Physikalische Eigenschaften

a) Biegefestigkeit

Die Biegefestigkeit ist definiert als die maximale nominale Randfaserspannung, die vom Werkstoff im Moment des Versagens ertragen wird, wenn er einer elastischen Biegebeanspruchung ausgesetzt wird.

Das unterschiedliche Verhalten von Keramiken gegenüber Metallen beruht auf der atomaren Bindungsstruktur. Bei keramischen Materialien sind aufgrund der kovalent-ionischen Bindungen keine plastischen Verformungen möglich. Beim Überschreiten der Elastizitätsgrenze brechen keramische Werkstoffe spontan, wohingegen bei Metallen plastische Verformung auftritt. Grundsätzlich kann man die Biegefestigkeit keramischer Werkstoffe mit der 0,2 % Dehngrenze von metallischen Werkstoffen vergleichen. Die 0,2 % Dehngrenze wird anstelle der schwer zu ermittelnden Fließ- oder Streckgrenze verwendet. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Biegefestigkeit zu ermitteln:

  • 3 – Punkt Biegeversuch
  • 4 – Punkt Biegeversuch
  • Biaxialer Biegeversuch

3–Punkt-Biegeversuch (DIN EN 843-1)

Die Prüfapparatur muss sicherstellen, dass Reibungs- und Torsionsbelastungen der Proben minimiert werden. Die Probe wird auf zwei Aufleger rechtwinklig zur Probenlängsachse positioniert. Als äußere Aufleger müssen parallel angeordnete Rollen mit einem Durchmesser von (2,5 ± 0,2) mm bei einem Auflagerabstand A oder (5,0 ± 0,2) mm bei einem Auflagerabstand B verwendet werden. Die Auflagestäbe müssen frei gelagert sein, sodass sie um ihre Längsachse rotieren können, um Reibungseinflüsse zu minimieren. Einer der beiden Auflagestäbe muss außerdem um eine Achse rechtwinklig dazu, parallel zur Längsachse des Probekörpers, rotieren können, um dem Probekörper bei der Belastung ein Ausrichten zu ermöglichen. Die Rollen sind im unbelasteten Zustand so zu positionieren, dass die Rollenmitten einen Abstand von (20 ± 0,5) mm (Auflagerabstand A) bzw. 40 ± 0,5) mm (Auflagerabstand B) aufweisen und die Rollenlängsachsen innerhalb von 1° parallel ausgerichtet sind. Der Abstand der Rollenmitten im unbelasteten Zustand ist mit einem Messmikroskop auf 0,1 mm zu bestimmen. Die Rollen müssen aus gehärtetem Stahl oder einem anderen harten Werkstoff mit einer Härte größer als 40 HRC gefertigt sein. Die Rollen müssen eine ebene Oberfläche und eine Rauheit kleiner 0,5 R aufweisen. Die Maßabweichungen des Rollendurchmessers muss ± 0,02 mm betragen. Bei der Drei-Punkt-Biegung wird eine dritte Rolle in der Mitte zwischen den Auflagerollen und parallel hierzu angeordnet. Diese Rolle besitzt den gleichen Durchmesser wie die Auflagerollen und ist ebenfalls frei um eine Achse kippfähig zu der Probenlängsachse. Zudem muss ihre Oberfläche der Rollen blank und gratfrei gehalten werden. Die Last wird senkrecht zur Probekörperebene und/oder Auflageebene aufgebracht.

4–Punkt-Biegeversuch (DIN EN 843-1) 

Das Prüfgerät besteht wie bei dem 3-Punkt-Biegeverfahren aus zwei Auflagern, bei identischen Spezifikationen. Zwei Belastungsstäbe, deren Mittelachsenabstand die Hälfte der Stützweite beträgt sind symmetrisch auf ± 0,2 mm genau zwischen den Auflagestäben angebracht, und die Last wird rechtwinklig auf den Probekörper übertragen. Die beiden Belastungsstäbe müssen um ihre Längsachse frei rotieren können und zudem unabhängig voneinander um eine Achse parallel zur Längsachse der Probekörper rotieren können. Auf diese Weise kann eine optimale Ausrichtung der Belastungs- und Auflagestäbe erreicht werden. Bei der Vier-Punkt-Biegung beträgt der Belastungsrollenabstand (10 ± 0,2) mm beim Auflagerollenabstand A bzw. (20 ± 0,2) mm beim Auflagerollenabstand B.

