Zirconiumdioxid

Zirconiumdioxid (ZrO₂), auch Zirkoniumdioxid oder Zirkonoxid, nach Zirkon die in der Natur häufigste Verbindung des Elementes Zirconium. Zirconiumdioxid findet als keramischer Werkstoff Verwendung. Die Modifikation im monoklinen Kristallgitter wird auch Baddeleyit genannt, diese kommt auch als Mineral in der Natur vor.

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Eigenschaften

Zirconiumdioxid ist nichtmagnetisch, gegen Säuren und Alkalilaugen sehr beständig und besitzt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Einflüsse. Es wird als Weißpigment z. B. in Porzellan verwendet (siehe auch Titandioxid) sowie zur Herstellung von feuerfesten chemischen Geräten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt 10,2 10^-6/K.

Herstellung

Zirconiumdioxid ZrO₂ ist eine Hochleistungskeramik und gehört zu der Gruppe der Oxidkeramik, also ein nichtmetallischer, anorganischer Werkstoff. Als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Zirconiumoxid wird Zirkonsilikat ZrSiO₄ verwendet. Dieser Silikatsand wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozesse von Verunreinigungen getrennt und in Zirconiumoxid überführt. Es wird so ein 99%ig reines Zirconiumoxidpulver erhalten.

Modifikationen

Zirconiumdioxid kommt in 3 Modifikationen vor:

• bei Raumtemperatur ist es monoklin mit einer KZ von 7 (Baddeleyit)
• oberhalb von 1170 °C ist es tetragonal mit einer KZ von 8
• oberhalb von 2370 °C kubisch mit einer KZ von 8 (Fluorit-Typ)

monoklin (1173 °C) tetragonal (2370 °C) kubisch (2690 ° C) Schmelze

Das kubische Zirconiumdioxid kristallisiert in einem kubisch flächenzentrierten Gitter aus Zirconiumionen, in welchem ein Würfel aus Sauerstoffionen einbeschrieben ist. Bei Raumtemperatur lässt sich das Zircondioxid mit metallischen Oxiden wie z. B. Magnesiumoxid (MgO), Yttriumoxid (Y₂O₃), Calciumoxid (CaO) oder Cer(III)-oxid (Ce₂O₃) in der tetragonalen Struktur stabilisieren. Für Yttrium erhält man z. B. die Calciumfluorid (CaF₂) Struktur (YSZ, yttria stabilized zirconia). Ähnliches gilt für den Einbau von Calcium oder drei(!)wertigem Titan (die entsprechende Substanz mit z. B. Ca heißt als Kunstprodukt Zirconia, als - allerdings sehr seltenes - Mineral mit Ca und Ti³⁺ Tazheranit).

Verwendung

Anwendungsgebiete: Feuerfestkeramik, technische Keramik, Prothetik

Verwendung findet Zirconiumdioxid aufgrund der guten thermischen Beständigkeit als Feuerfestkeramik, als technische Keramik im Maschinenbau sowie als prothetisches Material in der Medizintechnik. Auch in der Teleskoptechnik ist durch neue Software ein metallfreies Primärteleskop möglich. Zirconiumdioxid besitzt die Fähigkeit, bei höherer Temperatur Sauerstoffionen elektrolytisch zu leiten. Diese Eigenschaft macht man sich zunutze, um Sauerstoffpartialdrücke z. B. in Abgasen (Lambda-Sonde) zu messen. Es wird zur Verbesserung der Eigenschaften (insbesonderes Kratzfestigkeit) Lacken zugesetzt. z. B. Automobillacke (Topcoats), Parkettlacke, Möbellacke, Lacke für elektronische Geräte, Nagellacke. Auch Farben für Tintenstrahldrucker enthalten Zirconiumdioxid. Es kommt darüber hinaus in der Medizin u. a. bei Hüftgelenksimplantaten und in der Zahnmedizin als Basis für die Anfertigung von Kronen- und Brückengerüsten mit Hilfe von CAD/CAM-Verfahren, bei Wurzelstiften und metallfreien Zahnimplantaten zur Anwendung. Nach Aluminiumoxid ist es die am häufigsten verwendete Oxidkeramik.

Eine frühe Anwendung fand Zirconiumdioxid als Material für den Glühkörper (Nernststift) der Nernstlampe, einer von Walther Nernst 1897 erfundenen Bauart der elektrischen Glühlampe. Wie bei der Lambdasonde wurde hier die elektrolytische Leitfähigkeit ausgenutzt.

Die keramische Legierung YSZ wird in der Brennstoffzelle als Ionenleiter angewandt. Sauerstoff-Ionen können durch Leerstellen im Kristallgitter leicht hindurchdiffundieren.

Verarbeitung/Besonderheiten

Beim Phasenübergang tetragonal nach monoklin kommt es zu einer Volumenzunahme, bei welcher das Werkstück zerstört werden kann, weshalb es nicht möglich ist, reines Zirconiumdioxid als Werkstoff zu nutzen. Dem Sinterpulver müssen deshalb Stabilisatorzusätze in Form anderer Metalloxide (CaO, MgO, Y₂O₃ oder CeO) beigegeben werden um die Volumenzunahme zu unterbinden. Je nach Anteil der Stabilisatorzusätze kann die kubische Hochtemperaturphase des Zirconiumdioxids bis auf Raumtemperatur völlig (cubical stabilized Zirconia - CSZ) oder teilweise stabilisiert werden. Teilstabilisiertes ZrO₂ ist ein Gemisch aus verschiedenen Phasen, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessert werden (Umwandlungsverstärkung) Man unterscheidet dabei zwischen vollstabilisiertem Zirconiumoxid (FSZ – fully stabilized zirconia), teilstabilisiertem Zirconiumoxid (PSZ – partly stabilized zirconia), welches in der Technik die größte Bedeutung hat, und dem polykristallinen tetragonalen Zirconiumoxid (TZP – tetragonal zirconia polycrystal).

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e f g h i} BGIA-Gestis Gefahrstoffdatenbank