Keramik – Wikipedia

Anorganischer, nichtmetallischer Feststoff, hergestellt durch Einwirkung von Wärme

EIN Keramik ist eines der verschiedenen harten, spröden, hitzebeständigen und korrosionsbeständigen Materialien, die durch Formen und anschließendes Brennen eines nichtmetallischen Minerals wie Ton bei hoher Temperatur hergestellt werden. ^[1][2] Übliche Beispiele sind Steingut, Porzellan und Ziegel.

Die Kristallinität von Keramikmaterialien reicht von hochorientiert bis teilkristallin, verglast und oft vollständig amorph (Gläser). Am häufigsten werden gebrannte Keramiken entweder verglast oder halb verglast, wie dies bei Steingut, Steinzeug und Porzellan der Fall ist. Unterschiedliche Kristallinität und Elektronenzusammensetzung in den ionischen und kovalenten Bindungen führen dazu, dass die meisten Keramikmaterialien gute thermische und elektrische Isolatoren sind (in der Keramiktechnik erforscht). Mit einem so großen Bereich möglicher Optionen für die Zusammensetzung / Struktur einer Keramik (fast alle Elemente, fast alle Arten von Bindungen und alle Kristallinitätsstufen) ist die Breite des Subjekts groß und die Eigenschaften identifizierbar (Härte, Zähigkeit, elektrische Leitfähigkeit) sind für die gesamte Gruppe schwer zu spezifizieren. Allgemeine Eigenschaften wie hohe Schmelztemperatur, hohe Härte, schlechte Leitfähigkeit, hohe Elastizitätsmodule, chemische Beständigkeit und geringe Duktilität sind die Norm. ^[3] mit bekannten Ausnahmen von jeder dieser Regeln (piezoelektrische Keramik, Glasübergangstemperatur, supraleitende Keramik). Viele Verbundwerkstoffe wie Glasfaser und Kohlefaser, die Keramikmaterialien enthalten, werden nicht als Teil der Keramikfamilie angesehen. ^[4]

Die frühesten von Menschen hergestellten Keramiken waren Keramikgegenstände (Töpfe oder Schiffe) oder Figuren aus Ton, entweder allein oder gemischt mit anderen Materialien wie Kieselsäure, gehärtet und im Feuer gesintert. Später wurden Keramiken glasiert und gebrannt, um glatte, farbige Oberflächen zu erzeugen, wobei die Porosität durch die Verwendung von glasartigen, amorphen Keramikbeschichtungen auf den kristallinen Keramiksubstraten verringert wurde.^[5] Keramik umfasst heute Haushalts-, Industrie- und Bauprodukte sowie eine breite Palette an Keramikkunst. Im 20. Jahrhundert wurden neue Keramikmaterialien für den Einsatz in der fortgeschrittenen Keramiktechnik entwickelt, beispielsweise in Halbleitern.

Das Wort “”Keramik“” kommt vom griechischen Wort κεραμικός ((Keramikos), “der Keramik” oder “für Keramik”,^[6] von κέραμος ((Keramos), “Töpferton, Fliesen, Keramik”. ^[7] Die früheste bekannte Erwähnung der Wurzel “Keramik-“ ist der mykenische Grieche ke-ra-me-we, Keramikarbeiter in linearer B-Silbenschrift.^[8] Das Wort “Keramik” kann als Adjektiv verwendet werden, um ein Material, ein Produkt oder einen Prozess zu beschreiben, oder es kann als Substantiv verwendet werden, entweder als Singular oder häufiger als das Plural-Substantiv “Keramik”.^[9]

Materialien[edit]

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Eine REM-Aufnahme mit geringer Vergrößerung eines fortschrittlichen Keramikmaterials. Die Eigenschaften von Keramik machen das Brechen zu einer wichtigen Inspektionsmethode.

Keramikmaterial ist ein anorganisches, nichtmetallisches, häufig kristallines Oxid-, Nitrid- oder Carbidmaterial. Einige Elemente wie Kohlenstoff oder Silizium können als Keramik angesehen werden. Keramische Materialien sind spröde, hart, stark komprimiert und schwach scherend und spannungsarm. Sie halten chemischer Erosion stand, die in anderen Materialien auftritt, die sauren oder ätzenden Umgebungen ausgesetzt sind. Keramik kann im Allgemeinen sehr hohen Temperaturen standhalten, die von 1.000 ° C bis 1.600 ° C (1.800 ° F bis 3.000 ° F) reichen. Glas wird aufgrund seines amorphen (nichtkristallinen) Charakters oft nicht als Keramik angesehen. Die Glasherstellung umfasst jedoch mehrere Schritte des Keramikprozesses, und seine mechanischen Eigenschaften ähneln denen von Keramikmaterialien.

Traditionelle keramische Rohstoffe umfassen Tonmineralien wie Kaolinit, während neuere Materialien Aluminiumoxid umfassen, das allgemein als Aluminiumoxid bekannt ist. Zu den modernen Keramikmaterialien, die als fortschrittliche Keramik klassifiziert werden, gehören Siliziumkarbid und Wolframkarbid. Beide werden wegen ihrer Abriebfestigkeit geschätzt und finden daher Verwendung in Anwendungen wie den Verschleißplatten von Brechanlagen im Bergbau. Hochentwickelte Keramik wird auch in der Medizin-, Elektro-, Elektronik- und Körperschutzindustrie eingesetzt.

