Eigenschaften und Anwendungen

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines kommerziellen Zirkoniumdioxid-Granulats (rechts). Nach Verpressen und Sintern des Granulats entsteht die Zirkoniumdioxid-Keramik (links) © Fh IKTSElektronenmikroskopische Aufnahme eines kommerziellen Zirkoniumdioxid-Granulats (rechts). Nach Verpressen und Sintern des Granulats entsteht die Zirkoniumdioxid-Keramik (links) © Fh IKTSZirkoniumdioxid (ZrO2), auch Zirkonoxid oder Zirkonia genannt, ist die wichtigste Zirkoniumverbindung und nach Aluminiumoxid, die am häufigsten verwendete Oxidkeramik. Es wird zu kompakten struktur- und funktionskeramischen Bauteilen verarbeitet oder in Pulverform zu Lacken etc. zugesetzt.

Zirkoniumdioxid ist hart (Mohshärte 7-9), nichtmagnetisch, wasserunlöslich, nicht giftig und gegen die meisten Säuren und Laugen sehr beständig. Da ZrO2 einen hohen Schmelzpunkt (2680 °C) aufweist und zudem von flüssigen Metallen kaum benetzt wird, setzt man es in Schmelztiegeln oder Ofenauskleidungen ein.

 

In der Zahnmedizin ist ZrO2-Keramik wegen der hohen Festigkeit und Bruchzähigkeit bei guter Bioverträglichkeit, und farblichen Anpassungsfähigkeit zur Anfertigung von Zahnersatz auf dem Vormarsch. Zudem lässt es sich durch Fräsen passgerecht bearbeiten.

Wegen seines hohen Brechungsindexes werden Zirkoniumoxid-Einkristalle als Diamantimitate in der Schmuckindustrie (Zirkonia-Diamanten) verwendet.

 

Aufgrund seiner Härte wird pulverförmiges ZrO2 ähnlich wie Korund (Aluminiumoxid) als Schleifmittel genutzt. Wegen seiner Härte und Abriebfestigkeit findet es vielfach aber auch dort Anwendung, wo glatte Oberflächen zu schützen sind. So wird es zur Verbesserung der Kratzfestigkeit von Farben und Lacken eingesetzt, z. B. in Automobil-Decklacken, Parkett- und Möbellacken, Lacken für elektronische Geräte, Nagellack und auch in Farben für Tintenstrahldrucker. Wegen seiner weißen Farbe wird es als Weißpigment (ähnlich wie Titandioxid) für Porzellan eingesetzt, in der Mischung mit Vanadiumoxid auch als Gelbpigment.

 

Technisches Schneidwerkzeug aus Zirkoniumdioxid © Fh-IKTSTechnisches Schneidwerkzeug aus Zirkoniumdioxid © Fh-IKTS

Zur Herstellung von kompakten Bauteilen aus ZrO2 wird dieses durch Zusätze anderer Oxide wie Magnesiumoxid (MgO) oder Yttriumoxid (Y2O3) stabilisiert. Das nennt sich dann Teilstabilisiertes ZrO2, und zeigt eine hervorragende Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit. ZrO2-Zusätze in Aluminiumoxid dienen ebenso der Erhöhung der Zähigkeit (Bruchbeständigkeit). Teilstabilisiertes ZrO2 wird zur Herstellung verschiedenster technischer Produkte wie Schneid- und Umformwerkzeuge, Fadenführer, Hochdruckkolben, Mühlenkomponenten oder von Hüftgelenksimplantaten (bereits über 600.000 Implantate weltweit) und medizinischen Instrumenten eingesetzt.

