牙科氧化鋯納米復合陶瓷的制備及性能研究

張林，張雪涵，張家祥

（棗莊職業學院，棗莊市 277000）

1 前言

陶瓷作為一種具有優良特性的口腔修復材料，隨著時間的推移，陶瓷制品如熱壓鑄陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等陸續問世。為克服陶瓷材料的易碎性，一般采用纖維增韌、晶須和晶粒韌化、相變增韌等工藝。最近幾年，隨著納米技術的發展，國外學者發現將納米級顆粒引入微米級陶瓷基體中，能起到很好地強化補韌作用。

2 氧化鋯與陶瓷基體的作用

牙科氧化鋯是一種以氧化鋯為主的牙科材料，它具有較好的機械性能。它可以通過不同方式與多種類型的陶瓷基體進行復合。陶瓷基體是由陶瓷基質、氧化鋯和金屬氧化物等材料在一定溫度下經混合反應而形成的多孔結構材料。因此，其具有良好的綜合性能，如耐磨性、力學性能、機械強度等。而在一定條件下，可以通過降低陶瓷基材與氧化Ze 之間的反應活性、降低氧化鋯濃度以及對氧化鋯相容性等方法來達到對其進行復合改性研究。然而，由于牙科氧化鋯與傳統瓷片相比具有低密度和高硬度及抗磨性等特性，因此其對復合陶瓷基質形成也提出了更多要求。鑒于這種情況，本文在牙科氧化鋯與陶瓷基體之間引入了一些其他材料可以起到良好的復合改性作用并且解決了其不足之處，如提高陶瓷基體內形成化學穩定層所需的各種元素和微量元素。

3 牙科氧化鋯納米復合陶瓷的化學改性

由于氧化鋯在較高的硬度和耐磨性方面的優良性能，使其被廣泛應用于陶瓷工業。然而，由于納米復合陶瓷本身材料組成和結構不夠均勻，因此在處理過程中需要對表面活性進行改性設計。Zhou 等以ZrO2為活性原料，通過熱還原、酸還原和水熱法合成了單粒子多孔納米復合陶瓷。在進行此制備時，可以將TiO2熱還原為二氧化鋯和Ru 納米顆粒；然后將氧化鋯酸洗并以酸清洗過的TiO2顆粒磨成細粉以進行水熱法制備多孔納米氧化鋯粒子，然后再用pH 值=6 和pH=7 的氫氧溶液浸酸以制得多孔二氧化鋯基復合材料。Ming 等將ZrO2和二氧化鋯混合作為原料和酸洗處理而制得單層ZrO2、二氧化鋯基復合陶瓷，結果表明制備過程中加入酸洗過程可以有效地減少單層復合陶瓷中CrO2與CrO3的量，并降低MgO-二氧化鋯復合件的硬度。因此，可以通過調節TiO顆?；钚粤縼砀纳坪吞岣邚秃现苽洳牧纤@得的抗壓強度、耐磨性和硬度等性能。

4 牙科氧化鋯納米復合陶瓷的熱處理

通常采用熱處理方法對陶瓷材料進行強化，而在陶瓷復合改性劑中添加適量的鋁或鈦則可以提高其硬度。對鈦或鋁添加量越多，對復合改性劑作用越明顯，越能提高其硬度和耐磨性；而添加量過少，則會導致復合改性劑作用較弱，導致其硬度和耐磨性下降等問題。但也有學者通過調整鈦或鋁化合物含量對復合改性劑進行熱處理試驗，研究其對復合改性劑作用效果，結果表明鈦合金含量越高，復合改性劑作用效果越好。不同牌號的鈦或鋁化合物可以有效促進復合改性劑作用效果。通常鈦合金添加量較多時不僅會降低其硬度、耐磨性和生物相容性，而且還會導致復合改性劑作用效果減弱，進而導致其復合改性劑作用效果不佳。例如，添加0.5%的NaOH 時其復合改性劑作用效果最佳(P=0.05);添加0.5%NaOH 時其復合改性劑作用效果最佳(P=0.01); 添加1%NaOH 時其復合改性劑作用效果最佳(P=0.01)等，都是通過對不同牌號材料進行熱處理實驗后才能得到理想效果。因此通過對復合改性劑進行熱處理可以有效提高其復合改性劑作用效果[1]。

5 牙科氧化鋯納米復合陶瓷制備工藝

由于氧化鋯在陶瓷中的重要性，目前主要通過在陶瓷中添加適當數量的金屬元素來實現復合改性。通常在陶瓷中添加一定數量的金屬元素，從而使得陶瓷中含有的金屬元素比例逐漸增加或保持穩定，這是因為在陶瓷和金屬相互結合期間，金屬元素主要起到調節界面活性和化學性能的作用。例如，可通過添加適量微量元素改善鋯和氧化鋯之間的結合，從而使得二者更為協調。其中，微量元素ZrO 和ZrBr 在復合物中作用較為明顯，且都起到良好的穩定作用。但是由于所使用的微量元素含量不同，因此各微量元素組合時會導致部分微量元素成分發生變化，進而導致復合材料的特性出現差異。因此，在實驗研究中一般通過改變不同微量元素組成而實現對納米復合陶瓷材料的制備工藝。此外，采用熔融沉積法制備可以獲得尺寸均勻的陶瓷基納米復合陶瓷材料。采用燒結法制備陶瓷基納米復合陶瓷可以有效解決氧化鋯與二氧化硅因其高硬度、高導熱性能導致難以用于臨床應用這一問題。因此人們將其通過不同工藝結合使用來實現對氧化鋯納米復合陶瓷材料的復合性能優化。

6 理化性能的測定

牙科氧化鋯作為一種生物相容性材料，具有良好的生物相容性，且其不會與其它金屬發生化學反應，因此在牙科磨牙中應用較為廣泛。此外，該材料還具有良好的熱穩定性，其溫度變化范圍為-60℃～+85℃，并在-80℃～+150℃范圍內保持不變。采用XRD 表征復合陶瓷中不同晶粒尺寸分布情況，研究了復合陶瓷結晶行為以及微結構特征。Moller-Campbell 等對納米復合體進行了研究，結果表明，納米復合體在1200℃時晶粒尺寸達到了1 nm 和1.45 nm。在此基礎上，利用XRD 表征了納米復合體中Al 和ZrO 的含量。結果表明在1200℃時Al與ZrO 相融合并結合形成穩定的凝膠體系，有利于兩相間的粘結，從而有效增強了納米復合陶瓷的性能。Al-ZrO 納米復合陶瓷的微細晶粒尺寸在0.1～0.35μ m之間波動是一種較為理想的微細晶粒尺寸范圍。這主要是由于Al-ZrO 本身具有較高硬度以及良好的耐磨性和良好耐熱性能等特性[2]。

7 結語

氧化鋯增韌陶瓷在口腔醫療中的應用日益廣泛，目前，開發納米氧化鋯陶瓷已經是一個熱門課題。利用納米技術開發出更好的、更適合于口腔材料的要求的氧化鋯陶瓷，是未來的發展趨勢。