Alstechnische Keramik werdenKeramikwerkstoffe bezeichnet, die in ihren Eigenschaften auf technische Anwendungen hin optimiert wurden. Sie unterscheidet sich von den dekorativ eingesetzten Keramiken oder Geschirr (Gebrauchskeramik), Fliesen oderSanitärobjekten u. a. durch die Reinheit und die enger tolerierte Korngröße (Kornband) ihrer Ausgangsstoffe sowie oft durch spezielle Brennverfahren (z. B.heißisostatisches Pressen, Brennen unterreduzierender Atmosphäre).
Weitere Bezeichnungen für technische Keramik sindIngenieurkeramik,Hochleistungskeramik,Industriekeramik oderindustrielle Keramik. Keramikwerkstoffe, die spezielle elektrische oder piezoelektrische Eigenschaften besitzen, werden auch alsFunktionskeramiken oder spezifisch alsElektrokeramik bezeichnet.
Seit den ersten technischen Anwendungen vonPorzellan als elektrischeIsolatoren in der Mitte des 19. Jahrhunderts kann man von technischer Keramik sprechen.
Keramische Werkstoffe sindanorganisch, nicht-metallisch undpolykristallin. In der Regel werden sie bei Raumtemperatur aus einer aus Keramikpulver, organischem Binder und Flüssigkeit gebildeten Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften erst in einemSintervorgang bei hohen Temperaturen.
Hier liegt der große Unterschied zu vielen anderen Werkstoffklassen, insbesondere den Metallen. Während diese nach der Verhüttung bereits vor der Formgebung ihre wesentlichen Materialkennzeichen aufweisen, sind beim keramischen Produkt Werkstoffeigenschaften, Form und Größe untrennbar mit den Herstellprozessschritten verbunden, bestehend aus Aufbereitung des Pulvers, Formgebung und Brand. Die eigentliche Ingenieurleistung liegt daher in der genauen Gestaltung der Herstellung und hier vor allem in der gezielten Beeinflussung der Mikrostrukturen im abschließenden Sinterprozess.
Spielen beim Stahl zum Beispiel der Kohlenstoff- oder Chromgehalt eine Rolle und bei Kunststoffen die Wahl der Reaktionspartner und deren Vernetzungsgrad, kommt es bei den keramischen Werkstoffen nicht nur darauf an, welches Grundmaterial (Bornitrid,Siliciumcarbid oderAluminiumoxid) den Grundkörper bildet, sondern hier entscheidet vielmehr Art und Häufigkeit von Fehlstellen (zum Beispiel Poren, Mikrorisse, geringste Fremdstoffanteile) im fertigen Bauteil über die konkreten Eigenschaften. Die anwendungsbezogene Variation der Eigenschaften keramischer Werkstoffe geschieht daher in weit stärkerem Maße durch die Gestaltung der Prozessschritte, als dies bei Metallen der Fall ist. Durch unterschiedliche Brennverfahren und Brennatmosphären sowie durch die Korngröße und Brenntemperatur lassen sich verschiedenste Eigenschaften des gleichen Stoffgemisches erzielen. Ein Beispiel ist der Reaktionsbrand, mit dem Silizium-angereichertes Siliziumkarbid (SiC) unter Schutzgas aus Silizium- und Kohlenstoffpulver gefertigt wird. Ohne die sonst übliche Schrumpfung beimSintern lassen sich hierdurch komplexe, vergleichsweise große Strukturen herstellen. SiSiC hat die hohe Härte, Wärmeleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und Korrosionsfestigkeit des Siliciumcarbids, das in den Poren eingebettete Silizium verbessert jedoch die Oxidationsbeständigkeit, so dass diese Keramik sich für den Einsatz als Heizelement oder Konstruktionsteil in Brennöfen eignet.
Mit der Größe und Form eines keramischen Bauteils steigt die technische Herausforderung in der Herstellung: es muss ein gleichförmiges, homogenes Gefüge über ein großes Volumen erhalten bleiben, obwohl die Wärmezufuhr beim Brand nur von außen möglich ist. Gegenwärtig gehören zu den weltweit größten keramischen Bauteilen in der technischen Keramik Heizrohre für Metallglüh-, Schmiede- und Härteöfen. Sie erreichen Ausmaße von bis zu 3 Metern Länge und bis zu 30 cm Durchmesser. Ca. 40 Hersteller weltweit sind in der Lage, Produkte aus Ingenieurkeramik mit diesen Dimensionen herzustellen.
Technische Keramik kann folgende recht unterschiedliche Materialeigenschaften besitzen:
Wie bei konventionellerKeramik erfolgt die Herstellung durch Zusammenbacken vonkristallinen Pulvern, demSintern. Zur Sicherstellung konstanter Werkstoffqualität und Zuverlässigkeit ist die Herstellung hochreiner Pulver definierter, feiner Körnung (teilweise unter 1 µm), deren Aufbereitung mit Sinterhilfsmitteln und die Trocknung und Sinterung von großer Bedeutung. Beim Brand (Sinterung) bleibt die Korngröße erhalten oder nimmt durch Kornwachstum zu. Während man für mechanische Anwendungen und Vielschichtkondensatoren kleine Korngrößen anstrebt, muss z. B. bei Brennerrohren fürGasentladungslampen (Natriumdampflampen,Halogen-Metalldampflampen) ein Kompromiss gefunden werden, um einerseits mechanische Festigkeit (kleine Körner) und andererseits hohe optische Transparenz (große Körner, wenig Streuzentren) zu erreichen.