Kristalline Keramik[edit]

Kristalline Keramikmaterialien sind für einen großen Verarbeitungsbereich nicht geeignet. Methoden, um mit ihnen umzugehen, fallen in der Regel in eine von zwei Kategorien – entweder wird die Keramik durch Reaktion in die gewünschte Form gebracht vor Ortoder durch “Formen” von Pulvern in die gewünschte Form und anschließendes Sintern, um einen festen Körper zu bilden. Keramische Umformtechniken umfassen das Formen von Hand (manchmal einschließlich eines Rotationsprozesses, der als “Werfen” bezeichnet wird), Schlickergießen, Bandgießen (zur Herstellung sehr dünner Keramikkondensatoren), Spritzgießen, Trockenpressen und andere Variationen.

Nichtkristalline Keramik[edit]

Nichtkristalline Keramiken, die Glas sind, neigen dazu, aus Schmelzen gebildet zu werden. Das Glas wird geformt, wenn es entweder vollständig geschmolzen ist, durch Gießen oder wenn es sich in einem Zustand toffeeähnlicher Viskosität befindet, beispielsweise durch Einblasen in eine Form. Wenn spätere Wärmebehandlungen dazu führen, dass dieses Glas teilweise kristallin wird, ist das resultierende Material als Glaskeramik bekannt, die häufig als Kochfelder verwendet wird, und auch als Glasverbundmaterial für die Entsorgung nuklearer Abfälle.

Geschichte[edit]

Der Mensch scheint seit mindestens 26.000 Jahren seine eigene Keramik herzustellen und Ton und Kieselsäure intensiver Hitze auszusetzen, um Keramikmaterialien zu verschmelzen und zu formen. Die frühesten bisher gefundenen waren in Südmitteleuropa und waren skulptierte Figuren, keine Schalen.^[10] Die früheste bekannte Keramik wurde durch Mischen tierischer Produkte mit Ton hergestellt und in Öfen bei bis zu 800 ° C gebacken. Während tatsächliche Keramikfragmente bis zu einem Alter von 19.000 Jahren gefunden wurden, wurde reguläre Keramik erst etwa zehntausend Jahre später üblich. Ein frühes Volk, das sich in weiten Teilen Europas verbreitete, ist nach seiner Verwendung von Keramik, der Corded Ware-Kultur, benannt. Diese frühen indoeuropäischen Völker schmückten ihre Keramik, indem sie sie noch feucht mit einem Seil umwickelten. Beim Brennen der Keramik brannte das Seil ab, hinterließ jedoch ein dekoratives Muster komplexer Rillen auf der Oberfläche.

Corded-Ware-Kulturkeramik ab 2.500 v.

Die Erfindung des Rades führte schließlich zur Herstellung von glatteren, gleichmäßigeren Töpferwaren unter Verwendung der Radformtechnik wie der Töpferscheibe. Frühe Keramiken waren porös und absorbierten leicht Wasser. Es wurde nützlich für mehr Gegenstände mit der Entdeckung von Verglasungstechniken, Beschichten von Keramik mit Silizium, Knochenasche oder anderen Materialien, die schmelzen und sich in eine glasige Oberfläche verwandeln könnten, wodurch ein Gefäß weniger wasserdurchlässig wird.

Archäologie[edit]

Keramische Artefakte spielen in der Archäologie eine wichtige Rolle für das Verständnis der Kultur, Technologie und des Verhaltens der Menschen der Vergangenheit. Sie gehören zu den häufigsten Artefakten, die an einer archäologischen Stätte gefunden werden, im Allgemeinen in Form kleiner Fragmente zerbrochener Keramik, die als Scherben bezeichnet werden. Die Verarbeitung gesammelter Scherben kann mit zwei Haupttypen der Analyse vereinbar sein: technische und traditionelle.

Die traditionelle Analyse umfasst das Sortieren von Keramikartefakten, Scherben und größeren Fragmenten in bestimmte Typen, basierend auf Stil, Zusammensetzung, Herstellung und Morphologie. Durch die Schaffung dieser Typologien ist es möglich, unter anderem zwischen verschiedenen kulturellen Stilen, dem Zweck der Keramik und dem technologischen Zustand der Menschen zu unterscheiden. Außerdem ist es durch Betrachtung der stilistischen Veränderungen der Keramik im Laufe der Zeit möglich, die Keramik in verschiedene diagnostische Gruppen (Assemblagen) zu unterteilen. Ein Vergleich von Keramikartefakten mit bekannten datierten Assemblagen ermöglicht eine chronologische Zuordnung dieser Stücke.^[11]

Der technische Ansatz zur Keramikanalyse beinhaltet eine genauere Untersuchung der Zusammensetzung von Keramikartefakten und Scherben, um die Quelle des Materials und damit den möglichen Herstellungsort zu bestimmen. Hauptkriterien sind die Zusammensetzung des Tons und das Temperament, das bei der Herstellung des untersuchten Artikels verwendet wird: Das Temperament ist ein Material, das dem Ton während der anfänglichen Produktionsphase zugesetzt wird und das den anschließenden Trocknungsprozess unterstützt. Zu den Temperamentarten gehören Muschelstücke, Granitfragmente und gemahlene Scherbenstücke, die als “Grog” bezeichnet werden. Das Temperament wird üblicherweise durch mikroskopische Untersuchung des getemperten Materials identifiziert. Die Tonidentifikation wird durch einen Prozess zum Wiederbrennen der Keramik und zum Zuweisen einer Farbe unter Verwendung der Munsell-Bodenfarbnotation bestimmt. Durch Schätzen sowohl der Ton- als auch der Temperzusammensetzung und Lokalisieren eines Bereichs, in dem beide bekanntermaßen auftreten, kann eine Zuordnung der Materialquelle vorgenommen werden. Aus der Quellenzuordnung des Artefakts können weitere Untersuchungen zum Herstellungsort durchgeführt werden.

