Werkstoffeigenschaften

Werkstoffeigenschaften 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. Wolfram hingegen zeichnet sich als außergewöhnlich dichtes Material aus. Es ist schwerer als Blei und verfügt über ein ähnliches Gewicht wie Gold. Aufgrund seiner hohen Dichte wird Wolfram zur Abschirmung gegen Strahlung verwendet.

Vergleichsdiagramm zur relativen Dichte

Comparative specific gravity graph

Härte

Dieses Diagramm vergleicht die Vickers-Härte unterschiedlicher Materialien.

Im Vergleich zu klassischen 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

Comparative hardness graph

E-Modul

Desto 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 EModul.

Vergleichsdiagramm zum E-Modul

Young`s modulus comparative graph

Bruchzähigkeit

Die Bruchzähigkeit kennzeichnet den Widerstand eines Materials gegen Risswachstum.

Im Allgemeinen sind Keramiken sehr spröde Materialien und damit anfällig für die Bildung von Rissen. Zirkonoxid jedoch verfügt über einen vergleichsweise hohe Bruchzähigkeit und wird daher zum Beispiel für die Herstellung von Küchenmessern und Schären verwendet.

Vergleichsdiagramm zur Bruchzähigkeit

Comparative fracture toughness graph

Maximale Einsatztemperatur

Die maximale Einsatztemperatur bestimmt den Temperaturbereich in welchem ein Material verwendet werden kann. Sie variiert stark mit der Atmosphäre in welcher sich das Material befindet.

Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt, wie etwa Wolfram, Molybdän und Keramiken eignen sich für Anwendungen die eine hohe Hitzebeständigkeit benötigen, wie etwa Ofenmaterialien, Schmelztiegel und Wärmeabschirmungen.

Vergleichsdiagramm zur maximalen Einsatztemperatur

Comparative highest working temperature graph.

Temperaturwechselbeständigkeit

Temperaturbereich, in welchem ein Werkstoff plötzlichen Temperaturschwankungen standhalten kann. Desto 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, welche extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Vergleichsdiagramm zur Temperaturwechselbeständigkeit

Comparative thermal shock resistance graph

Wärmeleitfähigkeit

Das folgende Diagramm veranschaulicht, wie gut Wärme durch unterschiedliche Materialien transportiert werden kann.

Bestimmte Keramiken, wie Aluminiumnitrid und Siliziumcarbid besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wohingegen andere keramische Werkstoffe, wie Zirkonoxid eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die metallischen Werkstoffe Wolfram und Molybdän leiten Wärme vergleichsmäßig gut.

Vergleichsdiagramm zur Wärmeleitfähigkeit

Thermal conductivity comparison graph

Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient

Ausdehnungsrate eines Materials als Resultat einer Temperaturänderung von 1 °C, beziehungsweise 1 K.

Da Keramiken, Wolfram und Molybdän geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, hat eine Temperaturänderung bei diesen Materialien nur eine geringe Formänderung zur Folge.

Vergleichsdiagramm zur Wärmeausdehnung

Thermal expansion comparative graph

Spezifischer Widerstand

Der spezifische Widerstand beschreibt wie schwierig es für den elektrischen Strom, ist ein bestimmtes Material zu passieren.

Allgemein haben Keramiken einen hohen spezifischen Widerstand und werden daher besonders häufig als Isolatoren verwendet. Einige Keramiken, wie beispielsweise SiC, verfügen jedoch über elektrisch leitende Eigenschaften.

Vergleichsdiagramm zum spezifischen Widerstand

Electrical resistance graph

Relative Permittivität

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.

Desto 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 finden sie breite Anwendung in Anlagen und Maschinen zur Herstellung von Halbleiterprodukten.

Korrosionsbeständigkeit

Korrosionsbeständigkeit beschreibt, wie gut ein Material chemischen oder biologischen Einflüssen standhalten kann, ohne Herabsetzung seiner Eigenschaften oder Schädigung seiner Struktur.

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).

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