Was ist Zirkoniumdioxid?
Zirkoniumdioxid ist die allgemeine Bezeichnung für Zirkoniumoxid, ein Oxid des Zirkoniums.
Seine chemische Formel lautet ZrO2 und es wird als Keramik eingestuft. Es hat einen sehr hohen Schmelzpunkt und eine hohe Hitzebeständigkeit, wodurch es sich als Rohstoff für Schneid- und Polierwerkzeuge und feuerfeste Materialien eignet. Bekannte Beispiele sind zahnmedizinische Materialien und Keramikmesser.
Anwendungen von Zirkoniumdioxid
Zirkoniumdioxid hat einen hohen Schmelzpunkt und ist beständig gegen chemische Erosion, so dass es sich als Werkstoff für Schneid- und Polierwerkzeuge sowie für feuerfeste Materialien wie Tiegel und Öfen eignet. Wegen seiner Härte, Flexibilität und Festigkeit wird Zirkoniumdioxid beispielsweise auch für Keramikmesser verwendet.
Unter den Zirkoniumdioxid-Werkstoffen wird tetragonales Zirkoniumdioxid als Rohmaterial für Keramik und als Mahlkugeln für elektronische Bauteile verwendet. Tetragonales Zirkoniumdioxid ist schwer und weniger abrasiv, wodurch es weniger anfällig für Verunreinigungen ist.
Kubisches Zirkoniumdioxid ist außerdem sauerstoffionenleitfähig und wird als Festelektrolytmembran in Brennstoffzellen verwendet. Darüber hinaus eignet sich teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid, wie unten beschrieben, als Dentalmaterial.
Funktionsweise des Zirkoniumdioxids
Zirkonium ist ein Element mit der Ordnungszahl 40. Sein Oxid, das Zirkoniumoxid, wird als Zirkoniumdioxid bezeichnet und zu den Keramiken gezählt. Seine chemische Formel lautet ZrO2, und es bildet bei Raumtemperatur die stabilste monokline Kristallstruktur, doch mit steigender Temperatur geht die Substanz nacheinander in tetragonale und kubische Kristalle über.
Eigenschaften von Zirkoniumdioxid
Zirkoniumdioxid (ZrO2) hat einen Schmelzpunkt von ca. 2700 °C und zeichnet sich durch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit aus. Andererseits ist Zirkoniumdioxid aufgrund von Veränderungen in seiner Kristallstruktur und temperaturbedingten Volumenänderungen anfällig für eine Zersetzung.
Oxide wie Yttriumoxid (Y2O3), Calciumoxid (CaO), Ceroxid (CeO2) und Magnesiumoxid (MgO) sind geeignete Stabilisatoren für Zirkoniumdioxid. Das stabile Vorhandensein kubischer Kristalle bei Raumtemperatur wird erreicht, indem man diese Oxide hinzufügt, mit ihnen reagiert und sie in der Kristallstruktur fest werden lässt. Zirkoniumdioxid mit bei Raumtemperatur stabilen kubischen Kristallen wird als stabilisiertes Zirkoniumdioxid oder teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid bezeichnet.
1. Stabilisiertes Zirkoniumdioxid
Stabilisiertes Zirkoniumdioxid ist aufgrund seines hohen Sauerstoff-Vakanzgitters ein guter Leiter für Sauerstoffionen bei hohen Temperaturen. Es ist auch chemisch stabil und wird daher als Verfestigungsgrundstoff für Abfälle mit hohem TRU-Gehalt untersucht.
2. Teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid
Teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid wird im Allgemeinen mit weniger Oxid als stabilisiertes Zirkoniumdioxid hergestellt. Dies führt zu teilweise dispergierten monoklinen oder tetragonalen Kristallen. Dieses teilstabilisierte Zirkoniumdioxid ist weithin als hochfestes, hochzähes Material bekannt.
Weitere Informationen über Zirkoniumdioxid
1. Zahnmedizinische Anwendungen von Zirkoniumdioxid-Keramik
Teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid mit 3 Mol-% Yttriumoxid wird als Y-TZP (Tetragonaler Zirkoniumdioxid-Polykristall), das bei Raumtemperatur zu fast 100 % aus tetragonalen Kristallen besteht, als Dentalmaterial verwendet. Zirkoniumdioxid ist ein sehr hartes Material, das sich im vollgesinterten Zustand weniger gut verarbeiten lässt.
Aus diesem Grund werden Zirkoniumdioxid-Produkte für zahnmedizinische Anwendungen in der Regel durch Schneiden von Blöcken in einem halbgesinterten Zustand hergestellt, der relativ leicht zu verarbeiten ist, und dann gesintert.
Wenn keramische Werkstoffe, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zirkonoxidkeramik, für zahnmedizinische Anwendungen verwendet werden, müssen sie die grundlegenden physikalischen Eigenschaften erfüllen, die in ISO 6872 (Dentistry-Ceramicmaterials) festgelegt sind.