Die Probenherstellung sollte an das zu erwartende Bauteilherstellungsverfahren angepasst werden. Jede Oberflächenbehandlung, wie Schleifen, Scheuern etc., sollte vermerkt werden und der Oberfläche des Bauteils entsprechen, da die Bruchfestigkeit von Keramiken durch die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst werden

Biaxialer Biegeversuch (DIN EN ISO 6872) 

Der Biaxiale Biegeversuch (piston on three balls) wird von der Arbeitsgruppe Vollkeramik der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der LMU München alsStandardversuch für die Ermittlung der Biegfestigkeiten von Hochleistungskeramiken wie Zirkoniumdioxid verwendet. Die Versuchsanordnung ist aus der schematischen Darstellung erkennbar.

Nach Herstellerangaben werden 10 Scheiben mit einem Durchmesser von 12 mm bis 16 mm und einer Dicke von 2 mm hergestellt. Im Falle von Keramikwerkstoffen, die zur maschinellen Bearbeitung vorgesehen sind, müssen die Probekörper aus den vom Hersteller gelieferten Keramikblöcken hergestellt werden. Jeder Probekörper wird auf eine Dicke von (1,2 +/- 0,2) mm und einen Durchmesser von 12 mm bis 16 mm beschliffen. Der erste Schliff erfolgt mit einer Diamantscheibe mit einer Körnung von 30 µm bis 40 µm. Für den Endschliff wird eine Diamantscheibe mit einer Körnung von 15 µm bis 20 µm verwendet. Es ist darauf zu achten, dass die gegenüberliegenden Seiten der Probekörper flach beschliffen sind mit einer Parallelitätstoleranz von +/- 0,05 mm. Siehe hierzu PDF-Datei des QZ-Berichtes 9/2004 „Die Biegefestigkeit von weißkörpergefrästem Zirkoniumdioxid“

b) KIC = Risszähigkeit (kritischer Spannungsintensitätsfaktor) 

Die Riss- oder Bruchzähigkeit beschreibt den Widerstand, den ein Werkstoff an einer Rissspitze aufbringen kann, um ein weiteres Fortschreiten des Risses zu verhindern. Diese Eigenschaft ist besonders gut bei Metallen ausgeprägt, deren Messwerte zwischen 60 und 120 MPam1/2 liegen. Die Risszähigkeit von Keramiken liegt dagegen grundsätzlich weit darunter. Einfach Dentalkeramiken haben einen Wert für KIC von ca. 1 MPam1/2. Lithium-Disilikat-Keramiken liegen zwischen 3 und 6 MPam1/2, Oxidkeramiken noch darüber. Zirkoniumdioxid erreicht hierbei mit KIC = 10 MPam1/2 die höchsten Werte.    

Der Widerstand gegen den Rissfortschritt kommt im Wesentlichen dann zur Geltung, wenn Fehler in Form von Poren und Einlagerungen oder tatsächlichen Rissen an der Oberfläche, z. B. unsachgemäße Bearbeitung, vorliegen. Je höher die Risszähigkeit ist, desto sicherer ist bei gleicher Fehlerverteilung das Langzeitverhalten. Hierin liegt der besondere Vorteil von Zirkoniumdioxidkeramiken, mit dem höchsten Risszähigkeitswert im dentalkeramischen Bereich, der insbesondere in Verbindung mit fehlerfreien, industriegefertigten Rohlingen hinsichtlich der Dauerfestigkeit die größte Sicherheit bietet.

Der kritische Spannungsintensitätsfaktor KIC ist ein Maß für die Rissanfälligkeit bzw. Sprödigkeit eines Werkstoffes. Das Risswachstumsverhalten ist nicht alleine von der Belastung abhängig, sondern von einer Kombination aus Belastung und Rissgröße. Erst wenn der kritische Wert KIC  erreicht ist, tritt Versagen ein.

Die Risszähigkeit oder Bruchzähigkeit KIC = ist eine Materialkenngröße und muss mit geeigneten Versuchen bestimmt werden. Diese wird mit genormten Laborproben bestimmt, in die ein möglichst scharfer Riss eingebracht wird. Die Probe wird solange mit steigender Last belastet, bis Bruch eintritt. Versuche zur Bestimmung der Bruchzähigkeit erfolgen im allgemeinen weggesteuert. Es wird eine bestimmte Querhauptverschiebung in der Maschine vorgegeben, zu der sich eine Kraft einstellt. Die Vorschubgeschwindigkeit muss sich innerhalb eines bestimmten Rahmens bewegen und muss bei der Auswertung angegeben werden. Auf der Bruchfläche wird die Risslänge (a) ausgemessen. Daraus kann dann nach in der Literatur angegebenen Beziehungen der Spannungsintensitätsfaktor beim Versagen berechnet werden.  

