Zirkoniumdioxid

Kristallstruktur
Keine Kristallstruktur vorhanden
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	weißes Pulver
Eigenschaften
Molare Masse	123,22 g/mol
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
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.

Zirconium(IV)-oxide (ZrO₂), auch Zirconiumdioxid oder Zirkonoxid, nach Zirkon die in der Natur häufigste Verbindung des Elementes Zirconium. Zirconiumdioxid findet als keramischer Werkstoff Verwendung. Die Modifikation im monoklinen Kristallgitter wird auch Baddeleyit genannt, diese kommt auch als Mineral in der Natur vor.

Eigenschaften

Zirconiumdioxid ist nichtmagnetisch, gegen Säuren und Alkalilaugen sehr beständig und besitzt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische, thermische und mechanische Einflüsse. Es wird als Weißpigment z. B. in Porzellan verwendet (siehe auch Titandioxid) sowie zur Herstellung von feuerfesten chemischen Geräten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient hat je nach Modifikation des Zirkoniumdioxids zum Beispiel folgende Werte:

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

Herstellung

Zirconiumdioxid ZrO₂ ist eine Hochleistungskeramik, also ein nichtmetallischer, anorganischer Werkstoff, und gehört zu der Gruppe der Oxidkeramiken. Als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Zirconiumoxid wird Zirconiumsilicat ZrSiO₄ verwendet. Dieser Silicatsand wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozesse von Verunreinigungen getrennt und in Zirconiumoxid überführt. Es wird so ein 99%ig reines Zirconiumoxidpulver erhalten.

Modifikationen

Zirconiumdioxid kommt in drei Modifikationen vor:

• bei Raumtemperatur ist es monoklin mit einer KZ von 7 (Baddeleyit)
• oberhalb von 1170 °C ist es tetragonal mit einer KZ von 8
• oberhalb von 2370 °C kubisch 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 einem kubisch flächenzentrierten Gitter aus Zirconiumionen, in welchem ein Würfel aus Sauerstoffionen einbeschrieben ist. Bei Raumtemperatur lässt sich das Zircondioxid mit metallischen Oxiden wie z. B. Magnesiumoxid (MgO), Yttriumoxid (Y₂O₃), Calciumoxid (CaO) oder Cer(III)-oxid (Ce₂O₃) in der tetragonalen Struktur durch Bildung von Mischkristallen „stabilisieren“. Dabei ist der Begriff "stabilisieren" ein rein umgangssprachlicher Begriff der Mineralogie/Kristallographie. Die „Stabilisierung“ ist, rein physikalisch-chemisch betrachtet, ein Prozess, der die Bildung eines völlig neuen Mischkristalls beschreibt, der mit dem Zirkoniumdioxid nichts mehr gemein hat. Für Yttrium erhält man z. B. die Calciumfluorid- (CaF₂) Struktur (YSZ, yttria stabilized zirconia). Ähnliches gilt für den Einbau von Calcium oder drei(!)wertigem Titan (die entsprechende Substanz heißt als - allerdings sehr seltenes - Mineral mit Ca und Ti³⁺ Tazheranit).

Verwendung

Anwendungsgebiete: Feuerfestkeramik, technische Keramik, Prothetik

Verwendung findet Zirconiumdioxid aufgrund der guten thermischen Beständigkeit als Feuerfestkeramik, als technische Keramik im Maschinenbau sowie als prothetisches Material in der Medizintechnik.^[3]

Zirconiumdioxid besitzt die Fähigkeit, bei höherer Temperatur Sauerstoffionen elektrolytisch zu leiten. Diese Eigenschaft macht man sich zunutze, um Sauerstoffpartialdrücke z. B. in Abgasen (Lambda-Sonde) zu messen. 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.

Es 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. Auch in der Teleskoptechnik ist durch neue Software ein metallfreies Primärteleskop möglich. Nach Aluminiumoxid ist es die am häufigsten verwendete Oxidkeramik.

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.

Die Keramik YSZ wird in Brennstoffzellen und vor allem in Lambdasonden als Ionenleiter angewandt. Sauerstoff-Ionen können durch Leerstellen im Kristallgitter leicht hindurchdiffundieren.

Verarbeitung/Besonderheiten

Beim Phasenübergang tetragonal nach monoklin kommt es zu einer Volumenzunahme, bei welcher das Werkstück zerstört werden kann, weshalb es nicht möglich ist, reines Zirconiumdioxid als Werkstoff zu nutzen. Dem Sinterpulver müssen deshalb Stabilisatorzusätze in Form anderer Metalloxide (CaO, MgO, Y₂O₃ oder CeO) beigegeben werden, um die Volumenzunahme zu unterbinden. Je nach Anteil der Stabilisatorzusätze kann die tetragonale Hochtemperaturphase des Zirconiumdioxids bis auf Raumtemperatur völlig (Cubic Stabilized Zirconia - CSZ) oder teilweise stabilisiert werden. Teilstabilisiertes ZrO₂ ist ein Gemisch aus verschiedenen Phasen, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Materials verbessert werden (Umwandlungsverstärkung). Man unterscheidet dabei zwischen vollstabilisiertem Zirconiumoxid (FSZ – fully stabilized zirconia), teilstabilisiertem Zirconiumoxid (PSZ – partly stabilized zirconia), welches in der Technik die größte Bedeutung hat, und dem polykristallinen tetragonalen Zirconiumoxid (TZP – tetragonal zirconia polycrystal).

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e} Eintrag zu Zirconiumdioxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 16.3.2008 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ ^{a b c d e} Matweb[1][2]
3. ↑ Zahnimplantate aus Zirkonoxid auf dem Vormarsch?, NZZ, 15.4.2009