Fortgeschrittene Keramik ist in der Halbleiterverarbeitung, im Luft- und Raumfahrt, in der Leistungselektronik, im Chemiewesen, in der Optik und in der Industrietechnik von wesentlicher Bedeutung.Weil viele Keramikmaterialien ähnlich aussehen, kämpfen Ingenieure oft mit der gleichen Frage:
Welche?Keramikmaterialist wirklich die beste Passform für meine Bewerbung?
Die Leistungsfähigkeit von Keramik hängt von der atomaren Bindung, der Kristallstruktur, Mikrofehlern und Herstellungsverfahren ab.Dieser Leitfaden erläutert diese Grundsätze und vergleicht die am weitesten verbreiteten Keramikprodukte, die Ihnen helfen, fundierte, anwendungsorientierte Entscheidungen zu treffen.
1Warum Keramik hohe Härte mit Bruchbarkeit verbindet
Die Keramik wird von starken ionischen und kovalenten Bindungen dominiert, die der Verformung widerstehen und eine außergewöhnliche Härte erzeugen, aber auch eine Verwerfungsbewegung verhindern, was zu einem zerbrechlichen Bruch führt.
| Keramikart |
Dominanzverbindung |
Kernmerkmale |
| OxideAl2O3, ZrO2) |
Ionische + kovalente |
Hohe elektrische Isolierung, chemische Stabilität |
| Nitride (Si3N4, AlN) |
Kovalent |
Hohe mechanische Festigkeit, Wärmeschlagfestigkeit |
| Karbide (SiC, B4C) |
starke kovalente |
Ultrahart, verschleißfest, hochtemperaturfähig |
Die starke Bindung auf atomarer Ebene erklärt, warum Keramik selbst bei extremen Temperaturen ihre Härte beibehält, aber plötzlich bricht, wenn eine kritische Belastung erreicht wird.
2Mechanische Eigenschaften: Festigkeit, Zähigkeit und Härte
Mechanische Leistung ist die Grundlage für die Wahl von Strukturkeramik.
Druckfestigkeit
Keramiken haben eine außergewöhnlich gute Kompressionsleistung, da ihre Kristallstrukturen der plastischen Verformung widerstehen.1000 ∼ 2500 MPa, die die meisten Metalle weit übertrifft.
Flexuralstärke
Beugungskraft, typischerweise200 ‰ 1000 MPaDa sich Zugspannungen an der Oberfläche konzentrieren, verbessern Polieren und Fehlerbekämpfen die Leistung erheblich.
Bruchfestigkeit
Die Bruchfestigkeit (KIC) definiert die Widerstandsfähigkeit gegen die Ausbreitung von Rissen.
| Material |
Bruchfestigkeit (MPa·m1·2) |
Anmerkungen |
| Zirkonium (ZrO2) |
7 ¢10 |
Transformationshärtung verbessert die Zuverlässigkeit |
| Silikonnitrid (Si3N4) |
5 ¢7 |
Ausgezeichnet für Strukturbauteile |
| Aluminiumoxid (Al2O3) |
3 ¢ 4 |
Keramik für Isolatoren für allgemeine Zwecke |
| Siliziumcarbid (SiC) |
3 ¢ 4 |
Hohe Festigkeit, moderate Zähigkeit |
| Borkarbid (B4C) |
2 ¢ 3 |
Sehr hart, aber sehr zerbrechlich |
Materialien mit einer höheren Bruchfestigkeit werden für Bauteile mit Schlägen, Vibrationen oder zyklischen Belastungen bevorzugt.
Härte
Die Härte bestimmt die Verschleißfestigkeit, die Erosionsfestigkeit und die Kratzfestigkeit.
| Material |
Härte (GPa) |
| B4C |
30 ¢ 38 |
| SiC |
23 ¢ 28 |
| Aluminiumoxid |
12 ¢ 20 |
| Zirkonium |
1214 |
Die von Ihnen bereitgestellte Tabelle fällt in diese Bereiche und unterstreicht die wesentlichen Unterschiede zwischen den wichtigsten Keramiken.
Elastischer Modul (Young's Modul)
Der elastische Modul zeigt Steifheit an.
| Material |
Young's Modulus (GPa) |
| SiC |
410 ¢ 450 |
| Al2O3 |
350 |
| Si3N4 |
300 |
| ZrO2 |
200 |
Die hohe Steifigkeit gewährleistet eine präzise Maßstabilität unter mechanischer Belastung.
