Zirkoniumdioxidkeramik hat eine Reihe einzigartiger Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen sehr wertvoll machen. Bei der Verwendung von Zirkoniumoxid muss jedoch berücksichtigt werden, dass die verschiedenen Anwendungsbereiche unterschiedliche Modifikationen der Zirkoniumdioxidkeramik erfordern. Diese Modifikationen werden am Ende beschrieben. Hier sind einige der wichtigsten allgemeinen Eigenschaften von Zirkonoxidkeramik:

Hohe Bruchzähigkeit:

Zirkonoxidkeramik weist eine außergewöhnliche Bruchzähigkeit auf, die sie widerstandsfähig gegen Rissausbreitung macht und für hochbelastete mechanische Anwendungen geeignet ist.

Hohe Härte:

Zirkonoxid hat eine hohe Härte, die zu seiner Verschleißfestigkeit beiträgt und es ideal für Schneidwerkzeuge und verschleißfeste Komponenten macht.

Thermische Stabilität:

Zirkonoxidkeramik kann hohen Temperaturen ohne nennenswerte Beeinträchtigung standhalten und eignet sich daher für Hochtemperaturanwendungen wie Wärmedämmschichten und feuerfeste Materialien.

Ionenleitfähigkeit:

Zirkonoxid weist eine hohe Ionenleitfähigkeit auf, insbesondere mit Yttriumoxidstabilisierung (8YSZ). Diese Eigenschaft ist wichtig für Anwendungen wie Brennstoffzellen und Sauerstoffsensoren (Lambdasonde).

Niedrige Wärmeleitfähigkeit:

Zirkonoxid hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, weshalb es als thermische Barriere verwendet werden kann, welche die darunter liegenden Strukturen vor extremer Hitze schützt.

Biokompatibilität:

Zirkonoxid ist biokompatibel, d. h. es löst im Körper keine Immunreaktion aus. Daher ist es für zahnmedizinische und orthopädische Implantate geeignet.

Chemisch Inert:

Zirkonoxid weist eine sehr gute chemische Beständigkeit auf, so dass es sich für aggressive chemische Medien eignet.

Hohe Festigkeit:

Zirkonoxid hat eine hohe mechanische Festigkeit, weshalb es sich für Maschinenbauteile eignet.

Ästhetische Eigenschaften:

Zirkonoxid kann auf Hochglanz poliert werden und sein zahnähnliches Aussehen machen es ideal für Zahnrestaurationen.

Diese Eigenschaften machen Zirkoniumdioxid-Keramik zu einem vielseitigen und wertvollen Material in verschiedenen Branchen, von medizinischen Implantaten bis hin zu Hochtemperaturanwendungen. Abhängig von den verschiedenen Stabilisierungen sind beispielhafte Anwendungen:

Verschleißbeständige Komponenten:

Dank seiner bemerkenswerten Härte und Verschleißfestigkeit eignet sich Zirkonoxid ideal für Komponenten, die abrasiven Bedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. Pumpendichtungen, Ventilsitze und Lager.

Hochtemperatur-anwendungen:

Aufgrund seiner Hochtemperaturbeständigkeit eignet sich Zirkonoxid für feuerfeste Auskleidungen, Wärmedämmschichten und Isolierungen für Öfen.

Schneidwerkzeuge:

Die Kombination aus Härte und Zähigkeit von Zirkonoxidkeramik macht es zu einem sehr geeigneten Schneidwerkzeug, insbesondere für die Bearbeitung harter Materialien.

Zahnimplantate und Prothetik:

Zirkonoxid wird aufgrund seiner Biokompatibilität, seiner Festigkeit und seines ästhetischen Aussehens häufig für Zahnersatz wie Kronen, Brücken und Implantate verwendet.

Orthopädische Implantate:

Aufgrund der Verschleißfestigkeit und Biokompatibilität werden Zirkonoxidkeramiken in orthopädischen Implantaten wie Hüft- und Knieprothesen verwendet.

Brennstoffzellen (SOFCs):

Zirkonoxid ist aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitfähigkeit eine wichtige Komponente in Brennstoffzellen, die eine effiziente Energieerzeugung mit geringen Emissionen ermöglicht.

Sauerstoffsensor:

Zirkonoxid wird aufgrund seiner hohen Ionenleitfähigkeit in Sauerstoffsensoren für Automobil- und Industrieanwendungen eingesetzt (Lambdasonden).

Hochwertige Uhren:

Dank seiner Langlebigkeit und ästhetischen Qualitäten eignet sich Zirkonoxid für hochwertige Uhrenkomponenten.

