Die unterschiedlichen Arten von Zirkonoxid

Zirkonoxid (TZP)

TZP ist eine Hochleistungskeramik, die durch die Stabilisierung von Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit Yttriumoxid (Y₂O₃) in der tetragonalen Phasegehalten wird. Undotiertes Zirkonoxid (ZrO₂) wandelt sich bei der Abkühlung vonder tetragonalen in die monokline Phase. Diese Umwandlung geht mit einer Volumenänderung von ca. 4% einher, was zu einer Zerstörung des Bauteils durch Rissbildung führt. Die Dotierung bzw. die Stabilisierung von Zirkonoxid ist daher unerlässlich für die Verwendung des Werkstoffes. 

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Transformation Toughening

Hauptverantwortlich für die hervorragenden Eigenschaften von TZP ist das sogenannte Transformation Toughening. Wenn sich ein Riss bildet, dann entsteht eine Spannungskonzentration um die Rissspitze. Diese triggert eine lokale Umwandlung von der metastabilen, tetragonalen Phase in die monokline Phase. Die Umwandlung braucht Energie, was die Rissenergie sinken lässt. Zudem entstehen, durch die erwähnte Volumenausdehnung von etwa 4%, Druckspannungen an der Rissspitze. Dies hemmt eine weitere Rissausbreitung und erhöht die Bruchzähigkeit (3, 4). 

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Einfluss der Korngrösse (Hall-Petch)

Ein weiterer Mechanismus, um die mechanischen Eigenschaften zu erhöhen, istdie Korngrösse des Materials. Je kleiner die Korngrösse, desto besser die mechanischen Eigenschaften. Die Korngrösse hängt im Wesentlichen vom Primärpulver, der Herstellung des Halbzeugs und den Sinterbedingungen ab. Unser TZP zeichnet sich durch eine kleine Korngrösse aus, welche sehr homogen ist. Dadurch erzielen wir exzellente Festigkeitswerte. 

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Anwendungen

TZP wird aufgrund seiner mechanischen Robustheit und Biokompatibilität in zahlreichen Bereichen eingesetzt

• Medizinische Implantate: Zahninimplantate und Hüftkugeln profitieren von der hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit (2,4).
• Maschinenbau: Verschleissteile wie Ventile oder Lager, Düsen, Messer, Fadenführer für die Textilindustrie, Schweissstifte und Pumpenteile. 
• Werkzeugbau Schneidwerkzeuge aufgrund der hohen Härte und Verschleissfestigkeit.
• Uhrenindustrie/ Schmuckindustrie: Lünetten, Knöpfe oder ganze Gehäuse wegen der Kratzfestigkeit, dem angenehmen Traggefühl und der herausragenden Ästhetik

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Herausforderungen

Trotz seiner Vorteile ist TZP anfällig für Niedertemperaturdegradation (LTD= Low Temperature Degradation). Diese tritt bei längerer Exposition gegenüber Feuchtigkeit und Temperaturen zwischen 200–300 °C auf und führt zur Oberflächenrauheit sowie zum Verlust mechanischer Eigenschaften (2).

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Aluminium verstärktes Zirkonoxid (TZP-A)

TZP-A ist eine Weiterentwicklung von TZP, bei der eine geringe Menge Aluminiumoxid (Al₂O₃), typischerweise 0.25%, hinzugefügt wird. Diese Modifikation verbessert die Langzeitstabilität und Beständigkeit gegenüber LTD erheblich.

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Anwendungen von TZP-A

TZP-A findet Anwendung in Bereichen, in denen sowohl hohe Festigkeit alsauch Langzeitstabilität erforderlich sind

• Medizinische Implantate: Insbesondere in feuchten Umgebungen wie Zahnimplantaten oder orthopädischen Prothesen.
• Industriekomponenten: Hochbelastete Teile wie Pumpenkomponenten oder Dichtungen.

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Veredelungen

Die vertikale Integration der Prozesse erlaubt es uns Bauteile zu veredeln. So ist zum Beispiel eine breite Palette an Farben verfügbar. Dies ist vor allem für Anwendungen in der Uhren- und Schmuckindustrie interessant. Die Farbe wird nicht nachträglich durch Infiltration erzielt, sondern ist integraler Bestandteil der Ausgangsstoffe, aus denen das Halb- oder Fertigzeug gefertigt wird. Awalux bietet auch die Entwicklung eines kundenspezifischen Farbtonesan. 

