Alles, was wir über stabilisiertes Zirkonoxid wissen müssen

Zirkonoxid, oft auch als Keramikstahl bezeichnet, ist eine robuste technische Keramik, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird. Es bietet hohe Verschleißfestigkeit, ist extrem hart und weist eine gute thermische Stabilität auf. Zirkonoxid wird jedoch häufig stabilisiert, um sein Verhalten bei Wärmebelastung zu verzögern.

Was ist Zirkonia?

Zirkoniumdioxid (ZrO2), oft auch Zirkonia genannt, kommt in seiner reinsten Form im natürlichen Erz Baddeleyit vor. Synthetisch kann Zirkoniumdioxid auch aus Zirkon hergestellt werden. Zirkon (ZrSiO4) kommt häufig in Mineral- oder Sandvorkommen vor. Synthetisches Zirkonia (ZrO2) wird durch Schmelzen von Zirkoniumdioxid bei sehr hohen Temperaturen hergestellt. Die folgende Abbildung veranschaulicht das breite Eigenschaftsspektrum von Keramik.

Die Eigenschaften von ZrO2: ein kurzer Überblick

Die Eigenschaften von ZrO₂-Keramik zu kennen, ist sehr wichtig. Werfen wir einen Blick auf die wichtigsten Eigenschaften.

Wofür wird Zirkonoxid verwendet?

Auflistung einiger der wichtigsten Anwendungen von ZrO2:

• Zur Herstellung von Hochdruck-Geräteventilen wie Kugelhähnen und den dazugehörigen Sitzen

• Wärmedämmschicht in Dieselmotoren und feuerfestem Material

• Sauerstoffsensoren

• Kronen und Brücken sowie andere Zahnrestaurationen und Prothesen im Körper

• Zur Bearbeitung von gehärteter Keramik Messer, Fäden und Drähte

• Wird als Photokatalysator verwendet

• Als synthetischer Diamant wird Zirkonia verwendet, der im Vergleich zu echten Diamanten kostengünstig ist.

• Wird aufgrund der Ionenaustauschfähigkeit zur Herstellung von Membranen in Brennstoffzellen verwendet.

Zirkonia: Ein Diamantersatz

Zirkoniumdioxid in seiner kristallinen Form wird als Zirkonia bezeichnet. Zirkonia ist ein künstlich hergestelltes Mineral. Manchmal wird es auch als Zirkonsilikat bezeichnet, da es oft mit Zirkon getarnt wird. Zirkonia ist ein Metall, das von Diamantliebhabern bevorzugt wird, die sich keinen leisten können. Auf dem Weltmarkt wird Zirkonia häufig als synthetischer Edelstein verwendet.

Sie sind isometrisch kristallin und eignen sich gut als Diamanten. Die Dichte von Zirkonia liegt zwischen 5,5 und 6 g/cm³. Sie sind relativ hart. Der Mohs-Härtewert liegt zwischen 8 und 8,5. Der Brechungsindex von Zirkonia liegt zwischen 2 und 2,18.

Außer als Diamant wird Zirkonia auch als Zahnimplantat, Strukturkomponente in der Industrie und Prothetik verwendet.

Der Einfluss der Temperatur auf Zirkoniumdioxid (ZrO2) und die Notwendigkeit einer Stabilisierung

Besprechen wir das Verhalten von Zirkoniumdioxid bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen. ZrO₂ durchläuft unter Temperatur einen Phasenübergang. Beim Temperaturwechsel von 1173 °C auf 2370 °C wandelt sich ZrO₂ von der monoklinen in die tetraedrische Struktur um. Bei 2690 °C wird ZrO₂ kubisch, und ein weiterer Temperaturanstieg führt zum Schmelzen von ZrO₂.

Da der Phasenübergang auch eine Volumenänderung mit sich bringt, neigt die Keramik zu Rissen und anderen Verformungen. Daher ist die Stabilisierung von ZrO2 sehr wichtig, damit das Metall bei unterschiedlichen Anwendungstemperaturen funktioniert.