Stabilisierung von Zirkonoxid-Keramiken:

Die Stabilisierung von Zirkonoxid ist von entscheidender Bedeutung, um seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seine Temperaturbeständigkeit in verschiedenen Anwendungen zu gewährleisten. Ohne eine geeignete Stabilisierung kann es zu Phasenumwandlungen kommen, die seine Anwendungsmöglichkeiten stark einschränken. Daher ist es wichtig, geeignete Stabilisatoren wie Yttrium, Magnesium, Cer oder Calcium zu verwenden, um zuverlässige Eigenschaften in anspruchsvollen Anwendungen zu gewährleisten. Die üblichen Stabilisatoren für Zirkonoxid sind:

Y-TZP (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid)

Yttriumoxidstabilisiertes Zirkonoxid (Y-TZP) ist eine Keramik, die sich durch die Beimengung von Yttriumoxid (Y2O3) als Stabilisator auszeichnet, im Allgemeinen in Konzentrationen von 2 bis 3 Atom-%. Höhere Gehalte an Yttriumoxid von z.B. 8% führen zu einer sehr guten Sauerstoffionenleitfähigkeit (Anwendungen z.B. Lambdasonde, SOFCs – Solid Oxide Fuel Cells). Y-TZP weist eine relativ niedrige Sintertemperatur auf, typischerweise im Bereich von 1.400°C bis 1.550°C, was seine Verarbeitung erleichtert. Y-TZP ist bekannt für seine bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur, mit einer Biegefestigkeit von über 1.000MPa und mehr. Die Bruchzähigkeit von Y-TZP liegt im Allgemeinen zwischen 10 und 15MPa·m1/2. Darüber hinaus weist Y-TZP eine hervorragende Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität auf, was es zu einem der vielversprechendsten keramischen Werkstoffe macht. Die optimale Festigkeit wird mit einer Konzentration von etwa 3,5% Y2O3 erreicht.

Eine wesentliche Einschränkung von Y-TZP ist jedoch seine Anfälligkeit für eine Zersetzung bei niedrigen Temperaturen, insbesondere im Bereich von 100°C bis 400°C. Bei längeren Anwendungen in diesem Temperaturbereich kann es zu einem Phasenübergang von der tetragonalen (t) zur monoklinen (m) Phase kommen, was zu einer erheblichen Verringerung der mechanischen Eigenschaften führt – ein Phänomen, das als Niedrigtemperaturdegradation bekannt ist. Dieser Alterungseffekt ist zwischen 200°C und 300°C am stärksten ausgeprägt und wird in feuchter oder wässriger Umgebung noch beschleunigt.

Mg-PSZ (Magnesium Partially Stabilized Zirconia)

Magnesium teilstabilisiertes Zirkonoxid (Mg-PSZ) bietet deutliche Vorteile gegenüber Y-TZP, insbesondere in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften und die Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, wodurch es sich für Anwendungen unter 800°C eignet. Die Entwicklung von Mg-PSZ wird jedoch durch zwei kritische Herausforderungen behindert: Die Mischkristalltemperatur von MgO im kubischen Bereich von ZrO2 liegt bei etwa 1.700°C, was eine hohe Sintertemperatur von 1.700°C bis 1.800°C erfordert. Außerdem neigt Mg-PSZ bei Temperaturen über 1.000°C zur Phasenumwandlung der tetragonalen Phase, was seine mechanische Festigkeit beeinträchtigt, weshalb die Anwendung von Mg-PSZ nur eingeschränkt möglich ist.

Ce-TZP (Ceroxid stabilisiertes Zirkonoxid)

Ceroxidstabilisiertes Zirkonoxid (Ce-TZP) verwendet Ceroxid (CeO2) als Stabilisator und bietet ähnliche Vorteile wie Y2O3. CeO2 kann eine feste Lösung mit Zirkonoxid über einen größeren Temperaturbereich bilden. Insbesondere kann die anfängliche Phasenübergangstemperatur vom tetragonalen zum monoklinen Zustand erheblich gesenkt werden; so liegt die Phasenübergangstemperatur für 3,5Y-TZP bei etwa 560°C, während diese Temperatur bei einem 20Ce-TZP auf unter 25°C gesenkt werden kann. Die für die Phasenumwandlung erforderliche kritische Korngröße ist bei Ce-TZP größer als bei Y-TZP, was die Herstellung hochwertiger Zirkonoxidkeramiken ohne die Verwendung ultrafeiner Pulver ermöglicht.

Im Vergleich zu Y-TZP weist Ce-TZP eine höhere Bruchzähigkeit und eine bessere Beständigkeit gegen hydrothermale Alterung bei niedrigen Temperaturen auf. Allerdings ist es durch eine geringere Härte und Festigkeit gekennzeichnet. Ce-TZP reagiert empfindlich auf die Sinterbedingungen, da reduzierende Atmosphären eine Kornvergröberung verursachen können, was sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Es hat sich gezeigt, dass die maximale Biegefestigkeit von Ce-TZP 800MPa erreichen kann, wenn der Atomprozentanteil von CeO2 zwischen 10% und 20% liegt. Die mechanischen Eigenschaften von Ce-TZP sind eng mit der Korngröße verknüpft, wobei gröbere Körner eine günstigere Phasenumwandlung an den Rissspitzen begünstigen und dadurch die Zähigkeit erhöhen. Daher hängt die effektive Herstellung von Ce-TZP-Keramiken von der präzisen Steuerung des Kristallkornwachstums ab, um eine optimale mechanische Leistung zu erzielen.

Die technische Spezifikation des Materials wird auf Anfrage zur Verfügung gestellt, da die genaue Festlegung von der jeweiligen Anwendung abhängt und mit unseren Kunden abgestimmt wird.