Mechanische Eigenschaften technischer Keramiken
ÜbersichtDie beliebtesten „Superkräfte“ der technischen Keramiken von CoorsTek sind ihre mechanischen Eigenschaften. Zu ihren mechanischen Hochleistungseigenschaften zählen Härte, Verschleißfestigkeit, Steifigkeit, Dichte, Bruchzähigkeit und andere anwendungsspezifische mechanische Anforderungen, die das Leistungsvermögen von Stahl, Legierungen und Kunststoffen häufig übertreffen.
Mechanische Eigenschaften technischer Keramiken
Härte
GPa (kg/mm2)
Die technischen Keramiken von CoorsTek sind für ihre extreme Härte bekannt. Unsere Werkstoffe sind härter als jedes bekannte Metall und natürlich vorkommende Material, mit der Ausnahme von Diamanten. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Keramikkomponenten eine 10- bis 100-fache Lebensdauer herkömmlicher Metalle aufweisen. Je härter ein Werkstoff ist, desto widerstandsfähiger ist er gegen örtlich begrenzte bleibende Verformungen durch Eindrücken oder Abrieb. Wir untersuchen die „Makrohärte“ von Oberflächen, die wir sehen, aber diese hängt im Allgemeinen mit starken intermolekularen Bindungen auf der „Mikroebene“ zusammen.
Festigkeit
MPa
Hochentwickelte Keramiken sind sehr fest und nicht besonders biegsam. Dies bedeutet, dass sie ein außergewöhnlich festes und stabiles Dimensionsverhalten aufweisen. Tatsächlich bieten CoorsTek Keramiken eines der höchsten Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht für anspruchsvolle, leichtgewichtige Anwendungen. Metalle verbiegen, fließen oder verziehen sich häufig während der Bearbeitung oder des Wärmezyklus. Polymere neigen dazu, ihre Form unter Druck oder sogar mit zunehmendem Alter zu verlieren. Die Biegefestigkeit ist die effektive Festigkeit eines Materials unter Biegebelastung – eine Kombination aus Druckfestigkeit (gegen Stauchen) und Zugfestigkeit (gegen Dehnung).
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Dichte (spezifisches Gewicht)
g/cm2
Technische Keramiken sind erheblich leichter als hochfeste Metalle, was bedeutet, dass sie typischerweise halb so schwer wie vergleichbare Metallteile sind. Viele Transport-, Luft- und Raumfahrt-, Maschinen- und Rüstungsanwendungen profitieren von einer geringeren Masse. Leichtbau verbessert die Leistung, erhöht die Kraftstoffeffizienz und senkt die Energiekosten im Laufe der Lebensdauer von Kraftfahrzeugen. Das Verringern der Trägheit in rotierenden Geräten und Maschinenwerkzeugen kann die Zentrifugalkräfte drastisch reduzieren, was höhere Geschwindigkeiten und eine längere Lebensdauer möglich macht.
Bruchzähigkeit
K(l c)
Einige fortschrittliche Keramiken werden gezielt formuliert, um eine höhere Zähigkeit zu bieten, also die Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs gegen Bruch zu verbessern. Die Bruchzähigkeit misst die Energiemenge, die auf einen Werkstoff ausgeübt werden kann, bevor dieser bricht. Die Bruchzähigkeit ist bei duktilen Materialien wie Polymeren und den meisten Metallen tendenziell größer, da diese Materialien durch elastische (reversible) und plastische (irreversible) Verformungen große Energiemengen absorbieren können. CoorsTek entwickelt Keramiken mit erhöhter Bruchzähigkeit für anspruchsvolle mechanische Einsatzbedingungen.
Andere mechanische Eigenschaften
Einige Anwendungen haben andere spezielle Anforderungen, die anwendungsbezogene mechanische oder physikalische Eigenschaften erfordern, einschließlich:
- Druckfestigkeit: Ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffes gegen Druck, das als Schlüsselwert für die strukturelle Gestaltung dient. Technische Keramiken weisen eine außergewöhnliche Druckfestigkeit auf, die höher als ihre Zugfestigkeit ist. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, Baugruppen so zu konstruieren, dass auf die Keramikteile Druck ausgeübt wird.
