Herstellung von Zirkondioxid

Der Hauptrohstoff für die Darstellung von Zirkoniumdioxid ist das Mineral Zirkonsilikat (ZrSiO4). Da für die Produktion von Hochleistungskeramiken extrem reine Ausgangsprodukte verwendet werden müssen, sind darüber hinaus spezielle Synthesewege für hochreines ZrO2 entwickelt worden. Dazu gehören die Herstellung durch Reaktionen in Salzschmelzen, Reaktionen in der Gasphase, die hydrothermale Pulversynthese, sowie Sol-Gelverfahren. Insbesondere bei der Herstellung in der Gasphase und nach dem Sol-Gelverfahren lassen sich Pulver mit sehr geringen Teilchengrössen von 0,01 bis 0,10 µm erhalten. Das so gewonnene Ausgangspulver wird mit Zusätzen vermischt und durch Foliengiessen, Schlickergiessen oder Trockenpressen werden dann sogenannte Grünkörper hergestellt. Bei den Zusätzen unterscheidet man zwischen Sinteradditiven, welche das Sinterverhalten sowie die Eigenschaften der fertigen Keramik gezielt beeinflussen, und Hilfsstoffen, welche die Formgebung erleichtern. Während die Sinteradditive in der Keramik verbleiben, werden die Hilfsstoffe, bei denen es sich neben Wasser hauptsächlich um leicht flüchtige organische Verbindungen handelt, vor dem Sinterprozess rückstandslos aus dem Formteil entfernt. Der Grünkörper wird durch Sintern in das Rohprodukt überführt und anschliessend je nach Anwendungszweck geschliffen und poliert. Der Sinterprozess kann dabei sowohl bei atmosphärischem Druck, als auch unter hohem Druck erfolgen. Erst beim Sinterprozess erhalten die Formteile ihre eigentlichen Eigenschaften. Das Verdichten der Keramikpulverteilchen geschieht durch die Verringerung der spezifischen Oberfläche. Dieses wird durch temperaturabhängige Diffusionsvorgänge mit wechselnden Anteilen an Oberflächen-, Korngrenzen- und Volumendiffusion erreicht. Läuft die Festkörperdiffusion zu langsam ab, so kann mit einer flüssigen Phase oder unter Druck gesintert werden. Im letzteren Fall spricht man vom Heisspressen oder heissisostatischem Pressen ("hipen"). Die Geschwindigkeit der Festkörperdiffusion lässt sich durch geeignete Wahl von Sinteradditiven erhöhen. Hier besteht grosser Forschungsbedarf, da die hohen Sintertemperaturen (oberhalb 1200°C) und die Herstellung unter Druck die Produktionskosten keramischer Bauteile erhöhen. Neben der systematischen Aufklärung des Einflusses von Additiven auf den Sinterprozess gibt es Bestrebungen, durch Einkopplung von Mikrowellen die Energieübertragung auf die keramischen Bauteile zu verbessern und so die Sintertemperaturen senken zu können.