Keramik Flashcards
(61 cards)
Nennen Sie die vier (6) in der Vorlesung vorgestellten Keramiken und mindestens jeweils
ein Anwendungsbeispiel.
Aluminiumoxid: Hüftgelenkkugeln
Zirkoniumoxid: Dentalkomponenten
Al-Zr Mischkeramiken: Hüftgelenkkugeln
Hydroxylapatit: Knochenersatzmaterial
Siliziumnitrid: Wirbelsersatz
Bioglas und Glaskeramiken: Knochenersatz
Ordnen Sie die typische Biegefestigkeit der folgenden Keramiken in absteigender
Reihenfolge: Zirkoniumoxid (Yttrium dotiert), Hydroxylapatit, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid,
ATZ, ZTA. Beachten Sie, dass Keramiken ca. gleiche Biegefestigkeiten (+/- 100 MPa) haben
können.
ZTA 1500 MPa
ATZ 1200 MPa
Siliziumnitrid 700-1000 MPa
Zirkoniumoxid 900 MPa
Aluminiumoxid 400 MPa
Hydroxylapatit 100 MPa
Vergleichen Sie die Dichte und Biegefestigkeit von Stahl und
verschiedenen Al-Oxid und Zr-Oxid-Keramiken (Diagramm oder Werte auch grob quantitativ:
In welchen Kennwerten weichen die Werkstoffe um mehr als 20% ab (bez. auf. Stahl)?
- Dichte in g/cm^3:
- Stahl: 7,2
- Al2O3: 3,98
- Zirkonoxid: 6,1 (3%Y2O3), 5,5 (20%Al2O3), 5,7 (MgO) - Biegefestigkeit in MPa:
- Stahl: 1000
- Al2O3: 400-560
- Zirkonoxid: 950 (3%Y2O3), 1200 (20%Al2O3), 500 (MgO) - Abweichung um 20 %:
- Dichte: Aluminiumoxid und Zirkonoxid geringer (ausgenommen Zirkonoxid 3%Y2O3)
- Biegefestigkeit: Aluminumoxid und Zirkonoxid (MgO) geringer; Zirkonoxid (20%Al2O3) höher
Vergleichen Sie Porosität, Druckfestigkeit, E-Modul, Härte,
Anwendungstemperaturen, Wärmeleitfähigkeit und Dehnungskoeffizient von Stahl und
verschiedenen Al-Oxid und Zr-Oxid-Keramiken (Diagramm oder Werte auch grob quantitativ:
In welchen Kennwerten weichen die Werkstoffe um mehr als 20% ab (bez. auf. Stahl;
Vorzeichen)?
- Porosität in %
- Stahl: 0
- Al-Oxid: 0
- Zr-Oxid-Keramiken: 0 - Druckfestigkeit in MPa
- Stahl: 3000
- Al-Oxide: 4000-5000
- Zr-Oxid-Keramiken: 2100 (3%Y2O3), 2800 (20%Al2O3), 2000 (MgO) - E-Modul in GPa:
alle um 200, außer 20%Al2O3 bei 240; Al-Oxid bei 380-420 - Anwendungstemperatur in °C
- Stahl: 800
- Aluminiumoxid: 1800
- Zr-Oxid-Keramiken: 1200 (3%Y2O3), 1200 (20%Al2O3), 900 (MgO) - Wärmeleitfähigkeit in W/mK:
- Stahl: 18
- Al-Oxid: 30-40
- Zr-Oxid-Keramiken: 2 (3%Y2O3), 2 (20%Al2O3), 2 (MgO) - Dehnungskoeffizient in 10^-6K:
- Stahl: 16
- Al-Oxid: 7-8
- Zr-Oxid-Keramiken: 10,5 (3%Y2O3), 9,5 (20%Al2O3), 10 (MgO)
Abweichung 20%:
- Druckfestigkeit: Al-Oxid höher; Zr-Oxid 3%Y2O3 und MgO niedriger
- E-Modul: Al-Oxid größer
- Anwendungstemperatur: Al-Oxid höher, Zr-Oxid 3%Y2O3 und 20%Al2O3 größer
- Wärmeleitfähigkeit: Zr-Oxide leiten schlechter; Al-Oxid besser
- Dehnungskoeffizient: Zr-Oxide und Al-Oxid haben geringere Ausdehnung
Was ist im Vergleich zu Metallen bei Keramiken bzgl. der statistischen Verteilung der
mechanischen Eigenschaften zu beachten (Beispiel Festigkeit); welche Konsequenzen
ergeben sich hieraus bzgl. Werkstoff und Bauteilprüfung?
- Keramiken benötigen eine sorgfältige und umfangreiche Prüfung auf Defekte, da die Festigkeit durch Fehler stark beeinflusst wird. Eine hohe statistische Streuung der Festigkeit erfordert eine größere Anzahl an Proben für verlässliche Ergebnisse.
