Keramik Keramische Werkstoffe in Konstruktion und Entwicklung

Mike Thomas, Chief Technology Officer, Morgan Technical Ceramics, gibt Konstrukteuren und Entwicklern einen Einblick in die Hochleistungskeramiken und ihre Materialeigenschaften

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Morgan Advanced Ceramics

Heutige Hochleistungskeramiken bieten überragende physikalische, thermische und elektrische Eigenschaften, die sie hochwiderstandsfähig gegen Anschmelzung, Biegung, Dehnung, Korrosion, Verschleiß, hohe elektrische Spannungen und Ströme machen. Dies hat Herstellern neue Entwicklungsmöglichkeiten in einem breit gefächerten Spektrum von Industrien eröffnet, wie z.B. in der Entwicklung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, die Verteidigungstechnik, die Automobilindustrie, Medizintechnik, Elektronik, Telekommunikation, wissenschaftliche Geräte sowie für die Halbleiterverarbeitung.

Keramische Materialien wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid sowie auf Titanoxid basierende Komponenten, jedes mit seinen eigenen speziellen Merkmalen, bieten eine kosteneffektive Hochleistungsalternative zu traditionellen Materialien wie Metallen, Kunststoffen oder Glas. Die von immer wieder neuen Anwendungs-möglichkeiten gestellte Forderung ist, die Leistungsfähigkeit der Komponente bzw. des Systems bei reduzierten Kosten zu verbessern. Neue Materialien werden ständig entwickelt, um diesen Bedarf für einzelne Anwendungen zu erfüllen.

Gewünschte Keramik-Eigenschaften für die Anwendung

Zwei Faktoren, die von den Konstrukteuren beachtet werden sollten, wenn sie ein Material auswählen, sind die gewünschten Eigenschaften für die Anwendung und die verfügbaren Materialien. Durch das vollständige Verständnis der Materialien können tragfähige Entscheidungen getroffen werden.

Dielektrische Eigenschaften: Keramische Bauelemente werden zunehmend von Entwicklern elektrischer Systeme verwendet. Die Eigenschaften des Bauelementematerials, welche die Leistung des Systems bedeutend beeinflussen, sind: Dielektrizitätskonstante (Er), elektrischer Verlust und Temperaturstabilität.

Die Dielektrizitätskonstante ist eine grundlegende Eigenschaft des Materials. Je höher diese Konstante des Materials ist, desto kleiner die Größe des Bauelements, um dieselbe Frequenz oder Kapazität zu erreichen. Dies bedeutet ein kleineres, leichteres, kosteneffektiveres Produkt.

Eine bessere Systemleistung bzgl. verbesserter Frequenzabstimmung oder verringerter Leistungsbedarf kann erreicht werden durch sehr geringen elektrischen Verlust oder durch ein hohes Verhältnis von ‘Energiespeicherung’ zu ‘Energieverlust’ pro Zyklus (Q). Der elektrische Verlust ist im Allgemeinen zur Dielektrizitätskonstante proportional. Mit anderen Worten, ein höherer Er bedeutet einen größeren elektrischen Verlust. Es ist deshalb notwendig, ein Gleichgewicht zwischen allen Aspekten der Leistung des Materials zu finden.

Die Leistungsfähigkeit wird auch in einem System verbessert, das keinerlei Frequenzänderung bei Temperaturschwankungen hat. Dies bedeutet, dass die Temperatur der Umgebung das Signal nicht beeinflusst und das fertige Produkt in einem Messbereich von -30°C bis +50°C effektiv funktionieren kann.

Durch sorgfältige Materialauswahl kann ein Temperaturdrift bei bekannten Anwendungen angeglichen werden. Es können jedoch nicht alle keramischen Materialien auf diese Weise geändert werden, um die ideale Kombination zwischen gewünschtem Er und elektrischem Verlust zu erreichen, verbunden mit einem „Null oder nahe Null“ Temperaturkoeffizienten.

Ein Beispiel für ein Material, das als Antwort auf die Anforderung des Telekommuni-kationsmarktes für eine kleinere, hoch leistungsfähige Antenne entworfen wurde, ist Morgan Technical Ceramics´ D43. Dies ist eine Alternative zu den metallischen Resonanzaufnehmern und wird hergestellt, um kleiner bemessene Filtersysteme mit hoher Leistungsfähigkeit zu bauen. Es hat eine Dielektrizitätskonstante von 43 und basiert auf einer Barium/Zink/Kobalt/Niobat Zusammensetzung. Das Material bietet ein Q von 22.000 bei 2 GHz sowie eine gute Temperaturbeständigkeit, was es zu einem ausgezeichneten dielektrischen Material für Mikrowellen- sowie RF-Anwendungen macht.

