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Technische Keramik

Vielfältige elektrische Eigenschaften

Technische Keramik spielt in vielen industriellen Anwendungen eine entscheidende Rolle, unter anderem wenn es um elektrische Leistung und Isolation bei entsprechender Zuverlässigkeit geht. In diesem Abschnitt bieten wir einen Überblick über die vielfältigen elektrischen Eigenschaften dieses Hochleistungswerkstoffs, der in Bereichen wie Elektronik, Energieerzeugung und anderen Schlüsselindustrien eine wichtige Rolle spielt.

Elektrische Isolierung

Keramische Werkstoffe sind in der Elektrotechnik vor allem als Isolationsmaterialien bekannt, d.h. Materialien, die elektrischen Strom nicht leiten. Einige Beispiele für Produkte, die die isolierenden Eigenschaften von Hochleistungskeramik nutzen, sind Röntgenanoden und -kathoden, sowie Rohre für magnetisch-induktive Durchflussmesser. Keramische Isolatoren werden auch in Mobiltelefonen, Leiterplatten und anderen elektronischen Bauteilen eingesetzt. Keramikgehäuse bieten eine fortschrittliche hermetische Abdichtung und elektrische Isolierung zwischen den elektrischen Leitern, um die hohe Zuverlässigkeit dieser elektronischen Komponenten zu gewährleisten.

Leitfähigkeit

Obwohl technische Keramiken im Allgemeinen isolierende Materialien sind, können bestimmte Keramiken wegen ihrer elektrischen Funktionalität auch als Leiter, bzw. Halbleiter genutzt werden. Halbleiterkeramiken können je nach Temperatur und angelegter Spannung Elektrizität leiten.

Ein Thermistor ist ein elektronisches Bauteil, das sich die Eigenschaft zunutze macht, dass der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt, so dass der Strom leichter fließen kann, wenn das Material heiß wird. Diese Bauteile werden in Sensoren eingesetzt, die Temperaturänderungen überwachen, und in Geräten, die eine Überhitzung der Elektronik verhindern sollen.

Ein Varistor besitzt die Eigenschaft, dass der Widerstand mit steigender elektrischer Spannung abnimmt. Varistoren werden häufig aus Zirkonoxid gefertigt und in Parallelschaltung zu anderen empfindlichen Bauteilen verbaut, um diese vor Spannungsspitzen zu schützen.

Dielektrizität

Die Permittivität (Dielektrizitätskonstante) beschreibt die Polarisationsfähigkeit eines Materials durch elektrische Felder. Sie ist ein Maß dafür wie stark ein Material elektrische Felder „zulässt“. 
Die Dielektrizität wird anhand der relativen Dielektrizitätskonstante gemessen. Die relative Dielektrizitätskonstante ist das Verhältnis zwischen der Dielektrizitätskonstante des betreffenden Materials im Vakuum  . Die Dielektrizitätskonstante von Quarz beträgt 3,8, während die von Saphir (Hauptbestandteil: oxidiertes Aluminium) 9,4 beträgt. Die Dielektrizitätskonstante von Bariumtitanat, einem ferroelektrischen Material, liegt bei 4.000 bis 5.000.

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Piezoelektrizität

Wie zuvor schon erwähnt, sind nicht alle Keramiken reine Isolatoren. Einige Keramiken sind piezoelektrisch. Das wohl bekannteste piezoelektrische Material ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Blei (Pb), Zirkonium (Zr) und Titan (Ti) werden mit Zusatzstoffen kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Der Piezoeffekt, beschreibt die Abhängigkeit von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in einem Festkörper. Beim Piezoeffekt treten bei mechanischer Verformung des Materials Ladungen auf der Oberfläche auf (beispielsweise in Feuerzeugen). Beim inversen Piezoeffekt verformen sich die Materialien, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird (Spitze in Rasterkraftmikroskopen). Mit diesen Effekten können die kleinsten Längenänderungen oder elektrischen Spannungen registriert und erzeugt werden.