Ist Tonerde-Keramik zerbrechlich?

---

1、 Merkmale von Aluminiumoxid-Keramik
Aluminiumoxid-Keramik ist ein spezielles keramisches Material, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al ₂ O ∝) besteht und die folgenden wesentlichen Eigenschaften aufweist:
-Hohe Härte: Die Mohshärte liegt in der Regel im Bereich von 8-9, was dem natürlichen Diamanten nahe kommt.
-Hoher Schmelzpunkt: Der Schmelzpunkt kann bis zu 2050 ℃ erreichen.
-Strapazierfähigkeit: Es ist verschleißfest und eignet sich für Umgebungen mit langfristiger Reibung.
-Hohe Temperaturbeständigkeit: die in der Lage sind, ihre Struktur und Leistung auch bei hohen Temperaturen stabil zu halten.
-Gute elektrische Isolierung: Der spezifische Widerstand bei Raumtemperatur kann bis zu 10 ¹⁵Ω- cm erreichen.
-chemische Stabilität: Es hat eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber verschiedenen chemischen Substanzen.

Trotz der hervorragenden Leistung von Aluminiumoxidkeramik in vielerlei Hinsicht ist ihre Sprödigkeit ein nicht zu vernachlässigendes Problem.

2、 Gründe für die Zerbrechlichkeit von Tonerdekeramik

1. Kristallstruktur und Sprödigkeit
   -Die Kristallstruktur von Aluminiumoxidkeramik besteht hauptsächlich aus Ionenbindungen. Obwohl diese Bindungsmethode eine starke Bindungskraft hat, fehlt es ihr an freien Elektronen in Metallbindungen, um externe Spannungen abzufangen. Wenn das Material äußeren Kräften ausgesetzt ist, können sich Versetzungen im Inneren nur schwer bewegen und keine Energie durch plastische Verformung absorbieren, was zu einer Spannungskonzentration in lokalen Bereichen führt. Sobald die Belastungsgrenze des Materials überschritten wird, kommt es schnell zur Entstehung und Ausbreitung von Rissen.
   -Defekte wie Korngrenzen, Poren und Mikrorisse im Inneren von Aluminiumoxidkeramiken verringern ihre Zähigkeit weiter.
2. Der Einfluss der Verarbeitungstechnologie
   Bei der Bearbeitung von Aluminiumoxid-Keramik, z. B. beim Formen, Sintern, Schneiden, Bohren usw., können bei einer falschen Wahl der Prozessparameter leicht Eigenspannungen in das Material eingebracht werden. Wenn beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit zu hoch ist oder das Werkzeug stark abgenutzt ist, wird das Material lokal einer übermäßigen Schnittkraft ausgesetzt, was zu inneren Spannungen führt. Diese Eigenspannungen können sich bei der späteren Verwendung mit den von außen einwirkenden Spannungen überlagern, was die Festigkeit des Materials weiter verringert und das Risiko der Brüchigkeit erhöht.
3. Die Auswirkungen von Materialfehlern
   Bei der Herstellung von Aluminiumoxid-Keramik entstehen zwangsläufig einige Mikrodefekte wie Poren, Verunreinigungspartikel, Mikrorisse usw. Diese Defekte sind gleichbedeutend mit Schwachstellen im Inneren des Materials. Bei Beanspruchung konzentrieren sich die Spannungen an den Defektstellen, was die Entstehung und Ausbreitung von Rissen an diesen Stellen erleichtert. Vor allem die Poren verringern nicht nur die wirksame tragende Fläche des Materials, sondern verändern auch die Spannungsverteilung im Inneren des Werkstoffs, was seine Zähigkeit stark verringert.
4. Auswirkungen von Temperatur und Druck
   Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Schlagzähigkeit von Aluminiumoxid-Keramik. Mit steigender Temperatur nehmen die Härte und die Schlagzähigkeit von Aluminiumoxidkeramik ab. Darüber hinaus kann unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen und hohem Druck die chemische Stabilität von Aluminiumoxidkeramik abnehmen, was ihre Schlagfestigkeit beeinträchtigt.

