Keramische Werkstoffe (anorganisch-nichtmetallische Hochleistungswerkstoffe)

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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keramische Werkstoffe (anorganisch-nichtmetallische Hochleistungswerkstoffe) Definitionen und Abgrenzungen: Silikatkeramik / Hochleistungskeramik / Struktur- Funktionskeramik Chemische Bindung und Struktur / typische Werkstoffklassen (Oxid-, Nichtoxidkeramik) Mechanische Eigenschaften: Griffith, Weibull, Verstärkunsmechanismen, Kriechen, SCG, Thermoschock, Thermische Eigenschaften Herstellverfahren Strukturkeramik (Pulversynthese, Masseaufbereitung, Formgebung, Entbindern, Sintern, Endbearbeitung) Keramische Membranen Sintern Keramische Membranen Herstellverfahren Funktiosnkeramik (Dickschicht, LTCC, HTCC) Dielektrika, Piezo- Pyro.- Ferroelektrika, Keramische Systeme: Kondensatoren /Dielektrika für die Halbleitertechnologie Brennstoffzellen, Lambda Sonde

2 Schatt, Werner ; Worch, Hartmut Werkstoffwissenschaft Wiley-VCH, ISBN Literaturempfehlungen Ivers-Tiffeé, Ellen; von Münch, Waldemar Werkstoffe der Elektrotechnik B. G. Teubner-Verlag Wiesbaden, ISBN Kollenberg, Wolfgang Technische Keramik Vulkan-Verlag Essen, ISBN Petzold, Armin Anorganisch-nichtmetallische Werkstoffe Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, ISBN Barsoum, M. W.: Fundamentals of Ceramics IOP Publishers, ISBN Informationszentrum Technische Keramik im Verband der Keramischen Industrie e.v.: Brevier Technische Keramik Fahner Verlag, ISBN , Rahaman, M.N.: Ceramic Processing and Sintering Marcel Dekker, ISBN Salmang, Hermann; Scholze, Horst: Keramik. Teil 1 / Teil 2: Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften / Keramische Werkstoffe Springer, ISBN

3 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Links und Quellen Hersteller Keramischer Komponenten Internetseite Werkstoffdatenblätter - Brevier Technische Keramik - Vorlesungsskript

4 Was ist Keramik? Geschichte - Alt-Steinzeit Älteste Tonfiguren - vor 2000 Jahren China - Herstellung von erstem Porzellan aus besonderen Tonvorkommen Entwicklung des ersten europäischen Porzellans durch Böttger und Tschirnhaus in Dresden, Meißen erste gezielte Werkstoffentwicklung Einsatz von Isolatoren aus Porzellan durch Werner von Siemens für Telegrafenleitung von Frankfurt nach Berlin

5 Was ist Keramik? Geschichte / Technische Keramik / Hochleistungskeramik Jhd. aufkommende Motorisierung Keramische Zündkerze Firma Hanke und Siemens: Sinterkorund-Zündkerze; erstmalig synthetischer Rohstoff für die Herstellung Technischer Keramik eingesetzt - 50-er Jahre Durchbruch für synthetische keramische Werkstoffe - 70-er Jahre Durchbruch für Funktionskeramik (Elektrotechnik, Elektronik)

6 Was ist Keramik? Geschichte / Technische Keramik / Hochleistungskeramik - 80-er Jahre Keramikeuphorie: PKW-Gasturbine, Keramikmotor umfangreiche Forschungsaktivitäten - Heute Technische Keramik steht gleichberechtigt neben anderen Werkstoffen - Keramik hat ihren Platz in High-Tech-Sparte gefunden Viele Forschungsergebnisse haben noch keine Umsetzung in die Praxis gefunden Großes Potenzial für die Zukunft

7 Eigenschaften von Keramik» Sehr Hart und Formstabil» Korrosions- und Verschleißfest» Hochtemperaturbeständig» Leicht» Biokompatibel» Multi-Funktional Automobilbau Maschinenbau Energie Systeme LifeScience / Gesundheit IT / Elektronik - Aufgrund der Eigenschaftsvielfalt haben Keramiken ein enormes Potenzial für Produktinnovationen - Die technologischen Möglichkeiten sind noch weitgehend unausgeschöpft Große F&E Anstrengungen notwendig