Als Reaktion auf einen erhöhten Bedarf für Hochleistungsfilter für Basisstationen hat Morgan Technical Ceramics das Material D34 entwickelt. Diese kosteneffektive Lösung bietet eine Dielektrizitätskonstante nahe 34 und, abhängig von der Anwendung, ein Q von mehr als 40.000 an (bei 2 GHz). Dies ermöglicht es, die Raumfiltergröße zu verringern, das gute Filterprofil jedoch weiterhin beizubehalten. Die Frequenzänderung des Materials ist mit der Temperatur konstant, und bietet ein fast lineares Signal, es kann eingesetzt werden, um Frequenzänderungen innerhalb des Systems zu kompensieren.

Physikalische Eigenschaften wie Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosions-beständigkeit und Wärmebeständigkeit werden berücksichtigt, wenn man ein Material auswählt. Jede dieser Eigenschaften wird durch spezifische Materialien sichergestellt. Entwickler suchen nach jenen Materialien, welche die beste Kombination der Eigenschaften für eine ausgezeichnete Leistung bieten.

Die Materialien, die wegen ihrer physikalischen Eigenschaften genutzt werden, beinhalten z. B. auch Anwendungen für Laser-Reflektoren. Forderungen nach höherer Gesamtleistungs-fähigkeit des Lasersystems und der Leistungsfähigkeit in der Übertragung der Strahlung von der Quelle auf den Laserkristall bedeuten, dass ein sehr stark reflektierendes Material für die Laserkavität verwendet wird, um den Kammerhohlraum zu bilden, der den Laserstab und die Pumplampe umgibt. Traditionsgemäß wurden die Reflektoren mit Metallen, wie zum Beispiel Gold, beschichtet.

Nun ist ein spezielles Aluminiumoxidmaterial, Sintox, als eine in hohem Maße kosteneffektive Alternative zu den Metallreflektoren entwickelt worden, die in vielen Fällen eine höhere Reflektivität bietet. Zusätzlich wird dieses Material auch für Reflektorengehäuse für Hochintensitätslampen verwendet.

Aluminiumoxid wurde wegen seiner Teilchengröße gewählt, die dem Material eine ausgezeichnete mikrostrukturelle Kontrolle der definierten Porosität gibt und eine gute Streuung des Laserlichts gewährleistet. Dabei kann Aluminiumoxid für eine weitere Steigerung des Reflexionsvermögens und um die Porosität zu versiegeln, glasiert werden, um die keramischen Laserkavitäten gegen die verwendete Kühlflüssigkeit abzudichten. Das Material hat eine hohe Festigkeit, um die Beanspruchung auszuhalten, die in der regelmäßigen Wartung des Lasers beruht, und ist chemisch widerstandsfähig gegenüber den Kühlflüssigkeiten. Es hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Form- und elektrische Stabilität bei allen Betriebstemperaturen.

Die Nachfrage nach längeren Lagerlebensdauern in Flüssigkeitspumpen regte Morgan Technical Ceramics dazu an, die Möglichkeiten der Produktion der Lager aus Aluminiumoxidmaterialien zu erforschen. Hilox ist eine völlig dichtes 96%iges Aluminiumoxid - seine außergewöhnlich hohe Härte bietet eine höhere Resistenz gegen die Abnutzung durch Partikel wie schwarzen Eisenoxid, das in Heizungsanlagen vorhanden ist, sowie gegen Eisenpartikel. Die Verringerung der Abnutzung führt zum Senken des Geräuschpegels, in vielen Fällen zu längerer Haltbarkeit und zur Senkung des Gesamtsystemwartungsbedarfes.

Verschiedene Keramiken im Überblick

Nachdem die Eigenschaften des Materials identifiziert worden sind, die für die individuelle Anwendung benötigt werden, sollten die Entwickler und Konstrukteure die verschiedenen verfügbaren Keramikmaterialien betrachten.

