Thermische Eigenschaften technischer Keramiken
ÜBERSICHT
Technische Keramiken übertreffen andere Werkstoffe wie Metalle und Legierungen in Anwendungen mit extremen Höchst- oder Tiefsttemperaturen, die Produkte erforderlich machen, die auch unter Ausdehnung und Kontraktion, Einschmelzung oder Rissbildung eingesetzt werden können.
Keramiken decken ein breites Spektrum von Anwendungen ab, bei denen Temperaturbeständigkeit, Präzision und Wärmebeständigkeit der Schlüssel zum Betriebserfolg und zur Sicherheit sind. Thermische Eigenschaften bestimmen, wie ein Werkstoff auf Temperaturänderungen reagiert.
Viele unserer technischen Keramiken sind die perfekte Wahl für spezifische Wärmeleistungen, einschließlich Präzisionsanwendungen unter hohen und niedrigen Temperaturen, indem die inhärenten Werkstoffeigenschaften und der Werkstoffaufbau gesteuert werden. Viele technische Keramikformulierungen können auf anwendungsspezifische Wärmeanforderungen zugeschnitten werden, bei denen Wärmeleitfähigkeit, der Wärmeausdehnungskoeffizient und Wärmeschockbeständigkeit ausschlaggebend sind.
Thermische Eigenschaften technischer Keramiken
Wärmeleitfähigkeit
W/m*K
Die Wärmeleitfähigkeit misst, wie gut ein Werkstoff Wärme in sich selbst verteilt. Pfannen haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass die gleichmäßig verteilte Wärme schnell zu den Lebensmitteln gelangt. Im Gegensatz dazu werden Isolierhandschuhe für den Umgang mit heißen Gegenständen verwendet, da ihre geringe Wärmeleitfähigkeit die Übertragung von Wärme auf die empfindlichen Hände verhindert. Technische Keramiken sind außerordentlich vielseitig und weisen ein breites Spektrum der Wärmeleitfähigkeit auf. Mit über 300 technischen Keramikformulierungen im CoorsTek-Portfolio bestimmen wir in Zusammenarbeit mit Ihnen den optimalen Werkstoff für Ihre Anwendung.
Wärmeausdehnungskoeffizient
1X10-6/°C
Der Wärmeausdehnungskoeffizient definiert, wie stark sich ein Werkstoff infolge der Außentemperatur ausdehnt oder zusammenzieht. Die meisten Werkstoffe dehnen sich unter Wärmeeinwirkung aus, da die Atome durch die Energie schneller bewegt werden und sich ihre Bindungen dehnen. Keramikwerkstoffe weisen aufgrund ihrer starken interatomaren Bindungen im Allgemeinen einen niedrigen Koeffizienten auf, was sie über weite Temperaturbereiche stabiler macht.
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Spezifische Wärmekapazität
J/kg*K
Die spezifische Wärme misst, wie einfach oder schwierig es ist, die Temperatur eines Produkts zu erhöhen. Bei Hochtemperaturanwendungen, für die die Regulierung der Temperatur von entscheidender Bedeutung ist, bestimmt diese Messung, welche Produkte die beste Leistung erbringen. Keramikwerkstoffe weisen eine außergewöhnliche Leistungfähigkeit auf, wenn es um hohe spezifische Wärmeanforderungen geht, die sogar Stahl übertreffen.
Wärmeschockbeständigkeit
°C
Die Wärmeschockbeständigkeit misst die Fähigkeit, drastischen und starken Temperaturänderungen standzuhalten. Während des schnellen Abkühlens bleibt der Produktkern intakt, während die Oberfläche abkühlt, wodurch eine gleichmäßige Wärmekontraktion verhindert wird. Viele technische Keramikformulierungen weisen eine hohe Wärmeschockbeständigkeit auf, was bedeutet, dass sie sich bei extremen oder schnellen Temperaturänderungen nur minimal ausdehnen oder zusammenziehen.
Keramische Werkstoffe mit hoher Wärmeleistung
Aluminiumoxide:
Aluminumoxide (Al2O3) zählen mit ihrer guten allgemeinen Leistung zu den am häufigsten verwendeten technischen Keramiken. CoorsTek hat mehr als 100 Aluminiumoxide für eine große Auswahl an Anwendungen mit einer Wärmebeständigkeit von mindestens 1500 °C entwickelt.
- Mit Zirconoxid gehärtetes Aluminiumoxid ist ein spezielles Aluminiumoxid, das für hohe Wärmeschockbeständigkeit und erhöhte Belastbarkeit entwickelt wurde.
Aluminumnitrid – Hohe Wärmeleitfähigkeit:
Aluminiumnitride kombinieren hohe Wärmeleitfähigkeit mit hohem elektrischem Widerstand. Sie sind eine hervorragende Lösung für viele Elektronikanwendungen, da sie dem elektrischen System eine schnelle Wärmeabfuhr ermöglichen, was die Effizienz maximiert.