 

  

 

Auch die im Haushalt zunehmend anzutreffenden keramischen Messer werden aus diesem Material hergestellt. Mit Yttrium-, Kalzium-, Scandium- oder Magnesiumoxid stabilisiertes nanoskaliges Zirconiumdioxid wird ebenso für die Herstellung von Festoxidbrennstoffzellen (engl. solid oxide fuel cells, SOFC) sowie für Lithium-Ionenbatterien verwandt. Mit Seltenen-Erden dotiertes ZrO2 dient der Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasströmen (Lambda-Sonde im Auto, Feuerungsanlagen).

Einlegen einer Zirkoniumdioxid-Membran in eine BrennstoffzelleEinlegen einer Zirkoniumdioxid-Membran in eine Brennstoffzelle

 

Eine frühe Anwendung fand Zirkoniumdioxid (mit Zusätzen von Yttrium- oder Thoriumoxid) als Glühkörper (Nernststift) in der Nernstlampe, einer von Walther Nernst 1897 erfundenen Bauart der elektrischen Glühlampe, bei der die Leitfähigkeit von ZrO2 ausgenutzt wurde. Die Nernstlampe wurde bald von der Metallfadenlampe abgelöst. Der Nernst-Stift ist heute noch bei der Erzeugung von Infrarotstrahlung in der Analysetechnik von Bedeutung.

 

Marktgängige Produkte werden aus mikrokristallinen Pulvern gefertigt, in Nischen kommen zunehmend auch nanoskalige Rohstoffe zum Einsatz.

 

Zirkoniumdioxid ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Zirkoniumdioxid nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

 

Natürliches Vorkommen und Herstellung

Verunreinigtes Zirkoniumdioxid kommt in der Natur mineralisch als Baddeleyit (es wird häufig als Verwitterungsgrus in Kies gefunden) sowie in Zirkon, vor. Auf Grund seiner hohen Härte, geringen Reaktivität und seines hohen Schmelzpunktes ist Zirkon das älteste auf der Erde anzutreffende Mineral. Baddeleyit ist nach Zirkon die in der Natur häufigste Verbindung des Elements Zirkonium. Der Zirkoniumgehalt in der Erdkruste beträgt 0,016 % und ist damit höher als der der Elemente Chlor und Kupfer.

Zirkon kennt man auch als Edelstein, der in der Farbe je nach Spuren von Verunreinigungen von farblos weiß bis brau, grün etc. variieren kann.

Keines der natürlichen Isotope des Zirkons ist radioaktiv, trotzdem ist Zirkon für wesentliche Teile der natürlichen radioaktiven Strahlung der verschiedenen Zirkon-Verbindungen verantwortlich, da es relativ häufig mit Uranoxiden und anderen radioaktiven Stoffen wie Thoriumsalzen verunreinigt ist. Diese Verunreinigungen werden auch zur geologischen Altersbestimmung genutzt.

 

Als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Zirkoniumoxid wird Zirkoniumsilicat (ZrSiO4) verwendet. Dieser Silicatsand wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozesse von Verunreinigungen getrennt und in hochreines Zirkoniumoxidpulver überführt.

 

NanoCare-Datenblätter

 

Literatur arrow down

  1. Chemie-Lexikon.de (DE): Zirkoniumdioxid (Stand letzter Zugang: Feb 2011).
  2. Wikipedia (DE): Zirkoniumdioxid (Stand letzter Zugang: Feb 2011).
  3. IFA GESTIS Stoffdatenbank (DE): Zirkondioxid (Stand letzter Zugang: Feb 2011).
  4. Breuer, H (2006). dtv-Atlas Chemie - Grundlagen und Ergebnisse der modernen Chemie, Band 1, 10. Auflage, dtv-Verlag, München. ISBN 978-3-423-03217-9
  5. Roempp Chemielexikon (1992). 9. Auflage, Falbe, F & Regnitz, M. Georg Thieme Verlag Stuttgart, New York.
  6. Katz, F (2007). Literaturübersicht über Zirkoniumdioxid in der Zahnmedizin und Bruchbelastbarkeit am Beispiel von Slot-Inlay Brückengerüsten, Inaugural-Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

 

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