Einführung in Zirkonoxid-verstärktes Aluminiumoxid (ZTA)
Zirconia Toughened Alumina (ZTA) ist ein hochentwickelter Keramikverbundwerkstoff, der die hohe Härte und Verschleißfestigkeit von Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit der überlegenen Bruchzähigkeit von Zirkonoxid (ZrO₂) kombiniert . Durch die Einbindung von ZrO₂-Partikeln in eine Al₂O₃-Matrix erreicht ZTA eine einzigartige Balance aus mechanischer Festigkeit, thermischer Stabilität und Rissbeständigkeit und eignet sich daher für anspruchsvolle technische und biomedizinische Anwendungen.
1. Zusammensetzung und Struktur
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Matrix: Aluminiumoxid (Al₂O₃, 70–90 Gew.-%) – sorgt für Härte und chemische Stabilität.
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Härtungsphase: Zirkonoxid (ZrO₂, 10–30 Gew.-%) – verbessert die Bruchzähigkeit durch Phasenumwandlungshärtung .
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Stabilisatoren (optional): Zur Kontrolle der ZrO₂-Phasenstabilität können Y₂O₃, CeO₂ oder MgO hinzugefügt werden.
Mikrostrukturelle Merkmale:
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Feine ZrO₂-Partikel (typischerweise <1 µm), dispergiert in der Al₂O₃-Matrix.
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Tetragonales ZrO₂ (t-ZrO₂) bleibt bei Raumtemperatur metastabil und ermöglicht so eine spannungsinduzierte Phasenumwandlung.
2. Wichtige Eigenschaften und Vorteile
| Eigentum | ZTA | Reines Al₂O₃ | Reines ZrO₂ |
|---|---|---|---|
| Härte (HV) | 1600-2000 | 1800-2200 | 1200-1400 |
| Bruchzähigkeit (K <sub> IC </sub> , MPa·m <sup> 1/2 </sup> ) | 5-10 | 3-4 | 6-12 |
| Biegefestigkeit (MPa) | 500-1000 | 300-500 | 800-1200 |
| Thermoschockbeständigkeit | Hoch | Mäßig | Sehr hoch |
| Kosten | Mäßig | Niedrig | Hoch |
Warum ZTA wählen?
✔ Höhere Zähigkeit als Al₂O₃ (weniger spröde, schlagfester)
✔ Höhere Härte als ZrO₂ (bessere Verschleißfestigkeit)
✔ Gute thermische und chemische Stabilität (geeignet für raue Umgebungen)
✔ Kostengünstige Alternative zu reinem ZrO₂
3. Härtungsmechanismen
Die verbesserte Bruchfestigkeit von ZTA beruht auf:
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Transformationsverstärkung
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Unter Belastung kommt es zum Phasenübergang tetragonales ZrO₂ (t-ZrO₂) → monoklines ZrO₂ (m-ZrO₂) , was zu einer Volumenausdehnung von ca. 4 % führt.
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Dadurch entstehen Druckspannungen um die Rissspitzen herum, die die Rissausbreitung behindern.
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Mikrorissverfestigung
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Die Phasenumwandlung von ZrO₂ führt zu Mikrorissen, die Energie absorbieren und Hauptrisse ablenken.
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Auswirkungen von Eigenspannungen
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Die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen Al₂O₃ und ZrO₂ erzeugt vorteilhafte Restspannungen.
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4. Anwendungen von ZTA
Aufgrund seiner ausgewogenen Eigenschaften wird ZTA verwendet in:
(1) Schneidwerkzeuge & Verschleißteile
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Einsätze für die Zerspanung, Schleifmittel, Drahtziehsteine.
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Überlegene Schlagfestigkeit gegenüber Al₂O₃.
(2) Biomedizinische Implantate
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Hüft- und Kniegelenkersatz (Alternative zu reinem ZrO₂).
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Zahnkronen und Implantate.
(3) Industrie- und Strukturkomponenten
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Hochtemperaturlager, Dichtungen, Ventile.
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Ballistische Panzerung (bessere Zähigkeit als Al₂O₃).
(4) Elektronik & Energie
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Substrate für Sensoren, Isolatoren.
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Komponenten in Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs).