Quartz – Wärmeschockbeständigkeit und Wärmeausdehnung:
Synthetischer Quarz oder Quarzglas (Siliziumoxid) weisen aufgrund ihrer extrem geringen Wärmeausdehnung und hohen Reinheit eine hervorragende Wärmeschockbeständigkeit auf. Diese einzigartigen Eigenschaften und Wärmestabilität ermöglichen den Einsatz dieses technischen Keramikwerkstoffes in Rapid Thermal Processing-Anwendungen.
Silikate – Wärmeschockbeständigkeit:
Silikatkeramiken sind Mehrphasenmaterialien, die aus natürlichen Silikatquellen wie Ton, Kaolin, Feldspat und Speckstein entwickelt wurden. Die heutigen Silikate eignen sich für technische Anwendungen wie elektrischen Isolatoren und chemischen Laborutensilien.
Siliziumkarbid – Wärmestabilität
Siliziumkarbide (SiC) weisen eine hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen auf. CoorsTek hat eine Vielzahl von Siliziumkarbidverfahren und -verbundstoffen entwickelt, die deren Eigenschaften und Merkmale für spezifische Anwendungsanforderungen optimieren.
Siliziumnitrid – Festigkeit & Beständigkeit unter hohen Temperaturen
Siliziumnitride (Si3N4) weisen eine einzigartige Teilchenstruktur auf, die eine hohe Festigkeit und Belastbarkeit in Verbindung mit ausgezeichneter Wärmeschockbeständigkeit bieten. Dieses Material ist ideal für Anwendungen mit hohen dynamischen Beanspruchungen, Wärmebelastung und hohen Anforderungen an deren Zuverlässigkeit.
Zirkonoxid – Hohe Hitzebeständigkeit
Zirkonoxide haben eine einzigartige Kristallstruktur, die ausgezeichnete Festigkeit, hohe Bruchzähigkeit, Verschleißfestigkeit und eine hohe Wärmebeständigkeit bietet. Einige Zirkonoxide haben konstruierte Kristallstrukturen, die sich bei Bildung eines Mikrorisses ausdehnen, das Risswachstum aufhalten und Sprödbruch verhindern. Diese Werkstoffe sind ideal für extreme mechanische Umgebungen und vor allem stoßanfällige Anwendungen.
Anwendungen, die eine außergewöhnliche Wärmeleistung erfordern
Sind Sie auf der Suche nach einem Werkstoff für Ihre Anwendung mit hoher Temperaturen? Kontaktieren Sie das CoorsTek Team, um die Erfordernisse und Anforderungen Ihrer Anwendung zu besprechen.
Die Experten für technische Keramikwerkstoffe von CoorsTek arbeiten direkt mit den Kunden zusammen und entwickeln kundenspezifische Designs für eine große Auswahl verschiedener Anwendungen. Hochentwickelte technische Keramikwerkstoffe mit ausgezeichneten Wärmeeigenschaften sind heutzutage in vielen Industriezweigen äußerst wertvoll.
Unsere Keramiken werden häufig in folgenden Industriezweigen und Anwendungen eingesetzt:
Luft- und Raumfahrt & Wehrtechnik:
Fortschrittliche Triebwerkbauteile und Antriebssysteme für die Luft- und Raumfahrt erfordern technische Keramiken mit hochleistungsfähige Wärmeeigenschaften für anspruchsvolle Anforderungen in diesem Einsatzbereich.. Unsere Cerbec® Kugeln und Kugellager nutzen die außergewöhnliche Wärmebeständigkeit und Wärmebelastbarkeit von Werkstoffen aus Siliziumnitrid, die andere Materialien einfach nicht erreichen. Darüber hinaus werden fortschrittliche technische Keramikrohre und -stäbe aus Feinguss verwendet, um Flügelräder für Flugzeutriebwerke zu formen, die beste Leistungen unter hohen Temperaturen zu erbringen.
Siliziumkarbide wurden für Anwendungen entwickelt und optimiert, die Wärmebeständigkeit erforderlich machen, wie zum Beispiel für Flugsteuerungskomponenten. Diese Werkstoffe sind die ideale Wahl für Spiegel und Bauteile für optische Systeme im Weltraum oder auf der Erde, die eine Wärmestabilität im Pixelmaßstab unter verschiedensten Temperaturen erfordern.
Komponenten für Flüssigkeitsregelungssysteme die in Flugzeugventilen, Dichtungen und Hydraulikkomponenten verwendet werden, machen die hochleistungsfähigen Eigenschaften technischer Keramiken erforderlich, einschließlich der Leistungsfähigkeit unter hohen Temperaturen, um den anspruchsvollen Betriebsbedingungen von Motoren und Steuerungssystemen zu begegnen.
Automobilindustrie:
Cerbec® Kugellager und Wälzkörper sind aufgrund ihrer Funktionsweise unter höheren Geschwindigkeiten und Temperaturen ideal für EV-Motorwellen mit Kraftstoffeinspritzsystemen in Automobilanwendungen. Mit ihrer minimalen Wärmeausdehnung übertreffen diese Kugellager ihre Gegenstücke aus Stahl.