8 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Definition Keramik?! Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden Metalle Keramik Werkstoffe des Maschinen-, Apparate- und Anlagenbaus Werkstoffe der Elektrotechnik, Elektronik, Sonderwerkstoffe Theoretische Materialwissenschaft Korrosion, Verschleiß, Oberflächentechnik Werkstoffdiagnostik, Werkstoffprüfung Polymere Verbundwerkstoffe

9 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Definition Keramik?! Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden Metalle Halbleiter Einkristalle Supraleiter Anorganisch Nichtmetallische Werkstoffe Keramik Glas Werkstoffe des Maschinen-, Apparate- und Anlagenbaus Werkstoffe der Elektrotechnik, Elektronik, Sonderwerkstoffe Theoretische Materialwissenschaft Korrosion, Verschleiß, Oberflächentechnik Werkstoffdiagnostik, Werkstoffprüfung Verbundwerkstoffe Silikone Polymere Leitfähige Polymeren

10 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Definitionen Keramik Töpferei und Ihre Erzeugnisse, Töpfer-, Tonwaren. Geht auf griech. keramike zurück. Zugrunde liegt das ethymologisch nicht sicher gedeutete Substantiv keramos (Töpfererde, Ziegel, Tongefäß oder auch brennen) Keramiken sind i.d. Regel kristalline, thermisch und chemisch stabile ANW, die durch Hochtemperaturprozesse gebrauchsfähig gemacht werden. Ihre Eigenschaften werden in entscheidender Weise durch Ihre vom Herstellungsverfahren abh. Mikrostruktur bestimmt. Man unterteilt Keramik in ton- sowie sonderkeramische Werkstoffe (letztere enthalten kaum Tonmineralien). Innerhalb beider Gruppen unterscheidet man zwischen grob und feinkeramischen Erzeugnissen (Gefügebestandteile > 0,2mm) und in beiden Fällen zw. porösen und dichten Keramiken. / Holleman-Wiberg /

11 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Definitionen Keramik Werkstoffe die dadurch zustande kommen, daß ein Pulver geformt und die Form durch Einwirkung hoher Temperatur verfestigt wird. / Haase / ist ein Zweig der chemischen Technologie und Hüttenkunde, der sich mit der Herstellung keramischer Werkstoffe und Weiterverarbeitung bis zum keramischen Erzeugnis befaßt. Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nichtmetallisch, in Wasser schwer löslich und zu wenigstens 30% kristallin. I. d. Regel werden sie bei RT aus einer Rohmasse geformt und erhalten Ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch eine Temperaturbehandlung meist über 800 C. Gelegentlich geschieht die Formgebung auch bei deutlich höherer Temperatur oder gar über Schmelzfluß mit anschließender Kristallisation. / DKG / Angelsächsisch: We define ceramics as the art of science of making and using solid articles which have as their essential component, and are composed in large part of, inorganic nonmetallic materials. / Kingery /

12 Zusammenfassung: Definition Keramik Keramik leitet sich von dem griechischen Wort keramos (sprich:keramos) ab: Ton und die daraus gefertigten Produkte Bezeichnung für einen durch Sintern hergestellten nichtmetallischen anorganischen Werkstoff mit einer polykristallinen Struktur (mind. 30 %) Deutsch Keramik ist ein anorganisch nicht-metallischer/es Werkstoff / Bauteil Angelsächsisch

13 Definition: Silicatkeramik vs. Hochleistungskeramik Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Klassische Keramik Silikatkeramik Steingut Steinzeug Porzellan Hochleistungskeramik Oxidkeramik Nichtoxidkeramik Keramische Verbundwerkstoffe Neue Ansätze Rohstoff: Naturprodukt Ton, Kaolin, Quarz Feldspat, Rohstoff: synthetisch Al 2 O 3, ZrO 2, AlTiO 5 (TiO 2, MgO, Spinell, ) Si 3 N 4, SiC, AlN (B 4 C, BN, TiB 2, MoSi 2, ) C/C, SiC/SiC, Nano-Keramik Smarte Keramik Polymer-Keramik, Gradienten-Keramik

