Elektrische Eigenschaften Technischer Keramiken
ÜBERSicht
Ingenieurkeramik weist im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Kunststoffen oder Metallen überlegene dielektrische Eigenschaften auf. Die Zusammensetzung der Ingenieurkeramiken macht sie zu hochwirksamen elektrischen Isolatoren, was ihre häufigste Verwendung ist, obwohl Keramiken natürlich auch auf eine Weise verarbeitet und spezifiziert werden können, damit die Leitfähigkeit der Anwendung entspricht.
Die meisten Ingenieurkeramiken weisen einen geringen dielektrischen Verlust auf, was bedeutet, dass der Werkstoff ein hohes Maß an elektromagnetischer Energie mit sehr geringer, wenn überhaupt messbarer Energieabgabe aufrecht erhalten kann
Obwohl Polymere, Gummi und Glas ausgezeichnete elektrische Isolatoren sein können, besitzen sie nicht die gleichen mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften wie technische Keramikwerkstoffe, Diese sind ideal für Elektronikbauteile in Einsatzbereichen, die eine hohe Festigkeit sowie eine hohe Wärme- oder Korrosionsbeständigkeit erfordern.
Elektrische Eigenschaften
Geringer dielektrischer Verlust
Verlustwinkel: : δ
Verlustwinkel: : tan δ
Der dielektrische Verlust ist die Messung des Energieverlusts, wenn ein Werkstoff einer elektromagnetischen Spannung ausgesetzt wird. Bei Werkstoffen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit fließen Elektronen frei, wenn sie einer Ladung ausgesetzt werden. Im Gegensatz dazu fließen in einem Isolator die Elektronen nicht frei. Für viele industrielle Anwendungen ist ein Isolator erforderlich, der hohen Belastungen durch elektrische Ladungen ohne dielektrischen Verlust standhält.
Durchgangswiderstand Ω-cm
Der Durchgangswiderstand, auch als elektrischer Widerstand oder spezifischer elektrischer Widerstand bezeichnet, ist das Maß, wie stark ein Werkstoff dem elektrischen Strom widerstehen kann. Ein Werkstoff mit hohem Durchgangswiderstand gilt als elektrischer Isolator, während ein Werkstoff mit geringem oder ohne Durchgangswiderstand als elektrischer Leiter bezeichnet wird. Die inverse Messung gibt die elektrische Leitfähigkeit an, das heißt die Fähigkeit eines Werkstoffs, elektrischen Strom zu leiten, anstatt ihm zu widerstehen.
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Ingenieurkeramiken weisen selbst bei hohen Temperaturen einen hohen spezifischen Durchgangswiderstand auf, obwohl einige Keramikwerkstoffe gezielt entwickelt wurden, um eine gewisse Ladung durchlassen (in der Regel als elektrostatisch entladungssichere oder ESD-sichere Keramiken bezeichnet). Das verlängert die Lebensdauer des Werkstoffs oder schützt empfindliche Objekte, die damit in Kontakt kommen.
Durchschlagfestigkeit ac-kV/mm
Ein Werkstoff kann nur einer bestimmten elektrischen Spannung standhalten, bevor er nachgibt. Dies wird mit Hilfe der Durchschlagfestigkeit eines Werkstoffs ausgedrückt und gemessen. Ein Werkstoff mit hoher Durchschlagfestigkeit kann über längere Zeit hohe Spannungen aushalten, ohne dass Energie durchgelassen wird. Werkstoffe mit geringer Durchschlagfestigkeit zersetzen sich schneller, wenn sie elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Ingenieurkeramiken weisen häufig eine hohe Durchschlagfestigkeit auf und ergänzen damit die Liste der dielektrischen Eigenschaften, die Keramiken zu überlegenen Isoliermaterialien für elektrische Anwendungen machen.
Keramische Werkstoffe mit hoher elektrischer Leistung
Aluminiumoxid:
Aluminiumoxide (Al) sind ein häufig eingesetzter technischer Keramikwerkstoff mit einer Reihe von leistungsfähigen Eigenschaften, einschließlich eines ausgezeichneten dielektrischen Verhaltens.