Zwischen den kristallinen Körnern befindet sich oft eine sogenannte interkristalline Phase, die wesentlich für die elektrischen und mechanischen Eigenschaften ist. Obwohl sie den Sinterprozess erleichtert, möchte man sie oft vermeiden, da sie insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen für mechanische Kriechprozesse und absinkende Isolationswerte verantwortlich ist. Um hochdichte Keramik auch ohne interkristalline Phase oder Sinterhilfsmittel zu erhalten, erfolgt das Sintern teilweise unter Druck (heißisostatisches Pressen, HIP).
Auch die keramikgerechte Konstruktion der Bauteile kann dazu beitragen, das Risiko eines Versagens durch Sprödbruch zu reduzieren: scharfe Kerben und Innen-Ecken müssen vermieden werden und dass Änderungen der Wandstärke nicht stufig, sondern möglichst kontinuierlich erfolgen. Kerben und Ecken sind bei Biege- bzw. Zugbeanspruchung leicht Ausgangspunkt für einen Riss, dessen Ausbreitung dann auch bei geringen Kräften durch das ganze Bauteil geht und es zerstört.
Mit der Entwicklung vonkeramischen Verbundwerkstoffen stehen im Bereich der technischen Keramik inzwischen verschiedene Werkstofftypen zur Verfügung, die sich durch deutlich höhereBruchzähigkeiten und damit verbundene Zuverlässigkeit sowie extreme Thermoschockbeständigkeit auszeichnen.
Piezokeramik findet Anwendung alsKeramikresonator in elektronischen Schaltungen, in Piezo-Einspritzventilen fürDieselmotoren, in Stellantrieben (Ventile, Spiegel,Rasterkraftmikroskop) und in Kleinst- und Hochfrequenz-Lautsprechern.
Keramische Werkstoffe werden heute in Bereichen verwendet, in denen früher Metalle zum Einsatz kamen. Noch vor wenigen Jahrzehnten galten Anwendungen, die heute selbstverständlich sind, als nicht realisierbar.
In der Medizintechnik werden keramische Werkstoffe als Ersatz für Knochen und Zähne eingesetzt. Hier hat die große mechanische Festigkeit und Verschleißfestigkeit sowie die hohe Korrosionsbeständigkeit und die gute Verträglichkeit mit lebendem Gewebe Bedeutung (Bioinert).
Ein bedeutendes Einsatzgebiet sind die sogenannten Hochtemperaturanwendungen. Dazu zählen der Ofenbau, Brennersysteme oder Heizelemente. Einsatztemperaturen von bis zu 2500 °C halten einige keramische Werkstoffe ohne Verzug oder Ermüdung stand. Aufgrund der inVerbrennungsmotoren angestrebten immer höheren Temperaturen (höhererWirkungsgrad!) steigen Entwicklungsaufwendungen und Ansprüche an Bauteile wie Lager, Turbinenschaufeln derTurbolader und Motorteile.
Die in Stückzahlen gerechnet häufigsten Anwendungen bilden technische Keramiken als elektronische Bauelemente in Form derKeramikkondensatoren. Darüber hinaus sind wegen der hohen Spannungsfestigkeit dieKeramik-Leistungskondensatoren inSendeanlagen unverzichtbar.
Die bekanntesten Anwendungen bilden jedoch keramische Bauteile alsIsolator bzw. alsIsolierstoff (Zündkerzen,Freileitungs-Isolatoren). Dabei sind auch Temperaturen von 600 °C, wie sie beispielsweise bei Zündkerzen oder Zündeinrichtungen von Gasbrennern vorkommen, möglich. Die bei Zündkerzen eingesetzte Aluminiumoxid-Keramik hat bei 600 °C einenspezifischen Widerstand von 108 Ωcm.
Die meisten keramischen Werkstoffe sind elektrischeIsolatoren, einige sind jedochsupraleitend,halbleitend oder dienen als Heizleiter.
Halbleitende Keramik wird fürVaristoren (Zinkoxid),Heiß- oderKaltleiter verwendet (Temperatursensoren,Einschaltstrombegrenzung,Entmagnetisierung, Selbstrückstellende Sicherungselemente (PTC-Sicherungselement)).
Auch in der Lager- und Dichtungstechnik dominieren keramische Werkstoffe. Als Lagerschalen vonGasturbinen mit Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute und Temperaturen von rund 1500 °C können keramische Werkstoffe eingesetzt werden. In Pumpen dichtenGleitringdichtungen aus Keramik die Wellendurchführungen durch das Pumpengehäuse der Außenwelt gegenüber korrosiven und abrasiven Medien ab. Bei derRauchgasentschwefelung sind keramischeGleitlager der Pumpen hochkonzentrierter, basischer Kalkmilch ausgesetzt, die stark mit Sand verunreinigt ist. Ähnliche Verhältnisse herrschen bei Pumpenanlagen zurMeerwasserentsalzung. Hier fördern Pumpen mit keramischen Gleitlagern das stark mit Sand versetzte Salzwasser über Jahre, ohne Abrieb oder Korrosion zu erleiden.
Ein wesentlicher Nachteil ist bei mechanischen Anwendungen das Sprödbruchverhalten von Keramik (niedrigeBruchzähigkeit). Metallische Werkstoffe sind dagegenduktil und brechen daher seltener. Sie verzeihen leichtere konstruktive Toleranzen, indem sie lokale Spannungsspitzen durch elastische und plastische Verformung abbauen. Die Entwicklung vonkeramischen Faserverbundwerkstoffen hat auf diesem Gebiet wesentliche Fortschritte erzielen können und das Anwendungsspektrum keramischer Werkstoffe deutlich erweitert.
Keramikpulver etwa ausTitannitrid werden alsFestschmierstoffe inMontagepasten wieHeißschrauben-Compounds verwendet.