14 Silikatkeramik Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Tonwaren / tonkeramische Erzeugnisse: technische Produkte, welche durch Glühen (Brennen, Sintern) von feinteiligen, meist feuchten, geformten Tonen bei Temperaturen zwischen C hergestellt wurden Besondere Bedeutung haben die Tonminerale Kaolinit Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ] = Al 4 (OH) 8 [Si 4 O 10 ] Illit (K,H 3 O) y {Al 2 (OH) 2 [Si 4-y Al y O 10 ] (y = 0,7 0,9) (rot, wenn Fe-haltig) Halloysit Al 4 (OH) 8 [Si 4 O 10 ] 4(H 2 O) Montmorillonit (Al 1,67 Mg 0,33 )[(OH) 2 Si 4 O 10 ] Na 0,33 (H 2 O) 4 Talk (Speckstein) Mg 3 [Si 4 O 10 ](OH) 2, gebrannt Steatit MgSiO 3

15 Silikatkeramik Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Tonminerale - Schichtsilicate Si(OH) 4 SiO 2 Al 4 (OH) 8 [Si 4 O 10 ] Talk Mg 3 [Si 4 O 10 ](OH) 2 (K,H 3 O) y {Al 2 (OH) 2 [Si 4-y Al y O 10 ] Si 2 O 5 (Al, )(O,OH) 6 K + K + K +

16 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Tongut Zusammenfassende Bezeichnung für alle porösen feinkeramischen Werkstoffe - Töpferwaren (Ziegeln, Kacheln) - Steingutwaren (Wandplatten, Sanitärkeramik) - Wärmedämmungssteine (Schamotte) Tonzeug Zusammenfassende Bezeichnung für die dichten feinkeramischen Erzeugnisse auf silikatischer Basis - Porzellane (haben einen dichten, weißen, transparenten Scherben, versehen mit einem glasigen Überzug Glasur) - Steinzeugwaren (gekennzeichnet durch einen nicht durchscheinenden, dichten, verglasten, braunen bis hellen Scherben) Beispiele: Fußbodenplatten, säurefeste Steine, Isolatoren Porcellana: von ital. weiße Meeresmuschel Porzellan: China: Herstellung seit 600 Europa: Meißen seit 1710 nach Physiker Ehrenfried Walter von Tschirnhaus ( ) und Alchemist Johann Friedrich Böttger ( )

17 Silikatkeramik Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Tonwaren / tonkeramische Erzeugnisse: Ton + Sand = Lehm (Ziegelherstellung) Kaolin ( Porzellanerde ): Kaolin: nach Berg Kaoling in China (dort wurde Feldspat nicht Kaolin gewonnen) Verunreinigungen: Illit, Quarz, Glimmer, Humus (Steingut, Steinzeug) Ton allein schwindet stark beim Brennen Zugabe von - Magerungsmitteln (gebrannter Ton, Quarzsand) reduziert Schwindung - Flußmitteln (Feldspat z.b. Orthoklas K[AlSi 3 O 8 ] oder Kalkspat CaCO 3 ) reduziert Sintertemperatur

18 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Brennvorgänge bei Tonwaren: Ab 450 C (Kaolin, Illit) Abgabe des hydroxidisch gebundenen Wassers, Volumenschwindung > 20 %, Bildung von u.a. amorphem SiO 2, kristallinem Korund Al 2 O 3, amorphem schuppenförmigen Mullit 3Al 2 O 3 *2SiO 2 Ab 950 C: Feldspatverflüssigung in Schmelzphase lösen sich u.a. SiO 2 und Mullit und scheiden sich als kristalliner Cristobalit SiO 2 und kristalliner nadelförmiger Mullit wieder aus. Außerdem: - Kaliumoxid + Feldspat + SiO 2 bilden Glasphase, die nach Abkühlung die Keramikpartikel verkittet (> 0.2 mm Grobkeramik, < 0.2 mm Feinkeramik) - Porosität kann durch Sintertemperatur gesteuert werden.

19 Einteilung von Hochleistungskeramiken Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Strukturkeramiken Motoren- und Turbinenteile Schneidwerkstoffe Lager- und Friktionswerkstoffe Dichtringe Werkstoffe für den Ofenbau Funktionskeramiken Isolatoren Kondensatoren Schallwandler / Aktoren Sensoren Keramische Leiter z.b. mechanische Eigenschaften Essentielle elektronische (ionische), optische, sensorische, aktorische Eigenschaften

20 structural ceramics functional ceramics Ceramic Materials Micro- and Energy Systems Processes / Components Smart Materials and Systems