2. Verfahren zur Herstellung von Zirkoniumdioxid
Für die Herstellung von Zirkoniumdioxid gibt es zwei Hauptverfahren: die Nassveredelung und die Trockenveredelung. In beiden Fällen werden Zirkoniumerze wie Zirkon und Haddelit als Rohmaterial verwendet. Bei der Nassraffination werden die ausgewählten Erze zunächst in Natronlauge geschmolzen und anschließend mit Salzsäure aufgespalten und konzentriert. Nach weiteren Prozessen wie Waschen und Filtrieren wird das entstandene Zirkoniumdioxid kalziniert und gemahlen, um Zirkoniumdioxidpulver herzustellen. Bei der Trockenraffination hingegen wird reines Zirkoniumdioxid durch Zerkleinern des Erzes gewonnen, um Verunreinigungen zu entfernen, gefolgt von einer wiederholten Aufbereitung.
3. Der Unterschied zwischen Zirkoniumdioxid und Metallen
Der Unterschied zwischen Zirkoniumdioxid und Metallen besteht darin, dass Zirkoniumdioxid ein Oxid des Zirkoniummetalls ist, das aufgrund kovalenter Bindungen, die stärker sind als metallische Bindungen, eine Keramik ist. Dadurch ist Zirkoniumdioxid den Metallen in mehrfacher Hinsicht überlegen.
- Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion
Metalle neigen dazu, sich mit korrosiven Elementen in der Umgebung, wie Sauerstoff und Schwefel, zu verbinden und relativ leicht zu korrodieren, während Zirkonium praktisch korrosionsfrei ist. - Hohe Härte und Hitzebeständigkeit
Zirkonium wird durch kovalente Bindungen gebildet, die stärker sind als metallische Bindungen, was es extrem hart, zäh und schwer verformbar macht, und sein hoher Schmelzpunkt von 1855 °C macht es auch sehr hitzebeständig.
Andererseits besitzt es im Gegensatz zu Metallen fast keine Dehnbarkeit und ist nicht dehnbar, was es anfällig für starke Stöße macht, und in einigen Fällen kann es sogar brechen.
4. Unterschiede zwischen Zirkoniumdioxid und Quarzkeramik
Zirkoniumdioxid hat sich in den letzten Jahren, wie bereits erwähnt, aufgrund seiner Härte, Flexibilität und seiner im Vergleich zu Metallen nicht korrosiven Eigenschaften in der Zahnmedizin durchgesetzt. Neben Metallen werden in der Zahnmedizin auch Keramiken auf Quarzbasis verwendet. Der Nachteil von Keramiken auf Siliziumdioxidbasis ist jedoch, dass sie trotz ihrer Härte im Vergleich zu echten Zähnen bruchanfällig sind.
Zirkoniumdioxid ist so hart, dass es als künstlicher Diamant bezeichnet wird, und seine Härte ist zehnmal so hoch wie die herkömmlicher Keramiken, was es extrem haltbar macht. Außerdem ist es von weißer Farbe und ästhetisch ansprechend, so dass es nicht nur für die Backenzähne, sondern neuerdings auch verstärkt für die Frontzähne verwendet werden kann.
5. Nachteile von Zirkoniumdioxid im Dentalbereich
Obwohl zahnmedizinisches Zirkoniumdioxid eine weiße Farbe hat und ästhetisch ist, wurden seine geringe Transparenz im Vergleich zu Quarzkeramik und die fehlende Farbvariation als Nachteile angesehen. In letzter Zeit hat jedoch die Zahl der Variationen zugenommen, und Zirkoniumdioxid wird für Frontzähne in zahnmedizinischen Anwendungen verwendet, bei denen ein hohes Maß an Ästhetik erforderlich ist.
Zirkoniumdioxid ist jedoch extrem hart, etwa 10-mal härter als Keramik, und kann bei falscher Bisseinstellung die Zähne, gegen die es eingesetzt wird, abrasieren, ein Nachteil, der verbessert werden muss. Ein weiterer Nachteil ist, dass die hohe Härte von Zirkoniumdioxid seine Verarbeitung erschwert, so dass es für Zahnärzte schwierig ist, es manuell zu formen, und da es im Wesentlichen maschinell per Computer geformt wird, ist seine Genauigkeit geringer als die von Keramik.
Ein weiterer Nachteil sind schließlich die hohen Kosten der Behandlung. Dies ist auf den hohen Preis des hochwertigen Zirkoniumdioxids selbst zurückzuführen, das in der Zahnmedizin verwendet wird, sowie auf die Tatsache, dass es sich um eine Behandlung aus eigener Tasche handelt, die nicht von der Versicherung abgedeckt wird, aber dies ist ein Punkt, der in Zukunft verbessert werden sollte.