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (Y2O3.ZrO2)

YSZ wird durch Stabilisierung bei Raumtemperatur mit Yttriumoxid (Y2O3) hergestellt. Die Stabilisierung erfolgt durch den Ersatz von Zr4+ durch größere Yttriumionen wie Y3+ im Kristallgitter. Die Ionenradien von Zr4+ und Y3+ betragen 0,82 Å bzw. 0,96 Å.

Die üblichen Stabilisatoren außer Yttrium sind Magnesiumoxid (MgO), Ceroxid (CeO2), Calciumoxid (CaO), Hafniumoxid (HfO2) und Aluminiumoxid (Al2O3). Das stabilisierte Yttriumzirkonoxid (YSZ) hat eine kubische Struktur.

Vorteile von Yttriumoxid (Y2O3) stabilisiertem (ZrO2) Zirkonoxid

Die Vorteile von Yttrium-Zirkonoxid sind nachstehend aufgeführt:

• Sie bieten extreme Stärke

• Die Keramik YZS hat eine hohe Temperaturbeständigkeit und wird häufig als feuerfeste und thermische Barrierebeschichtung verwendet

• Sie sind korrosionsbeständig

• YSZ rostet nicht und kann dort eingesetzt werden, wo Oxidationsgefahr besteht.

Anwendungen von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ)

Zahnheilkunde

Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) wird aufgrund seiner Härte, Biokompatibilität und chemischen Inertheit in der Zahnmedizin eingesetzt. Es wird für Zahnkronen, Brücken und bestimmte Zahnrestaurationen verwendet. Die Korrosionsbeständigkeit in Gegenwart von Feuchtigkeit macht Yttrium-Zirkonoxid zum besten Dentalbestandteil.

Feuerfest

Aufgrund ihrer extremen Härte eignet sich Yttriumkeramik ideal für feuerfeste Beschichtungen und Wärmedämmschichten in Motoren. Yttriumzirkonoxid wird außerdem zur Wärmedämmung und zur Handhabung heißer Gegenstände eingesetzt.

Brennstoffzellen

Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) wird zur Herstellung von Festkörperbrennstoffzellen verwendet. Die Leitfähigkeit für Sauerstoffionen und die Elektronenverzögerung sind die wichtigsten Eigenschaften. Die Betriebstemperatur liegt bei etwa 800 – 1000 °C.

Andere Verwendungen

Yttriumkeramik eignet sich außerdem hervorragend zur Herstellung von extrem haltbarem Zement. YSZ wird in Beschichtungen eingesetzt. Auch beim Präzisionsschleifen kommen sie zum Einsatz.

Magnesiumstabilisiertes Zirkonoxid (MSZ)

MSZ weist im Vergleich zu Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) eine geringere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere Stabilität bei Feuchtigkeit auf. Es ist verschleißfest, extrem zäh und chemisch inert. MSZ weist tetragonale Ausscheidungen mit kubischen Körnern auf. Diese Ausscheidungen tragen zur Stabilität der Keramik in ihrer monoklinen Phase bei.

Eigenschaften von Magnesiumzirkonoxid

• Die Betriebstemperatur liegt über 220 °C

• Die wichtigsten Eigenschaften sind hohe thermische Stabilität, Verschleißfestigkeit

• Geringere Wärmeleitfähigkeit

• Die Wärmeausdehnung trägt zur Verbindung von Metall und Keramik bei

• Beständigkeit gegen Säuren und Basen

Die wichtigsten Anwendungen von MSZ

• Wird als Struktur-/technische Keramik verwendet

• Präzisionsventilkomponenten und Zubehör

• Pumpenhülsen und Kolben

• Festoxidbrennstoffkomponenten

• Wird in der Rohrformung verwendet

Kalziumstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ)

CSZ entsteht durch die Zugabe von Calciumoxid zu Zirkoniumdioxid zur Stabilisierung. Der Schmelzpunkt dieser Keramik liegt bei 2700 °C. Die Dichte des Materials beträgt ca. 5,6 g/cm³. CSZ wird dort eingesetzt, wo hohe thermische Stabilität erforderlich ist. Sie bieten extreme Stoß- und Hitzebeständigkeit.

