■ [ MESSE ] DIE MISCHUNG MACHT‘S Hochleistungskeramik | ZTA-Werkstoffe lassen sich durch Variation des Verhältnisses Zirkonoxid zu Aluminiumoxid in ihren Eigenschaften innerhalb gewisser Grenzen maßschneidern. So kann der Werkstoff an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Die Medizintechnik profitiert vor allem von seiner hohen Biegefestigkeit. durch Modifikationsänderungen des Zirkonoxid beeinflusst werden können. Diese Art eines Verbundwerkstoffes von Zirkonoxid in Aluminiumoxid ist auch als ZTA-Keramik (Zirconia Toughened Alumina) bekannt. Auf Grund ihres Eigenschaftsprofils haben sich die ZTA Werkstoffe typische Anwendungsfelder wie Pumpenkolben und Komponenten für das Handling von Flüssigkeiten, Komponenten für chirurgische Instrumente oder auch Implantate wie Dental- und Gelenkersatz erobert. Die Elektrochirurgie profitiert von ZTA-Werkstoffen, da diese nicht, wie Zirkonoxid-Werkstoffe, durch wiederholte Dampfsterilisation an Festigkeit einbüßen IHR STICHWORT ■ ■ ■ ■ Hochleistungskeramik Aus Zirkonoxid und Aluminiumoxid entsteht ZTA Höhere Festigkeit und Risszähigkeit Einsatz auch in der Medizintechnik (Bild: Rauschert) Hochleistungskeramik kommt in den verschiedensten medizinischen Geräten, aber auch im menschlichen Körper zum Einsatz. Dabei gilt es, die spezifischen Eigenschaften der Keramik gezielt zu nutzen. Aluminiumoxid in seinen verschiedenen Reinheitsgraden ist der wichtigste oxidkeramische Werkstoff. Eine sehr gute elektrische Isolation, hohe mechanische Festigkeit sowie Korrosionsund Verschleißfestigkeit gepaart mit guten Gleiteigenschaften machen Aluminiumoxid überall dort zur ersten Wahl, wo Flüssigkeiten und andere Medien gefördert und dosiert werden. Zirkonoxid verfügt zwar über die höchste Festigkeit und ist äußerst risszäh, die Kosten für diese Hochleistungskeramik liegen aber auch deutlich höher. Um die Eigenschaften des kostengünstigeren Aluminiumoxids verbessern zu können, wurde in den letzten Jahren viel Aufwand in die Werkstoffentwicklung investiert. Bei monolithischen Keramiken wie Aluminiumoxid bestimmten die Gefügeeigenschaften wie Korngröße und Fehlstellen das Festigkeitsniveau. Bei einem Werkstoff mit zwei Phasen treten die unterschiedlichen Eigenschaften beider Phasen in Wechselwirkung. Änderungen im Ausdehnungsverhalten beispielsweise in der Elastizität (E-Modul) können in inneren Spannungen resultieren, die nicht immer zu negativen Auswirkungen führen. Daher können sich durch Zumischung von Zirkonoxid in Aluminiumoxid neue Werkstoff - eigenschaften ergeben, die zusätzlich Fester als Aluminiumoxid, wirtschaftlicher als Zirkonoxid In der minimal-invasiven Chirurgie, zum Teil aber auch in der klassischen offenen Chirurgie werden oft hochfrequenter Strom oder gar Plasmen genutzt, um blutende Gefäße zu veröden. Dazu müssen verschiedene Teile der Instrumente auf kleinstem Raum gegeneinander oder gegen das umgebende Gewebe isoliert werden. In solchen Anwendungen werden oft ZTA-Werkstoffe eingesetzt, da sie nicht wie Zirkonoxid-Werkstoffe durch wiederholte Dampfsterilisation an Festigkeit einbüßen. Zu dem kommt der wirtschaftliche Vorteil für die ZTA-Werkstoffe gegenüber Zirkonoxid-Werkstoffen, sofern nicht aus mechanischen Gründen unbedingt Zirkonoxid-Werkstoffe erforderlich sind. ZTA 90/10, insbesondere in feiner Korngröße, ist hier verbreitet, da es hohe mechanische Festigkeit besitzt und genormt ist. Bei Pumpenkolben und anderen Bauteilen für das Fluidhandling wie Gleitringe oder Ventilkomponenten wiederum sind im allgemeinen extrem glatte und ebene Keramikoberflächen erforderlich, damit keine Leckagen entstehen. Laufen diese Oberflächen in der Anwendung gegen eine Elastomerdichtung, so sind glatte, defektfreie Oberflächen wichtig, um den Verschleiß des weicheren Elastomers 24 medizin&technik 01/2020