Festigkeit abhängig von:
- der Werkstoffzusammensetzung
- der Korngröße der Ausgangs- und Zusatzmaterialien
- dem Herstellungsverfahren und den Fertigungsbedingungen
- Metalle haben eine geringere Streuung in ihren mechanischen Eigenschaften, und Fehler führen oft nicht sofort zu einem Versagen, sondern durch plastische Verformung zu einer besseren Lastverteilung.
–> Insgesamt erfordert die Prüfung von Keramiken eine detailliertere, statistisch orientierte Herangehensweise und häufigere zerstörungsfreie Prüfmethoden im Vergleich zu Metallen, bei denen Standardtests oft ausreichen.
Welche Anforderungen bestehen an das „medical grade“ Aluminiumoxid nach ISO 6474
hinsichtlich der Zusammensetzung und Korngröße?
Feinkörniges polykristallines „medical grade“ 𝛂- Al 2O3 (>99,8 %)
- SiO2 + Na2O < 0,1%; Korngröße < 4,5 µm (neue ISO-Norm 6474)
- CaO + Fe2O3 + SiO2 + Na2O < 0,1 %
Nennen Sie 2 Faktoren, die für die Herstellung einer „medical-grade“
Aluminiumoxidkeramik über die ISO 6474 kontrolliert werden! Was beeinflussen die Faktoren
jeweils?
1. Chemische Reinheit – besonders Gehalt an Verunreinigungen
Einfluss:
- Verunreinigungen können die Biokompatibilität, die Korrosionsbeständigkeit und die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen.
- Eine hohe Reinheit ist entscheidend für die Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit im Körper.
2. Korngröße des Keramikgefüges
Einfluss:
- Eine feine Korngröße sorgt für bessere Oberflächengüte, höhere Festigkeit und geringeren Verschleiß – besonders wichtig bei Gleitpaarungen (z. B. Al₂O₃/Al₂O₃ in Hüftgelenken).
- Zudem verbessert sie die mechanische Zuverlässigkeit und minimiert das Risiko von Mikrorissen.
Welche Gleitpartner werden in Kombination mit Aluminiumoxidkeramik im Gelenkersatz
eingesetzt?
Keramik/Keramik- Gleitpaarung: Al2O3/Al2O3
Keramik/Polyethylen-Gleitpaarungen: Al2O3/UHMWPE
In welchem Bereich liegen typische Reibwerte einer Al2O3-Al2O3 Gleitpaarung im
Vergleich zur Reibfläche in einem natürlichen Gelenk (Größenordnung)?
Al2O3/Al2O3: 0,05-0,1
natürliches Gelenk: 0,002
Ordnen Sie die folgenden Gleitpaarungen nach der Größe ihrer Reibkoeffizienten (von
groß (1) nach klein (3))!
a) Aluminiumoxid – Aluminiumoxid
b) Stahl – Polyethylen
c) Natürliches Gelenk
d) Kobaltchrom -Kobaltchrom
Kobaltchrom -Kobaltchrom: 0,12- 0,55
Stahl-Polyethylen: 0,1
Aluminiumoxid - Aluminumoxid: 0,05-0,1
natürliches Gelenk: 0,002
Ist ein Implantat aus Aluminiumoxidkeramik degradabel, biokompatibel, bioinert,
biokonduktiv und / oder bioaktiv? (Mehrfach-Auswahl möglich)
biokompatibel, bioinert
Kennen Sie ein Beispiel bei dem die Implantat-Gewebeinteraktion von Aluminiumoxid
gezielt ausgenutzt wird?
Mittelohrimplantat
Warum werden die Oberflächeneigenschaften einer Aluminiumoxidkeramik durch MgO-
Dotierung beeinflusst?
Magnesiumoxid (MgO) hemmt das Kornwachstum beim Sintern und ermöglicht somit ein feinkörniges Gefüge.
Nennen Sie vier positive Eigenschaften, die Aluminiumoxidkeramik als Material für
Hüftgelenkkugeln prädestinieren.
1. Hohe Korrosionsbeständigkeit:
Aluminiumoxid ist chemisch extrem stabil und reagiert nicht mit Körperflüssigkeiten.
2. Hervorragende Biokompatibilität (bioinert)
Das Material ruft keine unerwünschten Reaktionen im Körper hervor und wird gut vertragen.
3. Sehr hohe Verschleißfestigkeit
Besonders vorteilhaft bei Keramik-Keramik-Gleitpaarungen, da der Abrieb extrem gering ist (z. B. nur 1–10 µm/Jahr bei Al₂O₃/Al₂O₃).
4. Hohe Festigkeit und Härte
Die mechanischen Eigenschaften ermöglichen langlebige und bruchsichere Implantate – wichtig bei hoher Belastung durch das Körpergewicht und Bewegungen.
Werden in der Medizintechnik Implantate aus undotiertem Zirkoniumoxid verwendet?
Begründen Sie Ihre Antwort.
Nein, Bauteile aus undotiertem ZrO2 zerfallen bei der Phasenumwandlung bei der
Abkühlung in die monokline Phase wieder in Pulver.
