Was sagt bei Keramik die Temperaturbeständigkeit aus?
Die Temperaturbeständigkeit von Keramik beschreibt, wie lange und unter welchen Bedingungen ein keramisches Material bestimmten Temperaturen standhalten kann, ohne seine mechanischen, elektrischen, chemischen oder physikalischen Eigenschaften wesentlich einzubüßen oder zu versagen. Praktisch gesehen meint dies, dass die Keramik bei gewissen Temperaturen nicht schmilzt, sich nicht zersetzt oder zerspringt und ihre Festigkeit bzw. Funktion weitgehend behält.
Wichtige Kriterien:
- Widerstand gegen thermische Zersetzung / Schmelzpunkt (atmosphärenabhängig)
- Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE, thermische Ausdehnung)
- Minimale Verformung bei Hitzeeinwirkung / Phasenübergänge und Gefügeveränderungen
- Fähigkeit, Hitze zu speichern und abzugeben (Wärmekapazität)
- Hohe thermische Schockbeständigkeit (Fähigkeit, schnelle Temperaturwechsel zu verkraften)
- Erhaltung elektrischer Isolationseigenschaften bei hohen Temperaturen
Einordnung:
In der Regel haben Keramiken höherer maximale Einsatztemperaturen als Metalle oder Polymere – weshalb sie über einen großen Stellenwert in Hochtemperatur-Anwendungen verfügen.
Diese Eigenschaften sind sowohl bei hochtechnischen Keramiken wie zum Beispiel Macor® oder Shapal™ von Belang, als auch bei haushaltsüblichen Standardkeramiken aus dem Alltag, sei es Steingut oder Porzellan – denn sie eröffnen oder begrenzen die Vielfalt an möglichen Einsatzbereichen. Maßgeblich für die Unterschiede ist, aus was die Keramik besteht.
Temperaturbeständigkeit ausgewählter Hochleistungskeramiken
Keramik-Art |
Maximale Einsatztemperatur |
Eigenschaften & Hinweise |
| Shapal Hi-M Soft
(AlN-BN-Composite) |
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| Macor
(bearbeitbare Glaskeramik) |
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| Aluminiumoxid
(Al₂O₃, hochrein ≥ 99 %) |
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| Zirkonoxid
(ZrO₂, teilstabilisiert/ vollstabilisiert) |
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| Siliziumnitrid
(Si₃N₄) |
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| Siliziumkarbid
(SiC) |
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Angaben für Alltagskeramik zum Vergleich
Während die obige Tabelle die spezifischen Eigenschaften und Einsatzbereiche von Hochleistungskeramiken verdeutlicht, bietet die folgende Übersicht einen Vergleich mit traditionellen Keramik-Arten. Grundsätzlich sind diese Materialien wesentlich weniger hochtemperaturbeständig als oben genannten Hochleistungskeramiken – aber dennoch im Alltag ausreichend robust gegen moderate Hitze.
Keramik-Art |
Brenntemperatur / typische Gebrauchstemperatur |
Eigenschaften & Hinweise |
| Porzellan |
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Sehr dichter, glasartiger Scherben mit geringer Porosität. Hohe Temperaturbeständigkeit, aber begrenzte Thermoschockresistenz. Typisch für Geschirr, Laborgefäße, Küchenutensilien. |
| Steinzeug |
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Dicht gesintert, kaum porös. Relativ robust gegen Temperaturwechsel. Häufig verwendet für Backformen, Vorratsgefäße, Ofengeschirr, Fliesen. |
| Steingut |
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Poröser als Steinzeug und Porzellan, muss glasiert werden, um wasserdicht zu sein. Glasur kann bei schnellem Temperaturwechsel reißen. Einsatz v. a. bei Geschirr, Zierkeramik. |
| Terrakotta (unglasiert) |
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Poröser, rotbrauner Scherben mit guter Wärmespeicherfähigkeit. Sehr anfällig gegenüber Thermoschock. Typisch für Pflanztöpfe, Kochgefäße (z. B. Römertopf®), Deko. |
| Tonware (niedrig gebrannter Ton) |
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Deutlich porös, geringere Festigkeit. Thermoschockempfindlich, vor allem unglasiert. Verwendung v. a. für einfache Töpferware, Dekoration, Kunstkeramik. |
Material-Anforderungen abwägen in Bezug auf die gewünschte Anwendung
Wenn Sie für Ihre Bauteile den Werkstoff Keramik in Betracht ziehen wollen, müssen Sie im Regelfall eine Vielzahl vo Anforderungen gleichzeitig im Blick behalten. Die maximale Temperaturbeständigkeit einer Keramik erfüllt keinen praktischen Nutzen, wenn das Material unter Betriebsbedingungen mechanisch versagt. Das “optimale Material” ist demnach meistens der beste Kompromiss aus mehreren Eigenschaften. Als Beispiel-Anforderungen wollen wir an dieser Stelle nennen:
Thermische Stabilität vs. mechanische Eigenschaften
Technische Keramiken behalten zwar ihre Formstabilität und Funktionalität auch bei hohen Temperaturen, weisen aber oft eine geringe Schlagzähigkeit auf. Es gilt also, die Temperaturbeständigkeit mit der erforderlichen mechanischen Festigkeit und Bruchzähigkeit in Einklang zu bringen.
