Was ist Zirkonoxidkeramik? Definition, Eigenschaften und Anwendungen

Zirkonoxidkeramik ist ein Hochleistungswerkstoff, der hauptsächlich aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) besteht.₂Es bietet die Vorteile hoher Festigkeit, hoher Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Aktuell hat es sich zu einem wichtigen Werkstoff in High-End-Industriebereichen entwickelt und trägt zum stabilen Betrieb verschiedenster High-End-Anlagen bei.

Dieser Artikel bietet eine Einführung in Zirkonoxidkeramik, einschließlich ihrer Definition, Eigenschaften und Anwendungen. Eine Datentabelle für Zirkonoxid hilft Ihnen, sich schnell einen Überblick über dessen Eigenschaften und Nutzen zu verschaffen und es Ihren Anforderungen an die Materialauswahl in der Industrie anzupassen.

Inhaltsverzeichnis

Definition von Zirkonoxidkeramik

Zirkonoxidkeramik ist ein hochentwickelter Keramikwerkstoff, der hauptsächlich aus Zirkoniumdioxid und Stabilisatoren wie Yttriumoxid, Calciumoxid oder Magnesiumoxid besteht.

Hauptkategorien von Zirkonoxidkeramik

Je nach Menge der Stabilisatoren werden Zirkonoxidkeramiken in zwei Hauptkategorien unterteilt: Vollständig stabilisiertes Zirkonoxid (FSZ) Und Teilstabilisiertes Zirkonoxid (PSZ).

FSZ zeichnet sich durch hervorragende thermische Stabilität aus und eignet sich für Hochtemperatur-Wärmedämmanwendungen. PSZ besitzt hohe Festigkeit und Zähigkeit.

Unter ihnen findet 3 mol% Yttrium-stabilisiertes tetragonales Zirkonoxid-Polykristall (3Y-TZP) die weiteste Verwendung in industriellen Anwendungen.

Herstellungsverfahren für Zirkonoxidkeramik

Der Herstellungsprozess von Zirkonoxidkeramik besteht im Wesentlichen aus folgenden vier Schritten.

Pulverpräparation

Nach der Reinigung wird Zirkoniumdioxid auf eine einheitliche Partikelgröße von 20 nm bis 1 μm verarbeitet. Dies gewährleistet eine vollständige Bindung des Pulvers während des Sinterprozesses.

Bildung

Je nach Anforderungen an Abmessungen, Form und Präzision werden unterschiedliche Verfahren wie Trockenpressen, isostatisches Pressen oder Spritzgießen ausgewählt.

Sintern

Der so entstandene Grünling wird hohen Temperaturen von 1400-1600℃ ausgesetzt, damit das Pulver vollständig sintern und sich verbinden kann.

Präzisionsbearbeitung

Die gesinterten Produkte werden geschliffen, poliert, kalibriert und oberflächenbehandelt, um das Endprodukt zu erhalten.

Wichtigste Eigenschaften von Zirkonoxidkeramik

Die hervorragenden Eigenschaften von Zirkonoxidkeramiken beruhen auf ihrer einzigartigen Mikrostruktur und Kristallstruktur. Diese Eigenschaften untermauern unmittelbar ihren Anwendungswert in verschiedenen Industriezweigen.

Hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit

Mit einer Bruchzähigkeit, die 2-3 Mal so hoch ist wie die von Aluminiumoxid, und einer Biegefestigkeit von über 800 MPa können Zirkonoxidkeramiken hohen Spannungen und Belastungen standhalten.

Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit

Zirkonoxidkeramiken zeichnen sich durch eine extrem hohe Härte aus. Ihr Reibungskoeffizient beträgt nur ein Drittel desjenigen von Metallen. Bei Anwendungen mit hoher Reibungsfrequenz ist die Lebensdauer von Zirkonoxidkeramikbauteilen deutlich länger als die von Metallbauteilen.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Zirkonoxidkeramik hat einen Schmelzpunkt von 2715 °C und eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als Metalle. Sie bietet eine hervorragende Wärmedämmung.

