Polykristallines ZrO: Eine neue Transparent-Keramik mit hohem Brechungsindex

Die Miniaturisierung optischer Baugruppen erfordert neue Materialien mit hohem Brechungsindex. Optische Gläser mit n = 1.5-1.85 stoßen hier an Grenzen, die von Keramik überwunden werden können. Ein potenziell geeigneter keramischer Werkstoff ist transparentes kubisches Zirconiumoxid, das einen hohen Brechungsindex von n = 2.18 aufweist.

Die kubische Phase wird in ZrO₂ -Keramiken durch entsprechende Dotierungen stabilisiert (z.B. Mg, Ca, Y). Solche (traditionell nicht-transparente, weiße) ZrO₂ -Keramiken zeigen i.a. stärkeres Kornwachstum, so dass gröbere Gefüge mit Korngrößen um 10 µm vergleichsweise geringe Härten < 12 GPa aufweisen. Deshalb war es Ziel der Entwicklungsarbeiten im IKTS Dresden, einerseits eine hohe Lichttransmission zu erreichen – was extrem porenfreie Gefüge mit Dichten > 99,95 % erfordert – und dies anderseits mit möglichst geringen Korngrößen zu verbinden.

Abb. 1/2 zeigen Beispiele und ein Gefüge solch transparenter kubischer ZrO₂ -Keramik.

Vorteile

• Hohe In-Line-Transmission nahe am theoretischen Grenzwert von 76 % (bei λ= 640 nm, Apertur = 0.57°, 1 mm Dicke), Abb. 3.
• Die Makrohärte HV10 entspricht mit 13 GPa der Obergrenze des für ZrO₂ Erreichbaren
• Festigkeit (4-Pkt.-Biegung) ca. 230 MPa
• Beständigkeit in aggressiven Medien
• Kostengünstige Fertigung z.B. durch Trockenpressen und Sintern auch in größeren Stückzahlen

Leistungsangebot

• Materialentwicklung von transparenten ZrO₂-Keramiken mit hohem Brechungsindex
• Bereitstellung von Mustern und Kleinserien
• Unterstützung bei Produktentwicklungen und kundenspezifischen Applikationen