(Grafik: Rauschert) Elektronik für sterile Einsätze Festigkeit verschiedener Materialien aus dem Bereich Aluminiumoxid – Zirkonoxid im Vergleich zu begrenzen und die Lebensdauer der Baugruppe so weit wie möglich zu erhöhen. Für höchste Ansprüche in diesem Bereich ist Zirkonoxid (Y-TSP) erforderlich, aber oft ist ein ZTA-Werkstoff ausreichend. Die benötigten Oberflächenqualitäten lassen sich bei ZTA-Werkstoffen mit weniger Fertigungsaufwand erreichen als mit Aluminiumoxid-Werkstoffen. In einigen Anwendungsfällen werden auch Keramik-Keramikpaarungen eingesetzt, die an beide Partner hohe Anforderungen stellen. Hier ist die Leckrate gegenüber Losbrechkraft und -moment abzuwägen, welches erforderlich ist, zwei gegeneinander laufende Ventilkomponenten in Bewegung zu setzen: Je glatter und ebener die Oberflächen sind, desto höher ist die Kohäsion und damit die Losbrechkraft und das -moment. Andererseits besitzen glattere Oberflächen geringere Leckraten. Dies gilt es, an den Anwendungsfall anzupassen. Weitere Anwendungen für ZTA liegen in Bauteilen für die Analysentechnik, elektrischen Isolatoren mit hohen mechanischen Anforderungen, teilweise wird auch von porösen ZTA-Anwendungen in der Medizintechnik berichtet. Rauschert bietet ZTA-Keramiken im Bereich 90/10 bis 80/20 an. Ein Standardwerkstoff mit 85/15 hat beispielsweise den - Namen Rapal 200 AZ: Um den Werkstoff zu verbessern, musste die Partikelgröße des Zirkonoxides nach dem Sinterprozess unterhalb des kritischen Bereiches ein - gestellt und zudem die Partikelgröße der Aluminiumoxidmatrix minimiert werden. ■ Dipl.-Ing. Violetta Prehn, Dr. Rolf Wagner , Dipl.-Ing. Ulrich Werr Rauschert, Pressig www.rauschert.com Auf der Medtec Live: Halle 9, Stand 419 DIREKTUMSPRITZUNG Autoklavierbarer Schutz Ihrer Elektronik mit biokompatiblem Polymer Technische Hochleistungskeramik Die technische Hochleistungskeramik kann man grob in zwei Bereiche untergliedern: die Oxidkeramiken und die Nichtoxidkeramiken. Zu den Nichtoxiden gehören beispielsweise die Gruppen der Carbide und der Nitride. Die bekanntesten Vertreter der Oxidkeramiken sind Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) und Zirkonoxid (ZrO 2 ). Beide Werkstoffe unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften, aber auch im Preis: Zirkonoxid weist in der keramischen Welt die höchsten Festigkeiten auf, gepaart mit einer sehr hohen Risszähigkeit. Diese Eigenschaften sind nur mit einem Rohstoff zu erzielen, der im Vergleich zu Standard Aluminiumoxid bis zu einem Faktor von 20 in den Kosten höher liegt. Die Vorzüge von Al O liegen 2 3 in guten mechanischen Eigenschaften bei moderaten Kosten. Ein weiterer Unterschied liegt in den kristallographischen Eigenschaften. Im Gegensatz zum Al O weist das ZrO temperaturabhängige Phasenumwandlungen 2 3 2 auf, was zu Bauteil-Schädigungen führen kann. Durch Zugabe von 3 mol% Yttriumoxid entsteht Tetragonal Zirconia Polycrystal (TZP-Keramik) mit sehr hohen physikalischen Eigenschaften, besonders in Bezug auf Festigkeit und Risszähigkeit. Besuchen Sie uns in Halle 10.0, Stand 516! 01/2020 medizin&technik 25 www.turck-duotec.com
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