Prakt. Met. Sonderband 41 (2009) 219
Beobachtung der hydrothermalen Alterung von ZrO,-Keramiken mit-
tels mikroskopischer und rontgenographischer Verfahren
M. Jendras, Fr.-W. Bach, R. Springer, G. Gershteyn, C. Hiibsch
Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover, Garbsen
1 Einführung
Zirconiumdioxid (auch: Zirconoxid; ZrO;) zdhlt zu den Hochleistungskeramiken und tritt in drei
verschiedenen Strukturmodifikationen auf. Bei Raumtemperatur tritt reines ZrO, monoklin auf, bei
ca. 1170 °C wandelt es sich in die tetragonale Strukturmodifikation um und bei Temperaturen ab ca.
2700 °C liegt es als kubische Phase vor. Bei der Umwandlung von tetragonaler zu monokliner Pha-
se erfolgt eine Scherung der Elementarzelle um ca. 9°, begleitet von einer Volumenzunahme um ca.
5 %. Diese Umwandlung ist martensitischer Natur [1-4]. Fiir die Stabilisierung der kubischen bzw.
der tetragonalen Phase auch bei Raumtemperatur ist eine Dotierung von ZrO, mit verschiedenen
Additiven wie CaO, MgO oder Y,0s erforderlich. Die in diesen Additiven enthaltenen allovalenten
Kationen nehmen im ZrO,-Kristallgitter die Position des Zr*" ein und fiihren so zu Sauerstoffleer-
stellen [5]. Je nach Art und Quantitit der Additive werden folgende ZrO,-Keramiken unterschieden:
FSZ (fully stabilized zirconia), PSZ (partly stabilized zirconia) sowie TZP (tetragonal zirconia
polycrystals).
ZrO,-Keramiken weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf. Durch den Effekt der so-
genannten Umwandlungsverstärkung erklären sich die hohe Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit, die
es erlauben Zirconiumdioxid für Anwendungen mit hoher mechanischer Belastung einzusetzen [6].
Diese guten mechanischen Eigenschaften werden allerdings durch Alterungseffekte beeinflusst. So
entdeckten Kobayashi et al. eine Degradation der ZrO,-Keramiken durch Zunahme der monoklinen
Phase [7]. Weitere Untersuchungen zeigten eine Alterung von ZrO,-Keramiken an Luft bei Tempe-
raturen zwischen 200-300 °C und verstärkt in feuchter Umgebung bei niedrigeren Temperaturen [8-
10]. Der Einfluss von Wasser bei der Alterung und der damit verbundenen Umwandlung ist viel
diskutiert worden. Eine Theorie der Rissbildung geht davon aus, dass sich das Wasser an der Ober-
fliche mit Y** zu Y(OH); verbindet und so das stabilisierende Additiv verloren geht [11]. Demge-
geniiber stellten Sato und Shimada [9] sowie Yoshimura et al. [10] fest, dass es zu keiner Abnahme
des Y-Gehaltes kommt. Gestiitzt auf IR-spektroskopische Untersuchungen gehen sie davon aus,
dass OH" die Sauerstoffbriicke zwischen zwei Zr-Atomen aufbricht und endstindige OH-Gruppen
an diese Zr-Atome anlagern.
In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse zur hydrothermalen Alterung von mit 3 mol% Y,0;
stabilisierter ZrO,-Keramik (3-Y-TZP) bei niedrigen Temperaturen (80 °C sowie 134 °C) vorge-
stellt. Die durch die hydrothermalen Bedingungen hervorgerufene Gitterumwandlung von tetrago-
nal zu monoklin wurde mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) verfolgt und quantifiziert, die Cha-
rakterisierung von Oberflächentopographie, Gefüge sowie Mikrostruktur der Proben erfolgte durch
mikroskopische Verfahren (Rasterelektronen- [REM], Transmissionselektronen- [TEM] sowie Ras-
terkraftmikroskopie [AFM]). Untersuchungen zur Auswirkung der hydrothermalen Alterung auf die
mechanischen Eigenschaften erfolgten in biaxialer Biegepriifung nach DIN EN ISO 6872. Die vor-
gestellten Ergebnisse dienen als Ausgangspunkt fiir die Entwicklung einer auch unter hydrotherma-
len Bedingungen langzeitstabilen Keramik auf ZrQ,-Basis.
