Die drei Modifikationen von Zirkonoxid
Zirkoniumdioxid (ZrO2), meist kurz Zirkonoxid genannt, tritt in verschiedenen Modifikationen auf, die sich durch den Yttriumoxidgehalt und die Struktur des Kristallgitters unterscheiden.
Zirkonoxid durchläuft beim Abkühlen einen Transformationsprozess in 3 Phasen, die jeweils zu einer typischen Kristallgitterstruktur führen. Bei sehr hohen Temperaturen weist Zirkonoxid eine kubische Struktur auf, die sich bei sinkenden Temperaturen in eine tetragonale Struktur umwandelt. Bei Raumtemperatur besitzt Zirkonoxid eine monokline Kristallstruktur. Die Übergänge von der monoklinen über die tetragonale zur kubischen Phase sind mit volumetrischen Veränderungen verbunden.
Monoklines Zirkonoxid besitzt nur eine geringe Festigkeit und Transluzenz. Tetragonales und kubisches Zirkonoxid können auch bei Raumtemperatur existieren, wenn sie durch Zugabe von anderen Metalloxiden (Dotierung) stabilisiert werden. Als Stabilisator werden Yttriumoxid (Y2O3) und Calciumoxid (CaO) eingesetzt. Häufig werden auch geringe Mengen an Aluminiumoxid (Al2O3) hinzugefügt.
Stärkung der Transformation
Bruchzähigkeit von Zirkonoxid
Durch die Umwandlung in die tetragonale Phase weist Zirkonoxid eine extrem hohe Bruchzähigkeit auf. Bildet sich ein Riss, verändert sich die umliegende tetragonale Struktur: In der Rissumgebung wandelt sich die tetragonale zur monoklinen Struktur um und dehnt sich dabei aus. Dieses Transformationsverhalten unterbindet die weitere Rissausdehnung und erhöht die Bruchzähigkeit von Zirkonoxid.
Wiederholte Transformationszyklen verstärken zwar die Bruchzähigkeit, können jedoch im Lauf der Zeit zu Alterungsprozessen führen, insbesondere durch den Einfluss von Feuchtigkeit. Aus diesem Grund darf Zirkonoxid nicht unter zu hohem Druck sandgestrahlt und nach dem Sintern auch nicht beschliffen werden. Um die Alterungsprozesse unter Feuchtigkeit zu unterbinden, wird dem Zirkonoxid Aluminiumoxid zugesetzt.
Festigkeit und Transluzenz – immer ein Kompromiss
Es sollten etwa 3 Mol-% Yttriumoxid hinzugefügt werden, um das Material bei Raumtemperatur stabil zu halten. Ein solches Material wird daher manchmal als 3Y-Zirkonoxid oder 3Y-TZP (tetragonal stabilisierter Zirkonoxid-Polykristall, z. B. Initial Zirconia Disk HT) bezeichnet.
Ein höherer Yttriumoxidgehalt (typischerweise 5Y-TZP mit 5 Mol-% Y-TZP oder mehr) und ein höherer Anteil an Zirkonoxid in der kubischen Phase ergeben eine höhere Transluzenz, verringern jedoch die Festigkeit (z. B. Initial Zirconia Disk UHT). Kubisches Zirkonoxid wird durch die Umwandlung nicht bruchzäher und ist spröder als tetragonales Zirkonoxid, jedoch fester als monoklines Zirkonoxid. Andere Dotierstoffe wie Al2O3 in sehr geringen Mengen beeinflussen das ZrO2-Kristallgitter zusätzlich.
Zirkonoxid mit geringerem Yttriumoxidgehalt (3Y-TZP, 3 Mol-% Y-TZP) hat bessere mechanische Eigenschaften und eine geringere Transluzenz. Zirkonoxid mit höherem Yttriumoxidgehalt (5Y-TZP mit 5 Mol-% Y-TZP) zeichnet sich dagegen durch eine höhere Transluzenz, aber weniger günstige mechanische Eigenschaften aus. Trotzdem ist es immer noch fester als Lithium-Disilikat!
Daher kann Zirkonoxid entweder konventionell (z. B. mit FujiCEM Evolve) oder adhäsiv befestigt werden z. B. mit G-CEM ONE, das MDP enthält.
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Tipps für eine dauerhafte Befestigung
| Tetragonal | Tetragonal/kubisch | Tetragonal/kubisch |
|---|---|---|
|
100% tetragonal |
~75% tetragonal ~25% kubisch |
~50% tetragonal ~50% kubisch |
|
3Y-TZP/0.25 Al2O3 |
4Y-TZP/0,05 Al2O3 „4. Generation“ |
5Y-TZP/0,05 Al2O3 „3. Generation“ |
|
3Y-TZP/0,05 Al2O3 „2. Generation“ |
5Y-TZP/0,02 Al2O3 „5. Generation“ |
Verschiedene Modifikationen von Zirkonoxid. Die Zahl vor dem „Y“ gibt den Yttriumoxidgehalt in Mol-% an, nicht die Generation. Y-TPZ: tetragonal stabilisierter Zirkonoxid-Polykristall.
Dies sind die wichtigsten Modifikationen von Zirkonoxid – es gibt aber noch viele andere Formen und Varianten. Zirkonoxid ist jedenfalls nicht gleich Zirkonoxid – und das muss man bei therapeutischen Entscheidungen berücksichtigen.
- Chevalier J, Gremillard L, Virkar AV, Clarke DR. The Tetragonal-Monoclinic Transformation in Zirconia: Lessons Learned and Future Trends. J Am Ceram Soc. 2009;92(9):1901–1920.
- Belichko DR, Konstantinova TE, Volkova GK, Mirzayev MN, A.V. Maletsky AV, V.V. Burkhovetskiy VV, ADoroskevich AS, Mita C, Mardare DM, Janiska B, Nabiyev AA, Lyubchyk AI, Tatarinova AA, Popov E. Effects of YSZ ceramics doping with silica and alumina on its structure and properties. Mater Chem Phys. 2022;287:126237.