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Leitfaden für Materialien – Materialeigenschaften und Vergleichsdiagramme
Relative Dichte
Das nachfolgende Diagramm veranschaulicht die relative Dichte (auch spezifische Dichte) unterschiedlicher Werkstoffe. Sie ergibt sich als die Dichte eines Stoffes im Verhältnis zur Dichte von Wasser.
Die relative Dichte von Keramiken ist weniger als halb so groß wie die von Metallen. Außerdem ist Wolfram schwerer als Blei und etwa so schwer wie Gold, was es zu einem ungewöhnlich dichten Material macht. Daher wird Wolfram zur Abschirmung gegen Strahlung verwendet.
Vergleichsdiagramm zur relativen Dichte
Härte
Dieses Diagramm vergleicht die Vickers-Härte unterschiedlicher Materialien.
Im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Metallen verfügen Keramiken über eine höhere Härte. Das bedeutet, sie haben eine höhere Verschleißfestigkeit und finden daher breite Anwendung als abriebfeste Materialien.
Vergleichsdiagramm zur Härte
E-Modul
Je höher der E-Modul eines Bauteils ist, desto steifer ist dieses und desto besser kann es auftretenden Spannungen standhalten.
Im Vergleich zu anderen Materialien haben Keramiken, Wolfram und Molybdän einen hohen E-Modul.
Vergleichsdiagramm zum E-Modul
Bruchzähigkeit
Die Bruchzähigkeit kennzeichnet den Widerstand eines Materials gegen Risswachstum.
Im Allgemeinen sind Keramiken extrem spröde. Zirconiumdioxid jedoch verfügt über einen vergleichsweise hohe Bruchzähigkeit und wird daher oft für die Herstellung von Küchenmessern, Scheren und Abrissbirnen verwendet.
Vergleichsdiagramm zur Bruchzähigkeit
Maximale Einsatztemperatur
Die maximale Einsatztemperatur bestimmt den Temperaturbereich, in dem ein Material verwendet werden kann. Sie variiert je nach Atmosphäre. Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt, wie etwa Wolfram, Molybdän und Keramiken, eignen sich für Anwendungen die eine hohe Hitzebeständigkeit benötigen. Zum Beispiel Ofenmaterialien, Tiegel und Wärmeabschirmungen.
Vergleichsdiagramm zur maximalen Einsatztemperatur
Temperaturwechselbeständigkeit
Sie gibt den Temperaturbereich an, in dem ein Werkstoff plötzlichen Temperaturschwankungen standhalten kann. Je höher die Temperaturwechselbeständigkeit ist, desto geringer ist die Gefahr, dass ein Werkstoff aufgrund schneller Temperaturänderungen versagt. Glas und Keramik brechen bei rapiden Temperaturschwankungen leicht. Bornitrid, Quarz und Siliziumnitrid verfügen jedoch über eine sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit. Diese Werkstoffe werden häufig in Bauteilen verwendet, die extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
Vergleichsdiagramm zur Temperaturwechselbeständigkeit
Wärmeleitfähigkeit
Das folgende Diagramm veranschaulicht, wie gut Wärme durch unterschiedliche Materialien weitergeleitet werden kann.
Bestimmte Keramiken, wie Aluminiumnitrid und Siliciumcarbid besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wohingegen andere keramische Werkstoffe wie Zirconiumdioxid eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Wolfram und Molybdän leiten Wärme vergleichsweise gut.
Vergleichsdiagramm zur Wärmeleitfähigkeit
Wärmeausdehnungskoeffizient
Dies ist die Ausdehnungsrate eines Materials als Resultat einer Temperaturänderung.
Da Keramiken, Wolfram und Molybdän geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, hat eine Temperaturänderung bei diesen Materialien nur eine geringe Formveränderung zur Folge.
Vergleichsdiagramm zur Wärmeausdehnung
Spezifischer Widerstand
Der elektrische Widerstand, auch bekannt als Volumenwiderstand, ist die Eigenschaft, die erklärt, wie schwierig es für Elektrizität ist, ein Material zu durchdringen. Allgemein haben Keramiken einen hohen spezifischen Widerstand. Daher werden sie häufig als Isolatoren verwendet. Einige Keramiken, wie beispielsweise SiC, verfügen jedoch über elektrisch leitende Eigenschaften.
Vergleichsdiagramm zum spezifischen Widerstand
Relative Permittivität
Die Permittivität beschreibt, wie viel dielektrische Polarisation in einem Material auftritt, wenn auf dieses ein elektrisches Feld einwirkt. Die relative Permittivität (auch bekannt als Dielektrizitätskonstante) ist die Permittivität eines Materials im Verhältnis zur Permittivität des Vakuums. Je kleiner die relative Permittivität ist, desto geringer ist die auftretende dielektrische Polarisation im Material. Somit wird das Material durch umliegende elektrische Felder kaum beeinflusst. Aus diesem Grund findet es breite Anwendung in Anlagen und Maschinen zur Herstellung von Halbleiterprodukten.
Korrosionsbeständigkeit
Die Korrosionsbeständigkeit beschreibt, wie gut ein Material chemischen oder biologischen Einflüssen standhalten kann, ohne dass seine Eigenschaften herabgesetzt oder seine Struktur beschädigt werden. Aufgrund ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit, finden Keramiken Anwendung in Prothesen und diversen anderen korrosionsbeständigen Komponenten. Wolfram ist in ähnlicher Weise säure- und laugenbeständig wie Keramiken.
Elektrische Leitfähigkeit
Die meisten Hochleistungskeramiken sind ausgezeichnete Isolatoren, welche den elektrischen Strom kaum leiten. Abhängig von Spannung und Temperatur können einige dieser Keramiken jedoch Halbleitereigenschaften erlangen.
Piezoelektrizität
In einigen Materialien kann durch mechanische Verformung elektrische Spannung entstehen. Umgekehrt, tritt ein inverser Piezoeffekt auf, wenn bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des Materials erfolgt. Piezoelektrische Keramiken haben eine polykristalline Struktur. Ein Beispiel für piezoelektrisches Material ist Blei-Zirkonat-Titanat (kurz PZT).
