Eigenschaften
Zirkon, genauer Zirkoniumdioxid wurde 1789 von dem _____________________________________
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deutschen Chemiker M. H. Klaproth entdeckt. Allerdings wurde dieses über hervorragende Eigenschaften verfügende "Wundermaterial Zirkon" erst in den letzten Jahrzehnten wiederentdeckt. So wurde das Zirkoniumdioxid, umgangssprachlich Zirkon oder Zirkonoxid, in unterschiedlichen Varianten als Metallersatz in die Zahnmedizin eingeführt. Zirkon besticht durch seine außerordentlichen Eigenschaften wie hohe Biegefestigkeit (über 1000 MPa), Härte (1200 –1400) und Weibull Modulus (10-12). Zirkon Oxid wird durch Yttrium partiell stabilisiert und bedingt diese positiven Eigenschaften. Durch die Zugabe von Aluminiumoxid wird die Biegefestigkeit von Zirkon deutlich angehoben. Zirkon wird industriell schon lange genutzt. Neben seiner großen Festigkeit ist es biokompatibel. Aus diesem Grunde wird Zirkon in der Medizin (Gehör-, Finger- und Hüftendoprothesen) und der Zahnmedizin (Stifte, Kronen- und Brückenversorgungen, Implantate) verwendet. Die weiße Farbe von Zirkon und die biotechnischen Eigenschaften erlauben die Herstellung von biokompatiblen, qualitativ hochwertigen und ästhetischen Zahn- und Implantatrekonstruktionen.
Herstellung von Zirkon
Der Hauptrohstoff für die Herstellung von Zirkoniumdioxid ist das Mineral Zirkon (ZrSiO4). Aus ihm wird durch Schmelzen mit Zusatzstoffen großtechnisch Zirkon Oxid gewonnen. Da für die Produktion von Hochleistungskeramiken extrem reine Ausgangsprodukte verwendet werden müssen, sind darüber hinaus Synthesewege für hochreines Zirkon Oxid entwickelt worden. Dazu gehören die Herstellung durch Reaktionen in Salzschmelzen, Reaktionen in der Gasphase, die hydrothermale Pulversynthese, sowie Sol-Gelverfahren. Die Herstellung in der Gasphase und nach dem Sol-Gelverfahren lassen Pulver mit sehr geringen Teilchengrößen von 0,01 bis 0,10 µm erhalten. Das gewonnene Ausgangspulver wird mit Zusätzen vermischt und durch verschiedene Verfahtren werden dann so genannte Grünkörper hergestellt. Bei den Zusätzen unterscheidet man zwischen Sinteradditiven, welche das Sinterverhalten sowie die Eigenschaften der fertigen Keramik gezielt beeinflussen, und Hilfsstoffen, welche die Formgebung erleichtern. Während die Sinteradditive im Zirkon Oxid verbleiben, werden die Hilfsstoffe, bei denen es sich neben Wasser hauptsächlich um leicht flüchtige organische Verbindungen handelt, vor dem Sinterprozess rückstandslos aus dem Zirkon Oxid Formteil entfernt. Der Grünkörper wird durch Sintern in das Rohprodukt überführt und anschließend je nach Anwendungszweck geschliffen und poliert. Der Sinterprozess kann dabei sowohl bei atmosphärischem Druck, als auch unter hohem Druck erfolgen. Erst beim Sinterprozess erhalten die Formteile ihre eigentlichen Eigenschaften. Das Verdichten der Zirkon Oxid Pulverteilchen geschieht durch die Verringerung der spezifischen Oberfläche. Dieses wird durch temperaturabhängige Diffusionsvorgänge mit wechselnden Anteilen an Oberflächen-, Korngrenzen- und Volumendiffusion erreicht. Läuft die Festkörperdiffusion zu langsam ab, so kann mit einer flüssigen Phase oder unter Druck gesintert werden. Im letzteren Fall spricht man vom Heißpressen oder heißisostatischem Pressen ("hipen") von Zirkon. Die der Festkörperdiffusion lässt sich durch geeignete Wahl von Sinteradditiven erhöhen.
Zirkon -Keramiken
Die Eigenschaften von Zirkon -Keramiken hängen sehr stark von der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes und vom Herstellungsprozess ab. Man unterscheidet zwischen vollstabilisiertem Zirkon (FSZ „fully stabilized zirconia“) teilstabilisiertem Zirkon (PSZ „partially stabilized zirconia“). Eine Teilstabilisierung kann einen Zusatz von 3-6% CaO, MgO oder Y2O3 erreicht werden. Je Herstellungsbedingungen kann dabei die kubische, die tetragonale oder die monokline Modifikation stabilisiert werden. Teilstabilisiertes Zirkon weist eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit auf und eignet sich daher auch für den Einsatz als Mechanokeramik bei hoher Temperatur. Durch Zusatz von 10-15% CaO, MgO kann die kubische Modifikation des Zirkon vom absoluten Nullpunkt bis zur Soliduslinie stabilisiert werden (FSZ)und der keramische Werkstoff ist bis zu einer Temperatur von 2600° thermisch und mechanisch belastbar. Aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit und dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten, im Vergleich zu teilstabilisiertem Zirkon, ist die Temperaturwechselbeständigkeit von vollstabilisierten Zirkon jedoch geringer. Das für den Implantateinsatz geeignete Zirkon weist folgende Zusammensetzung auf: 95% ZrO2 + 5% Y2O3