Wärmeleitfähigkeit und thermische Ausdehnung
Unterschiedliche keramische Materialien haben unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten und Ausdehnungskoeffizienten. Bei der Integration in Bauteile oder Verbundsysteme muss sichergestellt werden, dass thermische Spannungen – etwa durch ungleichmäßige Ausdehnung in Verbindung mit anderen Materialien – nicht zu Rissen oder strukturellen Fehlern führen.
Chemische und strukturelle Beständigkeit
Neben hohen Temperaturen sind oft auch aggressive Medien oder wechselnde Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Ein Material, das hervorragende Temperaturbeständigkeit bietet, muss zugleich chemisch inert sein und seine Mikrostruktur auch unter Dauerbelastung beibehalten.
Herstellungsprozess und Kosten
Hochtemperaturbeständige Keramiken erfordern häufig spezielle Herstellungsverfahren, die komplex und kostenintensiv sein können. Gemeinsam mit unseren Kunden wägen wir die Anforderungen an das Bauteil und wirtschaftliche Gesichtspunkte wohlüberlegt ab.
Anwendungsspezifische Anforderungen
Je nach Einsatzgebiet (z. B. in der Automobiltechnik, Luft- und Raumfahrt oder in der Medizintechnik) können zusätzliche Faktoren wie Zyklizität der Temperaturbelastung, thermischer Schock oder langfristige Alterungsprozesse eine Rolle spielen. Die Wahl des Materials muss daher auch diesen Rahmenbedingungen gerecht werden.
Temperaturbeständigkeit als relevanter Faktor in der Industrie und Innovation
Die Kombination der technischen Eigenschaften macht keramische Bauteile in zahlreichen Industriezweigen sehr attraktiv. Dies wird besonders deutlich in folgenden Anwendungsbereichen:
Elektronik und Halbleitertechnik
- Elektrische Isolation bei hoher Wärmeentwicklung
- Thermisch leitfähige Isolatoren (z. B. Shapal, Al₂O₃, Macor)
Maschinen- und Anlagenbau
- Hochtemperaturbeständige Lager und Dichtungen (Al₂O₃, ZrO₂)
- Hitzebeständige mechanische Bauteile und Komponenten (Si₃N₄)
Automobil- und Motorentechnik
- Thermische Schockfestigkeit und Temperaturbeständigkeit (Zündkerzen, Turboladerkomponenten aus Si₃N₄ und Al₂O₃)
Chemische Industrie und Verfahrenstechnik
- Chemisch beständige Reaktionskammern, Düsen, Ventile (SiC, Al₂O₃)
- Anwendungen mit aggressiven Medien bei hohen Temperaturen
Medizin- und Labortechnik
- Temperaturbeständige Komponenten in Analysegeräten (Al₂O₃, Macor)
- Sterilisierbare Instrumente und Implantate (ZrO₂, Al₂O₃)
Luft- und Raumfahrt
- Wärmeschutzschilde und Isolationselemente (SiC, Aluminiumoxidkeramik)
- Bauteile mit extremer thermischer und mechanischer Belastung
PCN Ceramic: Präzision dank substraktiver Formgebung
Indem wir in unserem CNC-Maschinenpark ausschließlich bereits gesinterte Keramik per Sägen, Drehen, Bohren, Fräsen und Schleifen exakt bearbeiten, können wir hochpräzise keramische Bauteile für verschiedenste Anwendungen und Entwicklungsprojekte bereitstellen. Fragen Sie beispielsweise für CNC-Kleinserien & Prototypen bei uns an!