- Hohe Wärmefestigkeit: Viele Hochleistungsanwendungen erfordern Festigkeit unter hohen Temperaturen. Hochentwickelte technische Keramiken bewahren den größten Teil ihrer Raumtemperaturfestigkeit und kehren im Wesentlichen zu ihren ursprünglichen Eigenschaften und Abmessungen zurück, wenn sie wieder auf die ursprüngliche Umgebungstemperaturen gebracht werden. Weitere Informationen zu den Vorteilen von Keramikwerkstoffen in Umgebungen mit hohen Temperaturen finden Sie im Bereich Wärmeeigenschaften.
- Wasseraufnahme und Gasdurchlässigkeit: Technische Keramiken von CoorsTek bieten im Allgemeinen ein versiegeltes Leistungsvermögen ohne messbare Wasseraufnahme oder Gasdurchlässigkeit. Jedoch können wir anwendungsspezifische Werkstoffe entwickeln, die ein festgelegtes Maß an Porosität oder Durchlässigkeit bieten.
- Poissonzahl: Dies ist ein Maß für die Dehnung eines Werkstoffes in Querrichtung bei Belastung in axialer Richtung. Technische Keramikwerkstoffe von CoorsTek weisen eine niedrigere Poissonzahl als Metalle und Polymere auf, was bedeutet, dass sie ihre Form besser bewahren, wenn sie komprimiert oder gedehnt werden. Wie ein Gummiband neigen die meisten Werkstoffe dazu, bei Dehnung dünner bzw. im Gegenzug dicker zu werden, wenn sie zusammengedrückt werden. Da technische Keramiken im Allgemeinen eine niedrigere Poissonzahl als Stahl und Polymere aufweisen, hat das Zusammendrücken nur eine geringe bzw. keine seitliche Ausdehnung zur Folge.
- Teilchengröße: Obwohl die Teilchengröße kein direktes Maß für die Leistung darstellt, können einige Werkstoffeigenschaften abhängig von der Teilchengröße variieren. Bis zu einem gewissen Punkt nimmt die Härte mit abnehmender Teilchengröße in einer Keramikmikrostruktur zu. Durch die vertikale Integration kann CoorsTek die Teilchengröße von der Aufbereitung des Keramikwerkstoffs bis zur Verarbeitung präzise steuern und so eine zuverlässige und gleichmäßige Leistung sicherstellen.
Keramikwerkstoffe mit außergewöhnlicher mechanischer Leistung
Aluminiumoxide:
Aluminiumoxide (Al) sind für ihre vielseitige Kombination aus mechanischen Eigenschaften wie optimale Härte, Verschleißfestigkeit und Biegefestigkeit bekannt. CoorsTek Aluminiumoxide weisen in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen ein hervorragendes Preis-/Leistungsverhältnis auf und sind in verschiedenen Reinheitsgraden und Formulierungen erhältlich. Im Allgemeinen ist die mechanische Leistung umso robuster, je höher die Reinheit ist.
Siliziumkarbide:
Siliziumkarbide (SiC) weisen eine hohe mechanische Leistungsfähigkeit mit außergewöhnlicher Härte und Festigkeit bei geringer Dichte auf, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine Kombination aus geringem Gewicht und mechanischer Härte erfordern. Einige CoorsTek Siliziumkarbide weisen ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf, wenn Formstabilität ausschlaggebend ist.
Siliziumnitride:
Siliziumnitride (Si3N4) zeichnen sich durch ihre hohe Temperaturfestigkeit aus und zeigen eine außergewöhnliche Kombination von mechanischen und thermischen Eigenschaften. CoorsTek Siliziumnitride werden auch in Umgebungen mit starker Beanspruchung eingesetzt, in denen eine Kombination aus extremer Biegefestigkeit und Zähigkeit erforderlich ist.
Zirconoxide:
Zirkonoxide (ZrO) sind langlebige Keramikwerkstoffe mit außergewöhnlicher Bruchzähigkeit. CoorsTek Dura-Z® und Technox® Zirkonoxide weisen eine bemerkenswerte Schlagbeständigkeit und Dauerfestigkeit auf und werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe mechanische Belastbarkeit bei langer Lebensdauer erfordern.
Anwendungen, die herausragende mechanische Eigenschaften erfordern
Sind Sie auf der Suche nach einem Werkstoff für eine Anwendung, die hohe Festigkeit und herausragende mechanische Eigenschaften erfordert? Kontaktieren Sie das CoorsTek-Team, um die Erfordernisse und Anforderungen Ihrer Anwendung zu besprechen.
