Eigenschaften und Anwendungen

Zirkoniumdioxid ist hart (Mohshärte 7-9), nichtmagnetisch, wasserunlöslich, nicht giftig und gegen die meisten Säuren und Laugen sehr beständig.
Da ZrO₂ einen hohen Schmelzpunkt (2680 °C) aufweist und zudem von flüssigen Metallen kaum benetzt wird, setzt man es in Schmelztiegeln oder Ofenauskleidungen ein.

In der Zahnmedizin ist ZrO₂-Keramik wegen der hohen Festigkeit und Bruchzähigkeit bei guter Bioverträglichkeit, und farblichen Anpassungsfähigkeit zur Anfertigung von Zahnersatz auf dem Vormarsch. Zudem lässt es sich durch Fräsen passgerecht bearbeiten. Wegen seines hohen Brechungsindexes werden Zirkoniumoxid-Einkristalle als Diamantimitate in der Schmuckindustrie (Zirkonia-Diamanten) verwendet.
Aufgrund seiner Härte wird pulverförmiges ZrO₂ ähnlich wie Korund (Al₂O₃) als Schleifmittel genutzt. Wegen seiner Härte und Abriebfestigkeit findet es vielfach aber auch dort Anwendung, wo glatte Oberflächen zu schützen sind. So wird es zur Verbesserung der Kratzfestigkeit von Farben und Lacken eingesetzt, z. B. in Automobil-Decklacken, Parkett- und Möbellacken, Lacken für elektronische Geräte, Nagellack und auch in Farben für Tintenstrahldrucker. Wegen seiner weißen Farbe wird es als Weißpigment (ähnlich Titandioxid) für Porzellan eingesetzt, in der Mischung mit Vanadiumoxid auch als Gelbpigment.
 

Zur Herstellung von kompakten Bauteilen aus ZrO₂ wird dieses durch Zusätze anderer Oxide wie Magnesiumoxid (MgO) oder Yttriumoxid (Y₂O₃) stabilisiert. Das nennt sich dann Teilstabilisiertes ZrO₂, und zeigt eine hervorragende Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit. ZrO₂-Zusätze in Aluminiumoxid dienen ebenso der Erhöhung der Zähigkeit (Bruchbeständigkeit). Teilstabilisiertes ZrO₂ wird zur Herstellung verschiedenster technischer Produkte wie Schneid- und Umformwerkzeuge, Fadenführer, Hochdruckkolben, Mühlenkomponenten oder von Hüftgelenksimplantaten (bereits über 600.000 Implantate weltweit) und medizinischen Instrumenten eingesetzt. Auch die im Haushalt zunehmend anzutreffenden keramischen Messer werden aus diesem Material hergestellt. Mit Yttrium-, Calcium-, Scandium- oder Magnesiumoxid stabilisiertes nanoskaliges Zirconiumdioxid wird ebenso für die Herstellung von Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells – SOFC) sowie für Lithium-Ionenbatterien verwandt. Mit seltenen Erden dotiertes ZrO₂ dient der Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasströmen (Lambda-Sonde im Auto, Feuerungsanlagen).
  
Eine frühe Anwendung fand Zirkoniumdioxid (mit Zusätzen von Yttrium- oder Thoriumoxid) als Glühkörper (Nernststift) in der Nernstlampe, einer von Walther Nernst 1897 erfundenen Bauart der elektrischen Glühlampe, bei der die Leitfähigkeit von ZrO₂ ausgenutzt wurde. Die Nernstlampe wurde bald von der Metallfadenlampe abgelöst. Der Nernst-Stift ist heute noch bei der Erzeugung von Infrarotstrahlung in der Analysetechnik von Bedeutung.
Marktgängige Produkte werden aus mikrokristallinen Pulvern gefertigt, in Nischen kommen zunehmend auch nanoskalige Rohstoffe zum Einsatz.
 

Natürliches Vorkommen und Herstellung

Verunreinigtes Zirkoniumdioxid kommt in der Natur mineralisch als Baddeleyit (es wird häufig als Verwitterungsgrus in Kies gefunden) sowie in Zirkon, vor. Auf Grund seiner hohen Härte, geringen Reaktivität und seines hohen Schmelzpunktes ist Zirkon das älteste auf der Erde anzutreffende Mineral. Baddeleyit ist nach Zirkon die in der Natur häufigste Verbindung des Elements Zirkonium. Der Zirkoniumgehalt in der Erdkruste beträgt 0,016% und ist damit höher als der der Elemente Chlor und Kupfer.
Zirkon kennt man auch als Edelstein, der in der Farbe je nach Spuren von Verunreinigungen von farblos weiß bis brau, grün etc. variieren kann.
Keines der natürlichen Isotope des Zirkons ist radioaktiv, trotzdem ist Zirkon für wesentliche Teile der natürlichen radioaktiven Strahlung der verschiedenen Zirkon-Verbindungen verantwortlich, da es relativ häufig mit Uranoxiden und anderen radioaktiven Stoffen wie Thoriumsalzen verunreinigt ist. Diese Verunreinigungen werden auch zur geologischen Altersbestimmung genutzt.
Als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Zirconiumoxid wird Zirconiumsilicat (ZrSiO₄) verwendet. Dieser Silicatsand wird durch Wasch-, Reinigungs- und Kalzinierungsprozesse von Verunreinigungen getrennt und in hochreines Zirconiumoxidpulver überführt.
 

NanoCare-Datenblätter zum Download

Datenblatt Zirkoniumdioxid1.pdf
Datenblatt Zirkoniumdioxid2.pdf
Datenblatt Zirkoniumdioxid3.pdf

Literatur

1. Chemie.de-Lexikon: Zirconiumdioxid
2. Wikipedia: Zirkoniumdioxid
3. IFA GESTIS Stoffdatenbank: Zirkondioxid
4. Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie, Band 1. 9. Auflage, dtv-Verlag, 2000
5. Römpp Chemielexikon. 9. Auflage (Herausgeber F. Falbe, M. Regnitz, Georg Thieme Verlag Stuttgart, New York, 1992);
6. Literaturübersicht über Zirkoniumdioxid in der Zahnmedizin und Bruchbelastbarkeit am Beispiel von Slot-Inlay Brückengerüsten, Inaugural-Dissertation von Florian Katz, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2007