Korrosionsbeständigkeit

Zirkonoxidkeramiken sind hochgradig korrosionsbeständig. Bei Raumtemperatur reagieren sie nicht mit gängigen Reagenzien (Salzsäure, Natriumhydroxid usw.).

Chemische Stabilität

Aufgrund ihrer Inertheit reagieren Zirkonoxidkeramiken selbst bei hohen Temperaturen nur mit wenigen starken Oxidationsmitteln.

Biokompatibilität

Zirkonoxidkeramiken sind anorganische Werkstoffe. Sie weisen eine ausgezeichnete Verträglichkeit mit menschlichem Gewebe auf und rufen keine Abstoßungsreaktionen hervor.

Isolations- und dielektrische Eigenschaften

Zirkonoxid ist bei Raumtemperatur ein ausgezeichneter Isolator mit einer Dielektrizitätskonstante von 12-15.

Die folgende Tabelle enthält die wichtigsten Eigenschaften von Zirkonoxidkeramik. Überfliegen Sie sie schnell, um Leistungsdaten von Zirkonoxidkeramik zu erhalten.

Eigentum	Einheit	Daten
Bruchzähigkeit	MPa·m^1/2	6–15
Biegefestigkeit	MPa	≥800, bis zu 1200 für Hochleistungssorten
Vickers-Härte	Hochspannung	1200–1500
Schmelzpunkt	℃	2715
Wärmeausdehnungskoeffizient	/℃	10-11×10^-6
Wärmeleitfähigkeit	W/(m·K)	2–3
Dielektrizitätskonstante	–	12–15
Dielektrischer Verlust	–	tanδ<0,001
Elastizitätsmodul	GPa	ca. 200

Anwendungen von Zirkonoxidkeramik

Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften eignen sich Zirkonoxidkeramiken für verschiedene anspruchsvolle industrielle Anwendungen.

Maschinenbau und Metallverarbeitung

Im Vergleich zu Metallen bieten Zirkonoxidkeramiken die Vorteile einer hohen Festigkeit und hohen Zähigkeit und erfüllen somit die rauen Betriebsbedingungen von Präzisionsantriebs- und -verarbeitungsanlagen.

Zirkonoxidkeramik kann zur Herstellung verschleißfester Lager und Buchsen. Ihre hohe Verschleißfestigkeit und ihr niedriger Reibungskoeffizient können den Energieverbrauch der Geräte und die Wartungshäufigkeit reduzieren und eignen sich für Geräte wie Motoren, Pumpen und Getriebe.

Zirkonoxid-Dichtungsringe und Lagerringe

Chemie und Metallurgie

Extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen, Korrosion und Erosion durch Hochgeschwindigkeitsströmungen sind in der Chemie und Metallurgie weit verbreitet. Zirkonoxidkeramik kann diesen Bedingungen standhalten und so den stabilen Betrieb Ihrer Anlagen gewährleisten.

Zirkonoxid-Keramikdüsen Zirkonoxiddüsen sind beständig gegen Korrosion bei hohen Temperaturen und Erosion durch Hochgeschwindigkeitsströmungen. Ihr Verschleiß ist deutlich geringer als der von Metalldüsen. Sie werden in metallurgischen Spritzgießanlagen und beim Materialspritzen in chemischen Reaktoren eingesetzt und können so die Wartungskosten der Anlagen senken.

Elektronik- und Halbleiterfertigung

Zirkonoxidkeramik hat sich dank ihrer hervorragenden Isolationseigenschaften zu einem Hauptmaterial für hochwertige elektronische Bauteile entwickelt. Ihre hohe Dielektrizitätskonstante und die geringen dielektrischen Verluste erfüllen die Anforderungen der 5G-Kommunikation und der Elektronik von Elektrofahrzeugen.

Zirkonoxid-Keramiksubstrate Sie bieten eine stabile Isolationsumgebung in der Halbleiterproduktion. Sie verhindern Signalstörungen und gewährleisten so die Präzision der Waferbearbeitung. Sie erfüllen voll und ganz die Anforderungen von High-End-Halbleiteranlagen.

