納米白榴石對牙科烤瓷材料力學性能的影響

楊金萍,王 靜,吳建青

(1河北理工大學材料學院,河北唐山063009; 2華南理工大學材料科學與工程學院,廣州510640)

納米白榴石對牙科烤瓷材料力學性能的影響

楊金萍1,王 靜1,吳建青2

(1河北理工大學材料學院,河北唐山063009; 2華南理工大學材料科學與工程學院,廣州510640)

China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

以納米白榴石為彌散顆粒,對低溫牙科烤瓷材料進行了增強、增韌。運用XRD,SEM對白榴石在烤瓷材料中的相組成和顯微結(jié)構(gòu)進行分析,并探討了白榴石添加量對材料強度、硬度和斷裂韌性的影響。結(jié)果表明:牙科烤瓷材料的抗彎強度、顯微硬度和斷裂韌性都隨納米白榴石添加量的增加而增大;添加20%(質(zhì)量分數(shù))白榴石粉體的牙科烤瓷材料具有良好的力學性能,并且能夠和Ni2Cr合金基體達到良好的膨脹系數(shù)匹配。

納米白榴石;牙科烤瓷材料;力學性能

牙科烤瓷材料具有良好的生物相容性、耐磨耐腐蝕性以及色澤自然、逼真等優(yōu)點[1-3],目前已成為治療牙缺失最主要的方法之一[4]。金屬基烤瓷牙冠是將陶瓷高溫熔融于金屬表面制成的,大多數(shù)陶瓷的線膨脹系數(shù)小于10×10-6/℃,而目前應用最為廣泛的鎳鉻合金熱膨脹系數(shù)約為14×10-6～16×10-6/℃[5]。當冷卻時,由于瓷層與金屬基底間過大的膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的殘余應力,將導致烤瓷層剝落或開裂[5]。為了獲得烤瓷與金屬的良好結(jié)合,一般在烤瓷中加入高熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)。結(jié)晶良好的四方相白榴石(K2O ·A l2O3·4SiO2)的熱膨脹系數(shù)可達30×10-6/℃,并具有良好的力學性能,與低膨脹系數(shù)的長石質(zhì)烤瓷材料混合可以提高烤瓷材料的熱膨脹系數(shù),達到與金屬基底層的良好匹配[6,7]。然而,傳統(tǒng)烤瓷材料中采用的白榴石晶體顆粒較大,多在微米級尺度。在烤瓷冷卻的過程中,大顆粒的白榴石晶體與其周圍玻璃相在熱膨脹系數(shù)上的較大差異,會在白榴石晶體與周圍玻璃相之間形成微裂紋,導致烤瓷冠在承受咬合的過程中易于產(chǎn)生應力集中而引發(fā)裂紋擴展,從而損害烤瓷材料的強度。

當納米級的白榴石顆粒均勻分散在玻璃基質(zhì)相中時,由于納米顆粒的尺寸非常小,因此它與玻璃相的結(jié)合,不會引起微裂紋的產(chǎn)生而損害烤瓷的強度。小尺寸納米顆粒的表面能很大,有利于降低燒結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時間。烤燒溫度的降低有利于防止金屬基底的變形,加之,烤瓷牙本身體積小,烤燒時間的縮短有利于快速燒成。

本工作研究了納米級的白榴石晶體在烤瓷材料中的物相組成和顯微結(jié)構(gòu),進而探討其對烤瓷材料力學性能的影響。

1 實驗

1.1 材料組成

本實驗以自制的低溫牙科烤瓷熔塊為基體材料,其主要化學組成見表1。將合成的四方相納米白榴石添加到低溫熔塊中,考察納米白榴石晶體對其性能的影響。其中白榴石采用溶膠2凝膠法制備[8],經(jīng)共沸蒸餾法干燥后,1100℃熱處理1h,平均晶粒尺寸為45nm左右。

表1 低溫牙科烤瓷熔塊的化學組成Table 1 Chemical composition of low2fusing frit

按表2的比例將基礎熔塊粉和白榴石粉體混合。不同白榴石含量的試樣的燒結(jié)溫度如表2所示,隨白榴石含量的增加,試樣燒結(jié)溫度不斷提高。

表2 白榴石含量對烤瓷材料燒結(jié)溫度的影響Table 2 Effects of leucite content on the sinteringtemperatures of the dental po rcelains

