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 Korrosions- und Verschleißfestigkeit gepaart mit guten Gleiteigenschaften machen Aluminiumoxid überall dort zur ersten Wahl, wo Flüssigkeiten und andere Medien gefördert und dosiert werden. Zirkonoxid verfügt über 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 innere Spannungen resultieren, die nicht immer zu negativen Auswirkungen führen. Daher können sich durch Zumischung von Zirkonoxid in Aluminiumoxid neue Werkstoffeigenschaften ergeben, die zusätzlich 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.
ZTA-Werkstoffe: fester als Aluminiumoxid, aber wirtschaftlicher als Zirkonoxid
In der minimalinvasiven 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 verschiedenen Teile der Instrumente auf kleinsten Raum gegeneinander oder gegen das umgebende Gewebe isoliert werden. In solchen Anwendungen werden oft ZTA-Werkstoffe oft 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 zu begrenzen und die Lebensdauer der Baugruppe so weit wie möglich in die Länge zu treiben. 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 dann die Leckrate gegenüber der Losbrechkraft/-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/-moment. Andererseits besitzen glattere Oberflächen natürlich auch geringere Leckraten. Dies gilt es in Abstimmung mit dem Kunden 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 eingestellt und zudem die Partikelgröße der Aluminiumoxidmatrix minimiert werden.
Dipl.-Ing Violetta Prehn, Dr. Rolf Wagner und Dipl.-Ing. Ulrich Werr
Rauschert, Pressig
Auf der Medtec Live: Halle 9, Stand 419
Technische Hochleistungskeramik
Die technische Hochleistungskeramik kann man grob in zwei Bereiche untergliedern, die Oxidkeramiken und die Nichtoxidkeramiken. Zu den Nichtoxiden gehören beispielsweise die Gruppe der Carbide und der Nitride. Die bekanntesten Vertreter der Oxidkeramiken sind Aluminiumoxid (Al2O3) und Zirkonoxid (ZrO2). Beide Werkstoffe unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften, kommerziell 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 Al2O3 liegen in guten mechanischen Eigenschaften bei moderaten Kosten.
Ein weiterer Unterschied liegt in den kristallographischen Eigenschaften. Im Gegensatz zum Al2O3 weist das ZrO2 temperaturabhängige Phasenumwandlungen auf, was zu Bauteil-Schädigungen führen kann. Durch Zugabe von von 3 mol% Yttriumoxid entsteht Tetragonal Zirconia Polycrystal (TZP-Keramik) mit sehr hohen physikalischen Eigenschaften, besonders in Bezug auf Festigkeit und Risszähigkeit.