21 Herstellung von Hochleistungskeramiken Herstellung von Hochleistungskeramiken Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Matrixpulver ( + Additive) Formgebung (Pressen, Gießen, Spritzen) ein- oder mehrphasiges Gefüge Formgebung und Verdichtung durch pulvermetallurgische Verfahren Formgebung und Verdichtung durch pulvermetallurgische Verfahren *Quelle: Hoffmann / IKM Karlsruhe

22 Typischer Herstellprozess Strukturkeramik Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Pulver Formgebung Masse-Aufbereitung Grün-/Weißbearbeitung Endbearbeitung Sintern Keramik Rohstoffe Mahlen Mischen Pressen Extrudieren Fräsen Drehen Sinterbrand Schleifen Läppen Bauteil Granulieren Spritzen Bohren Polieren Plastifiziere n Gießen Sägen Gehre; TU-BAF

23 Stärken und Schwächen der Strukturkeramik Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Stärken + hohe Festigkeit, Steifigkeit, Härte bis zu hohen Temperaturen + hohe Abrasions- und Korrosions- Beständigkeit + geringe Dichte (Leichtbau) Schwächen - Sprödigkeit, Zug- und Schlagempfindlichkeit / brittle (brüchig) - Eigenschaftsstreuung, Zuverlässigkeit - Fertigungskosten Akzeptanz bei Maschinenbauern und Konstrukteuren kritisch Funktionskeramik Essentielle elektronische (ionische), optische, sensorische, aktorische Eigenschaften

24 Einfluss von Werkstoff-Defekten auf die Festigkeit Die Weibull Statistik c = Länge des max. Defektes vom Herstellprozess beeinflusst!! Griffith s b = K Ic / c

25 Häufigkeit Das etwas andere mechanische Verhalten Festigkeit Risse: Oberflächenfehler durch Bearbeitung Volumenfehler Einschlüsse Poren Risse Größe (Gewichtung) Kailer

26 Werkstoffübersicht Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Silikatkeramische Werkstoffe: Steinzeug, Porzellan, Steatit, Feuerbeton, Schamotte,... Oxidkeramische Werkstoffe: Aluminiumoxid, Zirkonoxid,... Nichtoxidkeramische Werkstoffe: Nitride: Siliziumnitrid, Bornitrid, Titannitrid,... Karbide: Siliziumkarbid, Borkarbid, Titankarbid,... Verbundkeramische Werkstoffe: siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid, Whiskerverstärkung, Beschichtungen,...

27 Werkstoffbezeichnungen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Alle Werkstoffe der Technischen Keramik können nach der Norm DIN VENV klassifiziert werden. Die mit C... gekennzeichneten Werkstoffe sind in IEC 672 genormt. Silikatkeramik - Alkali-Aluminiumsilikate C Quarzporzellane, plastische Formgebung C Quarzporzellane, gepreßt C Cristobalitporzellane, plastische Formgebung C Tonerdeporzellane C Tonerdeporzellan, hochfest C Lithiumporzellane C Magnesiumsilikate C Niederspannungssteatite C Standardsteatite C Steatite mit niedrigem Verlustfaktor C Poröse Steatite C Forsterite, porös C Forsterite, dicht C Titanate und andere Keramiken hoher Permittivitätszahl C Basis Titandioxid C Basis Magnesiumtitanate C Titandioxid und andere Oxide C Titandioxid und andere Oxide C Basis Kalzium- und Strontiumwismuttitanat C Basis ferroelektrische Perowskite C Basis ferroelektrische Perowskite C 351

28 STEATIT Magnesiumsilikate (Talk) (Gruppe C 200) Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Talk (Speckstein) Mg 3 [Si 4 O 10 ](OH) 2, gebrannt Steatit MgSiO 3 Basis: natürliche Rohstoffe (Hauptkomponente: Speckstein = Talk, Zusätze: Ton und Flußmittel) relativ hohe mechanische Festigkeit (im Gegensatz zu ungebranntem Talk!) Steatite finden vielfache Anwendung in der Elektrotechnik Steatit für Niederspannung (C 210), normaler Steatit (C 220) sowie Sondersteatit "mit niedrigem Verlustfaktor" (C 221) - auch Hochfrequenzsteatit genannt. Sondersteatit eignet sich dabei für verlustarme Hochfrequenzbauteile Bauteile mit dünnen und gleichmäßigen Wandstärken Poröser Steatit (C 230): u.a. zur Herstellung von Modellteilen, weil dieser nach dem Sinterbrand mit Werkzeugen noch einfach zu bearbeiten ist.