- Aluminiumoxid 94% - 97% weist einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Festigkeit sowie einen geringen dielektrischen Verlust auf.
- Aluminiumoxid 99.9% - 100% weist einen außergewöhnlich geringen dielektrischen Verlust auf.
Aluminumnitrid:
Aluminiumnitride (AlN) werden in vielen elektronischen Anwendungen verwendet, da sie im Gegensatz zu den meisten elektrisch isolierenden Materialien schnell Wärme abgeben können und somit effizientere Werkstoffe darstellen.
- Heißgepresstes Aluminiumnitrid verfügt über eine ausgezeichnete Durchschlagfestigkeit und hervorragende Wärmeleitfähigkeit, was es zu einem idealen Werkstoff für ballistische Panzerung und Halbleiteranwendungen macht.
- Direkt gesintertes Aluminumnitrid, wie heißgepresstes Aluminiumnitrid, verfügt über eine ausgezeichnete Durchschlagfestigkeit, ist jedoch speziell für den Einsatz in Anwendungen, die extremen Temperaturschwankungen unterliegen, vorgesehen.
Silikate:
Silikate, die zur ältesten Keramikfamilie zählen, werden häufig für kostengünstige technische Anwendungen eingesetzt, die einen spezifischen elektrischen Widerstand erfordern, wie zum Beispiel chemische Laborutensilien.
- Steatit weist einen geringen dielektrischen Verlust kombiniert mit hoher Durchschlagfestigkeit auf – und das bei kostengünstiger Herstellung.
- Mullit verfügt über ausgezeichnete Wärmeschockeigenschaften und Durchschlagfestigkeit.
Siliziumkarbid (SiC):
CoorsTek hat das Fertigungsverfahren für Siliziumkarbide sorgfältig auf den spezifischen und variablen Durchgangswiderstand abgestimmt.
- Reaktiongebundenes Siliziumkarbid das manchmal auch als silikonisiertes Siliziumkarbid bezeichnet wird, ist ein mit Siliziummetall infiltrierter Keramikwerkstoff mit anpassbaren Eigenschaften, die auf die jeweilige Verwendung abgestimmt werden können.
Das Portfolio von CoorsTek umfasst eine Vielzahl von speziellen Keramikwerkstoffen, die für einzigartige, spezifische Anwendungen hergestellt wurden.
- Titanatformulierungen wurden speziell zur Verwendung als dielektrische Resonatoren in Antennen hergestellt.
-
ESD-sichere Keramikwerkstoffe wurden entwickelt, um empfindliche mikroelektronische Komponenten vor statischer Elektrizität zu schützen, indem sie die angesammelte Ladung langsam ableiten, um Schnellentladung oder Lichtbogenbildung zu verhindern.
- Kohlenstoff und Graphit stellen im Gegensatz zu den anderen Keramikwerkstoffen dieser Liste hervorragende elektrische Leiter dar.
Anwendungen, die optimale elektrische Eigenschaften erfordern
Sind Sie bereit, anzufangen? Wenden Sie sich noch heute an das Entwicklungsteam von CoorsTek, um mit Ihrem Fertigungsprojekt zu beginnen oder den Keramikwerkstoff an Ihre spezifische Anwendung anzupassen.
Dank der Fachkompetenz von CoorsTek im Bereich technischer Keramikwerkstoffe können unsere Ingenieure direkt mit unseren Kunden an kundenspezifischen Spezifikationen und Konstruktionen für eine Vielzahl von Anwendungen arbeiten. Ingenieurkeramikwerkstoffe mit guten elektrischen Eigenschaften sind in der heutigen industriellen Umgebung, in der Werkstoffe bei Fertigungsinnovationen an ihre Grenzen stoßen, äußerst wertvoll.
Die Keramikwerkstoffe von CoorsTek werden häufig in den folgenden Industriezweigen und Anwendungen eingesetzt:
luft- und raumfahrt & wehrtechnik
Aufgrund einer stabilen Dielektrizitätskonstante und einem geringen elektrischen Verlust eignen sich technische Keramiken ideal für GPS Antennenkomponenten. Keramische GPS-Antennenkomponenten bieten eine genaue Abstimmung für eine Vielzahl von Mobilkommunikationsgeräten, die in Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilanwendungen eingesetzt werden.