1.2 試樣的制備

每組原料加入10%(質(zhì)量分數(shù),下同)的聚乙烯醇溶液作為黏結(jié)劑,無水乙醇作為分散介質(zhì),球磨混合1h后烘干,過40目篩備用。采用DY230型臺式電動壓片機壓制成型,成型壓力為20M Pa,保持壓力30s。干燥后的試樣在Densp ly觸摸式烤瓷爐中按照表2所示的燒結(jié)溫度燒成,升溫速度40℃/min,在最高燒結(jié)溫度下保溫3min后隨爐冷卻。燒好的試樣首先采用600#水磨砂紙打磨成表面平整,尺寸約2mm×4mm ×40mm試樣(倒角45°,相鄰面間夾角90°,無明顯氣孔),然后在Buehler拋光機上分別用5,1μm金剛砂膏拋光,最后經(jīng)過超聲波清洗、烘干,得到待檢測試樣。

1.3 試樣的性能表征

采用X’pert PRO型X射線衍射儀對試樣進行物相分析。用LEO 1530VP掃描電鏡分析其顯微結(jié)構(gòu)。在5567型電子萬能試驗機上采用三點抗彎法測試試樣的抗彎強度(加載速度為0.5mm/min,跨度為30100mm)。試樣的維氏硬度使用Wilson2Wolpert Turkon 2100B型顯微硬度計測量(載荷為4.9N,保壓10s)。采用壓痕2強度法測定試樣的斷裂韌性,計算公式如下:

式中:ηRr為由實驗數(shù)據(jù)回歸得出的計算常數(shù),為0.59; H為維氏硬度,GPa;σ為壓痕試樣的彎曲強度,Pa;P為壓痕載荷,本實驗取4.9N;E為彈性模量,GPa,按照復合材料彈性模量混合定律估算。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1是外加白榴石粉體烤瓷材料的X射線衍射圖譜,從圖1可以發(fā)現(xiàn),基礎熔塊為非晶相,但隨白榴石添加量的增多,試樣中四方相白榴石晶體(t2leucite)的衍射峰逐漸增強,并且僅有四方相白榴石晶體的衍射峰。表明在基礎熔塊中添加白榴石晶體,在烤燒過程中,并未引起其他晶體從烤瓷體中析出。

圖1 不同白榴石含量的烤瓷試樣的X射線衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of the specimens with different leucite contents

2.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

2.3 納米白榴石對烤瓷材料熱膨脹性能的影響

圖3是不同白榴石含量的烤瓷試樣的熱膨脹系數(shù)曲線。所有曲線的形狀相似,均呈S形變化。隨白榴石含量的提高,材料的平均熱膨脹系數(shù)增加,而且軟化點逐漸提高。軟化點從未加白榴石的549℃上升到添

圖2是不同含量白榴石的烤瓷試樣的SEM形貌,圖2(a),(b),(c)分別為添加白榴石10%,15%, 20%的試樣,經(jīng)820,840,870℃烤燒,打磨,拋光后的樣品。在添加10%白榴石的試樣中,白榴石顆粒的尺寸僅在70nm左右(圖2(a));當白榴石添加量達到15%以上時(圖2(b),(c)),白榴石晶體的尺寸接近100nm。從圖2還可見四方相白榴石晶體非常均勻地分散在玻璃基體中,而且白榴石晶體的顆粒尺寸比較均勻。隨白榴石添加量的增加,試樣的燒結(jié)溫度提高,顆粒尺寸也逐漸增大。加20%白榴石的579℃。從圖3可知,隨白榴石含量從0%變化到20%,熱膨脹系數(shù)從11.3×1026/℃上升到13.5×10-6/℃。這個膨脹系數(shù)可以很好地與Ni2 Cr合金的膨脹系數(shù)匹配。結(jié)合XRD圖譜,由于試樣中僅含有四方相白榴石晶相,由此可見,四方相白榴石晶體能明顯提高烤瓷材料的熱膨脹系數(shù),通過改變白榴石的添加量來調(diào)整材料的熱膨脹系數(shù),可以滿足使用的需要。

圖2 不同白榴石含量的烤瓷試樣的SEM形貌 (a)10%;(b)15%;(c)20%Fig.2 SEM micrographs of the dental po rcelains w ith different leucite contents (a)10%;(b)15%;(c)20%

圖3 不同白榴石含量的試樣的熱膨脹曲線Fig.3 Thermal expansion curves of the dental po rcelain w ith different leucite contents

2.4 納米白榴石對烤瓷材料力學性能的影響

2.4.1 白榴石添加量對抗彎強度的影響

白榴石的添加量對烤瓷材料抗彎強度的影響如圖4所示,隨白榴石添加量的增加,試樣的抗彎強度不斷提高,并呈現(xiàn)了明顯的直線關系。含20%白榴石的抗彎強度是99M Pa,相對未加白榴石的基礎熔塊的抗彎強度57M Pa,增加了74%,遠高于ISO9693—1999要求的金屬基牙科烤瓷材料的抗彎強度≥50M Pa。

