Zirkoniumdioxid-Keramik: Wichtige Überlegungen für Hochleistungsanwendungen

Stellen Sie sich ein Material vor, das extremen Temperaturen standhält und gleichzeitig Verschleiß und Bruch widersteht, wobei es in rauen Umgebungen hervorragende Leistungen erbringt. Dies fasst die bemerkenswerten Eigenschaften von Zirkonoxid-Keramiken zusammen. Zirkoniumdioxid (ZrO₂) als fortschrittliches keramisches Material hat dank seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften in der Luft- und Raumfahrt, in medizinischen Geräten, in der Automobilindustrie und darüber hinaus zunehmend an Bedeutung gewonnen.

Einkristallines Zirkonoxid weist eine ausgezeichnete optische Transparenz und eine außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit auf, aber seine relativ geringe Bruchzähigkeit und Festigkeit schränken seine Anwendungen ein. Zirkonoxid-Keramiken sind jedoch für ihre hervorragende Haltbarkeit und Bruchfestigkeit bekannt, insbesondere bei Raumtemperatur. Ihre feine (submikronale) Korngröße ermöglicht eine ausgezeichnete Oberflächenbeschaffenheit und eine scharfe Kantenbeibehaltung.

Während Zirkonoxid-Keramiken ihre Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen beibehalten, können strukturelle Veränderungen ihre nutzbare Temperatur auf etwa 500 °C begrenzen. Darüber hinaus nimmt ihre elektrische Leitfähigkeit mit steigenden Temperaturen allmählich zu.

Um die Eigenschaften von Zirkonoxid, insbesondere seine Zähigkeit, zu verbessern, werden typischerweise Stabilisatoren wie Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) oder Yttriumoxid (Y₂O₃) zugesetzt. Diese Stabilisatoren erleichtern einen "Transformationsverfestigungs"-Prozess. Nach dem ersten Sintern bildet das stabilisierte Zirkonoxid eine teilweise kubische Kristallstruktur, die während des Abkühlens metastabil bleibt. Wenn sich Risse ausbreiten, erfahren tetragonale Kristalle eine spannungsinduzierte Phasenumwandlung, die eine Volumenausdehnung verursacht, die erhebliche Energie absorbiert und die Zähigkeit des Materials erheblich verbessert.

Hohe Temperaturen können jedoch eine erhebliche Rekristallisation in Zirkonoxid-Keramiken verursachen, wodurch die Festigkeit verringert und eine dimensionsmäßige Ausdehnung von 3-7 % verursacht wird. Durch die Steuerung des Stabilisatorgehalts kann der Anteil der tetragonalen Kristalle angepasst werden, um die Zähigkeit gegen Festigkeitsverluste auszugleichen.

PSZ enthält typischerweise etwa 10 % Magnesiumoxid und erscheint cremefarben. Es bietet eine hohe Härte, die bei erhöhten Temperaturen erhalten bleibt. Im Vergleich zu vollstabilisiertem Zirkonoxid hat PSZ eine größere Korngröße und geringere Kosten. Sein definierendes Merkmal ist ein Anteil an tetragonaler Phase, der sich unter Spannung umwandelt und Energie absorbiert, um die Zähigkeit zu erhöhen. PSZ hat jedoch eine relativ geringe Festigkeit und neigt bei hohen Temperaturen zum Kornwachstum, was die Leistung beeinträchtigt.

• Vorteile: Hohe Härte, gute Hochtemperaturleistung, relativ geringe Kosten
• Nachteile: Mäßige Festigkeit, neigt bei hohen Temperaturen zum Kornwachstum
• Anwendungen: Verschleißfeste Komponenten, Hochtemperatur-Strukturteile, Formen

TZP enthält etwa 3 % Yttriumoxid mit der kleinsten Korngröße und weist fast 100 % tetragonale Kristallstruktur auf, wodurch die höchste Raumtemperaturzähigkeit erreicht wird. Zwischen 200 und 500 °C verursachen irreversible Kristallveränderungen jedoch Dimensionsänderungen, die die Zähigkeit erheblich verringern. Während die feinen Körner und der hohe Tetragonalphasenanteil von TZP eine außergewöhnliche Festigkeit und Zähigkeit bieten, ist das Material temperaturempfindlich und neigt bei hohen Temperaturen zur tetragonal-monoklinen Phasenumwandlung.

• Vorteile: Hohe Festigkeit, überlegene Zähigkeit, feine Kornstruktur
• Nachteile: Temperaturempfindlichkeit, Phasenumwandlung bei hohen Temperaturen
• Anwendungen: Biokeramiken, Präzisionsschneidwerkzeuge, Brennstoffzellenmembranen

• Biomedizin: Wird in künstlichen Gelenken und Zahnimplantaten aufgrund der ausgezeichneten Biokompatibilität und Verschleißfestigkeit verwendet
• Automobil: Motor- und Abgassystemkomponenten, die die Leistung und den Kraftstoffverbrauch verbessern
• Luft- und Raumfahrt: Triebwerkskomponenten und Wärmeschutzsysteme für Flugzeuge
• Schneidwerkzeuge: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von schwierigen Materialien
• Brennstoffzellen: Elektrolytmaterial in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs)
• Sonstiges: Verschleißfeste Beschichtungen, elektronische Keramiken, Sensoren

• Anwendungsumgebung (Temperatur, Verschleißbedingungen)
• Mechanische Anforderungen (Festigkeit, Zähigkeit, Härte)
• Kostenbeschränkungen
• Zuverlässigkeit des Lieferanten und technische Fähigkeiten

• Leistungssteigerung durch verbesserte Verarbeitung und neue Zusatzstoffe
• Entwicklung von Verbundwerkstoffen, die Zirkonoxid mit anderen Substanzen kombinieren
• Multifunktionale Zirkonoxid-Keramiken (piezoelektrische, photokatalytische Eigenschaften)
• Intelligente Anwendungen, die Sensoren und Steuerungssysteme integrieren

Als Hochleistungs-Konstruktionsmaterial bieten Zirkonoxid-Keramiken ein enormes Potenzial in allen Branchen. Das Verständnis ihrer Eigenschaften, Modifikationen und Anwendungen ermöglicht eine optimale Materialauswahl und -nutzung. Mit kontinuierlichem technologischem Fortschritt werden Zirkonoxid-Keramiken eine immer wichtigere Rolle in fortschrittlichen technischen Lösungen spielen.