29 Werkstoffbezeichnungen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Erdalkali-Aluminiumsilikate und Zirkonporzellane C Cordierite, dicht C Celsiane, dicht C Basis Kalziumoxid, dicht C Basis Zirkon C 440 Poröse Aluminiumsilikate und Magnesium-Aluminiumsilikate C Aluminiumsilikatbasis C Magnesium-Aluminiumsilikatbasis C Magnesium-Aluminiumsilikatbasis C CordieritbasisC 520Aluminiumsilikatbasis C 530 Mullit-Keramik mit niedrigem Alkaligehalt C Mullit-Keramik mit 50% bis 65% Al2O3 C Mullit-Keramik mit 65% bis 80% Al2O3 C 620 Oxid-KeramikKeramiken mit hohem Aluminiumoxidgehalt C Hoch Al2O3-haltige Keramik, > 80% bis 86% Al2O3 C Hoch Al2O3-haltige Keramik, > 86% bis 95% Al2O3 C Hoch Al2O3-haltige Keramik, > 95% bis 99% Al2O3 C Hoch Al2O3-haltige Keramik, > 99% Al2O3 C 799

30 CORDIERIT (Gruppe C 400) Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Cordierit: Mg 2 Al 3 [AlSi 5 O 18 ], bzw. (Mg,Fe) 2 Al 3 [AlSi 5 O 18 ] Ringsilicat Diese Magnesiumsilikate entstehen beim Sintern von Speckstein mit Zusätzen von Ton, Kaolin, Korund und Mullit. Eigenschaften: hohe Temperaturwechselbeständigkeit niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die porösen Varianten haben zwar gegenüber dem dichten Werkstoff eine niedrigere Biegefestigkeit, zeichnen sich aber durch eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit aus. Cordierite sind in der Wärmetechnik, v.a. in der Elektrowärmetechnik, zu finden; z.b. als Isolierkörper für elektrische Durchlauferhitzer und Heizleiterträger in Öfen. Anwendungen in der Filter- und Katalysatorentechnik

31 Werkstoffbezeichnungen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Oxidkeramikwerkstoffe anderer Art als Al2O3 - Berylliumoxidkeramiken, dichte Magnesiumoxidkeramiken (MgO), - poröses Magnesiumoxid nach Herstellerspezifikation (MgO) - Zirkonoxid (bis 1996 genormt)c Zirkonoxid nach Herstellerspezifikation; teilstabilisiert (PSZ) vollstabilisiert (FSZ) tetragonal polykristallin (TZP) - Aluminiumtitanat (ATi) - Piezokeramik (PZT) - Siliziumoxidkeramik (Quarzgut) - Spinell (MgO Al2O3) - Titanoxid (TIO) - Bariumoxid (BaO) C 800 C 810

32 Werkstoffbezeichnungen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Nicht-Oxidkeramik C90 Nicht-Oxidkeramik - Nichtoxidische KeramikisolierstoffeKarbide, - Siliziumkarbid (SiC) - rekristalisiertes (RSiC) nitridgebundenes (NSiC) drucklos gesintert (SSiC) siliziuminflitriert (SiSiC) heiß gepreßt (HPSiC, HIPSiC) - Borkarbid (B4C) - Nitride Siliziumnitride, reaktionsgebunden, poröse Siliziumnitride, dichte Siliziumnitride (SN) nach Herstellerspezifikation C 93 gesintert (SSN reaktionsgebunden (RBSN, SRBSN) heiß gepreßt (HPSN) Siliziumoxinitride (z.b. Sialone) - Aluminiumnitride (AIN) C 94 - Bornitrid nach Herstellerspezifikation (CBN und HBN) Titiannitrid (TiN) C 91 - Mischnitride C 92 C 900 C 930 C 940 C 910 C 920 *Quelle:

