Alles, was wir über stabilisiertes Zirkonoxid wissen müssen

Zirkoniumdioxid wird oft als keramischer Stahl bezeichnet. Es handelt sich um eine robuste technische Keramik, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird. Zirkonoxid (ZrO2) bietet eine gute Verschleißfestigkeit und verfügt über eine gute thermische Stabilität. Zirkonoxidkeramik wird jedoch häufig stabilisiert, um Verhaltensänderungen bei Wärmebelastung zu minimieren.

Definieren Sie Zirkonium? Wie unterscheidet sich Zirkonia von Zirkonium?

Bevor wir uns näher mit den stabilisierten Formen von Zirkonoxid befassen, ist es wichtig zu wissen, was Zirkonoxid, Zirkonium, Zirkon und Zirkonoxidkeramik ist. Im folgenden Abschnitt erfahren Sie mehr darüber.

Was ist Zirkonium?

Zirkonium ist ein silbergraues Metall, das im Allgemeinen aus Zirkon hergestellt wird. Es kommt in der Erdkruste in großen Mengen vor, entweder in Silikatform in Zirkon oder in sehr geringer Menge in Baddeleyit. Zr-Schmelzpunkt beträgt 1855 °C, die Zr-Dichte beträgt 6,51 g/cm3 und es hat eine Ordnungszahl um die 40. Zirkoniummetall ist das 20. am häufigsten in der Natur vorkommende Metall.

Was ist Zirkonoxid, ZrO2?

Auf der anderen Seite, Zirkonoxidkeramik ist heute eines der am besten erforschten keramischen Materialien. Es wird oft auf natürliche Weise aus seinem Erz gewonnen  Baddeleyit. Synthetik Zirkonoxid-Material kann auch durch Schmelzen von Zirkon (Zirkoniumsilikat) bei sehr hohen Temperaturen hergestellt werden. Zirkoniumdioxid, ZrO2 behält bei Raumtemperatur im Allgemeinen eine monokline Struktur.

Die Eigenschaften von ZrO2

Die Kenntnis der Eigenschaften von ZrO2-Keramik ist sehr wichtig, um den Anwendungskontext der Keramik zu verstehen. Werfen wir einen Blick auf die Eigenschaften von ZrO2

Allgemeine Eigenschaften

Andere Eigenschaften

Was ist stabilisiertes Zirkonoxid?

Nun, bevor wir etwas erfahren über stabilisiertes ZirkonoxidEs ist wichtig, das Verhalten von Zirkonoxid unter unterschiedlicher Wärmebelastung zu verstehen. Dies gibt uns eine Vorstellung davon, warum es Fortschritte bei der Stabilisierung dieser Keramik gegeben hat. Kurz gesagt, bei der Stabilisierung einer Keramik geht es darum, ihre strukturelle Integrität zu bewahren.

Wie erwähnt ZrO2 erfährt einen Phasenübergang unter unterschiedlicher Temperaturbelastung. Beispielsweise führt eine Temperaturänderung von 1173 °C auf 2370 °C ZrO2 von der monoklinen zur tetraedrischen Struktur. Wenn die Temperatur 2690 °C erreicht, ZrO2 wird kubisch. Ein späterer Temperaturanstieg führt zum Schmelzen von ZrO2.

Im Allgemeinen bezeichnet der Phasenübergang auch eine Volumenänderung, bei der Zirkonoxidkeramik Risse und Verformungen. Durch die Stabilisierung werden solche ungünstigen Veränderungen in der Keramikstruktur verhindert. Daher wird Zirkonoxid häufig stabilisiert.

Arten von stabilisiertem Zirkonoxid

Wir haben also verstanden, warum eine Stabilisierung erforderlich ist, wenn es darum geht, Zirkonoxidkeramik. Lassen Sie uns nun die verschiedenen Arten von stabilisiertes Zirkonoxid ausführlich.