Eigenschaften[edit]

Die physikalischen Eigenschaften einer keramischen Substanz ergeben sich direkt aus ihrer Kristallstruktur und chemischen Zusammensetzung. Die Festkörperchemie zeigt den grundlegenden Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften wie lokalisierten Dichteschwankungen, Korngrößenverteilung, Art der Porosität und Gehalt in der zweiten Phase, die alle mit keramischen Eigenschaften wie der mechanischen Festigkeit σ der Hall- korreliert werden können. Petch-Gleichung, Härte, Zähigkeit, Dielektrizitätskonstante und die optischen Eigenschaften transparenter Materialien.

Keramik ist die Kunst und Wissenschaft der Herstellung, Untersuchung und Bewertung von keramischen Mikrostrukturen. Die Bewertung und Charakterisierung von keramischen Mikrostrukturen erfolgt häufig in ähnlichen räumlichen Maßstäben wie im aufstrebenden Bereich der Nanotechnologie: von zehn Angström (A) bis zehn Mikrometer (µm). Dies liegt typischerweise irgendwo zwischen der minimalen Wellenlänge des sichtbaren Lichts und der Auflösungsgrenze des bloßen Auges.

Die Mikrostruktur umfasst die meisten Körner, Sekundärphasen, Korngrenzen, Poren, Mikrorisse, strukturelle Defekte und Mikroeinkerbungen der Härte. Die meisten mechanischen, optischen, thermischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Volumens werden durch die beobachtete Mikrostruktur erheblich beeinflusst. Das Herstellungsverfahren und die Prozessbedingungen werden im Allgemeinen durch die Mikrostruktur angegeben. Die Hauptursache für viele Keramikfehler liegt in der gespaltenen und polierten Mikrostruktur. Zu den physikalischen Eigenschaften, die das Gebiet der Materialwissenschaften und -technik ausmachen, gehören:

Mechanische Eigenschaften[edit]

Mechanische Eigenschaften sind bei Struktur- und Baustoffen sowie bei Textilgeweben wichtig. In der modernen Materialwissenschaft ist die Bruchmechanik ein wichtiges Instrument zur Verbesserung der mechanischen Leistung von Materialien und Bauteilen. Es wendet die Physik von Spannung und Dehnung, insbesondere die Theorien der Elastizität und Plastizität, auf die mikroskopischen kristallographischen Defekte an, die in realen Materialien gefunden werden, um das makroskopische mechanische Versagen von Körpern vorherzusagen. Die Fraktographie wird in der Bruchmechanik häufig verwendet, um die Fehlerursachen zu verstehen und die theoretischen Fehlervorhersagen mit realen Fehlern zu überprüfen.

Keramische Materialien sind üblicherweise ionische oder kovalent gebundene Materialien und können kristallin oder amorph sein. Ein Material, das durch eine der beiden Bindungsarten zusammengehalten wird, neigt dazu, zu brechen, bevor eine plastische Verformung stattfindet, was zu einer schlechten Zähigkeit dieser Materialien führt. Da diese Materialien dazu neigen, porös zu sein, wirken die Poren und andere mikroskopische Mängel zusätzlich als Spannungskonzentratoren, wodurch die Zähigkeit weiter verringert und die Zugfestigkeit verringert wird. Diese kombinieren sich zu katastrophalen Ausfällen im Gegensatz zu den duktileren Ausfallarten von Metallen.

Diese Materialien zeigen eine plastische Verformung. Aufgrund der starren Struktur der kristallinen Materialien stehen jedoch nur sehr wenige Gleitsysteme zur Verfügung, damit sich Versetzungen bewegen können, und sie verformen sich daher sehr langsam. Bei den nichtkristallinen (glasartigen) Materialien ist der viskose Fluss die dominierende Quelle für plastische Verformung und auch sehr langsam. Es wird daher bei vielen Anwendungen von Keramikmaterialien vernachlässigt.

Um das Sprödverhalten zu überwinden, hat die Entwicklung von Keramikmaterialien die Klasse der Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe eingeführt, in die Keramikfasern eingebettet sind und mit spezifischen Beschichtungen Faserbrücken über jeden Riss bilden. Dieser Mechanismus erhöht die Bruchzähigkeit solcher Keramiken wesentlich. Keramische Scheibenbremsen sind ein Beispiel für die Verwendung eines Keramikmatrix-Verbundmaterials, das nach einem bestimmten Verfahren hergestellt wurde.

