纳米白榴石对牙科烤瓷材料力学性能的影响

杨金萍,王 静,吴建青

(1河北理工大学材料学院,河北唐山063009; 2华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640)

纳米白榴石对牙科烤瓷材料力学性能的影响

杨金萍1,王 静1,吴建青2

(1河北理工大学材料学院,河北唐山063009; 2华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640)

China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

以纳米白榴石为弥散颗粒,对低温牙科烤瓷材料进行了增强、增韧。运用XRD,SEM对白榴石在烤瓷材料中的相组成和显微结构进行分析,并探讨了白榴石添加量对材料强度、硬度和断裂韧性的影响。结果表明:牙科烤瓷材料的抗弯强度、显微硬度和断裂韧性都随纳米白榴石添加量的增加而增大;添加20%(质量分数)白榴石粉体的牙科烤瓷材料具有良好的力学性能,并且能够和Ni2Cr合金基体达到良好的膨胀系数匹配。

纳米白榴石;牙科烤瓷材料;力学性能

牙科烤瓷材料具有良好的生物相容性、耐磨耐腐蚀性以及色泽自然、逼真等优点[1-3],目前已成为治疗牙缺失最主要的方法之一[4]。金属基烤瓷牙冠是将陶瓷高温熔融于金属表面制成的,大多数陶瓷的线膨胀系数小于10×10-6/℃,而目前应用最为广泛的镍铬合金热膨胀系数约为14×10-6～16×10-6/℃[5]。当冷却时,由于瓷层与金属基底间过大的膨胀系数差异而产生的残余应力,将导致烤瓷层剥落或开裂[5]。为了获得烤瓷与金属的良好结合,一般在烤瓷中加入高热膨胀系数的物质。结晶良好的四方相白榴石(K2O ·A l2O3·4SiO2)的热膨胀系数可达30×10-6/℃,并具有良好的力学性能,与低膨胀系数的长石质烤瓷材料混合可以提高烤瓷材料的热膨胀系数,达到与金属基底层的良好匹配[6,7]。然而,传统烤瓷材料中采用的白榴石晶体颗粒较大,多在微米级尺度。在烤瓷冷却的过程中,大颗粒的白榴石晶体与其周围玻璃相在热膨胀系数上的较大差异,会在白榴石晶体与周围玻璃相之间形成微裂纹,导致烤瓷冠在承受咬合的过程中易于产生应力集中而引发裂纹扩展,从而损害烤瓷材料的强度。

当纳米级的白榴石颗粒均匀分散在玻璃基质相中时,由于纳米颗粒的尺寸非常小,因此它与玻璃相的结合,不会引起微裂纹的产生而损害烤瓷的强度。小尺寸纳米颗粒的表面能很大,有利于降低烧结温度和缩短烧结时间。烤烧温度的降低有利于防止金属基底的变形,加之,烤瓷牙本身体积小,烤烧时间的缩短有利于快速烧成。

本工作研究了纳米级的白榴石晶体在烤瓷材料中的物相组成和显微结构,进而探讨其对烤瓷材料力学性能的影响。

1 实验

1.1 材料组成

本实验以自制的低温牙科烤瓷熔块为基体材料,其主要化学组成见表1。将合成的四方相纳米白榴石添加到低温熔块中,考察纳米白榴石晶体对其性能的影响。其中白榴石采用溶胶2凝胶法制备[8],经共沸蒸馏法干燥后,1100℃热处理1h,平均晶粒尺寸为45nm左右。

表1 低温牙科烤瓷熔块的化学组成Table 1 Chemical composition of low2fusing frit

按表2的比例将基础熔块粉和白榴石粉体混合。不同白榴石含量的试样的烧结温度如表2所示,随白榴石含量的增加,试样烧结温度不断提高。

表2 白榴石含量对烤瓷材料烧结温度的影响Table 2 Effects of leucite content on the sinteringtemperatures of the dental po rcelains

1.2 试样的制备

每组原料加入10%(质量分数,下同)的聚乙烯醇溶液作为黏结剂,无水乙醇作为分散介质,球磨混合1h后烘干,过40目筛备用。采用DY230型台式电动压片机压制成型,成型压力为20M Pa,保持压力30s。干燥后的试样在Densp ly触摸式烤瓷炉中按照表2所示的烧结温度烧成,升温速度40℃/min,在最高烧结温度下保温3min后随炉冷却。烧好的试样首先采用600#水磨砂纸打磨成表面平整,尺寸约2mm×4mm ×40mm试样(倒角45°,相邻面间夹角90°,无明显气孔),然后在Buehler抛光机上分别用5,1μm金刚砂膏抛光,最后经过超声波清洗、烘干,得到待检测试样。