CERBEC® KUGELLAGER AUS SILZIUMNITRID
Die Cerbec Siliziumnitrid-Kugeln von CoorsTek werden in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt – von der Automobilindustrie über erneuerbare Energien bis zur Zahnmedizin. Sie bieten außergewöhnliche Leistungen für kritische Anwendungen, die neben mechanischer Festigkeit auch elektrischen Widerstand erfordern. Weiterlesen.

Automobilindustrie & Transport
Kohlebürsten liefern Elektrizität zum Bewegen von Elektromotoren, indem die Rotorspulen verbunden werden, um den Stromkreis zu schließen. Sie werden häufig in kleinen Motoren für Autotüren, -fenster und -schlösser verwendet.
Kleinste Änderungen der Werkstoffeigenschaften können die Leistung einer jeden Bürste erheblich beeinträchtigen.
Unsere Bürsten werden aus hochreinem Graphit (oft mit Kupfer vermischt) hergestellt, um eine streng kontrollierte elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten.
Dick- und Dünnschichtkeramiksubstrate die sowohl aus Aluminiumoxid als auch aus Aluminiumnitrid hergestellt werden, sind ideal für Anwendungen in der Leistungselektronik- und Automobilindustrie, wie für Motorschaltkreiskomponenten und LED-Beleuchtung. Aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen Isolierfähigkeit und anderen thermischen und mechanischen Eigenschaften eignen sich Keramiksubstrate ideal für LED-Beleuchtungs- und Sensoranwendungen in Kraftfahrzeugen
Keramische Wärmetauscher oder "Kühlboxen" übertragen Wärme von der Leistungselektronik auf die Wasserkühlsysteme, die in Leistungswandlern von Nahverkehrszügen und U-Bahnen eingesetzt werden.
Elektrisch isolierende Keramiken sind die Kernkomponenten von Vakuumunterbrechern, die in Mittel- und Hochspannungsleistungsschaltern für Energieversorgungsanwendungen eingesetzt werde.
Als vertikal integrierter Full-Service-Hersteller fertigt CoorsTek Vakuumunterbrecher aus elektrisch isolierendem Aluminiumoxid, das anschließend zu einer Metall-Keramik-Verbindung mit hoher Festigkeit verarbeitet wird.
halbleiter
Technische Keramiken stellen ihre Vorteile in anspruchsvollen Halbleiteranwendungen unter Beweis.
Werkstoffe, wie hochreines Aluminiumoxid, eigenen sich für Plasmaätzgeräte, wie Düsen und Fokusregler, die eine außergewöhnliche Durchschlagfestigkeit erfordern.
CoorsTek verwendet modernste Technologien zur Herstellung von GaN-auf-Silikon-Halbleiter-Epiwafern für die Leistungselektronik der nächsten Generation.
Dünne epitaktische Schichten aus Galliumnitrid werden auf Siliziumwafer aufgetragen, was eine höhere Durchschlagspannung ermöglicht (die maximale Spannungsdifferenz auf der Materialoberfläche, bevor der Isolator leitet).
MediZINISCHE ANWENDUNGEN
Hochreine technische Keramiken bieten überlegene Festigkeit und Biokompatibilität für medizinische Anwendungen, in denen bestimmte elektrische Eigenschaften notwendig sind. Die medizinischen Keramiken von CoorsTek CeraPure™ bieten einen geringen dielektrischen Verlust (elektrische Isolierung) und Hochfrequenztransparenz für Elektro-implantate.
Können Sie sich für keinen Werkstoff entscheiden?
Mit unserem Materialvergleichstool können Sie mehrere Keramikwerkstoffe miteinander vergleichen, um herauszufinden, welcher Werkstoff für Ihre spezielle Anwendung am besten geeignet ist.
Natürlich können Sie sich mit Ihren Fragen auch direkt an uns wenden.
Zusätzliche Quellen
American Ceramics Society: Structure and Properties of Ceramics