Das Material Zirkonoxid

Zirkoniumdioxid (ZrO2) hat sich als Gerüstwerkstoff in der dentalen Keramikwelt herauskristallisiert. Die Bezeichnungen Zirkon und Zirkonoxid sind als Bezeichnung der Strukturformel nicht richtig. Zirkon steht für das Mineral Zirkonsilikat (ZrSiO4), welches als natürlicher Rohstoff für die Strukturkeramik dient. Die richtige Bezeichnung lautet Zirkoniumdioxid. Allerdings gibt auch diese Bezeichnung nicht die genaue Zusammensetzung der Hochleistungskeramik wieder. Vielmehr werden der Keramik Zusätze beigemengt, welche die Eigenschaften des Materials verbessern.

1. Reines Zirkoniumdioxid

Reines Zirkoniumdioxid existiert in 3 verschiedenen Phasen, welche von der Temperatur abhängig sind. Von Raumtemperatur bis 1173 °C ist die monokline Phase stabil. Bei Temperaturen über 1173 °C bis 2370 °C liegt die tetragonale Phase vor. Über 2370 °C ist die kubische Phase stabil. Der Schmelzpunkt von ZrO2 liegt bei 2690 °C.


Phasenumwandlung

2. Y-TZP = Yttriumoxid stabilisiertes tetragonales polykristallines Zirkoniumdioxid = Y stabilized-tetragonal-zirconia-polycristal

Die Zugabe von 3 Mol% Y2O3 (=5,1 Gew.-%) führt zu einer metastabilen tetragonalen Phase bei Raumtemperatur. Bei sehr hoher mechanischer Belastung entstehen lokale Spannungsspitzen, die zur Bildung von Mikrorissen führen können. Das Spannungsfeld an der Rissspitze induziert die Umwandlung von der tetragonalen zur monoklinen Phase. Durch die dabei verursachte Volumenzunahme von 4 % werden die Rissflanken zusammengedrückt. Der Rissfortschritt ist gebremst. Man nennt dieses Phänomen „Umwandlungsverstärkung“. Häufig wird auch eine kleine Menge (0,25 %) Aluminiumoxid zugegeben, was zusätzlich nochmals eine Erhöhung der mechanischen Eigenschaften bewirkt.

3. CeO2 stabilisiertes TZP

Auch mit CeO2 kann ZrO2 stabilisiert werden.

Als Beispiel für ein ZrO2 - Material, das mit CeO2 stabilisiert wird, kann das neueNANOZR aus dem Hause Panasonic Dental Co. Osaka  bzw. nanoZir von Hint-Els genannt werden. Bei diesem Material handelt es sich um ein Zirkoniumdioxid/Aluminiumoxid-Gemisch. Die Bestandteile lassen sich wie folgt festlegen:

  • ZrO2
  • CeO2
  • Al2O3

Die Komponentenverteilung ist:

  • Ce-TZP = 70 %
  • Al2O= 30 %  

Der WAK beträgt 10,3 x 10-6 K-1, für die Verblendung wird die Keramik Shofu VINTAGE ZR empfohlen. Laut Hersteller weist das Material eine sehr hohe Bruchzähigkeit auf, welche sie auch nach Jahren der Beanspruchung im feuchten Milieu unter thermischer Wechselwirkung nicht verliert. Der Elastizitätsmodul liegt bei E = 245 GPa, die Bruchzähigkeit KIC = 17,9 +/- 0,3 [MPa * m1/2] (Messwerte sind Angaben der Firma Hint-Els bzw. Matsushita Electronic Work, Ltd, gemessen von Prof. Seiji Ban, Kagoshima University)

(Quelle sämtlicher Daten und Informationen: Hint-Els, Insights Vol. 1d)

4. Teilstabilisiertes ZrO2 = PSZ = partially stabilized zirconia

Bei diesem Typ ist nur ein gewisser Volumenanteil in der tetragonalen Phase stabilisiert. Der Rest besteht aus kubischem ZrO2. Als Teilstabilisatoren können z. B. CaO und MgO (ca. 8 – 10 Mol %)dienen. Als Vertreter des MgO-PSZ ist zum Beispiel das Material Leolux von DCS zu nennen. Die Festigkeits- und Zähigkeitswerte liegen unter denen von TZP-Keramik.

5. FSZ = fully stabilized zirconia

Die Konzentrationen der Stabilisierungsoxide MgO, CaO und Y2O3 sind so hoch gewählt, dass die kubische Phase auch bei Raumtemperatur stabil existiert. Bei FSZ gibt es keine Möglichkeit der Umwandlungsverstärkung. Deshalb werden aktuell keine FSZ im Dentalbereich angewandt.

6. ATZ = alumina thoughened zirconia = Aluminiumoxidverstärktes ZrO2

Yttriumverstärktes ZrO2 wird hierbei durch Zugabe von 20 – 25 % Al2O3 nochmals verstärkt. Es kann dabei eine noch höhere Biegefestigkeit von bis zu 2000 MPa erreicht werden. Allerdings hat das Material eine sehr hohe Opazität und einen hohen Weißheitsgrad. Aktuell wird das Material für Knochenfräsen und Implantatbohrer durch die Firma Komet – Gebr. Brasseler verwendet.