Weitere Anwendungen umfassen Beschichtungen zur Gewährleistung der Verschleißfestigkeit sowie feuerfeste Wärmedämmschichten.

Ceroxidstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ)

Dieser spezielle Keramiktyp verwendet, wie der Name schon sagt, Ceroxid zur Stabilisierung des Zirkonoxids im Kristallgitter. Sie sind chemisch beständig und werden hauptsächlich bei Anwendungen eingesetzt, die hohe Temperaturen erfordern. Die Zugabe von Ceroxid erhöht die Sauerstoffleitfähigkeit. Sie werden in Brennstoffzellen und Sauerstoffsensoren eingesetzt.

Die Dichte der Keramik liegt im Bereich von 6,6 g/cm³ und die Reinheit von Ceroxid-stabilisiertem Zirkonoxid beträgt etwa 99 %. CSZ wird unter anderem als hochstabiles Schleifmittel in der Lack- und Farbenindustrie sowie in verwandten Industriezweigen eingesetzt. Sie werden auch als Katalysatoren in Abgassystemen der Automobilindustrie verwendet.

Aluminiumoxidstabilisiertes Zirkonoxid (ASZ)

ASZ wird durch die Kombination hochwertiger Aluminiumoxidlegierungen mit ZrO₂-Kristallgittern hergestellt. Der Aluminiumoxidanteil liegt je nach gewünschter Qualität zwischen 10 % und 50 %. ASZ bietet hohe Bruchzähigkeit und hohe Festigkeit. ASZ werden in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik eingesetzt.

ASZ wird auch zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die leistungsstarke keramische Gegenstücke erfordern. Die Stabilisierung sorgt dafür, dass sie auch unter rauen Bedingungen einwandfrei funktionieren. Die in ASZ verwendete Aluminiumoxiddichte beträgt etwa 3,7 – 3,8 g/cm³.

Teilstabilisiertes Zirkonoxid

Teilstabilisiertes Zirkonoxid (PSZ) enthält ca. 10 % MgO. Diese Keramik bietet extreme Zähigkeit und ist auch bei hohen Temperaturen einsetzbar. PSZ hat eine tetragonale Struktur, die bei höheren Temperaturen monoklin wird. Dieser Keramiktyp enthält ca. 4% – 10 % YSZ.

Zu den Vorteilen von PSZ zählen eine geringe Wärmeleitfähigkeit, bessere strukturelle Stabilität, extreme Belastbarkeit und Kosteneffizienz. Sie werden häufig in Thermoelementen eingesetzt. Wenn extreme Belastbarkeit im Vordergrund steht, verwenden Ingenieure häufig PSZ gegenüber vollstabilisierten Werkstoffen.

Die Bruchzähigkeit von PSZ beträgt 12 MPam1/2 und ist mit 10% MgO gemischt. Sie sind gute Stoßdämpfer. Diese Keramik wird als Schweißbereichsstifte verwendet und kommt häufig der Öl- und Gasindustrie zugute.

Vergleichstabelle der Prominent-Keramik

Fazit

Der Fortschritt in der Materialtechnologie ermöglichte die Entwicklung optimaler Materialien für jeden Anwendungsbereich. Funktionalität ist entscheidend bei der Auswahl neuer Keramiken für die gewünschte Anwendung. Die Stabilisierung gewährleistet optimale Leistung bei der gewünschten Temperatur. Stabilisierte Zirkonoxidkeramik ist hinsichtlich ihrer Anpassungsfähigkeit zweifellos überlegen.