Technische Keramik
Überlegene thermische Eigenschaften
Bauteile aus technischer Keramik behalten im Vergleich zu Metallen auch bei hohen Temperaturen ihre Form. Die plastische Verformung unter konstanter Belastung bei hohen relativen Temperaturen wird als Kriechen bezeichnet. Die Verformung kann verschiedene Ursachen haben, ist aber grundsätzlich bei technischen Keramiken aufgrund ihres atomaren Aufbaus stark eingeschränkt. Zudem behalten keramische Materialien auch bei hohen Temperaturen ihre hohe Festigkeit.
Insgesamt tragen die beeindruckenden thermischen Eigenschaften der Keramik dazu bei, dass sie in vielen Branchen als unverzichtbares Material für Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Temperaturstabilität und Wärmeübertragung eingesetzt wird.
Hitzebeständigkeit
Herkömmliche Silikatkeramik, einschließlich Ziegeln und Fliesen, ist dafür bekannt, dass sie hohen absoluten Temperaturen standhalten kann. Technische Keramik ist jedoch weitaus hitzebeständiger als diese Materialien.
Typische maximale Anwendungstemperaturen liegen für Aluminium bei max. 300 °C. Herkömmlicher Stahl verliert ab etwa 500 °C drastisch an Festigkeit. Herkömmliche Silikatkeramik behält bis 550 °C ihre Eigenschaften und kann kurzzeitig auch bei Temperaturen bis zu 800 °C verwendet werden. Hochleistungskeramik hingegen, kann bei Temperaturen von bis zu 1800 °C eingesetzt werden.
Thermoschockbeständigkeit
Die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) beschreibt die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Temperaturschwankungen.
Um die TWB eines Materials zu bestimmen, wird die Keramik von einer erhöhten Temperatur, To, auf eine niedrigere Temperatur, Tu, abgeschreckt. Die maximale Temperaturdifferenz (ΔT = To-Tu), die ein Material beim schnellen Abkühlen ohne Defekte übersteht, wird als Temperaturwechselbeständigkeit bezeichnet.
Durch das schnelle Abkühlen entstehen große Temperaturunterschiede zwischen dem Kern und der Oberfläche des Prüfkörpers, was zu Spannungen im Material führt. Übersteigen diese Spannungen die Festigkeit des Materials entstehen Risse oder bereits vorhandene Risse breiten sich aus. Je nach TWB kann hierbei eine unterschiedliche Anzahl an Zyklen zum Versagen des Prüfkörpers führen. Die Temperaturunterschiede werden durch die Wärmeleitfähigkeit der Keramik, sowie durch den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem Werkstoff und Kühlmedium bestimmt. Die erzeugten Spannungen werden durch die Multiplikation des Elastizitätsmoduls, des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Temperaturunterschiede zwischen dem Kern und der Oberfläche der Keramik bestimmt.
Thermoschockbeständigkeit (Wassereintauchtest)
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Wärmeausdehnung
Typische technische Materialien vergrößern ihr Volumen bei Erwärmung. Ein Phänomen, das als thermische Ausdehnung oder Wärmeausdehnung bekannt ist. Als Kenngröße für die Volumenänderung über die Temperatur wird der thermische Ausdehnungskoeffizient verwendet. Materialien mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nehmen bei gleicher Temperaturdifferenz mehr an Volumen zu als Materialien mit niedriger Wärmeausdehnung. Da technische Keramiken einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ist ihre Volumenänderung bei Temperaturänderungen gering.
Die Wärmeausdehnung hängt von der Zusammensetzung und dem Zustand des Werkstoffs ab und ist daher ein materialspezifischer Wert. Hauptsächlich wird der thermische Ausdehnungskoeffizient durch die Stärke der Bindungen zwischen den Atomen, aus denen die Materialien bestehen, bestimmt.
Wärmeausdehnungskoeffizienten
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die angibt, wie gut ein Material Wärme überträgt. Bei den technischen Keramiken gibt es Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die Wärme gut leiten, und solche mit niedriger Leitfähigkeit, die die Wärme weniger gut leiten. Aluminiumnitrid und Siliziumkarbid leiten Wärme besonders gut. Aluminiumnitrid wird in Gehäusen für Halbleiter eingesetzt, die große Wärmemengen abstrahlen, in denen sich aber kein Hitzestau bilden darf. Zirkonoxid leitet Wärme nicht effektiv und hat einen niedrigen Wärmeleitkoeffizienten (etwa 1/10 von rostfreiem Stahl).
Bei Keramik können Faktoren wie innere Porosität, Korngrenzen und Verunreinigungen diese Eigenschaft beeinflussen. Durch Kontrolle dieser Faktoren kann die Wärmeleitfähigkeit von technischer Keramik erhöht oder verringert werden.