Zirconium(IV)-oxid

Kristallstruktur
__ Zr4+     __ O2-
Allgemeines
Name	Zirconium(IV)-oxid
Andere Namen	Zirconiumdioxid Zirkonoxid Zirconia C.I. Pigment White 12 C.I. 77990
Verhältnisformel	ZrO2
CAS-Nummer	1314-23-4
Kurzbeschreibung	farbloser, geruchloser Feststoff[1]
Eigenschaften
Molare Masse	123,22 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	Monoklin: 5,7 g·cm−3[1] Tetragonal: 6,1 g·cm−3[2] Y2O3 stabilisiert: 6,6 g·cm−3[2]
Schmelzpunkt	2680 °C[1]
Siedepunkt	ca. 5000 °C[1]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [3] Achtung H- und P-Sätze H: 315-319-335 EUH: keine EUH-Sätze P: 261-​305+351+338 [3] EU-Gefahrstoffkennzeichnung [1] keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: 22
MAK	1 mg·m−3[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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Zirconium(IV)-oxid (ZrO₂), Zirconiumdioxid oder auch mit dem Trivialnamen Zirkonoxid bezeichnet (ältere Namen sind Zirkonsäure oder Zirkonerde), nach Zirkon die in der Natur häufigste Verbindung des Elementes Zirconium. Zirconiumdioxid ZrO₂ ist eine Hochleistungskeramik, also ein nichtmetallischer, anorganischer Werkstoff, und gehört zu der Gruppe der Oxidkeramiken und wird entsprechend verwendet. Die Modifikation im monoklinen Kristallgitter wird auch Baddeleyit genannt, diese kommt auch als Mineral in der Natur vor.

Gewinnung und Darstellung

Als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Zirconiumdioxid wird Zirconiumsilicat ZrSiO₄ (Zirkon) verwendet. Dieser Silicatsand wird durch Wasch-, Reinigungs- und Calcinierungsprozesse von Verunreinigungen getrennt und in Zirconiumdioxid überführt. Es wird so ein 99 %ig reines Zirconiumdioxidpulver erhalten.

Eigenschaften

Baddeleyit

Zirconiumdioxid ist diamagnetisch, gegen Säuren und Alkalilaugen sehr beständig und hat eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Einflüsse.

Zirconiumdioxid kommt in drei Modifikationen vor:

• bei Zimmertemperatur kristallisiert es in der monoklinen Raumgruppe P2₁/c mit einer KZ (Koordinationszahl) des Zirconiums bezüglich des Sauerstoffs von 7 (Baddeleyit)
• oberhalb von 1170 °C kristallisiert es in der tetragonalen Raumgruppe P4₂/nmc mit einer KZ von 8 (tetragonal verzerrter Fluorit-Typ)
• oberhalb von 2370 °C kristallisiert es in der kubischen Raumgruppe Fm-3m mit einer KZ von 8 (Fluorit-Typ)

monoklin (1173 °C) $\leftrightarrow$ tetragonal (2370 °C) $\leftrightarrow$ kubisch (2690 ° C) $\leftrightarrow$ Schmelze

Das kubische Zirconiumdioxid kristallisiert in einer kubisch dichtesten Packung kubisch flächenzentrierten Gitter der Zirconiumatome, in der alle Tetraederlücken mit Sauerstoffatomen besetzt sind.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt abhängig von der Modifikation des Zirconiumdioxids:

• Monoklin: 7 · 10⁻⁶/K^[2]
• Tetragonal: 12 · 10⁻⁶/K^[2]
• Y₂O₃ stabilisiert: 10,5 · 10⁻⁶/K^[2]

Stabilisierung

Beim Phasenübergang von monoklin nach tetragonal vergrößert sich das Volumen sprunghaft. Das Material zerspringt bei höheren Temperaturen.

