Eigenschaften und Anwendungen von Zirkonoxid

Zirkonoxidkeramik ist ein wichtiger Hochleistungswerkstoff, der in modernen Hightech-Industrien weit verbreitet ist. Mit dem Aufkommen des 5G-Zeitalters hat sich Zirkonoxid aufgrund seiner jadeähnlichen Textur, seiner außergewöhnlichen Kratzfestigkeit und Haltbarkeit zu einer beliebten Wahl für Smartphone-Rückseiten, Fingerabdrucksensoren und andere Bauteile entwickelt. Verschleißfestigkeitminimale elektromagnetische Abschirmung und hervorragende Wärmeleistung.
 
1. Einführung in Zirkonoxid
 
Zirkonoxidkeramik (ZrO₂) zeichnet sich durch eine Kombination herausragender Eigenschaften aus, darunter hohe Schmelz- und Siedepunkte, hohe Festigkeit bei guter Zähigkeit, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, hohe Oberflächengüte, elektrische Isolation bei Raumtemperatur und Leitfähigkeit bei erhöhten Temperaturen. Reines ZrO₂ ist weiß, Verunreinigungen können jedoch zu gelblichen oder grauen Verfärbungen führen. Natürlich vorkommendes Zirkonoxid enthält üblicherweise HfO₂, das sich nur schwer abtrennen lässt. Die weltweiten Zirkonvorkommen werden auf etwa 19 Millionen Tonnen geschätzt, und Zirkonoxid wird typischerweise durch die Reinigung von Zirkonerzen gewonnen. Aufgrund seines Umwandlungshärtungsmechanismus ist Zirkonoxid der dominierende Werkstoff für hochwertige Keramiken in der Unterhaltungselektronik.
 
Zirkonoxid existiert in drei kristallinen Phasen: monoklin (m-ZrO₂) bei niedrigen Temperaturen, tetragonal (t-ZrO₂) bei mittleren Temperaturen und kubisch (c-ZrO₂) bei hohen Temperaturen. Diese Phasen sind in bestimmten Temperaturbereichen stabil und können sich bei Temperaturänderungen ineinander umwandeln.
 
2. Wichtigste Eigenschaften
 
Zirkonoxidkeramik ist eine neue Art von hochentwickelter technischer Keramik, die oft als „edler Werkstoff“ unter den Keramiken bezeichnet wird. Sie zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Härte, hohe Temperaturbeständigkeit, Beständigkeit gegen Säuren und Laugen, ausgezeichnete chemische Stabilität, Kratz- und Verschleißfestigkeit, minimale elektromagnetische Abschirmung, gute Wärmeleitfähigkeit, gute Verarbeitbarkeit, ein ansprechendes Aussehen und Eignung für die Massenproduktion aus.
 
1. Hoher Schmelzpunkt
Zirkonoxid hat einen Schmelzpunkt von 2715 °C. Aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und seiner chemischen Inertheit ist es ein hervorragend feuerfestes Material. Daher lässt sich eine lockere Zirkonoxid-Zahnkrone leicht reinigen, indem man die Klebereste mit einer Spirituslampe abbrennt, ohne die Wiederbefestigung zu beeinträchtigen.
2. Hohe Härte und Verschleißfestigkeit
Zirkonoxid zeichnet sich durch hohe Härte und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aus. Zum Vergleich: Kubisches Zirkonoxid (synthetischer Diamantnachahmer) hat eine Mohs-Härte von etwa 8,5, ähnlich der von Saphir (9). Polycarbonat hingegen weist eine Härte von 3,0 auf, gehärtetes Glas 5,5, eine Aluminium-Magnesium-Legierung 6,0 und Corning Gorilla Glass 7.
3. Hohe Festigkeit und gute Zähigkeit
Zirkonoxid kann eine Festigkeit von bis zu 1500 MPa erreichen. Obwohl seine Zähigkeit geringer ist als die einiger Metalle, ist sie für einen keramischen Werkstoff außergewöhnlich hoch, mit einem Bruchzähigkeitsbereich von 1–35 MPa·m¹/².
4. Niedrige Wärmeleitfähigkeit und niedriger Ausdehnungskoeffizient
Zirkonoxid besitzt die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller gängigen Keramiken (1,6–2,03 W/(m·K)) und sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist vergleichbar mit dem von Metallen. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet es sich ideal für strukturelle Anwendungen wie beispielsweise Smartphone-Komponenten.
5. Hervorragende elektrische Eigenschaften
Zirkonoxid besitzt eine dreimal höhere Dielektrizitätskonstante als Saphir und ermöglicht dadurch eine empfindlichere Signalübertragung, was insbesondere für Fingerabdrucksensoren von Vorteil ist. Als nichtmetallisches Material schirmt Zirkonoxid elektromagnetische Signale nicht ab, was eine größere Flexibilität bei Antennendesign und -integration ermöglicht und es somit ideal für 5G-Geräte macht.
6. Typische Anwendungen
 
Zirkonoxid findet breite Anwendung in der modernen Industrie und im Alltag. Die wichtigsten Anwendungsgebiete sind:
 
1. 3C-Elektronik (z. B. Smartphones)
Zirkonoxid wird aufgrund seiner nichtmagnetischen Eigenschaften, seiner Widerstandsfähigkeit gegen Stürze, Abnutzung und Biegung, seines jadeähnlichen Aussehens und seiner angenehmen Haptik häufig für Rückseiten von Smartphones und für strukturelle Bauteile verwendet.
2. Optische Kommunikation
Keramische Aderendhülsen und -hülsen werden häufig in Glasfasersteckverbindern eingesetzt. Aderendhülsen aus hochfester, zäher Keramik ermöglichen hohe Präzision, lange Lebensdauer und extrem niedrige Einfügungs- und Rückflussdämpfung.
3. Automobilindustrie
Zirkonoxidkeramiken weisen eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch sie sich für Bauteile im Brennraum von Motoren eignen, die eine gute Wärmeisolierung und Kompatibilität mit Metallteilen erfordern. Zu den potenziellen Anwendungsgebieten zählen Zylinderlaufbuchsen, Kolbenböden und Ventilsitze. Aufgrund der rauen Betriebsbedingungen in Motoren und der signifikanten Veränderung der Keramikfestigkeit bei hohen Temperaturen befindet sich die breite kommerzielle Anwendung in diesem Bereich jedoch noch in der Entwicklung.