LS8 3 Warum Zikonoxid eine Keramik ist

Hochleistungskeramiken und Metalle unterscheiden sich grundlegend in ihrer chemischen Bindungsart, Struktur und ihren daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften. Hier sind die wesentlichen Unterschiede:

1. Bindungsart und kristalline Struktur
   • Keramiken: Die Bindung in Keramiken ist vorwiegend ionisch oder kovalent, was zu stark gerichteten Bindungen führt. Dadurch besitzen Keramiken oft ein kristallines Gefüge mit gut definierter Anordnung, das aber auch spröde machen kann.
   • Metalle: In Metallen dominiert die metallische Bindung, bei der sich frei bewegende Elektronen in einem Elektronengas befinden ("See-Elektron-Modell"). Dies verleiht Metallen Eigenschaften wie Duktilität, Leitfähigkeit (elektrisch und thermisch) und eine gewisse Verformbarkeit ohne sofortigen Bruch.
2. Mechanische Eigenschaften
   • Keramiken (hochleistungsfähig): Sie zeichnen sich durch hohe Härte, Temperaturbeständigkeit, chemische Inertheit und Verschleißfestigkeit aus. Ihre spröde Natur bedeutet jedoch, dass sie unter Zugspannungen oder Schockbelastungen zu Rissbildungen neigen können.
   • Metalle: Sie sind im Allgemeinen duktil und zäh, was bedeutet, dass sie sich verformen können, bevor sie brechen. Dies macht sie im Falle von Beanspruchungen oft verlässlicher, wenn es um Schlagfestigkeit geht. Allerdings sind Metalle in bestimmten Anwendungen weniger beständig gegen hohe Temperaturen und chemische Angriffe verglichen mit modernen Hochleistungskeramiken.
3. Beispiel Zirkoniumdioxid (ZrO₂)
   • Warum ist Zirkoniumdioxid eine Keramik? Obwohl das Element Zirkonium ein Metall ist, besteht Zirkoniumdioxid aus Zirkonium (Zr) und Sauerstoff (O) – chemisch kombiniert in einem Verhältnis von 1:2. Durch diese Kombination wird die Natur des Materials drastisch verändert:
   • Die Bindungen in ZrO₂ sind überwiegend ionisch und kovalent, nicht metallisch.
   • Dieses Material bildet eine kristalline Struktur, die typisch für Keramiken ist und Charakteristika wie hohe Härte, starke chemische Stabilität und hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.
   • Der metallische Charakter von reinem Zirkonium geht in der Verbindung mit Sauerstoff völlig verloren, sodass Zirkoniumdioxid nicht die typischen metallischen Eigenschaften (wie Duktilität und elektrische Leitfähigkeit) besitzt.

Zusammengefasst:

• Der entscheidende Unterschied liegt in der Art der chemischen Bindung und der resultierenden Struktur. Metalle besitzen eine metallische Bindung, die zu Duktilität und guter Leitfähigkeit führt, während Hochleistungskeramiken (wie ZrO₂) auf ionisch-kovalenten Bindungen basieren, die hohe Härte, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit liefern, jedoch spröder sind.
• Zirkoniumdioxid ist somit eine Keramik, weil die Reaktion von Zirkonium mit Sauerstoff zu einem Stoff mit ionisch-kovalenten Bindungen führt, wodurch die metallischen Eigenschaften des einzelnen Elements nicht erhalten bleiben.