Oxid-Keramik - Keramik: Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird - page 122

5.7 Ionenleitende Oxid-Keramik

5.7.1 Sauerstofanionenleitende Oxid-Keramik

Auch hier sei nochmals daran erinnert, dass klassische Keramik-Erzeug-
nisse eine so geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, dass sie elek-
trische Isolatoren sind. Das hängt damit zusammen, dass die elektri-
schen Ladungen in den hauptsächlich heteropolar gebundenen Werkstof-
fen an Ionen fixiert sind. Die Kationen erhalten ihre positive Ladung
durch Elektronenabgabe an den Sauerstoff. Dieselbe Anzahl der von den
Kationen abgegebenen Elektronen wird durch die Anionen aufgenom-
men. Die Elektronenleitfähigkeit ist gleich Null. Die Ionen sind im Kris-
tallgitter lokal fixiert.
Es verbleibt eine sehr, sehr geringe Ionenleitfähigkeit durch Diffusi-
on. Obwohl es scheinbar einen Widerspruch darstellt, sind elektrische
Keramikisolatoren deshalb Ionenleiter. Die Leitfähigkeit korrespondiert
mit den Diffusionskoeffizienten der Ionen. Diese hängen von den Io-
nen selbst, aber auch von Baufehlern in den Kristallgittern ab. Letzterer
Effekt wird ausgenutzt, wenn man gezielt eine höhere elektrische Leitfä-
higkeit z. B. in Sauerstoffanionen leitender Oxid-Keramik herstellen will.
Man baut in das Kristallgitter Sauerstoff-Leerstellen ein. Die Diffusion
der Sauerstoffanionen über diese Leerstellen ist mit einem Ladungstrans-
port verbunden, der deutlich höher als bei Isolatoren liegt, jedoch in
Abhängigkeit von der Kristallstruktur variieren kann.

I Deinition Als elektrische Isolatoren sind alle die Werkstoffe defi-
niert, deren spezifischer elektrischer Widerstand über 10 8

cm bzw.
deren spezifische elektrische Leitfähigkeit unter 10 8 S cm 1 liegt. Me-
tallische Leiter besitzen spezifische elektrische Leitfähigkeiten in der
Größenordnung von 10 5 S cm 1 . Der Bereich dazwischen wird partiell
durch elektrische Halbleiter und Ionenleiter eingenommen.

Eine große Verbreitung haben Sauerstoffanionenleiter auf der Basis
von ZrO 2 gefunden. Bereits im Abschn. 5.3 wurde auf Zirkoniumdioxid-
Keramik eingegangen, allerdings mehr aus mechanischer Sicht und als
Implantatwerkstoff. Die Stabilität wurde durch Dotierungen mit MgO
oder Y 2 O 3 erreicht. Es ist aber auch eine Dotierung mit CaO möglich.