Technische Keramiken werden aufgrund ihrer überlegenen Wärmeeigenschaften in vielen Anwendungen der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigung eingesetzt, einschließlich Überschall- und Hyperschallanwendungen.
Konsum- & Gebrauchsgüter:
Keramische Heizkomponenten wurden entwickelt, um die Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit zu maximieren. Diese Komponenten sind auf eine lange Lebensdauer und hervorragende Wärmestabilität ausgelegt, einschließlich hoher Betriebstemperaturen, geringer Wärmeausdehnungsraten und überlegener Wärmeschockbeständigkeit.
Als langjähriger Experte für Keramische Zunder bieten wir zuverlässige, langlebige keramische Zünder für die Glühzündung. Unsere DuraGlo™ Zünder werden für Gasheizsysteme, Öfen, Herde, Trockner und andere Anwendungen eingesetzt, die technische Keramiken mit hoher Wärmeleistung erfordern.
Elektronik:
Das für LEDs mit hoher Heiligkeit und HID-Beleuchtung erforderliche Wärmemanagement wird durch die überlegene Wärmeleistung und die transluzenten Teile unserer technischen Keramiken erreicht.
Phosphor und Substrate aus technischer Keramik werden in der LED-Herstellung eingesetzt.
Wenn es um HID-Bogenentladungsröhren geht, verfügen wir über umfassende Fachkompetenz enin der Entwicklung und Herstellung von transluzenten Keramiken in Serienfertigung für diese Anwendung. Unsere polykristallinen Aluminiumoxidwerkstoffe kombinieren hohe Lichtdurchlässigkeit mit Wärmestabilität, die für helle und anspruchsvolle Beleuchtungen notwendig sind.
Maschinen & Anlagen:
Technische Keramiken werden in unterschiedlichsten Anwendungen für eine Vielzahl von strapazierfähigen Dichtungsringkomponenten mit harter Oberfläche eingesetzt. Typische Beispiele sind Kreiselpumpen, Kompressoren und Turbomaschinen, die Präzisionstoleranzen für den reibungsarmen Betrieb bei hohen Drehzahlen erfordern, um Verschleiß (Mechanische Eigenschaften) und Temperaturen zu minimieren. Jede Dichtung mit harter Oberfläche wurde auf eine Weise entwickelt, um der Wärmeausdehnung und Leitfähigkeit zu widerstehen sowie ihre Form und Leistung beizubehalten.
Energieerzeugung, Versorgungsbetriebe, Stahlwerke und andere Verarbeitungsanlagen:
Anwendungen mit elektrostatischen Isolatoren erfordern die fortschrittlichen Werkstoffeigenschaften von Ingenieurkeramiken. Viele dieser Isolatoren werden in Hochtemperaturanwendungen wie offenen Feuer- und Sauerstofföfen in Stahlwerken eingesetzt. Da unsere technischen Keramiken eine hohe spezifische Wärmeschwelle aufweisen, übertreffen sie viele traditionelle Materialien, wie zum Beispiel Stahl und andere Metalle. Jede von CoorsTek angebotene Keramik wird vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt hergestellt, um sicherzustellen, dass die Zuverlässigkeit der Komponenten neue Maßstäbe in der Industrie setzt.
DuraPure® Keramiken aus hochreinem Aluminiumoxid sind der ideale Isolierwerkstoff für hohe Temperaturen über längere Zeiträume, wobei Werkstofffestigkeit und Durchgangswiderstand erhalten bleiben müssen.
Halbleiter:
Hochentwickelte technische Keramiken werden aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleistung in Kombination mit anderen Werkstoffeigenschaften in der Halbleiterindustrie verwendet. Insbesondere hochreine technische Keramiken bieten den erforderlichen Wärmeschutz während des gesamten Kreislaufs der Halbleiterwaferverarbeitung und -fertigung. Herkömmliche Öfen und andere RTP-Anlagen (Rapid Thermal Processing), die während des Fertigungsprozesses eingesetzt werden, machen Werkstoffe erforderlich, die Temperaturen von bis zu 1200 °C standhalten.
Hochreine hochentwickelte Keramikwerkstoffe mit außergewöhnlicher Wärmeschockbeständigkeit und Stabilität sind für die Verarbeitung von Halbleiterwafern, einschließlich Abscheidung, Diffusion und epitaktischem Wachstum, geeignet. Hochentwickelte technische Keramiken sind besonders wichtig, wenn es um das Ziehen von Einfachkristallen für Halbleiteranwendungen. Schmelztiegel, die unsere Keramiken verwenden, sind in der Lage, länger anhaltenden hohen Temperaturen und Wärmeschocks, die während der Fertigung auftreten, zu widerstehen.
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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.
Natürlich können Sie sich mit Ihren Fragen auch direkt an uns wenden.
Zusätzliche Quellen:
American Ceramics Society: Structure and Properties of Ceramics
