Zirconium(IV)-oxid

Strukturformel
$ZrO_{2}$
Allgemeines
Name	Zirkoniumdioxid
Summenformel	ZrO2
Andere Namen	Zirconia; Zirkondioxid; Zirkonoxid; C.I. Pigment White 12; C.I. 77990
Kurzbeschreibung	--
CAS-Nummer	1314-23-4
Sicherheitshinweise
R- und S-Sätze	S22
Physikalische Eigenschaften
Aggregatzustand	fest
Farbe	weisses Pulver
Dichte	5.65(MgO) g/cm³ 5.8(Y2O3) g/cm³
Molmasse	123.22 g/mol
Mohs Härte	6.5
Schmelzpunkt	2680 °C
Siedepunkt	5500 °C
Dampfdruck	-- hPa
Löslichkeit	-- g/l in Wasser
Gut löslich in	?
Schlecht löslich in	--
Unlöslich in	?
SI-Einheiten wurden, wo möglich, verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, wurden Normbedingungen benutzt.

Zirkoniumdioxid (ZrO₂), auch Zirkonoxid, nach Zirkon die in der Natur häufigste Verbindung des Elementes Zirkonium. Zirkoniumdioxid findet als keramischer Werkstoff Verwendung. Die Modifikation im monoklinen Kristallgitter wird auch Baddeleyit genannt.

Eigenschaften

Zirkoniumdioxid 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.

Herstellung

Zirkoniumdioxid ZrO₂ ist eine Hochleistungskeramik und gehört zu der Gruppe der Oxidkeramik, also ein nichtmetallischer, anorganischer Werkstoff. Als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Zirkoniumoxid wird Zirkonsilikat ZrSiO₄ verwendet. Dieser Silikatsand wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozesse von Verunreinigungen getrennt und in Zirkoniumoxid überführt. Es wird so ein 99%ig reines Zirkoniumoxidpulver erhalten.

Modifikationen

Zirkoniumdioxid kommt in 3 Modifikationen vor:

• bei Raumtemperatur ist es monoklin mit einer KZ von 6 (Baddeleyit)
• oberhalb von 1170 °C ist es tetragonal mit einer KZ von 8
• oberhalb von 2370 °C kubisch mit einer KZ von 8 (Flourit-Typ)

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

Das kubische Zirkoniumdioxid kristallisiert in einem kubisch flächenzentrierten Gitter aus Zirkoniumionen, in welchem ein Würfel aus Sauerstoffionen einbeschrieben ist. Bei Raumtemperatur lässt sich das Zirkondioxid mit metallischen Oxiden wie z.B. Magnesiumoxid (MgO), Yttriumoxid (Y₂O₃), Calciumoxid (CaO) oder Ceroxid (CeO) in der kubischen Struktur stabilisieren. für Yttrium erhält man z.B. die CaF2 Struktur.

Verwendung

Anwendungsgebiete: Feuerfestkeramik, technische Keramik, Prothetik

Verwendung findet Zirkoniumdioxid aufgrund der guten thermischen Beständigkeit als Feuerfestkeramik, als technische Keramik im Maschinenbau, sowie als prothetisches Material in der Medizintechnik. Zirkoniumdioxid besitzt die Fähigkeit, bei höherer Temperatur Sauerstoffionen zu leiten. Diese Eigenschaft macht man sich zu Nutze, um Sauerstoffpartialdrücke z.B. in Abgasen (Lambda-Sonde) zu messen. Es kommt darüberhinaus 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 und bei Wurzelstiften zur Anwendung. Nach Aluminiumoxid ist es die am häufigsten verwendete Oxidkeramik.

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 Zirkoniumdioxid 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 kubische Hochtemperaturphase des Zirkoniumdioxids bis auf Raumtemperatur völlig (Kubisch stabilisiertes Zirkoniumdioxid - 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 Zirkoniumoxid (FSZ – fully stabilized zirconia), teilstabilisierte Zirkoniumoxid (PSZ – partly stabilized zirconia), welches in der Technik die größte Bedeutung hat und dem polykristallinen tetragonalen Zirkoniumoxid (TZP – tetragonal zirconia polycrystal).