3. Thermische Eigenschaften: Leistung bei Hitze
Das thermische Verhalten bestimmt, ob eine Keramik hohe Temperaturen oder schwankende Umgebungen überstehen kann.
Höchstbetriebstemperatur
| Material |
Dauergebrauchstemperatur (°C) |
| SiC |
1500 ¥1700 |
| Al2O3 |
1200 ¥1500 |
| Si3N4 |
1000 ¥1200 |
| ZrO2 |
800 ‰ 1000 |
SiC und Aluminiumoxid dominieren Anwendungen bei hohen Temperaturen wie Heizungen, Ofenbefestigungen und Halbleiterverarbeitungskomponenten.
Wärmeleitfähigkeit
| Material |
Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) |
| AlN |
150 ¢ 200 |
| SiC |
120 ¢ 180 |
| Al2O3 |
20 ¢ 35 |
| ZrO2 |
2 ¢ 3 |
• Hohe Wärmeleitfähigkeit → für Leistungselektronik und Wärmeverbreiter unerlässlich
• Niedrige Wärmeleitfähigkeit → ideal für Isolierung und thermische Barrieren
Koeffizient der thermischen Ausdehnung (CTE)
| Material |
CTE (×10−6 /K) |
| SiC |
4.0 ¥4.5 |
| AlN |
4.5 |
| Al2O3 |
7 ¢ 8 |
| ZrO2 |
10 ¢ 11 |
SiC und AlN passen sich sehr gut mit Silizium an und verhindern thermische Belastungen in Halbleiterbaugruppen.
4Elektrische Eigenschaften: Isolierung, dielektrische Festigkeit und Frequenzstabilität
Die elektrischen Eigenschaften bestimmen, ob ein Material als Isolator, Substrat oder Halbleiter funktionieren kann.
| Eigentum |
Bedeutung |
| Volumenwiderstand |
Fähigkeit, elektrischen Strom zu blockieren |
| Dielektrische Festigkeit |
Maximales elektrisches Feld vor dem Ausfall |
| Dielektrische Konstante (k) |
Fähigkeit, Ladung zu speichern |
Schlüsseldaten für Elektrotechnik
| Material |
Volumenwiderstand |
Dielektrische Konstante (k) |
Anmerkungen |
| Al2O3 |
1014 Ω·cm |
9.5 |
Standardelektronischer Isolator |
| AlN |
1013 Ω·cm |
8 |
Hohe Wärmeleitfähigkeit + Isolierung |
| ZrO2 |
1012 Ω·cm |
25 |
Keramik mit hohem K-Wert |
| SiC |
1001010 Ω·cm |
9.7 |
Verhalten der Halbleiter |
Anwendungsmapping:
• Hochspannungsisolatoren → Al2O3, ZrO2
• Wärmeverteilende Substrate → AlN
• Sensoren und Halbleitervorrichtungen → SiC
5Wie man Keramik-Eigenschaften mit realen Anwendungen vergleicht
Halbleiter- und Hochtemperaturverarbeitung
• SiC für Langlebigkeit, thermische Stabilität und geringe CTE
• Al2O3 zur kostengünstigen Isolierung
• AlN für die elektronische Hochleistungskühlung
Verschleißintensive oder abrasive Umgebungen
• B4C für extreme Härte
• SiC für ausgewogene Härte und Zähigkeit
Zuverlässigkeit erfordernde mechanische Komponenten
• Si3N4 für Turbinen, Lager und Präzisionsmaschinen
• ZrO2, wo Zähigkeit entscheidend ist
Elektrische Isolierung und Hochspannungsanwendungen
• Al2O3 und ZrO2 aufgrund hoher Widerstandsfähigkeit und dielektrischer Festigkeit
6Eine praktische, wissenschaftlich fundierte Auswahlstrategie
-
Definition der primären Betriebsumgebung (Wärme, Verschleiß, Aufprall, Spannung).
-
Die wichtigsten Eigenschaften (Härte, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, CTE, Isolierung) werden eingestuft.
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Vergleichen Sie diese Anforderungen mit den obigen Tabellen der wissenschaftlichen Eigenschaften.
-
Beurteilung der Herstellbarkeit und der Kosten.
-
Betrachten Sie langfristige Leistungen wie Korrosionsbeständigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit.
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