Eigenschaften und Anwendungen von Zirkonoxid

Zirkonoxid-Vollkeramik ist ein Schlüsselwerkstoff für die Entwicklung moderner Hightech-Industrien. Mit dem Aufkommen des 5G-Zeitalters für Mobiltelefone hat Zirkonoxid-Vollkeramik aufgrund seiner jadeartigen, warmen Textur, Kratzfestigkeit und Langlebigkeit große Aufmerksamkeit erlangt und sich zu einem wichtigen Werkstoff in der Branche entwickelt. VerschleißfestigkeitEs zeichnet sich durch minimale Signalabschirmung und hervorragende Wärmeableitungseigenschaften aus. Es wird heute in Strukturbauteilen wie Handy-Abdeckplatten und Fingerabdruckmodulen eingesetzt.

I. Einführung in Zirkonoxid

Zirkonoxid-Vollkeramik, auch ZrO₂-Keramik genannt, zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften aus, darunter hohe Schmelz- und Siedepunkte, hohe Festigkeit und Zähigkeit, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, hohe Oberflächenglätte und isolierendes Verhalten bei Raumtemperatur bei gleichzeitig hoher Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen. Reines ZrO₂ ist weiß, erscheint jedoch gelblich oder grau, wenn es Verunreinigungen enthält, häufig HfO₂, das schwer abzutrennen ist. Die weltweit nachgewiesenen Zirkoniumvorkommen belaufen sich auf etwa 19 Millionen Tonnen. Zirkonoxid wird typischerweise aus Zirkonerz gewonnen. Aufgrund seiner durch Phasenumwandlung bedingten Zähigkeitseigenschaften bestehen die meisten hochwertigen Keramikwerkstoffe für Unterhaltungselektronik aus Zirkonoxid-Vollkeramik.

Zirkoniumdioxid (ZrO₂) existiert in drei Kristallformen: monoklin (m-ZrO₂) bei niedrigen Temperaturen, tetragonal (t-ZrO₂) bei mittleren Temperaturen und kubisch (c-ZrO₂) bei hohen Temperaturen. Diese drei Kristallformen existieren in unterschiedlichen Temperaturbereichen und können ineinander umgewandelt werden.

II. Leistung und Eigenschaften

Zirkonoxid-Vollkeramik ist eine neue Art von Hightech-Keramik und gilt als die edelste unter den Keramiken. Neben der Erfüllung von Anforderungen wie hoher Festigkeit, Härte, Hochtemperaturbeständigkeit, Säure- und Laugenbeständigkeit sowie hoher chemischer Stabilität zeichnet sie sich auch durch Kratz- und Verschleißfestigkeit, keine Signalabschirmung, hervorragende Wärmeableitung, gute Bearbeitbarkeit, ansprechendes Design 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 hervorragendes feuerfestes Material. Diese Eigenschaft ist auch in der Zahnmedizin von Vorteil: Löst sich eine Zirkonoxid-Restauration, kann der Klebstoff mit einer Spirituslampe entfernt werden, ohne die Wiederbefestigung oder Wiederverwendung zu beeinträchtigen.

2. Hohe Härte und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit
   Zirkonoxid zeichnet sich durch hohe Härte und ausgezeichnete Verschleißfestigkeit aus. Konkret erreicht kubisches Zirkonoxid (synthetischer Diamant) eine Mohs-Härte von etwa 8,5, was sehr nahe am Wert von Saphir (9) liegt. Zum Vergleich: Polycarbonat weist eine Mohs-Härte von nur 3,0 auf, gehärtetes Glas 5,5, eine Aluminium-Magnesium-Legierung 6,0 und Corning® Gorilla® Glass etwa 7.

3. Relativ hohe Festigkeit und Zähigkeit
   Zirkonoxid besitzt eine hohe Festigkeit (bis zu 1500 MPa). Obwohl seine Zähigkeit hinter der einiger Metalle zurückbleibt, gilt es im Vergleich zu anderen keramischen Werkstoffen innerhalb der "Keramik" als herausragend (Bruchzähigkeit typischerweise im Bereich von 1-35 MPa·m¹/²).

4. Niedrige Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
   Zirkonoxid besitzt die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller gängigen Keramikwerkstoffe (1,6–2,03 W/(m·K)) und sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist vergleichbar mit dem von Metallen. Daher eignet sich Zirkonoxidkeramik für strukturelle Keramikbauteile, beispielsweise für die Außenstruktur von Mobiltelefonen.

5. Hervorragende elektrische Eigenschaften
   Die Dielektrizitätskonstante von Zirkonoxid ist dreimal so hoch wie die von Saphir, was zu einer empfindlicheren Signalantwort führt und es somit besser für Komponenten wie Fingerabdrucksensoren geeignet macht. Hinsichtlich der Schirmwirkung schirmt Zirkonoxidkeramik als nichtmetallisches Material elektromagnetische Signale nicht ab. Dadurch werden Störungen des internen Antennenlayouts vollständig vermieden, eine einfache Integration in die Formgebung ermöglicht und es ist bestens für das kommende 5G-Zeitalter geeignet.

III. Typische Anwendungsgebiete (Bereiche)

Zirkonoxid findet in der modernen Industrie und im Alltag vielfältige Anwendung. Nachfolgend eine kurze Einführung in seine wichtigsten Anwendungsgebiete.

1. Mobiltelefone und andere elektronische 3C-Bereiche
   Aufgrund seiner nicht-signalabschirmenden Eigenschaften, seiner Stoß-, Verschleiß- und Biegefestigkeit, seines jadeähnlichen Aussehens und seiner angenehmen Haptik findet Zirkonoxid breite Anwendung in Mobiltelefonen und anderen Bereichen der 3C-Elektronik, vor allem als Rückseiten für Mobiltelefone und andere strukturelle Komponenten.

2. Optisches Kommunikationsgebiet
   Keramische Aderendhülsen und -hülsen finden heute breite Anwendung in Glasfasersteckern. Aderendhülsen aus hochfester und zäher Keramik erfüllen nicht nur höchste Präzisionsanforderungen, sondern bieten auch eine lange Lebensdauer bei sehr geringer Einfügedämpfung und Rückflussdämpfung.

3. Automobilbereich
   Zirkonoxidkeramik weist einen geringen Wärmeleitkoeffizienten, aber einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Diese Kombination sorgt für eine gute Wärmedämmung bei der Verwendung in Bauteilen des Brennraums von Motoren, während die Wärmeausdehnung vergleichbar mit der von Metallen bleibt. Mögliche Anwendungsgebiete sind Zylinderkopf-Grundplatten, Zylinderlaufbuchsen, Kolbenböden und Ventilsitzringe. Aufgrund der rauen Betriebsbedingungen in Motoren und der signifikanten Festigkeitsänderungen von Keramikbauteilen bei hohen Temperaturen ist für eine kommerzielle Anwendung jedoch noch weitere Entwicklung erforderlich.