Hochleistungskeramiken

Hochleistungskeramiken (HPK) bezeichnen keramische Werkstoffe, die durch extreme mechanische, chemische und thermo-mechanische Eigenschaften für anspruchsvolle Einsatzbedingungen ausgelegt sind. Typische Merkmale sind hohe Härte, hohe Verschleißfestigkeit, gute Temperaturbeständigkeit sowie chemische Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien. Gleichzeitig neigen sie zu Sprödigkeit und relativ geringer Zähigkeit, was bei der Gestaltung berücksichtigt wird.

Zu den gebräuchlichsten HPK gehören Oxide wie Aluminiumoxid (Al2O3) und Zirkonoxid (ZrO2), sowie Nicht-Oxide wie Siliziumcarbid (SiC) und Siliziumnitrid (Si3N4). Durch dotierte Varianten (z. B. Y-TZP, ZTA) lassen sich Zähigkeit und Stoßfestigkeit erhöhen. Eigenschaften: hohe Härte, gute Verschleißfestigkeit, geringe Reaktionskräfte bei hohen Temperaturen, gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, teils niedrige Wärmeausdehnung. Sie bleiben bei hohen Temperaturen stabil und zeigen oft geringe Dichte im Vergleich zu Metallen.

Herstellung erfolgt üblicherweise durch pulvermetallurgische Verfahren: Pulvervorbereitung, Formgebung (Sinterung, Heißpressen, HIP, SPS) und Endbearbeitung. Viele Teile werden als Schichtbauteile ausgehärtet oder als keramische Matrix-Verbundwerkstoffe (CMC) hergestellt, die Fasern oder Partikel zur Steigerung der Zähigkeit enthalten. Additive Fertigung gewinnt an Bedeutung.

Anwendungsgebiete reichen von Turbinenscharnieren, Dichtungen, Verschleißteile in Wälz- und Gleitlagern, Schneidwerkzeugen, medizinischen Implantaten (Knochenersatz, Zahnmedizin), elektronischen Isolatoren, Optikfenstern bis hin zu chemisch-aggressiven Dichtungen.

Ausblick: Weiterentwicklungen fokussieren auf verbesserte Zähigkeit, niedrigere Herstellungskosten, keramische Matrix-Verbundwerkstoffe, Funktionskeramiken mit spezifischen elektrischen oder thermischen Eigenschaften, sowie Mikrostrukturkontrollen und additive Herstellungsverfahren zur komplexen Geometrie.