Eisschablonen für verbesserte mechanische Eigenschaften[edit]

Wenn Keramik einer erheblichen mechanischen Belastung ausgesetzt ist, kann sie einem als Eistemplat bezeichneten Prozess unterzogen werden, der eine gewisse Kontrolle der Mikrostruktur des Keramikprodukts und damit eine gewisse Kontrolle der mechanischen Eigenschaften ermöglicht. Keramikingenieure verwenden diese Technik, um die mechanischen Eigenschaften auf die gewünschte Anwendung abzustimmen. Insbesondere wird die Festigkeit erhöht, wenn diese Technik angewendet wird. Eisschablonen ermöglichen die Erzeugung makroskopischer Poren in einer unidirektionalen Anordnung. Die Anwendungen dieser Oxidverstärkungstechnik sind wichtig für Festoxidbrennstoffzellen und Wasserfiltrationsvorrichtungen.^{[clarification needed][citation needed]}

Um eine Probe durch Eistemplatierung zu verarbeiten, wird eine wässrige kolloidale Suspension hergestellt, die das gelöste Keramikpulver enthält, das gleichmäßig im Kolloid verteilt ist.^{[clarification needed]} zum Beispiel Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ). Die Lösung wird dann auf einer Plattform, die eine unidirektionale Kühlung ermöglicht, von unten nach oben gekühlt. Dies zwingt Eiskristalle, in Übereinstimmung mit der unidirektionalen Abkühlung zu wachsen, und diese Eiskristalle zwingen die gelösten YSZ-Partikel zur Erstarrungsfront der Fest-Flüssig-Interphasengrenze, was zu reinen Eiskristallen führt, die unidirektional neben konzentrierten Taschen kolloidaler Partikel aufgereiht sind. Die Probe wird dann gleichzeitig erhitzt und der Druck wird genug reduziert, um die Eiskristalle zum Sublimieren zu zwingen, und die YSZ-Taschen beginnen sich zu glühen, um makroskopisch ausgerichtete keramische Mikrostrukturen zu bilden. Die Probe wird dann weiter gesintert, um die Verdampfung des Restwassers und die endgültige Verfestigung der keramischen Mikrostruktur zu vervollständigen.^{[citation needed]}

Während der Eisschablone können einige Variablen gesteuert werden, um die Porengröße und Morphologie der Mikrostruktur zu beeinflussen. Diese wichtigen Variablen sind die anfängliche Feststoffbeladung des Kolloids, die Abkühlgeschwindigkeit, die Sintertemperatur und -dauer sowie die Verwendung bestimmter Additive, die die mikrostrukturelle Morphologie während des Prozesses beeinflussen können. Ein gutes Verständnis dieser Parameter ist wichtig, um die Beziehungen zwischen Verarbeitung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften anisotrop poröser Materialien zu verstehen.^[12]

Elektrische Eigenschaften[edit]

Halbleiter[edit]

Einige Keramiken sind Halbleiter. Die meisten davon sind Übergangsmetalloxide, bei denen es sich um II-VI-Halbleiter handelt, wie z. B. Zinkoxid. Während die Aussicht besteht, blaue LEDs aus Zinkoxid in Massenproduktion herzustellen, sind Keramiker am meisten an den elektrischen Eigenschaften interessiert, die Korngrenzeneffekte zeigen. Einer der am häufigsten verwendeten ist der Varistor. Dies sind Geräte, die die Eigenschaft aufweisen, dass der Widerstand bei einer bestimmten Schwellenspannung stark abfällt. Sobald die Spannung an der Vorrichtung die Schwelle erreicht, kommt es in der Nähe der Korngrenzen zu einem Zusammenbruch der elektrischen Struktur, was dazu führt, dass der elektrische Widerstand von mehreren Megaohm auf einige hundert Ohm abfällt. Der Hauptvorteil davon ist, dass sie viel Energie verbrauchen können und sich selbst zurücksetzen. Nachdem die Spannung am Gerät unter den Schwellenwert gefallen ist, ist der Widerstand wieder hoch. Dies macht sie ideal für Überspannungsschutzanwendungen; Da die Schwellenspannung und die Energietoleranz kontrolliert werden, finden sie Verwendung in allen möglichen Anwendungen. Die beste Demonstration ihrer Fähigkeit findet sich in Umspannwerken, in denen sie eingesetzt werden, um die Infrastruktur vor Blitzeinschlägen zu schützen. Sie reagieren schnell, sind wartungsarm und verschlechtern sich nicht nennenswert, was sie zu praktisch idealen Geräten für diese Anwendung macht. Halbleiterkeramiken werden auch als Gassensoren eingesetzt. Wenn verschiedene Gase über eine polykristalline Keramik geleitet werden, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Durch die Abstimmung auf die möglichen Gasgemische können sehr kostengünstige Geräte hergestellt werden.

Supraleitung[edit]

Unter bestimmten Bedingungen, wie z. B. bei extrem niedrigen Temperaturen, weisen einige Keramiken eine Hochtemperatursupraleitung auf.^{[clarification needed]} Der Grund dafür ist nicht bekannt, aber es gibt zwei Hauptfamilien supraleitender Keramiken.

Ferroelektrizität und Obermengen[edit]

Die Piezoelektrizität, eine Verbindung zwischen elektrischer und mechanischer Reaktion, wird durch eine große Anzahl von Keramikmaterialien gezeigt, einschließlich des Quarzes, der zur Zeitmessung in Uhren und anderer Elektronik verwendet wird. Solche Geräte nutzen beide Eigenschaften der Piezoelektrik, indem sie Elektrizität zur Erzeugung einer mechanischen Bewegung (Antrieb des Geräts) und diese mechanische Bewegung zur Erzeugung von Elektrizität (Erzeugung eines Signals) verwenden. Die gemessene Zeiteinheit ist das natürliche Intervall, das erforderlich ist, damit Elektrizität in mechanische Energie und wieder zurück umgewandelt werden kann.