Bei der Messung der Risszähigkeit für keramische Werkstoffe wird meist eine Biegeprobe im Vierpunktbiegeversuch (DIN ENV 843-1) verwendet. Das experimentelle Problem besteht darin, einen definierten Riss in die Probe einzubringen, ohne dass die Probe bricht.

Eine sehr einfache Methode ist die sog. Rasierklingenmethode, bei der durch Sägen mit einer Rasierklinge, unter die etwas Diamantstaub gebracht wird, in der Probenmitte auf der Zugseite ein scharfer Riss eingesägt wird.  

Aus der Bruchkraft Fmax und der Risslänge a kann schließlich die Risszähigkeit KICberechnet werden. Im wesentlichen ist KIC das Produkt aus der durch äußere Kraft hervorgerufenen, senkrecht zur Rissebene wirkenden Spannung s und der Wurzel der Ausdehnung des gefährlichsten Risses, der Risstiefe a. Zusätzlich hängt KIC von einem Korrekturfaktor Y ab, in welchen die Geometrie des Bauteils und des Risses miteinfließen. Es ergibt sich somit:  

KI = s * a ½ * Y <= KIC  

Die Einheit von KIC ist MPa*m ½.

Die Risszähigkeit von Zirkoniumdioxid kann je nach Art der zulegierten Komponenten (z. B. 3Y-TZP, PSZ, ATZ etc.) zwischen 6 und 10,5 MPa*m ½ liegen.

c) Weibullparameter  

Mit einer von Weibull entwickelten Theorie, die auf dem Konzept des Versagens aufgrund des schwächsten Gliedes (weakest-link-Prinzip) beruht, lässt sich das Streuverhalten der Festigkeit keramischer Materialien gut beschreiben. Die Festigkeit ist in spröden Werkstoffen von der Ausgangs-Risslänge im Bauteil bzw. vom größten kritischen Defekt und seiner Orientierung im Spannungsfeld abhängig. Das hat zur Folge, dass die experimentell ermittelten Festigkeitswerte keramischer Werkstoffe einer Streuung unterliegen. Während bei metallischen Werkstoffen die Festigkeit um einen Mittelwert symmetrisch verteilt ist (Gauß`sche Normalverteilung) mit einer relativ geringen Streuung, wird die Festigkeit in spröden keramischen Werkstoffen mit Hilfe der Weibullverteilung beschrieben.  Der Weibullmodul m ist ein Maß für die Festigkeitsstreuung, d. h. je höher der Weibullmodul m liegt, desto homogener ist der Werkstoff (d. h. die Defekte sind sehr gleichmäßig über das gesamte Volumen verteilt und in ihrer Größenordnung gleich). Ein niedriger Weibullmodul bedeutet daher eine große Streuung der Festigkeitswerte.

  

Bestimmung des Weibullmoduls durch Auswertung von experimentellen Versuchen

Die experimentelle Bestimmung der Festigkeit sollte idealerweise an einem Satz von mindestens 25 bis 30 Proben erfolgen. Zur Bestimmung des Weibullmoduls m und der Weibullfestigkeit s0 (charakteristische Festigkeit) gibt es zwei unterschiedliche Verfahren.  

 

Numerisches Verfahren

Mit Hilfe der Maximum Likelihood-Funktion ist es rechnerisch möglich, die beiden Parameter rechnerisch zu bestimmen.  

 

Grafisches Verfahren

Beim grafischen Verfahren werden zuerst die Biegefestigkeiten  der einzelnen Proben (1 bis N)nach aufsteigender Sortierung der Festigkeitswerte mit si < si+1, i = 1......N aufgetragen. Die Versuchsergebnisse werden im ln(s) - lnln(1/1-P) Diagramm aufgetragen, wobei P(s) = i - 0,5/N ist. Anschließend wird eine Regressionsgerade nach dem Prinzip der Fehlerquadratminimierung durch die Punkte gelegt und daraus der Weibullmodul m (Steigung der Geraden im Diagramm) und die Weibullfestigkeit s0 (bei lnln(1/1-P) = 0) bestimmt.

d) Härte 

Die Härte von Zirkoniumdioxid wird entweder durch das Prüfverfahren nach Vickers  oder durch das Prüfverfahren nach Knoop (DIN ISO 50 133 bzw. DIN ENV 843-4) bestimmt. Bei der Härteprüfung nach Vickers wird eine Diamantpyramide mit einer quadratischen Grundfläche und einem Flächenwinkel von 136 ° verwendet. Die Härte errechnet sich aus Kraft und Eindruckfläche, berechnet aus der Eindruckdiagonale.