Die Zugabe anderer Metall-Oxide stabilisiert die Hochtemperaturmodifikation bei tiefen Temperaturen. Ein Anteil von mindestens 16 mol% CaO, 16 mol% MgO oder 8 mol% Y2O3 (8YSZ) genügt für die Kristallisation in der kubischen Phase bei Raumtemperatur. Bei geringeren Anteilen bilden sich Mischkristalle aus der kubischen und monoklinen Phase. Sie erzeugen eine innere Vorspannung im Gefüge und eine gute thermische Wechselbeständigkeit.

Bezeichnungen:

• Teilstabilisiertes ZrO₂:
  • PSZ, engl: partly stablilized zirconia)
  • TZP, engl: tetragonal zirconia polycrystal
  • 4YSZ: mit 4 mol% Y₂O₃ teilstablilisiertes ZrO₂, engl: yttria stabilized zirconia
• Vollstabilisiertes ZrO₂:
  • FSZ, engl: fully stablized Zirconia
  • CSZ, engl: cubic stabilized zirconia
  • 8YSZ: mit 8 mol% Y₂O₃ vollstablilisiertes ZrO₂

Durchscheinende Mischkristalle werden in der Schmuckindustrie Zirkonia (auch Diamantimitat) genannt.

Zirkon hat eine Wertigkeit von +4. Durch das Dotieren mit Oxiden geringerer Wertigkeit entstehen Sauerstoff-Fehlstellen. Die hohe Sauerstoffmobilität bei gleichzeitig geringer elektrischer Leitfähgigkeit erreicht beispielsweise bei YSZ eine Ionenleitfähigkeit von 100 S/m.

Verwendung

Anwendungsgebiete: Feuerfestkeramik, technische Keramik, Prothetik

Verwendung findet (teil-)stabilisiertes Zirconiumdioxid aufgrund der guten thermischen Beständigkeit als Feuerfestkeramik, als technische Keramik im Maschinenbau sowie als prothetisches Material in der Medizintechnik.

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.

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.

Zirconiumdioxid hat die Fähigkeit, bei höherer Temperatur Sauerstoffionen elektrolytisch zu leiten. Diese Eigenschaft macht man sich zunutze, um unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke z. B. zwischen Abgasen und Luft (Lambdasonde) zu messen.

Zirconium(IV)-oxid 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^[4]. Für Teleskopprothesen ist durch neue Software ein metallfreies Primärteleskop möglich. Zirconiumdioxid wird auch im Rahmen kieferorthopädischer Behandlungen zur Herstellung von Brackets für festsitzende Apparaturen angewendet.^[5] Nach Aluminiumoxid ist es die am häufigsten verwendete Oxidkeramik.

In Yttriumstabilisiertes Zirconium(IV)-oxid wird in Brennstoffzellen und vor allem in Lambdasonden als Ionenleiter angewandt.^[6] Ab ca. 600°C können Sauerstoff-Ionen durch Leerstellen im Kristallgitter leicht hindurchdiffundieren. YSZ wird ebenfalls auch als Keramikmaterial in der Medizin^[7] und in der Turbinentechnik^[8] verwendet. Zirconiumdioxid wird außerdem in der Lagertechnik für Hybridlager (Wälzkörper aus Zirconiumdioxid) und Vollkeramiklager (Wälzkörper und Laufringe aus Zirconiumdioxid) eingesetzt.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d e f} Eintrag zu Zirconiumdioxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 16. März 2008 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ ^{a b c d e} Matweb [1] & [2]
3. ↑ ^{a b} Datenblatt Zirconium(IV) oxide bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 29. Mai 2011.
4. ↑ Zahnimplantate aus Zirkonoxid auf dem Vormarsch?, NZZ, 15. April 2009
5. ↑ http://www.cad-speed.de/materialien/zirkon
6. ↑ SENSOR ELEMENT FOR LIMIT SENSORS FOR DETERMINING THE LAMBDA VALUE OF GASEOUS MIXTURES (freepatentsonline)
7. ↑ Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (Treibacher)
8. ↑ Neue Wärmedämmschichten (WDS)