3、 Verfahren zur Verbesserung der Druckfestigkeit von Aluminiumoxid-Keramiken

1. Strukturelle Optimierung
   -Durch die Optimierung der Mikrostruktur von Aluminiumoxidkeramiken und die Verringerung struktureller Defekte können ihre Festigkeit und Zähigkeit verbessert werden. So kann beispielsweise durch präzise Sinterprozesse zur Steuerung der Korngröße die Bildung von Korngrenzenfehlern wirksam reduziert werden.
2. Steuerung der Verarbeitungstechnik
   Eine vernünftige Auswahl und Steuerung der Verarbeitungsparameter wie Formdruck, Sintertemperatur und -zeit kann die Anhäufung von Eigenspannungen und damit die Zerbrechlichkeit der Materialien verringern. Darüber hinaus können fortschrittliche Verarbeitungstechnologien wie Plasmasintern und heißisostatisches Pressen die Dichte und Festigkeit von keramischen Werkstoffen verbessern.
3. Oberflächenbehandlung
   Durch Oberflächenbehandlungsverfahren wie chemische Beschichtung, Wärmebehandlung und Beschichtungstechnologie kann die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit von Aluminiumoxidkeramik verbessert werden, wodurch ihre Zerbrechlichkeit bis zu einem gewissen Grad verringert wird.
4. Anwendung von Zähigkeitsmitteln
   -Der Zusatz von Zähigkeitsmitteln wie Yttriumoxid (Y ₂ O3) und Zirkoniumoxid (ZrO ₂) zu Aluminiumoxidkeramiken kann die Zähigkeit des Materials durch Mechanismen wie Phasenumwandlungszähigkeit und Dispersionszähigkeit verbessern.
5. Zerstörungsfreie Prüfung
   -Durch den Einsatz fortschrittlicher zerstörungsfreier Prüftechniken wie Ultraschallprüfung, Röntgenprüfung usw. werden keramische Bauteile einer strengen Qualitätskontrolle unterzogen, um fehlerhafte Produkte sofort zu erkennen und zu beseitigen.

4、 Fragile Leistung und Gegenmaßnahmen in praktischen Anwendungsszenarien

1. Elektronische Industrie
   -Elektronische Geräte, Aluminiumoxid-Keramik werden häufig zur Herstellung von Substraten für integrierte Schaltkreise, Gehäusen für elektronische Verpackungen usw. verwendet. Wenn die Qualität des Aluminiumoxid-Keramik-Substrats oder -Gehäuses schlecht ist, kann es aufgrund möglicher externer Kräfte wie Vibrationen und Temperaturschwankungen während der Nutzung elektronischer Geräte zu Problemen wie Rissen und Brüchen kommen. Um dieses Problem zu lösen, können fortschrittliche Guss- und Sinterverfahren wie Spritzguss, Heißpresssintern usw. im Produktionsprozess eingesetzt werden, um interne Defekte im Material zu reduzieren und seine Dichte und Einheitlichkeit zu verbessern. Gleichzeitig sollte die Struktur in Bezug auf das Design angemessen optimiert werden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden, und bei der Montage sollten flexible Verbindungen verwendet werden, um die durch die Vibrationsübertragung verursachten Spannungen zu verringern.
2. Bereich Luft- und Raumfahrt
   Die Luft- und Raumfahrtindustrie stellt extrem hohe Leistungsanforderungen an Werkstoffe, und Aluminiumoxid-Keramik wird aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Temperaturbeständigkeit in Komponenten von Flugzeugtriebwerken, Wärmeschutzsystemen für Flugzeuge usw. verwendet. Aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit, der hohen Temperaturen und des hohen Drucks in Flugzeugtriebwerken sowie der komplexen Umgebung in großer Höhe stehen Aluminiumoxid-Keramikkomponenten jedoch vor enormen Herausforderungen, und eine kleine Unachtsamkeit kann aufgrund von Sprödbruch zu schweren Unfällen führen. Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher eine Reihe von Zähigkeitstechniken entwickelt, wie z. B. die Zugabe von Zähigkeitsmitteln zu Aluminiumoxidkeramik. Darüber hinaus werden mit Hilfe fortschrittlicher zerstörungsfreier Prüftechniken strenge Qualitätskontrollen an keramischen Bauteilen durchgeführt, um fehlerhafte Produkte sofort zu erkennen und zu beseitigen.
3. Im Bereich der mechanischen Bearbeitung
   -Aluminiumoxidkeramik wird häufig als Schneidwerkstoff in der mechanischen Bearbeitung eingesetzt, insbesondere bei der Bearbeitung von hochharten und hochverschleißfesten Metallwerkstoffen. Aufgrund ihrer Sprödigkeit treten jedoch bei der Verwendung auch Probleme wie Ausbrüche und Risse auf. Um dieses Problem zu lösen, können einerseits die geometrischen Parameter des Werkzeugs optimiert werden, z. B. durch Vergrößerung des Span- und Spanwinkels des Werkzeugs, um die Auswirkungen der Schnittkräfte auf das Werkzeug zu verringern. Andererseits kann die Beschichtungstechnologie genutzt werden, um die Oberfläche von Aluminiumoxid-Keramik-Schneidwerkzeugen mit einer verschleißfesten und zähen Beschichtung, z. B. Titannitrid (TiN) oder Titankarbid (TiC), zu versehen, um die Schlagfestigkeit der Werkzeuge zu verbessern.