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (Y2O3.ZrO2)

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid entsteht durch die Stabilisierung von Zirkoniumdioxid bei Raumtemperatur durch Zugabe von Yttriumoxid (Y2O3). Die Stabilisierung initiiert den Ersatz von Zr4+ durch größere Yttriumionen Y3+ im Kristallgitter. Vor der Stabilisierung weist Zirkoniumdioxid monokline, kubische und tetragonale Phasen auf. Nach der Stabilisierung Yttriumzirkonoxid (YSZ) wird nur eine kubische Struktur haben.

Eigenschaften von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid

• Dichte von Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid liegt bei etwa 6 g/cc. Die moderate Dichte von YSZ sorgt dafür, dass kein übermäßiges Gewicht auf jedem Material lastet, in dem es Teil von
• Wärmeleitfähigkeit von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid liegt bei einem Wert von 2,9 W/mK bei einer Temperatur von 20 °C.
• Yttrium-Zirkonoxid bietet eine Rockwell-Härte von etwa 85, was auf die besten mechanischen Eigenschaften der Keramik zurückzuführen ist.

Vorteile von Yttriumoxid (Y2O3) stabilisiertem (ZrO2) Zirkonoxid

Die Vorteile von Yttriumzirkonoxid sind unten aufgeführt:

• Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid YSZ bieten extreme Stärke
• Die Keramik YZS hat eine hohe Temperaturbeständigkeit, wird oft als feuerfestes Material und als Wärmedämmschicht verwendet
• Sie sind von Natur aus korrosionsbeständig
• YSZ rostet nicht und kann dort eingesetzt werden, wo Oxidationsgefahr besteht.

Anwendungen von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ)

Zahnheilkunde

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) ist extrem hart, biokompatibel und chemisch inert. Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid für die Zahnmedizin Anwendungen umfassen Kronen, Brücken und Implantate. Wie wir alle wissen, hat unser Mund eine feuchte Umgebung, da Yttriumzirkonoxid korrodiert nicht. Sie fungieren als besseres Zahnmaterial.

Feuerfeste und thermische Beschichtung

Die Hitzebeständigkeit von Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid macht es zu einem idealen Feuerfestmaterial. YSZ wird auch als Wärmedämmstoff zum Isolieren heißer Gegenstände und als Beschichtungsmaterial auf Motoroberflächen verwendet.

Brennstoffzellen

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) dient als Elektrolyt in Festkörperbrennstoffzellen. Beim Einsatz von YSZ als funktionierendem Elektrolyt wird die selektive Leitfähigkeit von Sauerstoffionen übersehen. Die Betriebstemperatur liegt in der Regel bei 800 – 1000 °C.

Andere Verwendungen

Weitere Verwendungsmöglichkeiten von Yttriumkeramik sind die Verwendung als Komponente in der Zementherstellung aufgrund ihrer Haltbarkeit. Die Härte macht sie zu einem idealen Material für  Mahlkugeln .

Magnesiumstabilisiertes Zirkonoxid (MSZ)

MSZ im Vergleich zu Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit und mehr Stabilität bei feuchten Bedingungen. Sie sind verschleißfest, extrem zäh und chemisch inert. In der Struktur, Magnesiastabilisiertes Zirkonoxid weist tetragonale Niederschläge mit kubischen Körnern auf.

Eigenschaften von magnesiumstabilisiertem Zirkonoxid

• Die Betriebstemperatur von Magnesiastabilisiertes Zirkonoxid liegt über 220 °C
• Die Hauptmerkmale von MSZ sind hohe thermische Stabilität, geringe Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit
• MSZ sind säure- und basenbeständig

Die wichtigsten Anwendungen von MSZ

• Magnesiastabilisiertes Zirkonoxid dienen zur Herstellung von Struktur- oder technischer Keramik
• Sie eignen sich als ideales Material für Präzisionsventilkomponenten, Pumpenhülsen und Kolben
• Magnesiastabilisiertes Zirkonoxid wird bei der Herstellung von Festoxidbrennstoffkomponenten verwendet
• MSZ wird in Rohrformungsanwendungen verwendet

Kalziumstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ)

Kalziumstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ) wie der Name schon sagt, ist der Stabilisator hier Calciumoxid. Kalziumstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ) hat einen Schmelzpunkt von 2700 °C bei einer Dichte von 5,6 g/cm3. Sie sind oft für ihre hohe thermische Stabilität bekannt und bieten extreme Stoßfestigkeit. Die beliebten Anwendungen von Kalziumstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ) Dazu gehören Beschichtungen zur Gewährleistung der Verschleißfestigkeit, als Feuerfestmaterial und als Wärmebarrieren.

Ceroxidstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ)

Ceroxidstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ) verwendet Ceroxid zur Stabilisierung des Zirkonoxids im Kristallgitter. Sie sind chemisch beständig und werden hauptsächlich für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Da die Zugabe von Ceroxid die Sauerstoffleitfähigkeit erhöht, werden sie als Festelektrolyte in Brennstoffzellen eingesetzt. Ceroxidstabilisiertes Zirkonoxid (CSZ) fungieren auch als Sauerstoffsensoren.

Ceroxid-stabilisiertes Zirkonoxid Die Dichte beträgt 6,6 g/cm³ bei einer Reinheit von ca. 99 %. CSZ wird unter anderem als hochstabiles Schleifmittel in der Farben- und Lackindustrie sowie in verwandten Industriezweigen eingesetzt. Auch als Katalysatoren in Abgassystemen der Automobilindustrie kommen sie zum Einsatz.

Aluminiumoxidstabilisiertes Zirkonoxid (ASZ)

ASZ wird durch die Kombination hochwertiger Tonerde mit einem ZrO2-Kristallgitter hergestellt. Der Tonerdeanteil liegt je nach Qualität zwischen 10 % und 50 %. Aluminiumoxidstabilisiertes Zirkonoxid bietet hohe Bruchzähigkeit und hohe Festigkeit. ASZ werden in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik eingesetzt.

ASZ wird auch zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die leistungsstarke keramische Gegenstücke erfordern. Die Stabilisierung mit Aluminiumoxid trägt dazu bei, dass sie auch unter rauen Bedingungen funktionieren. Die Dichte von ASZ beträgt etwa 3,7 – 3,8 g/cm³.

Vergleich von stabilisiertem Zirkonoxid

Wir hatten also eine kurze Vorstellung davon, warum stabilisiertes Zirkonoxid und welche Arten sind am häufigsten. Hier ist eine kurze Vergleichstabelle mit verschiedenen Zirkonoxid-Arten.

Teilstabilisiertes Zirkonoxid und vollständig stabilisiertes Zirkonoxid

Teilstabilisiertes Zirkonoxid (PSZ) sind von unterschiedlicher Art. Es kann Magnesium-stabilisiert, Calcium-stabilisiert oder Yttrium-stabilisiert sein. Zirkonoxid mit Magnesiumoxid hätte etwa 10 % MgO. Magnesiumoxid basiert Teilstabilisierte Zirkonia sind extrem robust und funktioniert bei höheren Temperaturen.

Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid mit 4% - 10 % von Yttrium wird allgemein bezeichnet als Teilstabilisiertes Zirkonoxid. Während die mit 8% Yttrium und 8-9% Y2O3 dotierte mit ZrO2 bezeichnet wird als vollständig stabilisiertes ZirkonoxidFür Anwendungen, die extreme Belastbarkeit erfordern, verwenden Ingenieure häufig PSZ statt vollstabilisierter Werkstoffe.

Fazit

Der Fortschritt in der Materialtechnologie garantiert stets das beste Material für jede Anwendung. Funktionalität ist der Schlüssel bei der Auswahl neuer Keramik für die gewünschte Anwendung. Stabilisierung gewährleistet stabile Leistung bei der gewünschten Temperatur. Wenn es um Anpassungsfähigkeit geht, ist zweifellos stabilisiertes Zirkonoxid übertrifft das Herkömmliche.