Der piezoelektrische Effekt ist im Allgemeinen bei Materialien, die ebenfalls Pyroelektrizität aufweisen, stärker, und alle pyroelektrischen Materialien sind auch piezoelektrisch. Diese Materialien können verwendet werden, um zwischen thermischer, mechanischer oder elektrischer Energie umzuwandeln. Beispielsweise baut nach der Synthese in einem Ofen ein pyroelektrischer Kristall, der ohne angelegte Spannung abkühlen gelassen wird, im Allgemeinen eine statische Ladung von Tausenden von Volt auf. Solche Materialien werden in Bewegungssensoren verwendet, bei denen der winzige Temperaturanstieg eines warmen Körpers, der in den Raum eintritt, ausreicht, um eine messbare Spannung im Kristall zu erzeugen.

Die Pyroelektrizität ist wiederum am stärksten in Materialien zu sehen, die auch den ferroelektrischen Effekt zeigen, bei dem ein stabiler elektrischer Dipol durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes ausgerichtet oder umgekehrt werden kann. Pyroelektrizität ist auch eine notwendige Folge der Ferroelektrizität. Dies kann verwendet werden, um Informationen in ferroelektrischen Kondensatoren, Elementen des ferroelektrischen RAM, zu speichern.

Die gebräuchlichsten derartigen Materialien sind Bleizirkonat-Titanat und Bariumtitanat. Abgesehen von den oben erwähnten Verwendungen wird ihre starke piezoelektrische Reaktion bei der Konstruktion von Hochfrequenzlautsprechern, Wandlern für Sonar und Aktuatoren für Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskope ausgenutzt.

Positiver Wärmekoeffizient[edit]

Siliziumnitrid-Raketenstrahlruder. Links: Im Prüfstand montiert. Rechts: Mit H getestet werden₂/Ö₂ Treibmittel

Temperaturerhöhungen können dazu führen, dass Korngrenzen in einigen halbleitenden Keramikmaterialien, meist Gemischen von Schwermetalltitanaten, plötzlich isolieren. Die kritische Übergangstemperatur kann durch Variationen in der Chemie über einen weiten Bereich eingestellt werden. In solchen Materialien fließt Strom durch das Material, bis die Joule-Erwärmung es auf die Übergangstemperatur bringt. An diesem Punkt wird der Stromkreis unterbrochen und der Stromfluss wird unterbrochen. Solche Keramiken werden als selbstgesteuerte Heizelemente beispielsweise in den Heckscheiben-Abtaukreisläufen von Kraftfahrzeugen verwendet.

Bei der Übergangstemperatur wird die dielektrische Antwort des Materials theoretisch unendlich. Während ein Mangel an Temperaturkontrolle eine praktische Verwendung des Materials nahe seiner kritischen Temperatur ausschließen würde, bleibt der dielektrische Effekt selbst bei viel höheren Temperaturen außergewöhnlich stark. Titanate mit kritischen Temperaturen weit unter Raumtemperatur sind aus diesem Grund im Zusammenhang mit Keramikkondensatoren zum Synonym für “Keramik” geworden.

Optische Eigenschaften[edit]

Cermax Xenon-Bogenlampe mit synthetischem Saphir-Ausgangsfenster

Optisch transparente Materialien konzentrieren sich auf die Reaktion eines Materials auf einfallende Lichtwellen eines Wellenlängenbereichs. Frequenzselektive optische Filter können verwendet werden, um die Helligkeit und den Kontrast eines digitalen Bildes zu verändern oder zu verbessern. Die geführte Lichtwellenübertragung über frequenzselektive Wellenleiter umfasst das aufkommende Gebiet der Faseroptik und die Fähigkeit bestimmter glasartiger Zusammensetzungen als Übertragungsmedium für einen Frequenzbereich gleichzeitig (optische Multimodefaser) mit geringer oder keiner Interferenz zwischen konkurrierenden Wellenlängen oder Frequenzen. Dieser Resonanzmodus der Energie- und Datenübertragung über die Ausbreitung elektromagnetischer (Licht-) Wellen ist, obwohl er nur eine geringe Leistung aufweist, praktisch verlustfrei. Optische Wellenleiter werden als Komponenten in integrierten optischen Schaltkreisen (z. B. Leuchtdioden, LEDs) oder als Übertragungsmedium in lokalen und optischen Fernkommunikationssystemen verwendet. Für den aufstrebenden Materialwissenschaftler ist auch die Empfindlichkeit von Materialien gegenüber Strahlung im thermischen Infrarotbereich (IR) des elektromagnetischen Spektrums von Wert. Diese Fähigkeit zur Wärmesuche ist für so unterschiedliche optische Phänomene wie Nachtsicht und IR-Lumineszenz verantwortlich.

Daher besteht im militärischen Bereich ein zunehmender Bedarf an hochfesten, robusten Materialien, die Licht (elektromagnetische Wellen) im sichtbaren Bereich (0,4 bis 0,7 Mikrometer) und im mittleren Infrarotbereich (1 bis 5 Mikrometer) von übertragen können Das Spektrum. Diese Materialien werden für Anwendungen benötigt, die eine transparente Panzerung erfordern, einschließlich Hochgeschwindigkeitsraketen und -kapseln der nächsten Generation sowie zum Schutz vor improvisierten Sprengkörpern (IED).

In den 1960er Jahren entdeckten Wissenschaftler von General Electric (GE), dass unter den richtigen Herstellungsbedingungen einige Keramiken, insbesondere Aluminiumoxid (Aluminiumoxid), durchscheinend gemacht werden können. Diese durchscheinenden Materialien waren transparent genug, um das in Hochdruck-Natrium-Straßenlaternen erzeugte elektrische Plasma aufzunehmen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden zusätzliche Arten von transparenter Keramik für Anwendungen wie Nasenkegel für wärmesuchende Raketen, Fenster für Kampfflugzeuge und Szintillationszähler für Computertomographiescanner entwickelt.