Neben Aluminiumoxid kommt Zirkonoxid zum Einsatz. Bei der Herstellung muss
berücksichtigt werden, dass das tetragonale Zirkonoxid bei der Umwandlung (Abkühlung) in
die monokline Phase aufgrund der Volumenzunahme wieder zu Pulver zerfällt. Was wird
unternommen, um diesen Vorgang zu unterbinden?
- Dotieren mit geringen Mengen (3-5%) Yttriumoxid (Y 2O3)
–> nach Abkühlen teilweise kubische Struktur, Rest metastabile
tetragonale Phase und stabile monokline Phase - Stabilisierung
Umwandlungsverstärkung (engl.: transformation toughening; s.u.):
* Mechanische (Zug-)Spannungen z.B. an Rissspitze (Kerben) können eine
Umwandlung der tetragonalen in die monokline Phase bewirken
* Volumenzunahme von 3-5%
* Druckspannungen wirken jetzt Rissausbreitung entgegen
* Folge: Höhere Zähigkeit (ZrO2 vs. Al2O3)
Welche Dotierungen sind bei der Herstellung von Zirkoniumoxidkeramik üblich?
TZP – tetragonal zirconia polycristalline (Dotierung mit Y 2O3)
PSZ – partially stabilized zirconia (Dotierung mit Y 2O3 oder auch MgO)
4YSZ/8YSZ: mit 4-8 Mol-% Y2O3 (voll-)stabilisiertes Zirkonoxid
Welchen Effekt hat die Dotierung von Zirkonoxid (ZrO2) mit Ytriumoxid (Y2O3) bezogen
auf
a) die Herstellung?
b) die mechanische Belastbarkeit?
a) Effekt: Stabilisierung
–> Umwandlungsverstärkung (engl.: transformation toughening; s.u.):
b)
* Mechanische (Zug-)Spannungen z.B. an Rissspitze (Kerben) können eine
Umwandlung der tetragonalen in die monokline Phase bewirken
* Volumenzunahme von 3-5%
* Druckspannungen wirken jetzt Rissausbreitung entgegen
* Folge: Höhere Zähigkeit (ZrO2 vs. Al2O3)
Nennen Sie zwei übliche Dotierungen für Zirkonoxidkeramik und erläutern Sie kurz
einen Effekt auf den Werkstoff (welche Eigenschaften werden verbessert)!
- Yttriumoxid (Y₂O₃)
Effekt: Stabilisiert die tetragonale Phase auch bei Raumtemperatur → dadurch entsteht Transformationstoughening:
Bei mechanischer Belastung (z. B. an einer Rissspitze) wandelt sich tetragonales ZrO₂ lokal in die monokline Phase um → das damit verbundene Volumenwachstum (3–5 %) erzeugt Druckspannungen, die der Rissausbreitung entgegenwirken.
→ Ergebnis: Erhöhte Bruchzähigkeit und Zugfestigkeit. - Magnesiumoxid (MgO)
Effekt: Stabilisiert ebenfalls das Kristallgitter (in PSZ – Partially Stabilized Zirconia) und verbessert Thermoschockbeständigkeit und Zähigkeit.
→ Wird teils auch zur Feineinstellung der mechanischen Eigenschaften verwendet.
Warum werden die Oberflächeneigenschaften durch MgO-Dotierung beeinflusst?
Erhöhung der Oberflächenrauheit und damit erhöhter Verschleiß, vor allem bei PE-Insert
Was ist der wesentliche Effekt der Umwandlungsverstärkung? Erklären Sie den
Vorgang.
Der wesentliche Effekt der Umwandlungsverstärkung (engl. transformation toughening) ist die Steigerung der Bruchzähigkeit eines keramischen Werkstoffs – insbesondere bei Zirkonoxid-Keramik.
- Ausgangszustand:
- Das Zirkonoxid liegt in einer metastabilen tetragonalen Phase vor (z. B. durch Yttriumoxid-Dotierung stabilisiert).
- Diese Phase bleibt bei Raumtemperatur normalerweise stabil. - Einwirkung mechanischer Spannung:
An einer Rissspitze oder bei lokaler Zugbelastung kann die tetragonale Phase in die monokline Phase umgewandelt werden. - Volumenänderung:
Diese Phasenumwandlung ist mit einer Volumenzunahme von ca. 3–5 % verbunden. - Mechanische Wirkung:
- Das entstehende Volumen erzeugt lokale Druckspannungen im Materialumfeld des Risses.
- Diese Druckspannungen wirken der Rissausbreitung entgegen.
Erläutern Sie das Prinzip der Umwandlungsverstärkung und dessen Einfluss auf die
mechanischen Eigenschaften von ZrO2.
Erklären Sie das Prinzip der Umwandlungsverstärkung am Beispiel einer
Rissausbreitung in einem Zirkonoxid-Gefüge! Wo liegt der Vorteil dieses Effekts? Falls Sie
eine Skizze nutzen, beschriften Sie diese bitte ausführlich!
Bewerten Sie Siliziumnitridkeramiken als Knochenimplantatwerkstoff hinsichtlich der
Anwendbarkeit, mechanischen Eigenschaften und der biologischen Wirkung im Körper.