Formel zur Berechnung der Vickershärte

Die Härteprüfung nach Knoop ist eine modifizierte Anwendung des Prüfverfahrens nach Vickers, wobei als Prüfstempel anstelle einer quadratischen Diamantpyramide eine rechteckige Diamantpyramide verwendet wird mit den Flächenöffnungswinkeln 130 ° und 172,5 °. Da die Eindringtiefe beim Härteprüfverfahren nach Knoop geringer ist (33%), als bei der Prüfung nach Vickers, ist dieses Prüfverfahren für Messungen im Mikrobereich und an dünnen Schichten geeignet. Auch für die Prüfung von keramischen Werkstoffen ist das Verfahren geeignet. 

Die Härte von Zirkoniumdioxid liegt im Bereich von  

HV = 11 – 12,5 * 103 [Nmm-2]

e) Unterkritisches Risswachstum (= URW = Spannungsrisskorrosion)

Wird ein keramisches Bauteil unterhalb seiner Festigkeit belastet, und ist eventuell noch Wasser oder Feuchtigkeit (Mundmilieu) vorhanden, so wächst ausgehend von einem kritischen Fehler, erst sehr langsam und dann bei weiterer Belastung immer schneller ein Riss, bis letztendlich das Bauteil versagt. Im sogenannten SPT - Diagramm kann unter Einbeziehung des unterkritischen Risswachstums der Zusammenhang zwischen Biegefestigkeit (Strength), Überlebenswahrscheinlichkeit (Probability) und Lebensdauer (Time) dargestellt werden.

f) E-Modul

Die Elastizität wird durch den Elastizitätsmodul quantifiziert. Der E-Modul beschreibt den Widerstand gegen eine elastische Verformung durch Belastung, die nach Entlastung ohne Schädigung des Werkstoffes wieder aufgehoben wird.   Edelmetalllegierungen haben einen Elastizitätsmodul von ca. 80 bis 130 GPa, NEM-Legierungen liegen im Bereich von 180 bis 230 GPa. Keramiken haben E-Module im Bereich von 50 GPa (einfache Glaskeramik) bis 230 GPa (Aluminiumoxid). Zirkoniumdioxid liegt bei etwa 200 bis 220 GPa, also in der Größenordnung von NEM-Legierungen.   Keramiken setzen bei einer elastischen Verformung der Belastung einen ähnlich großen Widerstand entgegen wie Dentallegierungen. Die Aussage, Keramiken seien nicht elastisch, ist darum falsch.

Der Elastizitätsmodul wird aus dem Quotienten der Spannung s und der relativen Dehnung e gebildet.

                                                    E = s/ e

Zirkoniumdioxid weist einen  Elastizitätsmodul von   E = 200 – 220 GPa auf.

Grenze der elastischen Verformung

a) 0,2%-Dehngrenze bei Metallen

Die Grenze der elastischen Verformung wird bei Metallen durch die 0,2%-Dehngrenze angegeben. Oberhalb dieser Belastung wird ein Metall bleibend plastisch verformt.  

b) Biegefestigkeit bei Keramiken

Bei Raumtemperatur lassen sich Keramiken nicht plastisch verformen. Sie lassen sich zwar elastisch verformen, aber beim Erreichen der Grenze der elastischen Verformbarkeit gehen Keramiken zu Bruch. Diese Tatsache wird als Sprödigkeit bezeichnet. Der Unterschied zwischen Keramiken und Metallen liegt darin,  dass Metalle plastisch verformbar sind (duktil, zäh), während Keramiken dagegen spröde sind. Elastisch sind beide Werkstoffgruppen. Man kann die 0,2%-Dehngrenze bei Metallen mit der Biegefestigkeit von Keramiken vergleichen.

f) Wärmeausdehnungskoeffizient = WAK

Verblendkeramiken müssen mit Blick auf den Gerüstwerkstoff zwei wichtige Eigenschaften aufweisen:

1. Es muss ein guter Verbund zwischen beiden Partnern beim Aufbrennen entstehen und

2. In der Abkühlphase nach dem Brand sowie bei thermischer Wechselbelastung in der Mundhöhle müssen die Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) beider Materialen aufeinander abgestimmt sein.

Bei einigen vollkeramischen Systemen wird dabei ähnlich wie in der Metallkeramik die Idee verfolgt, dass die stärkere Gerüstkeramik aufgrund eines leicht (bis 10%) höheren WAK die schwächere Verblendkeramik in der Abkühlphase unter Druck setzt. Dieses Prinzip darf natürlich nicht überreizt werden und setzt voraus, dass die Gerüstkeramik, die ja dabei unter Zugspannung gerät, ausreichend fest und geometrisch ausreichend dick gestaltet wird.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Zirkoniumdioxid liegt bei

                                WAK (20 - 500 °C) = 10 - 11 [* 10 -6/K]K         [20 - 500 °C] [* 10-6/K