Spezialkeramik bezeichnet eine Keramikklasse mit besonderen mechanischen, physikalischen oder chemischen Eigenschaften. Die verwendeten Rohstoffe und die erforderliche Produktionstechnologie unterscheiden sich deutlich von denen herkömmlicher Keramik. Je nach Eigenschaften und Anwendungsgebiet lässt sich Spezialkeramik in zwei Kategorien unterteilen: Strukturkeramik und Funktionskeramik. Strukturkeramik dient als technischer Konstruktionswerkstoff und zeichnet sich im Allgemeinen durch hohe Festigkeit, Härte, Elastizitätsmodul, Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit aus.
Es gibt viele Arten von Strukturkeramiken, die jeweils Vor- und Nachteile aufweisen und sich in ihren Anwendungsbereichen unterscheiden. Unter ihnen gilt Siliziumnitridkeramik aufgrund ihrer ausgewogenen Leistung in allen Aspekten als die umfassendste und leistungsstärkste Strukturkeramik und findet ein extrem breites Anwendungsspektrum.
Vorteile von Siliziumnitridkeramik
Siliziumnitrid (Si₃N₄) besteht aus kovalent gebundenen Verbindungen, deren Struktureinheit [SiN₄]₄-Tetraeder sind. Die Positionen der Stickstoff- und Siliziumatome sind in der Abbildung unten dargestellt: Silizium befindet sich im Zentrum des Tetraeders, die vier Ecken sind mit Stickstoffatomen besetzt. Jeweils drei Tetraeder teilen sich ein Atom, wodurch sich das Netzwerk im dreidimensionalen Raum kontinuierlich ausdehnt. Viele Eigenschaften von Siliziumnitrid hängen mit dieser Tetraederstruktur zusammen.
Siliziumnitrid existiert in drei Kristallstrukturen: α-, β- und γ-Phase, wobei α- und β-Phase am häufigsten vorkommen. Aufgrund der festen Bindung der Stickstoffatome weist Siliziumnitrid hohe Festigkeit, Härte und Temperaturbeständigkeit auf (Härtewert HRA 91–93). Es besitzt eine gute thermische Stabilität und hält Temperaturen von 1300–1400 °C stand. Die geringe chemische Reaktion mit Kohlenstoff und Metallen führt zu einem niedrigen Reibungskoeffizienten. Siliziumnitrid ist selbstschmierend und daher verschleißfest. Es ist korrosionsbeständig und reagiert außer mit Flusssäure nicht mit anderen anorganischen Säuren. Auch bei hohen Temperaturen ist es oxidationsbeständig. Zudem ist es temperaturschockbeständig und übersteht abrupte Abkühlung und anschließende Erwärmung an der Luft ohne Zerfall. Das Kriechverhalten von Siliziumnitridkeramik nimmt bei hohen Temperaturen ab, und die langsame plastische Verformung unter Einwirkung von hohen Temperaturen und konstanter Last ist gering.
Darüber hinaus weisen Siliziumnitridkeramiken eine hohe spezifische Festigkeit, einen hohen spezifischen Widerstand, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende elektrische Eigenschaften und weitere Vorteile auf. Daher besitzen sie einen besonderen Anwendungswert in extremen Umgebungen wie hohen Temperaturen, hohen Geschwindigkeiten und stark korrosiven Medien und gelten als eines der vielversprechendsten Strukturkeramikmaterialien für Entwicklung und Anwendung. Sie sind daher oft die erste Wahl für viele Anwendungen, die getestet werden müssen.
Veröffentlichungsdatum: 15. August 2023