Aluminiumoxid ist ein vielseitig einsetzbares Material, das eine Kombination aus guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften anbietet. Es ist für viele Anwendungsbereiche wie z. B. Dichtungsringe, Lasergehäuse, ballistische Schutzausrüstung, elektrische Isolatoren, Fadenführer, medizinische Implantate, elektronische Substrate, Thermoelementrohre, Mahlwerkzeuge und Verschleißteile verwendbar. Es hat eine gute Festigkeit und Formbeständigkeit, eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit. Aluminiumoxid ist in vielen Reinheitsgraden von 60% bis 99.9% verfügbar, um verschiedene Eigenschaften, wie z. B. die Festigkeit, gezielt zu beeinflussen.

Zirkondioxid bietet hohen chemischen und korrosiven Widerstand bei hohen Temperaturen bis zu 2400°C - weit über dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid. In seiner reinen Form ist es, wegen Veränderungen der Kristallstruktur, nur auf gewisse Weise für mechanische oder thermische Anwendungen geeignet. Aber stabilisiertes Zirkondioxid mit Kalzium-, Magnesium- oder Yttriumoxid-Zusätzen kann für höchste Anforderungen bezüglich Festigkeit, Härte oder auch Zähigkeit eingesetzt werden. Das Material hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (20% dessen von Aluminiumoxid) und ist über 600°C ionenleitend, was für Anwendungen wie z. B. Brennstoffzellen sehr vorteilhaft ist. Andere typische Anwendungen sind: präzise Kugelventile (Kugeln und Sitze), hochdichte Mahlwerke, Fadenführer, Schneidblätter, medizinische Prothesen, Pumpendichtungen, Ventile und Antriebsräder, Hochfrequenzheizelemente und Komponenten für Messgeräte.

Während Titandioxid in großen Mengen in Pulverform verwendet wird, hat gesintertes Pressmaterial begrenzte mechanische Anwendungen bedingt durch seine verhältnismäßig niedrige Bruchfestigkeit, verglichen mit Aluminiumoxid. In der reinen Form ist das Material elektrisch nicht leitend und wird hauptsächlich als Fadenführer in der Hochgeschwindigkeits-verarbeitung von synthetischen Fasern eingesetzt.

Der Grund hierfür ist, dass es verhältnismäßig weich ist und leichter als Aluminiumoxid verarbeitet werden kann, es schont mit einer feineren Oberfläche die empfindlichen chemischen Fasern. Für Fadenführer-Anwendungen, in denen statische Elektrizität ein Problem darstellt, kann das Material in einer elektrisch leitenden Variante produziert werden, die in der Lage ist, elektrische Aufladung abzuleiten. Titanoxid hat eine mittlere Festigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit, niedrige Reibung, ist korrosionsbeständig und hat als reines Material sehr gute dielektrische Eigenschaften.

Siliziumnitrid hat eine hohe Festigkeit auch bei hohen Temperaturen sowie eine gute Kriechfestigkeit und Oxidationswiderstand. Zusätzlich bietet sein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient gute Thermoschockbeständigkeit, verglichen mit den meisten keramischen Materialien. Es bietet eine hohe Bruchfestigkeit, eine hohe Härte sowie chemischen Widerstand und Verschleißfestigkeit.

Siliziumnitrid wird in drei Haupttypen produziert; Reaktionsgebundenes Siliziumnitrid (RBSN), heiß gepresstes Siliziumnitrid (HPSN) und gesintertes Siliziumnitrid (SSN). RBSN bietet Produkte mit verhältnismäßig geringer Dichte, verglichen mit heißgepresstem und gesintertem Siliziumnitrid. HPSN und SSN Materialien bieten bessere physikalische Eigenschaften, die für mehr Anwendungen verwendbar sind. Typische Anwendungen sind: Lagerkugeln und -rollen, Schnittwerkzeuge, Ventile, Turboladerrotoren für Verbrennungsmotoren, Turbinenflügel, Glühkerzen, Flüssigmetallhandling, Thermoelementhüllen, Schweiß-Spannvorrichtungen und Befestigungen und Schweißdüsen.

Siliziumkarbid ist ein hoch verschleißbeständiges Material mit guten mechanischen Eigenschaften, eingeschlossen eine hohe Temperaturfestigkeit und Widerstandsfähigkeit bis zu 1650°C. Es hat eine niedrige Dichte, hohe Härte als auch eine exzellente chemische Widerstandsfähigkeit. Seine Charakteristiken zeigen, dass dieses Material ideal für Anwendungen wie befestigte und bewegliche Turbinenkomponenten, Dichtungen, Lager, Ventilkugelteile sowie für die Halbleiterwafer-Produktion ist.

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