Neue Energien und Luft- und Raumfahrt

Zirkonoxidkeramik erfüllt die Anforderungen an hohe Temperaturbeständigkeit, Wärmedämmung und Korrosionsbeständigkeit in diesen anspruchsvollen Bereichen. Sie eignet sich als Rahmenzubehör für PV-Module und als isolierendes Gehäuse für Anschlusskästen, um hohen Temperaturen und UV-Strahlung standzuhalten. Der Einsatz von Zirkonoxidkomponenten verbessert die Stabilität von PV-Modulen und erfüllt die langfristigen Betriebsanforderungen.

In der Luft- und Raumfahrt werden Zirkonoxidkeramiken zur Herstellung von Wärmedämmschichten (TBCs) für Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Sie reduzieren effektiv die Oberflächentemperatur des Triebwerks und gewährleisten einen stabilen Betrieb unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen.

Medizinprodukte

Aufgrund ihrer chemischen Inertheit und Biokompatibilität zählen Zirkonoxidkeramiken derzeit zu den am weitesten verbreiteten und am häufigsten verwendeten Keramikwerkstoffen im Bereich der Medizinprodukte.

Vollzirkonkronen dienen der Zahnrestauration. Sie zeichnen sich durch hervorragende Transluzenz und Verschleißfestigkeit aus, ohne dass das Risiko einer Metallionenfreisetzung besteht. Sie passen sich der Farbe natürlicher Zähne an und halten über 20 Jahre.

Zirkonoxidkeramik kann zur Herstellung von Femurköpfen für künstliche Hüftgelenke verwendet werden. Ihre Abriebrate beträgt lediglich 0,05 mm.³/10⁶ Die Anzahl der Zyklen beträgt nur 1/100 derjenigen von Metallimplantaten. Dadurch wird die Reizung des menschlichen Gewebes durch das Implantat deutlich reduziert und die Biokompatibilitätsstandards werden erfüllt.

Abschluss

Zirkonoxidkeramik ist ein wichtiger Vertreter der Hochleistungskeramik. Sie kann Metalle ersetzen und so die Leistung und Lebensdauer von Anlagen unter den anspruchsvollen Betriebsbedingungen der Hightech-Industrie verbessern. Mit der fortschreitenden Modernisierung der Hightech-Fertigung werden sich auch ihre Anwendungsbereiche weiter ausdehnen.

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Vielen Dank fürs Lesen. Ich hoffe, dieser Artikel war hilfreich.

Häufig gestellte Fragen

Warum besteht Zirkonoxidkeramik nicht aus reinem Zirkoniumdioxid?

Reines Zirkoniumdioxid dehnt sich bei Phasenumwandlungen aus, was zu Rissen führt. Für die Herstellung eines stabilen Keramikwerkstoffs sind Stabilisatoren erforderlich.

Welche Anwendungsgebiete hat Zirkonoxidkeramik?

Die Werkstoffe werden in der Maschinenbauindustrie, der chemischen und metallurgischen Industrie, der Elektronik, im Bereich der neuen Energien und im medizinischen Bereich eingesetzt.

Sind Zirkonkeramiken zerbrechlich?

Zirkonoxid besitzt phaseninduzierte Zähigkeitseigenschaften. Das bedeutet, dass es eine höhere Zähigkeit und Festigkeit als herkömmliches Zirkonoxid aufweist. Unter normalen Betriebsbedingungen bricht es nicht so leicht.

Sind Zirkonoxidkeramiken leicht zu verkratzen?

Sie sind sehr kratzfest. Zirkonoxidkeramiken weisen eine extrem hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf, die die von Metallen und herkömmlicher Keramik weit übertrifft.

Was sind die Nachteile von Zirkonoxid?

Reines Zirkonoxid neigt aufgrund von Phasenumwandlungen zu Rissbildung. Zudem ist der keramische Werkstoff selbst schwer zu bearbeiten, und die Produktionskosten sind relativ hoch.