile nicht schmelzen. Trotz all dieser wünschenswerten Eigenschaften werden solche Motoren nicht hergestellt, weil die Herstellung von Keramikteilen in der erforderlichen Präzision und Haltbarkeit schwierig ist. Unvollkommenheit in der Keramik führt zu Rissen, die den Motor, möglicherweise durch Explosion, zum Absturz bringen können. Eine Massenproduktion ist mit der derzeitigen Technologie nicht möglich.

• Keramikteile für Gasturbinenmotoren können praktisch sein. Gegenwärtig erfordern sogar Schaufeln aus modernen Metalllegierungen, die im Heißteil der Triebwerke verwendet werden, Kühlung und sorgfältige Begrenzung der Betriebstemperaturen. Mit Keramik hergestellte Turbinentriebwerke könnten effizienter arbeiten, wodurch Flugzeuge eine größere Reichweite und Nutzlast für eine bestimmte Treibstoffmenge erhalten würden.

• Zu den Biokeramiken gehören Zahnimplantate und synthetische Knochen. Hydroxylapatit, der natürliche Mineralbestandteil des Knochens, wurde aus einer Reihe biologischer und chemischer Quellen synthetisch hergestellt und kann zu keramischen Materialien geformt werden. Aus diesen Materialien hergestellte orthopädische Implantate verbinden sich leicht mit Knochen und anderen Geweben im Körper ohne Abstoßungs- oder Entzündungsreaktionen. Aus diesem Grund sind sie von großem Interesse für die Genübertragung und Gewebetechnik-Gerüste. Die meisten Hydroxylapatit-Keramiken sind sehr porös und weisen keine mechanische Festigkeit auf und werden zur Beschichtung orthopädischer Geräte aus Metall verwendet, um eine Verbindung zum Knochen herzustellen oder als Knochenfüllmaterial. Sie werden auch als Füllstoffe für orthopädische Kunststoffschrauben verwendet, um die Entzündung zu reduzieren und die Absorption dieser Kunststoffmaterialien zu erhöhen. Es wird daran gearbeitet, starke, vollständig dichte nanokristalline Hydroxylapatit-Keramikmaterialien für orthopädische Lastaufnahmemittel herzustellen, wobei fremde orthopädische Materialien aus Metall und Kunststoff durch ein synthetisches, aber natürlich vorkommendes Knochenmineral ersetzt werden sollen. Letztendlich können diese keramischen Materialien als Knochenersatz oder mit der Einarbeitung von Proteinkollagenen, synthetischen Knochen, verwendet werden.

• High-Tech-Keramik wird in Uhrengehäusen verwendet. Das Material wird für sein geringes Gewicht, seine Kratzfestigkeit, Langlebigkeit und seinen geschmeidigen Griff geschätzt. IWC ist eine der Marken, die den Einsatz von Keramik in der Uhrenherstellung initiiert haben.