In den frühen 1970er Jahren war Thomas Soules Pionier der Computermodellierung der Lichtdurchlässigkeit durch durchscheinendes keramisches Aluminiumoxid. Sein Modell zeigte, dass mikroskopisch kleine Poren in Keramik, die hauptsächlich an den Übergängen mikrokristalliner Körner eingeschlossen waren, die Lichtstreuung verursachten und echte Transparenz verhinderten. Der Volumenanteil dieser mikroskopischen Poren musste für eine qualitativ hochwertige optische Übertragung weniger als 1% betragen.

Dies ist im Grunde ein Partikelgrößeneffekt. Die Opazität ergibt sich aus der inkohärenten Streuung von Licht an Oberflächen und Grenzflächen. Zusätzlich zu den Poren liegen die meisten Grenzflächen in einem typischen Metall- oder Keramikobjekt in Form von Korngrenzen vor, die winzige Bereiche kristalliner Ordnung trennen. Wenn die Größe des Streuzentrums (oder der Korngrenze) unter die Größe der Wellenlänge des gestreuten Lichts verringert wird, tritt die Streuung nicht mehr in signifikantem Ausmaß auf.

Bei der Bildung polykristalliner Materialien (Metalle und Keramiken) wird die Größe der kristallinen Körner weitgehend durch die Größe der kristallinen bestimmt Partikel im Rohmaterial während der Bildung (oder Pressung) des Objekts vorhanden. Darüber hinaus skaliert die Größe der Korngrenzen direkt mit der Partikelgröße. Eine Verringerung der ursprünglichen Partikelgröße unter die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (~ 0,5 Mikrometer für kurzwelliges Violett) eliminiert somit jegliche Lichtstreuung, was zu einem transparenten Material führt.

Vor kurzem^[when?]Japanische Wissenschaftler haben Techniken entwickelt, um Keramikteile herzustellen, die mit der Transparenz traditioneller Kristalle (aus einem einzigen Keim gezüchtet) konkurrieren und die Bruchzähigkeit eines Einkristalls übertreffen.^{[citation needed]} Insbesondere Wissenschaftler der japanischen Firma Konoshima Ltd., einem Hersteller von keramischen Baumaterialien und Industriechemikalien, haben nach Märkten für ihre transparente Keramik gesucht.

Livermore-Forscher erkannten, dass diese Keramik Hochleistungslasern, die in der Programmdirektion der National Ignition Facility (NIF) eingesetzt werden, große Vorteile bringen könnte. Insbesondere begann ein Livermore-Forschungsteam, fortschrittliche transparente Keramiken von Konoshima zu erwerben, um festzustellen, ob sie die optischen Anforderungen erfüllen können, die für Livermores Festkörper-Wärmekapazitätslaser (SSHCL) erforderlich sind.^{[citation needed][13]} Livermore-Forscher haben auch Anwendungen dieser Materialien für Anwendungen wie fortschrittliche Treiber für lasergesteuerte Fusionskraftwerke getestet.

Beispiele[edit]

Hochspannungsisolator aus Porzellan

Ein Verbundmaterial aus Keramik und Metall ist als Cermet bekannt.

Andere keramische Materialien, deren Zusammensetzung im Allgemeinen eine höhere Reinheit erfordert als die oben genannten, umfassen Formen mehrerer chemischer Verbindungen, einschließlich:

1. Bariumtitanat:: (oft mit Strontiumtitanat gemischt) zeigt Ferroelektrizität, was bedeutet, dass seine mechanischen, elektrischen und thermischen Reaktionen miteinander gekoppelt und auch geschichtsabhängig sind. Es wird häufig in elektromechanischen Wandlern, Keramikkondensatoren und Datenspeicherelementen verwendet. Kornrandbedingungen können PTC-Effekte in Heizelementen erzeugen.
2. Wismut Strontium Calcium Kupferoxid, ein Hochtemperatursupraleiter
3. Boroxid wird in Körperschutz verwendet.
4. Bornitrid ist strukturell isoelektronisch zu Kohlenstoff und nimmt ähnliche physikalische Formen an: eine graphitartige, die als Schmiermittel verwendet wird, und eine diamantartige, die als Schleifmittel verwendet wird.
5. Steingut verwendet für Haushaltswaren wie Teller und Tassen.
6. Ferrit wird in den Magnetkernen von elektrischen Transformatoren und im Magnetkernspeicher verwendet.
7. Bleizirkonat-Titanat (PZT) wurde 1954 beim United States National Bureau of Standards entwickelt. PZT wird als Ultraschallwandler verwendet, da seine piezoelektrischen Eigenschaften die von Rochelle-Salz bei weitem übertreffen.^[14]
8. Magnesiumdiborid (MgB₂) ist ein unkonventioneller Supraleiter.
9. Porzellan wird für eine breite Palette von Haushalts- und Industrieprodukten verwendet.
10. Sialon (Siliziumaluminiumoxynitrid) hat eine hohe Festigkeit; Beständigkeit gegen Thermoschock, Chemikalien- und Verschleißfestigkeit sowie geringe Dichte. Diese Keramiken werden im Umgang mit Nichteisenschmelzen, Schweißnadeln und in der chemischen Industrie eingesetzt.
11. Siliziumkarbid (SiC) wird als Suszeptor in Mikrowellenöfen, einem üblicherweise verwendeten Schleifmittel, und als feuerfestes Material verwendet.
12. Siliziumnitrid (Si₃N.₄) wird als Schleifpulver verwendet.
13. Steatit (Magnesiumsilikate) wird als elektrischer Isolator verwendet.
14. Titancarbid Wird in Space-Shuttle-Wiedereintrittsschildern und kratzfesten Uhren verwendet.
15. Uranoxid (UO₂), als Brennstoff in Kernreaktoren verwendet.
16. Yttriumbariumkupferoxid (YBa₂Cu₃Ö_{7 – x})ein weiterer Hochtemperatursupraleiter.
17. Zinkoxid (ZnO)Dies ist ein Halbleiter und wird beim Bau von Varistoren verwendet.
18. Zirkoniumdioxid (Zirkonoxid), das in reiner Form viele Phasenänderungen zwischen Raumtemperatur und praktischen Sintertemperaturen erfährt, kann in verschiedenen Formen chemisch “stabilisiert” werden. Aufgrund seiner hohen Sauerstoffionenleitfähigkeit wird es für den Einsatz in Brennstoffzellen und Sauerstoffsensoren für Kraftfahrzeuge empfohlen. In einer anderen Variante können metastabile Strukturen für mechanische Anwendungen eine Härtung der Transformation bewirken. Die meisten Keramikmesserklingen bestehen aus diesem Material. Teilstabilisiertes Zirkonoxid (PSZ) ist viel weniger spröde als andere Keramiken und wird für Umformwerkzeuge, Ventile und Auskleidungen, Schleifmittel, Küchenmesser und Lager verwendet, die starkem Abrieb ausgesetzt sind.^[15]

