Zirkonoxidkeramik (ZrO₂)

Eine weitere häufig eingesetzte Oxidkeramik ist Zirkoniumoxid. Das Besondere an ZrO₂ ist seine Polymorphie, d.h. es tritt in drei Kristallmodifikationen auf. Beim Abkühlen bildet sich zunächst die kubische Phase, welche mit weiterer Abkühlung in die tetragonale Phase umwandelt. Als letztes bildet sich die monokline Phase, welche dann bei Raumtemperatur vorliegt. Bei dieser letzten Umwandlung kommt es zu einer Volumenzunahme, welche Spannungen und somit Risse im Bauteil verursacht. Um dies zu verhindern, wird ZrO₂ mit verschiedenen Oxiden stabilisiert. Am häufigsten wird Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Magnesiumoxid (MgO) verwendet, aber auch Calciumoxid (CaO) und Ceroxid (CeO₂) kommen zum Einsatz. Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Stabilisierung: zum einen kann die kubische Phase vollstabilisiert werden, dann spricht man von sog. FSZ-Keramiken (Fully Stabilized Zirconia). Zum anderen gibt es die teilstabilisierten ZrO₂-Keramiken (PSZ, Partly Stabilized Zirconia), bei denen neben der kubischen Phase auch die tetragonale Phase vorliegt. Dadurch können z. B. die mechanischen Eigenschaften der Keramik verbessert werden. Eine weitere deutliche Verbesserung dieser Eigenschaften kann erzielt werden, wenn die tetragonale Phase vollständig stabilisiert wird, dann handelt es sich um TZP-Keramiken (Tetragonal Zirconia Polycrystals). Technische Anwendung finden hauptsächlich die letzten beiden Varianten aufgrund ihrer guten Eigenschaften. erhöhte Zugabemenge an Y₂O₃, MgO, CaO / vollstabilisierte kubische Phase / FSZ Y₂O₃, MgO, CaO, CeO₂ / kubische und tetragonale Phase stabilisiert / PSZ 2-3 mol% Y₂O₃ / vollstabilisierte tetragonale Phase / TZP Zirkoniumoxid weist eine gute Verschleißbeständigkeit und eine hohe Bruchzähigkeit auf, welche vergleichbar mit Hartmetall ist. Im Vergleich zu anderen ingenieurkeramischen Werkstoffen hat ZrO2 die niedrigste Wärmeleitfähigkeit und höchste Festigkeit und bietet sehr gute tribologische Eigenschaften. Des Weiteren besitzt es die Fähigkeit, Sauerstoffionen zu leiten, was z.B. bei der Messung von Sauerstoff. Partialdrücken in Lambdasonden Anwendung findet. Verarbeitet wird hier im Haus Yttrium- sowie Magnesiumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid (PSZ), welches in verschiedenen Farben geliefert werden kann. Eigenschaften Zirkoniumoxid (Y-ZrO₂): Risszähigkeit: 7 MPa*m1/2 Druckfestigkeit: 2200 MPa Härte HV10: 13 GPa Wärmeleitfähigkeit: 2,5 – 3 W/mK 4-Pkt.-Biegefestigkeit: 1100 MPa Dichte: 6,03 g/cm³ Eigenschaften Zirkoniumoxid (MgO-ZrO₂): Risszähigkeit: 6 MPa*m1/2 Druckfestigkeit. 1600 MPa Härte HV10: 12 GPa Wärmeleitfähigkeit: 2 W/mK 4-Pkt.-Biegefestigkeit: 500 MPa Dichte: 5,7 g/cm³