Dank der Fachkompetenz von CoorsTek im Bereich technischer Keramikwerkstoffe können unsere Ingenieure direkt mit unseren Kunden an kundenspezifischen Spezifikationen und der Planung für eine Vielzahl von Anwendungen arbeiten. Hochentwickelte technische Keramikwerkstoffe mit leistungsfähigen mechanischen Eigenschaften werden in den heutigen Industriezweigen besonders geschätzt.
Unsere Keramiken werden häufig in folgenden Industriezweigen und Anwendungen eingesetzt:
Automobilindustrie:
Antriebs- und Schubsysteme für Kraftfahrzeuge erfordern häufig die mechanischen Festigkeiten technischer Keramik, um über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg unter härtesten Bedingungen zu bestehen, einschließlich Komponenten wie Einspritzdüsen, Temperatursensoren und Lagern. In Kombination mit den Vorteilen des geringen Gewichts und der hohen Temperaturleistung sind fortschrittliche Keramiken häufig das Material der Wahl für kritische Komponenten in Verbrennungsmotoren und Fahrzeugen der nächsten Generation.

Luft- und Raumfahrt & Wehrtechnik:
Viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt stoßen an die Grenzen von Werkstoffen, wenn es um Biegefestigkeit, Festigkeit und geringe Dichte für erfolgskritische Anwendungen geht, wie zum Beispiel Weltraumspiegel, Steuerungssysteme, Düsenantriebe und viele weitere.
Ballistische Panzerungen für Soldaten und Fahrzeuge erfordern die ultimative Kombination aus Härte und geringem Gewicht für Schutz und Mobilität. Fortschrittliche Keramiken von CoorsTek sind nicht nur leichter, sondern auch fester als Titan- oder Stahllegierungen.
Energie:
Verschleiß und Erosion zerstören herkömmliche Metalle und Polymere in harten Umgebungen wie Bohrlöchern. OEM-Unternehmen für Öl & Gas sowie Ölindustriedienstleister wählen technische Keramiken als Ersatz für gehärtete Legierungen für Komponenten, die stärkster Beanspruchung ausgesetzt sind – einschließlich Komponenten wie Pumpenbuchsen, Gasdichtungsflächen, Kugelventilbaugruppen und Frac-Schalter – um den Verschleiß um das bis zu 100-fache zu reduzieren, Arbeitsausfälle zu senken (NPT = nichtproduktive Zeiten) und die Leistung zu verbessern. Vom Bergbau bis hin zu Windturbinen: Technische Keramiken von CoorsTek werden so entwickelt, dass sie diesen Einsatzumgebungen in Form von Verschleißplatten, Rutschen, Hydrozyklonen und Lagern standhalten.


Maschinen & Geräte:
Maschinenwerkzeuge und Bearbeitungsgeräte erfordern Präzision, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit, die Keramikkomponenten mit ihrer überragender Festigkeit, Haltbarkeit, Stabilität und Oberflächenbeschaffenheit bieten. CoorsTek Keramiken werden üblicherweise für Lager, Buchsen, Anwendungen der Flüssigkeitshandhabung und andere Komponenten in Werkzeugmaschinenspindeln, Rollenführungen, Formwerkzeugen und anderen Bauteilen verwendet.
Halbleiter:
In einigen der präzisesten Verfahren der Welt werden Chips mit Schaltkreisen im Nanometerbereich auf Siliziumwafern hergestellt. Die Handhabung dieser Wafer erfordert stabile, feste und saubere Werkstoffe, die auch Abrieb, Reinigung und permanenter Bearbeitung standhalten. Zur Herstellung von Komponenten für die Halbleiterbearbeitung wie Waferchucks, chemisch-mechanischen Polierplatten (CMP) und Lithografie-Phasen werden technische Keramiken von CoorsTek verwendet, um deren technologische Überlegenheit zu gewährleisten.
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Mit unserem Materialvergleichstool können sie mehrere Keramikwerkstoffe miteinander vergleichen, um herauszufinden, welcher Werkstoff für Ihre spezielle Anwendung am besten geeignet ist.
Kontaktieren Sie das CoorsTek Team, um die Erfordernisse und Anforderungen Ihrer Anwendung zu besprechen.
Zusätzliche Quellen
American Ceramics Society: Structure and Properties of Ceramics