Küchenmesser mit Keramikklinge

Produkte[edit]

Durch Verwendung[edit]

Der Einfachheit halber werden Keramikprodukte normalerweise in vier Haupttypen unterteilt. Diese werden unten mit einigen Beispielen gezeigt:

1. Strukturelle, einschließlich Ziegel, Rohre, Boden- und Dachziegel
2. Feuerfeste Materialien wie Ofenauskleidungen, Gasfeuerstrahler, Tiegel zur Herstellung von Stahl und Glas
3. Whitewares, einschließlich Geschirr, Kochgeschirr, Wandfliesen, Töpferwaren und Sanitärkeramik ^[16]
4. Technische, auch als technische, fortschrittliche, spezielle und feine Keramik bekannt. Zu diesen Artikeln gehören:
   1. Gasbrennerdüsen
   2. ballistischer Schutz, Fahrzeugpanzerung
   3. Uranoxidpellets mit Kernbrennstoff
   4. biomedizinische Implantate
   5. Beschichtungen von Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken
   6. Gasturbinenteile aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen
   7. Verstärkte Scheibenbremsen aus Carbon-Carbon-Keramik
   8. Raketennasenkegel
   9. Lager (mechanisch)
   10. Kacheln, die im Space Shuttle-Programm verwendet werden

Keramik aus Ton[edit]

Häufig enthalten die Rohstoffe moderner Keramik keine Tone.^[17]

Diejenigen, die dies tun, werden wie folgt klassifiziert:

1. Steingut, bei niedrigeren Temperaturen als andere Typen gebrannt
2. Steinzeug, glasartig oder halb glasartig
3. Porzellan, das einen hohen Kaolingehalt enthält
4. Knochenporzellan

Einstufung[edit]

Keramik kann auch in drei verschiedene Materialkategorien eingeteilt werden:

1. Oxide: Aluminiumoxid, Beryllia, Ceroxid, Zirkonoxid
2. Nichtoxide: Carbid, Borid, Nitrid, Silizid
3. Kompositmaterialien: teilchenverstärkt, faserverstärkt, Kombinationen von Oxiden und Nichtoxiden.

Jede dieser Klassen kann zu einzigartigen Materialeigenschaften entwickelt werden, da Keramiken dazu neigen, kristallin zu sein.

Anwendungen[edit]

