Werkstoffe der technischen Keramik

3.2 Werkstoffgruppen

Technische Keramik wird oft mit den vorgenannten Begriffen in Gruppen eingeteilt. Da jedoch damit keine eindeutige Klassifizierung möglich ist, werden die Werkstoffe alternativ entsprechend ihrer mineralogischen bzw. chemischen Zusammensetzung gegliedert.

Zu den Werkstoffen der Technischen Keramik gehören die folgenden Gruppen:

• Silikatkeramik
  
• Oxidkeramik
  
• Nichtoxidkeramik

Silikatkeramik als älteste Gruppe aller Keramiken hat einen dominierenden Anteil an den feinkeramischen Erzeugnissen. Wesentliche Bestandteile dieser mehrphasigen Werkstoffe sind Ton und Kaolin, Feldspat und Speckstein als Silikatträger. Daneben werden auch Komponenten wie Tonerde und Zirkon zur Erzielung spezieller Werkstoffeigenschaften, z. B. hoher Festigkeiten, verwendet. Im Sinterbrand entsteht neben den kristallinen Phasen meist ein hoher Anteil (> 20 %) an Glasphase, deren wesentlicher Bestandteil Siliciumoxid (SiO2) ist.

Zu den Werkstoffen der Silikatkeramik zählen

• Porzellan,
  
• Steatit,
  
• Cordierit und
  
• Mullit.

Wegen relativ niedriger Sintertemperaturen, guter Prozessbeherrschung und hoher Verfügbarkeit der natürlichen Rohstoffe ist die Silikatkeramik wesentlich kostengünstiger als Oxid- oder Nichtoxidkeramik. Letztere benötigen aufwändig hergestellte synthetische Pulver und hohe Sintertemperaturen.

Silikatkeramik kommt z. B. in der Wärmetechnik, der Mess- und Regeltechnik, der Verfahrens- und Umwelttechnik, der Hoch- und Niederspannungstechnik mit typischen Anwendungen, wie Isolatoren, Sicherungspatronen, Katalysatoren, Gehäusen sowie bei vielfältigen Anwendungen in der Elektroinstallationstechnik zum Einsatz. Silikatkeramik findet sich weiterhin im Feuerfestbereich wieder.

Unter Oxidkeramik werden alle Werkstoffe verstanden, die im Wesentlichen aus einphasigen und einkomponentigen Metalloxiden (> 90 %) bestehen. Die Materialien sind glasphasearm oder glasphasefrei. Die Rohstoffe werden synthetisch hergestellt und besitzen einen hohen Reinheitsgrad. Bei sehr hohen Sintertemperaturen entstehen gleichmäßige Mikrogefüge, die für die verbesserten Eigenschaften verantwortlich sind.

Einige Vertreter der Oxidkeramik als Beispiele für

• ein Einstoffsystem sind
  - Aluminiumoxid,
  - Magnesiumoxid,
  - Zirkoniumoxid,
  - Titandioxid (Kondensatorwerkstoff) und für
  
• ein Mehrstoffsystem sind
  o als Mischoxidkeramik
     - Aluminiumtitanat,
     - Bleizirkonattitanat (Piezokeramik),
  o als Dispersionskeramik
     - mit Zirkoniumoxid verstärktes Aluminiumoxid
       (ZTA - Al2O3/ZrO2).

Die Oxidkeramik kommt in Elektrotechnik und Elektronik und vielfach als Strukturwerkstoff, also für nichtelektrische Anwendungen zum Einsatz. Sie bietet die dafür geeigneten typischen Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Verschleiß- und Hochtemperaturfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit.

Die Nichtoxidkeramik beinhaltet keramische Werkstoffe auf der Basis von Verbindungen von Bor, Kohlenstoff, Stickstoff und Silicium. (Kohlenstoffprodukte aus amorphem Graphit gehören nicht dazu!)

In der Regel weisen Nichtoxidkeramiken einen hohen Anteil kovalenter Bindungen auf. Diese ermöglichen hohe Einsatztemperaturen, sorgen für hohen Elastizitätsmodul und verleihen hohe Festigkeit und Härte, verbunden mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit.

Die wichtigsten Nichtoxidkeramiken sind

• Siliciumcarbid,
  
• Siliciumnitrid,
  
• Aluminiumnitrid,
  
• Borcarbid und
  
• Bornitrid.