Zirkonoxid – Oxidkeramik in der Zahntechnik

Oxidkeramik - Zirkoniumdioxid

Wobei handelt es sich bei Zirkoniumdioxid aus werkstoffkundlicher Sicht?

Das Material ist unter vielen Bezeichnungen im dentalen Sektor zu finden. Zirkon, Zirkondioxid, Zirkonoxid, Zirkonium und noch einige weitere. Ungeachtet dessen handelt es sich um eine Oxidkeramik, die sich durch

Tetragonales Gitter des Zirkonoxids zwischen 2370°C und 1173°C

herausragende mechanische Eigenschaften auszeichnet. An erster Stelle kann die Langzeitfestigkeit genannt werden, die den restlichen Dentalkeramiken weit überlegen ist. Der nächste entscheidende unterschied zu den Silikatkeramiken ist das Fehlen einer Glasphase. Mit deren Abwesenheit lässt sich auch erklären, warum die Oberfläche von ZrO2 nicht effektiv anätzen lässt. Die Konditionierung der Oberfläche durch Ätzung und anschließendem Silanisieren ist in seiner Wirksamkeit demnach umstritten, in großen Teilen wird es als sinnlos erachtet.

Kubisches Gitter von Zirkonoxid (exisitert im Temperaturbereich 2370°C-2690°C)

Die dentale Keramik Zirkonoxid enthält weitere Zusätze wie Y2O3 (Yttriumoxid) oder Al2O3 (Aluminiumoxid). Die Notwendigkeit des Zusatzes Yttriumoxid wird deutlich, wenn man das Temperaturverhalten von reinem Zirkonoxid betrachtet. Abhängig von der Temperatur kommt es in drei Modifikationen vor, das bedeutet, dass sich das atomare Gitter in seiner Geometrie bei bestimmten Temperaturen verändert. Geht man von einer Zirkonoxidschmelze aus, die abgekühlt wird, entsteht daraus bei 2690°C ein kubischer Festkörper. Eine weitere Phasenumwandlung tritt bei Erreichen von 2370°C ein, das kubischen wandelt sich in ein tetragonales Gitter um. Die wichtigste Transformation setzt allerding ab 1173°C ein, das Gitter ist nun bis Raumtemperatur monoklin. Bei Betrachtung der drei Gittertypen wird deutlich, dass jede Umwandlung mit einer Volumenänderung einhergeht, diese beträgt zum monoklinen Gitter 4%.

Durch die Volumenzunahme entstehen starke Spannungen, evtl. bilden sich sogar Risse im Material. Durch die Zugabe von ca. 3 Mol-% Y2Okann das tetragonale Gitter bis Raumtemperatur stabilisiert werden. Die Keramik wird daher auch 3Y-TZP (Yttriumoxid-stabilisiertes tetragonales polykristallines Zirkoniumdioxid).

Die Zugabe des Yttriumoxids bietet einen weiteren riesigen Vorteil, das Material erlangt in Grenzen einen Selbstheilungseffekt. Was bedeutet das?

Monokline Gitterstruktur des Zirkonoxids von 1173°C bis Raumtemperatur
Ausbreitung des Risses kann durch Phasenumwandlung an dessen Spitze verhindert werden

Es liegt in der Natur des Zirkonoxids, dass sich bei relativ hoher Belastung Spannungsrisse im Material bilden. Die lokalen Mikrorisse haben an ihrer Rissspitze Spannungsfelder, üben also Spannung auf das sie umgebende Zirkonoxidgitter aus. Es kommt zu einer spannungsinduzierten Phasenumwandlung, die zuvor unterdrückte tetragonale Phase entsteht, jedoch nur an der Stelle der Risssspitze. Die Ausbreitung des Risses wird so gestoppt, der Fachbegriff ist hierbei die Umwandlungsverstärkung. Die relativ geringe Zugabe von Al2O3  bewirkt eine zusätzliche Verstärkung der mechanischen Eigenschaften der Dentalkeramik.