5、 Künftige Entwicklungsrichtungen und Forschungsschwerpunkte

1. Nanokomposit-Technologie
   -Die Nanokomposittechnologie ist eine wichtige Richtung in der aktuellen Forschung zu Aluminiumoxidkeramik. Durch das Einbringen von Nanopartikeln oder Nanofasern in Aluminiumoxidkeramik können die Zähigkeit und die Festigkeit des Materials auf der Mikroskala verbessert werden. Durch die gleichmäßige Verteilung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder Siliziumdioxid-Nanopartikeln in einer Aluminiumoxid-Keramikmatrix können die hohe spezifische Oberfläche und die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Nanopartikel Spannungen effektiv absorbieren und verteilen und so die Rissausbreitung unterdrücken. Darüber hinaus kann die Nanoverbundtechnologie die Mikrostruktur von Werkstoffen weiter optimieren und ihre Gesamtleistung durch die Grenzflächeninteraktion zwischen Nanopartikeln und Matrix verbessern.
2. Intelligente keramische Werkstoffe
   -Intelligente keramische Werkstoffe sind ein wichtiger Trend bei der künftigen Entwicklung von Aluminiumoxidkeramik. Durch die Einführung intelligenter Werkstoffe wie Formgedächtnislegierungen und piezoelektrische Werkstoffe in Aluminiumoxidkeramik können keramische Werkstoffe mit Selbsterkennungs-, Selbstheilungs- und Anpassungsfunktionen ausgestattet werden. Wenn beispielsweise Mikrorisse in Aluminiumoxid-Keramikmaterialien unter äußerer Krafteinwirkung auftreten, können Formgedächtnislegierungen das Vorhandensein von Rissen erkennen und durch den Formgedächtniseffekt Spannungen erzeugen, die die Risse wieder schließen und eine Selbstheilungsfunktion des Materials bewirken können. Die Erforschung und Anwendung dieses intelligenten keramischen Materials wird neue Ideen und Methoden zur Lösung des Problems der Zerbrechlichkeit von Aluminiumoxid-Keramik liefern.
3. Multiskaliger Strukturentwurf
   Das Multiskalen-Strukturdesign ist eine weitere wirksame Methode zur Verbesserung der Zähigkeit von Aluminiumoxidkeramiken. Durch die synergetische Optimierung der Mikro-, Meso- und Makrostrukturen von Werkstoffen kann die Spannung auf verschiedenen Ebenen verteilt werden, um die Rissfestigkeit zu verbessern. Auf der Mikroskala kann beispielsweise durch die Kontrolle der Korngröße und der Korngrenzenstruktur die Bildung von Defekten reduziert werden; auf der Mesoskala können sinnvolle faser- oder partikelverstärkte Strukturen entworfen werden; auf der Makroskala können Form und Größe der Materialien optimiert werden, um Bereiche mit Spannungskonzentration zu vermeiden. Mit dieser Multiskalen-Strukturierungsmethode können die Leistungsvorteile der Werkstoffe voll ausgeschöpft und eine hohe Festigkeit und Zähigkeit von Aluminiumoxidkeramik erreicht werden.
4. Additive Fertigungstechnologie
   Die Technologie der additiven Fertigung (3D-Druck) bietet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Aluminiumoxidkeramiken. Mit Hilfe der additiven Fertigungstechnologie können die Mikrostruktur und die Form von Materialien präzise gesteuert werden, um die Herstellung komplexer Strukturen zu ermöglichen. Mit der SLM-Technologie (Laser Selective Melting) kann beispielsweise Aluminiumoxid-Keramikpulver Schicht für Schicht aufgeschmolzen werden, um keramische Komponenten mit komplexen inneren Strukturen herzustellen. Diese Technologie kann nicht nur die Dichte und Gleichmäßigkeit von Werkstoffen verbessern, sondern auch ihre Zähigkeit durch die Optimierung ihrer inneren Struktur erhöhen. Darüber hinaus lassen sich mit der additiven Fertigungstechnologie auch Werkstoffe individuell anpassen, um den Anforderungen verschiedener Anwendungsszenarien gerecht zu werden.

Als leistungsstarke Spezial keramisches MaterialAluminiumoxidkeramiken haben hervorragende Leistungen in Bezug auf Härte, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit gezeigt, aber ihre Sprödigkeit war schon immer ein Schlüsselfaktor, der ihre breite Anwendung einschränkte. Durch eine gründliche Erforschung der Ursachen ihrer Sprödigkeit, wie z. B. der Ionenbindungseigenschaften der Kristallstruktur, der durch die Verarbeitungstechniken eingebrachten Eigenspannungen, der inneren Defekte des Materials und des Einflusses der äußeren Umgebung, können verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung ihrer Bruchfestigkeit ergriffen werden, wie z. B. die Optimierung der Mikrostruktur, die Kontrolle der Verarbeitungstechniken, die Oberflächenbehandlung, die Zugabe von Zähigkeitsmitteln und der Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren. In praktischen Anwendungen können die Leistung und Zuverlässigkeit von Aluminiumoxid-Keramik durch strukturelle Optimierung, Beschichtungstechnologie und die Einführung intelligenter Materialien weiter verbessert werden, um den Anforderungen verschiedener Bereiche wie Elektronik, Luft- und Raumfahrt, mechanische Verarbeitung usw. gerecht zu werden.