XRD分析表明試樣中僅含有四方相白榴石晶體。SEM圖顯示白榴石晶體比較均勻地彌散分布在玻璃基質(zhì)相中,起到了第二相彌散增強作用,有助于提高烤瓷材料的抗彎強度。

2.4.2 白榴石添加量對顯微硬度的影響

圖4 白榴石的添加量對烤瓷材料抗彎強度的影響Fig.4 The effect of leucite content on flexural strength of dental porcelain

試樣的顯微硬度與白榴石添加量的關系如圖5所示。隨白榴石含量的增加,試樣的維氏硬度不斷提高,并且二者也近似成線形關系。當白榴石添加量為20%時,試樣的顯微硬度為590M Pa,相對于基礎熔塊的顯微硬度515M Pa,提高了大約15%。與抗彎強度相比,硬度的提高不是很明顯,可能是由于白榴石的硬度與熔塊的硬度相差不大之故。

圖5 白榴石的添加量與烤瓷材料顯微硬度的關系Fig.5 The relationship betw een leucite content and microhardness

2.4.3 白榴石添加量對斷裂韌性的影響

納米白榴石添加量與試樣斷裂韌性的關系見圖6。從圖6可知,試樣的斷裂韌性隨白榴石含量的增加明顯提高。當納米白榴石添加量增加到20%時,試樣的斷裂韌性從1.06M Pa·m1/2增加到了1.57 M Pa· m1/2,提高了48%。由此可見,外加四方相白榴石不僅起到了提高膨脹系數(shù)的作用,達到與金屬基體的良好匹配,而且能明顯起到彌散增強和增韌效果。

圖6 白榴石的添加量對烤瓷材料斷裂韌性的影響Fig.6 Effects of leucite content on fracture toughness

四方相白榴石顆粒均勻地彌散分布在玻璃相基質(zhì)中,當烤瓷材料冷卻時,由于玻璃基質(zhì)與白榴石晶體的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不同,導致在材料內(nèi)部產(chǎn)生殘余應力。白榴石晶體的熱膨脹系數(shù)大于烤瓷基體材料,在第二相白榴石顆粒內(nèi)部將產(chǎn)生一個等靜拉應力,而在環(huán)繞顆粒的玻璃基體中產(chǎn)生一個徑向拉應力和切向壓應力。當因外力使烤瓷材料出現(xiàn)微裂紋或烤瓷材料中原有的微裂紋擴展,同時若裂紋在擴展路徑前方遇到第二相顆粒時,裂紋有可能會因為顆粒表面的切向壓應力而中止或偏向。裂紋的偏轉(zhuǎn),增加裂紋擴展路徑,提高了斷裂能,增加了材料的斷裂韌性和強度。加之,采用的是納米級白榴石粉體,粒徑小于產(chǎn)生臨界裂紋的尺寸,不會引起微裂紋的產(chǎn)生,因此可以很好地起到增強和增韌的效果。

3 結(jié)論

(1)四方相白榴石晶體可以顯著地提高烤瓷材料的熱膨脹系數(shù),通過調(diào)整白榴石的含量可以獲得與Ni2Cr合金熱膨脹系數(shù)良好匹配的烤瓷材料。

(2)作為彌散第二相,納米白榴石晶體均勻分散在玻璃基質(zhì)相中時,由于膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的殘余應力場對烤瓷材料起到了增強和增韌的效果,使烤瓷材料獲得了良好的力學性能。

(3)烤瓷材料的顯微硬度隨白榴石添加量的增大而升高。

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Influence of Nano2sized Leucite on Dental Po rcelain M echanical Properties

YANG Jin2ping1,WANG Jing1,WU Jian2qing2

(1 College of M aterials,Hebei Polytechnic U niversity,Tangshan 063009, Hebei,China;2 College of Materials Science and Engineering,South

Nano2sized leucite pow ders were used as dispersed particles to imp rove the toughness and strength of low2temperature dental po rcelain fused to metal.XRD and SEM w ere used to determine the phase composition and microstructure of nano2sized leucite in the sintered specimen.The effectsof leucite content on the strength,hardness and fracture toughnessof the sintered specimen w ere also in2 vestigated.Results show that the flexural strength,microhardness and fracture toughness increase w ith the content of nano2sized leucite.The dental po rcelain containing 20%(mass fraction)of nano2 sized leucite can obtain excellent mechanical p roperty,w hich can match the Ni2Cr alloy very well in the thermal expansion coefficient.

nano2sized leucite;dental porcelain fused to metal;mechanical p roperty

TQ174.1+5

A

100124381(2010)0520030204

2009211205;

2010203210

楊金萍(1973—),女,博士,副教授,主要從事生物陶瓷材料方面研究工作,聯(lián)系地址:河北唐山市新華西道46號河北理工大學材料學院(063009),E2mail:im jp_yang@163.com