Hochleistungskeramik

 

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Inhalt

Zunächst wird ein Überblick über die besonderen Eigenschaften von Keramik un Abgrenzung zu Metallen und Kunststoffen gegeben. Dabei spielt der Zusammenhang von Herstellung, Gefüge und Eigenschaften eine besondere Rolle.

Die wichtigesten Werkstoffe werden hinsichtlich ihrer spezifischen Eigenschaften vorgestellt. Dies sind insbesondere Aluminiumoxid, Zikonoxid, Aluminiumtitanat, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid mit ihren verfahrenstechnischen Varianten.

Da keramische Hochleistungs-Bauteile in der Anwendung niemals alleine stehen und gefügt werden müssen, meist an eine metallische Umgebung, werden Fügealternativen (kraft-, form- und stoffschlüssig) vorgestellt und bewertet.
Dies ist bereits als Teil des Integrativen Konstruieren mit Keramik zu sehen, das von Designphasen ausgehend Werkstoff-, Fertigungs- und Fügealternativen mit Qualität und Kosten in Übereinstimmung bringen soll. Zum Konstruieren mit Keramik gehören auch die Verfahren zur Rechnergestützten Bauteilauslegung und -optimierung mittels FEM sowie die Berechnung und Messung von Verbundeigenspannungen.

Keramik wird in unterschiedlichsten Urformgebungsverfahren aus Pulver in eine möglichst endkonturnahe Form gebracht. Erst danach wird das Gefüge durch den Brand erzeugt. Die Eigenschaften des Bauteils werden sowohl von der Urformgebung als auch vom Brand und von der Endbearbeitung beeinflusst. Daher werden die Formgebungsalternativen Schlickerguss, Folienguss und Spritzguss, die Pulverpressverfahren Trockenpressen und Isopressen sowie die Heißurformgebungsvarianten Heißpressen, Heißisopressen und SPS vorgestellt und bezüglich Kosten, Formenvielfalt, Stückzahl und Gefügequalität verglichen.

Die im Maschinenbau vorherrschenden Kennwerte sind Festigkeitswerte, die bei keramischen Werkstoffen einer breiten Streuung unterliegen. Daher müssen bruchmechanische Kenntnisse zur Weibull-Statistik vermittel werden wie auch Zusammenhänge zur Kurzzeitfestigkei, Größeneffekt und Langzeiteffekte.

Zum erfolgreichen Einsatz keramischer Bauteile gehört auch die Prüfung von Werkstoff und Bauteil. Daher widmet sich ein Kapitel auch den Prüfverfahren, die insbesondere für keramische Werkstoffe von besonderer Bedeutung sind.

Die gesamte Vorlesung soll dazu dienen, Kenntnisse zu vermitteln, die im Berufsleben eine erfolgreiche Anwendung von Keramik in Hochtechnologiefeldern erlauben soll. Daher wird dem Bereich der Anwendung mit aktuellen Beispielen ein weiter Raum gewidmet, der insbesondere in den Übungen zum tragen kommet.

 

Angestrebte Lernziele

Wissen und Verstehen:

In Vertiefung der allgemeinen Kenntnisse zur technischen Mechanik und Werkstoffkunde kennen die Studierenden:

  • das unterschiedliche Materialverhalten von keramischen Werkstoffen
  • die Urformverfahren keramischer Werkstoffe
  • anhand ausgewählter Beispiele die Zusammenhänge zwischen herstellungsbedingter Gefügeausbildung und resultierenden Eigenschaften
  • die rechnerischen Verfahren zur Lebensdauervorhersage von Komponenten
  • Vor- und Nachteile von Fügeverfahren zum Fügen von Keramik mit Metallen und den besonderen Einfluss der thermischen Dehnung
  • die Probleme von Thermoschock und Reaktionen mit Prozessgasen bei hohen Temperaturen

Dadurch sind sie in der Lage, für die anwendungsbezogenen Anforderungen geeignete keramische Werkstoffe zu spezifizieren und Alternativen im Gefüge anzugeben.

Fertigkeiten und Kompetenzen:

Die Studierenden erwerben die Fähigkeit, die Überlagerung von Last-, Verbund- und Eigenspannungen zur optimalen Bauteilauslegung zu nutzen und keramische Hochleistungs-Bauteile integrativ zu konstruieren.

Die Studierenden werden ferner befähigt, interdisziplinär über Werkstoff-, Fertigungs- und Fügealternativen Funktion, Qualität und Kosten zu optimieren.

Die Studierenden können die anwendungsorientierten Aufgaben nach wissenschaftlichen Standards ausarbeiten und die hoch spezifischen Anforderungen der Hochleistungskeramik berücksichtigen. Ihre Lösungswege können sie darstellen, verteidigen und die Ergebnisse angemessen präsentieren.

 

Literaturhinweise

W. Kollenberg, Technische Keramik, Grundlagen, Werkstoffe, Verfahrenstechnik, Vulkan Verlag 2009, ISBN 978-3-8027-2927-7