33 Eigenschaften keramischer Werkstoffe Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Eigenschaften Al 2 O 3 ZrO 2 SiC SN Gefügeeigenschaften Dichte r [g/cm 3 ] 3,70-3,97 5,60-6,05 3,05-3,2 3,22-3,31 offene Porosität [%] nein ja/nein ja / nein ja - nein mechanische Eigenschaften Biegebruchfestigkeit (20 C) s b(4) [MPa] Druckfestigkeit (20 C) s d [MPa] Elastizitätsmodul (20 C) E [GPa] Rißzähigkeit K Ic [MPam 1/2 ] 4-5, , Härte (Vickers) HV Poissons-Zahl 0,22 0,23 0,23-0,3 0,19-0,3 0,23-0,26 Weibull-Modul m thermische Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit [W/mK] Ausdehnungskoeffizient ( C) a [10-6 /K] 8,0-9,4 9,0-11 4,3-5,8 2,5-3,6

34 Eigenschaftsvergleich wichtiger Strukturkeramiken untereinander Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Bruchzähigkeit ZrO 2 (TZP) Niedrige Herstellungskosten Al 2 O 3 (Korund) Festigkeit (RT) Si 3 N 4 (GPSN) Härte SiC (SSiC) Festigkeit ( 1400 C) Temp eratu rwech selbeständigkeit Kriechbeständigkeit

35 Eigenschaftsvergleich wichtiger Strukturkeramiken mit Porzellan Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Toughness ZrO2 (TZP) Increase: strength 3-10 times toughness 3-10 times Production costs Strenght (RT) Hardness 2-3 times Al2O3 (Corundum) SiC (SSiC) Si3N4 (GPSN) Production costs increases strongly Hardness Strenght (1400 C) Limitation of the production Porcelain Thermoshock

36 Eigenschaftsvergleich: Stahl vs. Hart(metall) vs. Si 3 N 4 -Keramik Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe WC-Co Hartmetall WC ist in Wirklichkeit eine Keramik!!

37 Spannungs-Dehnungsverhalten verschiedener Werkstoffgruppen Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Keranik / Glas Metall E s e Strain Strain Ursache: Unterschiedliche Mobilität von Fehlstellen

38 Spannungs-Dehnungsverhalten verschiedener Werkstoffgruppen

39 Risswiderstand K IC F c F Spannungsintensitätsfaktor K K I K I s Y I K IC c Risszähigkeit K IC (= Werkstoffeigenschaft) Risswachstum K I s Y K IC c K Ic (MPa m) Glas Glaskeramik 2.5 MgO Einkristall 1 SiC Einkristall 1.5 SiC Keramik 4-6 Al 2 O 3 Keramik Al 2 O 3 Verbundk Si 3 N ZrO 2 - c 2.8 ZrO 2 - c/t PSZ 6-12 ZrO 2 - t TZP 6-12 WC/Co 5-18 Al Stahl Danzer 2013

40 Resume: Was ist Keramik? Keramische Werkstoffe : anorganisch und nichtmetallisch. In der Regel werden sie aus einer Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch einen Sintervorgang bei hohen Temperaturen.

41 Resume: Was ist Keramik? Hochleistungskeramik - Funktionskeramik: Träger bestimmter Eigenschaften (elektrische, dielektrische und magnetische) Einsatz in Elektrotechnik und Elektronik - Strukturkeramik: Sehr gute mechanische und thermische Stabilität Einsatz in Maschinen und im Anlagenbau - Silicatkeramik ( traditionelle Keramik )

42 Keramische Werkstoffe, Bauteile haben ein vielseitiges Einsatzspektrum und sind aus der modernen Industrie und Alltag nichtmehr wegzudenken Werden in der Regel da eingesetzt wo andere Werkstoffe versagen oder unikale Effekte realisiert werden können können durch ausgefeilte Technologien / mikrostrukturelles Design und entsprechende konstruktive Auslegung so gestaltet werden, dass katastrophales Versagen durch Sprödbruch ausgeschlossen werden kann.

43 Fakultät Maschinenwesen Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Anorganisch-Nichtmetallische Werkstoffe Eigenschaften der Strukturkeramik Nachteile: Vorteile: begrenzte Duktilität niedrige Bruchdehnung niedrige Risszähigkeit streuende Festigkeitseigenschaften Thermoschockempfindlichkeit hohe Formstabilität niedrige Dichte hohe Härte chemische Beständigkeit Hochtemperaturbeständigkeit Biokompatibel Woran liegt das? Bindung und Struktur

44 Eigenschaftsvergleich wichtiger Strukturkeramiken untereinander Festigkeit in MPa Druckfestigkeit Biegefestigkeit Al 2 O 3 ZrO 2 SiC Si 3 N 4