Oxid-Keramik - Keramik: Wie ein alter Werkstoff hochmodern wird - page 98

an. Das aus der Schmelzphase kristallisierende Material gehört streng
genommen nicht zur Keramik, wird aber häufig dazu gezählt.
Die Herstellungsprobleme für Zirkoniumdioxid-Keramik ergeben
sich dadurch, dass ZrO 2 in Abhängigkeit von der Temperatur unter-
schiedliche Kristallphasen mit unterschiedlicher Dichte bildet. Daraus
resultieren an den Umwandlungspunkten Sprünge im Volumen. Sie müs-
sen im Keramikwerkstoff auf jeden Fall vermieden werden. Andernfalls
zerrieselt das Material bei den Modifikationswechseln. Für die Phasen-
umwandlungen gilt:
monoklin 1175 ı C ! tetragonal 2300 ı C ! kubisch
Die Phasenumwandlung monoklin/tetragonal mit einem Volumen-
sprung von 4% besitzt die Hauptbedeutung. Wenn sich beim Abkühlen
aus dem tetragonalen ZrO 2 das monokline bildet, dehnen sich die
Kristalle um 4 Volumen-% aus, was die Zerstörung eines kompakten
Erzeugnisses bewirkt. Diese Phasenumwandlung muss also verhindert
werden.
Andererseits kann man, wie im Quarzporzellan (Abschn. 4.2 ) , bei ge-
nügend kleinen Kristallen die Phasenumwandlung nutzen, um gezielte
Mikro-Druckverspannungen im Erzeugnis aufzubauen, die sowohl die
Festigkeit als auch die Bruchzähigkeit erhöhen. Das wird bei Implantaten
ausgenutzt. Sind in einer Zirkoniumdioxid-Keramik tetragonale Bezirke
stabilisiert oder war es sogar möglich, das gesamte Erzeugnis im tetra-
gonalen Zustand zu erhalten, wird die Phasenumwandlung bei Raum-
temperatur z. B. durch einen unachtsamen Sprung (Druck oder Biegung)
ausgelöst. An der überbeanspruchten Stelle entsteht dann die gewünschte
Mikro-Druckverspannung (Abb. 5.7 ) . Das Implantat bricht nicht. Lei-
der ist der Vorgang bei Raumtemperatur nicht reversibel, d. h. ein in
die monokline Phase umgewandelter Bezirk des Implantats wandelt bei
Raumtemperatur nicht mehr zurück in die tetragonale um.
ZrO 2 -Kristalle sind in der Lage, Mischkristalle zu bilden. Beispiels-
weise wird ein Zr 4+ -Kation durch ein anderes zwei-, drei- oder vier-
wertiges ersetzt. Außer bei der Dotierung mit Ce 4+ verbleibt eine Rest-
ladung, die durch einen Mangel an Sauerstoffanionen O 2- kompensiert
wird. Durch diese Mischkristallbildung, die von der Zusammensetzung
und der Temperatur abhängig ist, kann man die Phasenumwandlung un-
terdrücken.