Gefügedesign optimiert Hochleistungskeramik

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Rohstoffgüte beeinflusst Keramikgefüge bei ähnlicher Prozessführung

Die Basis für jeden Werkstoff legt die Rohstoffauswahl. Je nach Güte des Rohstoffes kann man ganz unterschiedliche Gefüge bei sonst ähnlicher Prozessführung erhalten. Bild 2 zeigt beispielhaft, wie durch den Einsatz eines zunehmend feineren Aluminiumoxidpulvers auch ein feinkörnigeres Endprodukt mit höheren Festigkeitswerten entsteht. So kommt bei Aluminiumoxid eine Standardsorte auf Festigkeitswerte von 300 bis 400 MPa, dagegen liegen die Werte von High-End-Sorten bei 600 MPa. Die Korngröße wurde dabei von deutlich größer als 3 µm auf unter 3 µm reduziert. Bei Zirkonoxid kann sich das Festigkeitsspektrum sogar von 500 bis 1400 MPa erstrecken, je nach Variation des Rohstoffes.

Einen ganz bedeutenden Einfluss haben die Rohstoffe auf die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumcarbiden. Je reiner die Rohstoffe, desto höher sind die Werte. Mit qualitativ sehr hochwertigen Rohstoffen kann die Wärmeleitfähigkeit von standardmäßig 170 auf über 200 W/mK gesteigert werden.

Mischung verschiedener Grundtypen summiert positive Eigenschaften

Natürlich hängen die Eigenschaften technischer Keramik auch von der Werkstoffzusammensetzung ab. Durch Mischung unterschiedlicher Grundtypen lassen sich oft positive Eigenschaften verschiedener Keramikwerkstoffe vereinen. Dieser Gedanke trieb die Entwicklung der zirkonoxidverstärkten Aluminiumoxide (ZTA) und der aluminiumoxidverstärkten Zirkonoxide (ATZ) voran. Kennzeichnend für Aluminiumoxide ist ihre hohe Vickershärte HV_0,5 von über 2000. Für Zirkonoxide sprechen dagegen ihr hoher Widerstand gegen Rissausbreitung (K_IC-Wert) und ihr Potenzial, hohe Festigkeitswerte zu erreichen.

Der K_IC-Wert von magnesiumoxidstabilisiertem Zirkonoxid liegt zum Beispiel bei über 8 MPam^1/2 und die Vierpunkt-Biegefestigkeit von yttriumstabilisiertem Zirkonoxid bei über 1050 MPa. Wird nun ein Aluminiumoxid mit yttriumstabilisiertem Zirkonoxid versetzt, steigt mit zunehmendem Anteil dieser Phase der Widerstand gegen Rissausbreitung, wie Bild 3 zeigt. Leider fällt dabei der Härtekennwert ab. Werden jedoch weitere Additive wie Chromoxid und Strontiumoxid hinzugegeben, liegt der Härtewert wieder deutlich höher und der Widerstand gegen Rissausbreitung kann weiter gesteigert werden. Eingesetzt werden solche High-End-Oxide wie die Hochleistungskeramik Bilox delta zum Beispiel als Prothesenwerkstoffe bei Hüftgelenkkugeln und -pfannen. Sie haben Festigkeitswerte von über 1300 MPa und einen K_IC-Wert von 6,5 MPam^1/2.

Rohstoffzusammensetzung muss teilweise sehr genau sein

Ein weiteres Beispiel für einen keramischen Werkstoff, bei dem das Gefüge gezielt eingestellt wird, sind die sogenannten Silizium-Aluminium-Oxinitride (SiAlONe). Sie sind am engsten mit den Siliziumnitriden verwandt. Diese Werkstofftypen entstehen nur bei bestimmten Rohstoffzusammensetzungen. Sie bestehen aus einer β-SiAlON-Phase und einer amorphen oder teilkristallinen Korngrenzphase. Es gibt aber auch Varianten, bei denen zusätzlich noch eine α-Phase vorhanden ist.

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