1. Messerklingen: Die Klinge eines Keramikmessers bleibt viel länger scharf als die eines Stahlmessers, obwohl sie spröder und bruchempfindlicher ist.
2. Carbon-Keramik-Bremsscheiben: denn Fahrzeuge sind bei hohen Temperaturen bremsbeständig.
3. “Fortschrittliche Verbundkeramik- und Metallmatrizen” wurden für die meisten modernen gepanzerten Kampffahrzeuge entwickelt, da sie einen überlegenen Durchschlagswiderstand gegen geformte Ladungen (HEAT-Runden) und Penetratoren für kinetische Energie bieten.
4. “Keramiken wie Aluminiumoxid und Borcarbid” wurden in ballistischen Panzerwesten verwendet, um Hochgeschwindigkeitsgewehrfeuer abzuwehren. Solche Platten sind allgemein als Kleinwaffenschutzeinsätze oder SAPIs bekannt. Ähnliches Material wird aufgrund des geringen Gewichts des Materials zum Schutz der Cockpits einiger Militärflugzeuge verwendet.
5. Keramik kann anstelle von Stahl für verwendet werden Kugellager. Aufgrund ihrer höheren Härte sind sie viel weniger verschleißanfällig und halten in der Regel dreimal so lange wie ein Stahlteil. Sie verformen sich auch unter Last weniger, was bedeutet, dass sie weniger Kontakt mit den Lagerhalterwänden haben und schneller rollen können. Bei Anwendungen mit sehr hoher Geschwindigkeit kann Reibungswärme während des Walzens Probleme für Metalllager verursachen, die durch die Verwendung von Keramik verringert werden. Keramik ist auch chemisch beständiger und kann in feuchten Umgebungen verwendet werden, in denen Stahllager rosten würden. In einigen Fällen können ihre stromisolierenden Eigenschaften auch in Lagern wertvoll sein. Zwei Nachteile von Keramiklagern sind deutlich höhere Kosten und Anfälligkeit für Beschädigungen unter Stoßbelastung.
6. In den frühen 1980er Jahren erforschte Toyota die Produktion eines adiabatischer Motor unter Verwendung von Keramikkomponenten im Heißgasbereich. Die Keramik hätte Temperaturen von über 1650 ° C zugelassen. Die erwarteten Vorteile wären leichtere Materialien und ein kleineres Kühlsystem (oder gar kein Bedarf) gewesen, was zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung geführt hätte. Die erwartete Steigerung der Kraftstoffeffizienz des Motors (verursacht durch die höhere Temperatur, wie durch Carnots Theorem gezeigt) konnte nicht experimentell verifiziert werden; Es wurde festgestellt, dass die Wärmeübertragung an den heißen Keramikzylinderwänden höher war als die Übertragung an eine kühlere Metallwand, da der kühlere Gasfilm auf der Metalloberfläche als Wärmeisolator wirkt. Trotz all dieser wünschenswerten Eigenschaften ist es solchen Motoren aufgrund der Kosten für die Keramikkomponenten und der begrenzten Vorteile nicht gelungen, eine Produktion herzustellen. (Kleine Mängel im Keramikmaterial mit seiner geringen Bruchzähigkeit führen zu Rissen, die zu einem potenziell gefährlichen Geräteausfall führen können.) Solche Motoren sind in Laborumgebungen möglich, aber eine Massenproduktion ist mit der aktuellen Technologie nicht möglich.^{[citation needed]}
7. Es wird an der Entwicklung von Keramikteilen für Gasturbinentriebwerke gearbeitet. Gegenwärtig erfordern selbst Schaufeln aus fortschrittlichen Metalllegierungen, die im heißen Bereich der Motoren verwendet werden, eine Kühlung und eine sorgfältige Begrenzung der Betriebstemperaturen. Mit Keramik hergestellte Turbinentriebwerke könnten effizienter arbeiten und den Flugzeugen eine größere Reichweite und Nutzlast für eine festgelegte Kraftstoffmenge bieten.
8. Jüngste Fortschritte wurden bei Keramiken erzielt, zu denen auch Biokeramiken wie Zahnimplantate und synthetische Knochen gehören. Hydroxyapatit, der natürliche Mineralbestandteil des Knochens, wurde aus verschiedenen biologischen und chemischen Quellen synthetisch hergestellt und kann zu keramischen Materialien verarbeitet werden. Mit diesen Materialien beschichtete orthopädische Implantate verbinden sich ohne Abstoßung oder Entzündungsreaktionen leicht mit Knochen und anderen Geweben im Körper und sind daher für die Genabgabe und das Tissue Engineering-Gerüst von großem Interesse. Die meisten Hydroxylapatitkeramiken sind sehr porös und weisen keine mechanische Festigkeit auf. Sie werden zum Beschichten von orthopädischen Metallvorrichtungen verwendet, um die Bildung einer Bindung an Knochen oder als Knochenfüller zu unterstützen. Sie werden auch als Füllstoffe für orthopädische Kunststoffschrauben verwendet, um Entzündungen zu reduzieren und die Absorption dieser Kunststoffmaterialien zu erhöhen. Es wird daran gearbeitet, starke, vollständig dichte nanokristalline Hydroxylapatit-Keramikmaterialien für orthopädische Belastungsvorrichtungen herzustellen, wobei orthopädische Fremdmetall- und Kunststoffmaterialien durch ein synthetisches, aber natürlich vorkommendes Knochenmineral ersetzt werden. Letztendlich können diese Keramikmaterialien als Knochenersatz oder unter Einbau von Proteinkollagenen, synthetischen Knochen, verwendet werden.
9. Langlebige aktinidhaltige Keramikmaterialien haben viele Anwendungen, beispielsweise in Kernbrennstoffen zum Verbrennen von überschüssigem Pu und in chemisch inerten Alpha-Bestrahlungsquellen zur Stromversorgung unbemannter Raumfahrzeuge oder zur Stromerzeugung für mikroelektronische Geräte. Sowohl die Verwendung als auch die Entsorgung radioaktiver Aktinide erfordern ihre Immobilisierung in einem dauerhaften Wirtsmaterial. Langlebige Radionuklide wie Aktiniden aus Atommüll werden unter Verwendung chemisch haltbarer kristalliner Materialien auf der Basis polykristalliner Keramiken und großer Einkristalle immobilisiert.^[18]
10. Hightech-Keramik wird in der Uhrmacherkunst zur Herstellung von Uhrengehäusen verwendet. Das Material wird von Uhrmachern wegen seines geringen Gewichts, seiner Kratzfestigkeit, Haltbarkeit und seines glatten Griffs geschätzt. IWC ist eine der Marken, die den Einsatz von Keramik in der Uhrmacherkunst initiiert haben.^[19]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Weiterführende Literatur[edit]

Externe Links[edit]