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Fazit

Die vertikale Integration der Prozesse erlaubt es uns Bauteile zu veredeln.So ist zum Beispiel eine breite Palette an Farben verfügbar. Dies ist vor allemfür Anwendungen in der Uhren- und Schmuckindustrie interessant. Die Farbe wirnicht nachträglich durch Infiltration erzielt, sondern ist integraler Bestandteil der Ausgangsstoffe, aus denen das Halb- oder Fertigzeug gefertigt wird. Awalux bietet auch die Entwicklung eines kundenspezifischen Farbtones an.

Alumina Toughened Zirconia (ATZ)

Alumina Toughened Zirconia (ATZ) ist ein Hochleistungskeramik-Verbundwerkstoff, der durch die Kombination von Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) entsteht. Typischerweisebesteht ATZ aus 80% ZrO₂ (stabilisiert mit 3 mol% Yttriumoxid)und 20% Al₂O₃. Diese Zusammensetzung vereint die hohe Bruchzähigkeitvon Zirkonoxid mit der extremen Härte von Aluminiumoxid, was ATZ ideal für anspruchsvolle industrielle und medizinische Anwendungen macht.

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Mechanische Eigenschaften von ATZ

• Biegefestigkeit: Bis zu 1800 MPa (HIP-verarbeitet)
• Bruchzähigkeit: 8 MP/m, deutlich höher als reines ZrO₂
• Härte: 14GPa (Vickers), vergleichbar mit Wolframkarbid
• Thermische Stabilität: Einsatz bis 1'500 °C dank geringer Wärmeausdehnung (6,5–8,9 × 10⁻⁶ K⁻¹)
•  Korrosionsbeständigkeit: Inert gegenüber Säuren, Laugen und oxidierenden Medien

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Vorteile von ATZ

• Transformation toughening: Die ZrO₂-Matrix kann bei Belastung eine spannungsinduzierte Phasenumwandlung (tetragonal → monoklin) durchlaufen, die Rissausbreitung hemmt. Dies ist derselbe Mechanismus wie  beim TZP.
• Rissablenkung und Rissverzweigung: Al₂O₃-Partikel wirken als physische Barrieren für Rissausbreitung. Die Al₂O₃-Partikel zwingen die Risse zu Umwegen, was die erforderliche Bruchenergie erhöht. Zudem kann die Riss - Al₂O₃-Partikel Interaktion zu Rissverzweigungen führen, was die Rissfrontlänge vergrössert. 
• Eigenspannungen: die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ZrO₂ und Al₂O₃ erzeugen nach dem Sintern Druckeigenspannungen d.h. die Oberflächenkompression wird erhöht, was zu einer Steigerung der Biegefestigkeit führt.
• Kornfeinung der ZrO₂ Matrix: Al₂O₃ Partikel unterdrücken das Kornwachstum während dem Sintervorgang. Die kleineren Körner führen zu besseren mechanischen Eigenschaften (Hall-Petch).
• Niedrige Degradation: Al₂O₃-Zusatz reduziert die Anfälligkeit für Niedertemperaturdegradation (LTD) in feuchten Umgebungen.
• Verschleissfestigkeit: ATZ übertrifft reines ZrO₂ in abrasiven Anwendungen um das 3-Fache.

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Anwendungen von ATZ

Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften wird ATZ in vornehmlich in denfolgenden Bereichen eingesetzt

• Medizinische Implantate Insbesondere für Zahnimplantate aber auch für Hüftgelenke mit verbesserter Langzeitstabilität
• Industriekomponenten: Hochdruckventile die hohe Beständigkeit gegen abrasive Medien erfordern (zum Bsp. in Ölförderanlagen). Aber auch Führungsschienen, Düsen, Extrusionswerkzeuge und unterschiedlichste 3D-gedruckte geometrisch komplexe Bauteile mit Wandstärken bis zu 20mm.

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Fazit

Die vertikale Integration der Prozesse erlaubt es uns Bauteile zu veredeln. So ist zum Beispiel eine breite Palette an Farben verfügbar. Dies ist vor allem für Anwendungen in der Uhren- und Schmuckindustrie interessant. Die Farbe wirnicht nachträglich durch Infiltration erzielt, sondern ist integraler Bestandteil der Ausgangsstoffe, aus denen das Halb- oder Fertigzeug gefertigt wird. Awalux bietet auch die Entwicklung von kundenspezifischen Farbtönenan.  

Quellen

1. AZoM: "An Introduction to Tetragonal Zirconia Polycrystal (TZP)" (2023)
2. Allen Press: "Y-TZP Ceramics: Key Concepts for Clinical Application" (2009)
3. Chevalier et al.: "Low-temperature degradation of zirconia" (J Am Ceram Soc, 2008)
4. Taylor & Francis: "TZP – Knowledge and References"

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