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Die Besonderheit des Zirkonoxides

28. April 2015

Die Besonderheit des Zirkonoxides

Aufgrund besonders guter mechanischen Eigenschaften gewinnt Zirkonoxid  in vielen Bereichen – so auch der Dentalbranche – immer mehr an Bedeutung. Hier spielen besonders die hohe Risszähigkeit sowie Biegefestigkeit, die gute Verschleißbeständigkeit und natürlich die Bioverträglichkeit eine große Rolle. So wird Zirkonoxid  beispielsweise auch in Kombination mit Aluminiumoxid für die Herstellung von Gelenkimplantaten verwendet. Die besonders hohe Ästhetik und die angenehme Haptik sind dafür verantwortlich, dass das Zirkonoxid bis zum heutigen Tage so beliebt geworden ist.

 

In Abhängigkeit der Temperatur tritt Zirkonoxid in drei Modifikationen auf: monoklin bei Raumtemperatur, tetragonal ab ca. 1170°C und kubisch ab ca. 2370°C. Setzt man Zirkonoxid also höheren Temperaturen aus wandelt es sich um. Diese Modifikationsänderungen sind reversibel. Kühlt das Zirkonoxid wieder ab, geschieht eine rückläufige Umwandlung bis hin zur monoklinen Modifikation.

Konnte die Umwandlung in der Aufheizphase das Zirkonoxid nicht schädigen, so sind die Auswirkungen während der Abkühlphase umso gravierender. Das durch die Sinterung gefestigte Bauteil ist natürlich viel empfindlicher. Da monoklines Zirkonoxid eine deutlich geringere Dichte und damit ein deutlich höheres Volumen besitzt als das tetragonale Zirkonoxid, kann diese vollständige Umwandlung bei Abkühlung zu Rissen oder gar der Zerstörung des Bauteils führen. Durch das Hinzufügen unterschiedlicher Mengen an Stabilisator-Oxiden wie beispielsweise Yttriumoxid, können die tetragonale und die kubische Modifikation selbst bei Raumtemperatur erhalten bleiben.  Die Gefahr einer Beschädigung des Bauteils, besteht so nicht mehr.

In dem beschriebenen Phänomen liegt der Grund für die hervorragenden Eigenschaften des Zirkonoxides. Die Phasenumwandlung von tetragonal zu monoklin und die damit verbundene Volumenzunahme werden gezielt genutzt:

Steht ein tetragonales Korn unter Druckspannung, die in einem normalen Zirkonoxidgefüge herrscht, so kann es sich nicht umwandeln. Wird aber durch einen Riss der auf das Korn wirkende Druck geringer, so wandelt es sich in die monokline Modifikation um und gewinnt an Volumen. Hierbei wird der Riss entweder zugedrückt, wenn er an dem Korn vorbeiläuft (Bild links), oder die Rissenergie wird durch das Entstehen von winzigen Mikrorissen aufgeteilt und absorbiert, wenn der Riss direkt auf das Korn trifft (Bild rechts). So können viele Risse bereits im Keim erstickt werden.

Diese Besonderheit des Zirkonoxides macht es zu einem so einzigartigen und vielseitig einsetzbaren Material.