Zirkonoxid (ZrO₂)

Zirkoniumoxid kommt in den drei Modifikationen monoklin, tetragonal und kubisch vor. Während des Abkühlens nach dem Sinterprozess erfährt reines ZrO₂ bei ca. 1170°C eine Phasenumwandlung von der tetragonalen in die monokline Modifikation, die mit einer Volumenzunahme von 3% – 5% verbunden ist [KOL18]. Um ein dadurch bedingtes Versagen des Werkstücks zu umgehen, werden Dotierungen eingesetzt, die die Phasenumwandlung hemmen und diese, zum Teil, zur Festigkeitssteigerung nutzen. Die tetragonale Phase in stabilisiertem ZrO₂ befindet sich in einem metastabilen Zustand da sie durch die Druckspannungen des umgebenden dichten Gefüges von der Umwandlung in die monokline Phase abgehalten wird. Entsteht ein Riss in dem Werkstück verringern sich diese Spannungen lokal, wodurch manche Körner in der Nähe des Risses umwandeln. Die damit einhergehende Volumenzunahme dieser Körner behindert den weiteren Rissverlauf und verhindert das kritische Versagen des Werkstücks. Diese sogenannte Umwandlungsverstärkung bedingt die Duktilität von Zirkoniumoxidkeramiken [HEI10]. In feuchter Umgebung kann eine Niedertemperatur-Degradation der stabilisierten, tetragonalen in die monokline Phase stattfinden und somit eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften bedingen, was insbesondere die Einsatzmöglichkeit als Implantatwerkstoff einschränkt.

Es werden drei Arten von stabilisiertem Zirkoniumoxid unterschieden:

• teilstabilisiertes ZrO₂ (PSZ – partially stabilized zirconia)
• polykristallines, tetragonales ZrO₂ (TZP – tetragonal zirconia polycrystal)
• vollstabilisiertes ZrO₂ (FSZ – fully stabilized zirconia)

Bei PSZ liegen feinste Partikel der tetragonalen Phase in einer kubischen Matrix vor. Dazu wird meist mit Magnesiumoxid (MgO) dotiertes ZrO₂ aus dem Stabilitätsbereich des kubischen Mischkristalls abgeschreckt und anschließend getempert. Die Größe und der Anteil der tetragonalen Partikel können über die Temperatur und die Haltezeit eingestellt werden [KOL18].

TZP besteht vollständig aus einem sehr feinkristallinen und dichten Gefüge der metastabilen tetragonalen Phase. Dies wird durch Zugabe von 3 Mol-% Yttriumoxid (Y₂O₃) erreicht [KOL18].

Vollstabilisierung von ZrO₂ wird durch Dotierung mit 8 Mol-% oder mehr Yttriumoxid erreicht. FSZ besteht vollständig aus der kubischen Phase und profitiert daher nicht von der Umwandlungsverstärkung [KOL18].

PSZ- und TZP-Keramiken werden dank ihrer überragenden mechanischen Eigenschaften häufig im Verschleißschutz eingesetzt. Durch ihre hohe Festigkeit gepaart mit guter Biokompatibilität finden sie insbesondere als Dentalkeramiken Anwendung. Da ZrO₂-Keramiken eine hohe Wärmedehnung und einen ähnlichen E-Modul wie Stahl besitzen, können sie in Bauteilen eingesetzt werden, die diese sonst so ungleichen Werkstoffe verbinden. Eine weitere besondere Eigenschaft ist die Ionenleitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen. Dies ermöglicht den Einsatz als Feststoffelektrolyt bspw. in Lambdasonden oder Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs)[KOL18].

Ein weiteres großes Einsatzgebiet des Zirkoniumoxids findet sich in Verbindung mit Aluminiumoxid als Dispersionskeramik. Dabei wird, abhängig vom Anteil der beiden Keramiken, zwischen Aluminiumoxid-verstärktem Zirkonoxid (ATZ) und Zirkonoxid-verstärktem Aluminiumoxid (ZTA) unterschieden. Bei diesen Keramiken wird das Problem der Niedertemperatur-Degradation umgangen, wobei weiterhin der positive Effekt der Umwandlungsverstärkung ausgenutzt werden kann. Aus diesem Grund nehmen Dispersionskeramiken eine Vormachtstellung bei den lasttragenden Implantaten wie Knie- und Hüftgelenkprothesen ein. [AOA14].