Leitfähige Keramik
Leitfähige Keramik, fortschrittliche industrielle Materialien, die aufgrund von Änderungen in ihrer Struktur als elektrische Leiter dienen.
Neben den bekannten physikalischen Eigenschaften keramischer Werkstoffe – Härte, Druckfestigkeit, Sprödigkeit — besteht die Eigenschaft des elektrischen Widerstands. Die meisten Keramiken widerstehen dem Fluss von elektrischem Strom, und aus diesem Grund wurden keramische Materialien wie Porzellan traditionell zu elektrischen Isolatoren verarbeitet. Einige Keramiken sind jedoch ausgezeichnete elektrische Leiter. Die meisten dieser Leiter sind moderne Keramiken, moderne Materialien, deren Eigenschaften durch genaue Steuerung über ihrer Herstellung von den Pulvern in Produkte geändert werden. Die Eigenschaften und die Herstellung von hochentwickelter Keramik sind im Artikel Hochentwickelte Keramik beschrieben. Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Eigenschaften und Anwendungen mehrerer elektrisch leitfähiger Hochleistungskeramiken.
Die Ursachen des spezifischen Widerstands in den meisten Keramiken sind im Artikel Keramikzusammensetzung und -eigenschaften beschrieben. Für die Zwecke dieses Artikels können die Ursprünge der Leitfähigkeit in der Keramik kurz erklärt werden. Die elektrische Leitfähigkeit in Keramik ist wie in den meisten Materialien von zwei Arten: elektronisch und ionisch. Elektronische Leitung ist der Durchgang freier Elektronen durch ein Material. In der Keramik erlauben die Ionenbindungen, die die Atome zusammenhalten, keine freien Elektronen. In einigen Fällen können jedoch Verunreinigungen mit unterschiedlicher Wertigkeit (dh mit unterschiedlicher Anzahl von Bindungselektronen) in dem Material enthalten sein, und diese Verunreinigungen können als Donatoren oder Akzeptoren von Elektronen wirken. In anderen Fällen können Übergangsmetalle oder Seltenerdelemente unterschiedlicher Wertigkeit enthalten sein; Diese Verunreinigungen können als Zentren für Polaronen fungieren — Elektronenarten, die kleine Bereiche lokaler Polarisation erzeugen, wenn sie sich von Atom zu Atom bewegen. Elektronisch leitfähige Keramiken werden als Widerstände, Elektroden und Heizelemente verwendet.
Ionenleitung besteht aus dem Transit von Ionen (Atomen positiver oder negativer Ladung) von einem Ort zum anderen über Punktdefekte, die als Leerstellen im Kristallgitter bezeichnet werden. Bei normalen Umgebungstemperaturen findet sehr wenig Ionensprung statt, da sich die Atome in relativ niedrigen Energiezuständen befinden. Bei hohen Temperaturen werden Leerstellen jedoch mobil, und bestimmte Keramiken zeigen eine sogenannte schnelle Ionenleitung. Diese Keramiken sind besonders nützlich in Gassensoren, Brennstoffzellen und Batterien.