1.3 试样的性能表征

采用X’pert PRO型X射线衍射仪对试样进行物相分析。用LEO 1530VP扫描电镜分析其显微结构。在5567型电子万能试验机上采用三点抗弯法测试试样的抗弯强度(加载速度为0.5mm/min,跨度为30100mm)。试样的维氏硬度使用Wilson2Wolpert Turkon 2100B型显微硬度计测量(载荷为4.9N,保压10s)。采用压痕2强度法测定试样的断裂韧性,计算公式如下:

式中:ηRr为由实验数据回归得出的计算常数,为0.59; H为维氏硬度,GPa;σ为压痕试样的弯曲强度,Pa;P为压痕载荷,本实验取4.9N;E为弹性模量,GPa,按照复合材料弹性模量混合定律估算。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1是外加白榴石粉体烤瓷材料的X射线衍射图谱,从图1可以发现,基础熔块为非晶相,但随白榴石添加量的增多,试样中四方相白榴石晶体(t2leucite)的衍射峰逐渐增强,并且仅有四方相白榴石晶体的衍射峰。表明在基础熔块中添加白榴石晶体,在烤烧过程中,并未引起其他晶体从烤瓷体中析出。

图1 不同白榴石含量的烤瓷试样的X射线衍射图谱Fig.1 XRD patterns of the specimens with different leucite contents

2.2 显微结构分析

2.3 纳米白榴石对烤瓷材料热膨胀性能的影响

图3是不同白榴石含量的烤瓷试样的热膨胀系数曲线。所有曲线的形状相似,均呈S形变化。随白榴石含量的提高,材料的平均热膨胀系数增加,而且软化点逐渐提高。软化点从未加白榴石的549℃上升到添

图2是不同含量白榴石的烤瓷试样的SEM形貌,图2(a),(b),(c)分别为添加白榴石10%,15%, 20%的试样,经820,840,870℃烤烧,打磨,抛光后的样品。在添加10%白榴石的试样中,白榴石颗粒的尺寸仅在70nm左右(图2(a));当白榴石添加量达到15%以上时(图2(b),(c)),白榴石晶体的尺寸接近100nm。从图2还可见四方相白榴石晶体非常均匀地分散在玻璃基体中,而且白榴石晶体的颗粒尺寸比较均匀。随白榴石添加量的增加,试样的烧结温度提高,颗粒尺寸也逐渐增大。加20%白榴石的579℃。从图3可知,随白榴石含量从0%变化到20%,热膨胀系数从11.3×1026/℃上升到13.5×10-6/℃。这个膨胀系数可以很好地与Ni2 Cr合金的膨胀系数匹配。结合XRD图谱,由于试样中仅含有四方相白榴石晶相,由此可见,四方相白榴石晶体能明显提高烤瓷材料的热膨胀系数,通过改变白榴石的添加量来调整材料的热膨胀系数,可以满足使用的需要。

图2 不同白榴石含量的烤瓷试样的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%

图3 不同白榴石含量的试样的热膨胀曲线Fig.3 Thermal expansion curves of the dental po rcelain w ith different leucite contents

2.4 纳米白榴石对烤瓷材料力学性能的影响

2.4.1 白榴石添加量对抗弯强度的影响

白榴石的添加量对烤瓷材料抗弯强度的影响如图4所示,随白榴石添加量的增加,试样的抗弯强度不断提高,并呈现了明显的直线关系。含20%白榴石的抗弯强度是99M Pa,相对未加白榴石的基础熔块的抗弯强度57M Pa,增加了74%,远高于ISO9693—1999要求的金属基牙科烤瓷材料的抗弯强度≥50M Pa。

XRD分析表明试样中仅含有四方相白榴石晶体。SEM图显示白榴石晶体比较均匀地弥散分布在玻璃基质相中,起到了第二相弥散增强作用,有助于提高烤瓷材料的抗弯强度。

2.4.2 白榴石添加量对显微硬度的影响

图4 白榴石的添加量对烤瓷材料抗弯强度的影响Fig.4 The effect of leucite content on flexural strength of dental porcelain

试样的显微硬度与白榴石添加量的关系如图5所示。随白榴石含量的增加,试样的维氏硬度不断提高,并且二者也近似成线形关系。当白榴石添加量为20%时,试样的显微硬度为590M Pa,相对于基础熔块的显微硬度515M Pa,提高了大约15%。与抗弯强度相比,硬度的提高不是很明显,可能是由于白榴石的硬度与熔块的硬度相差不大之故。

图5 白榴石的添加量与烤瓷材料显微硬度的关系Fig.5 The relationship betw een leucite content and microhardness

2.4.3 白榴石添加量对断裂韧性的影响

纳米白榴石添加量与试样断裂韧性的关系见图6。从图6可知,试样的断裂韧性随白榴石含量的增加明显提高。当纳米白榴石添加量增加到20%时,试样的断裂韧性从1.06M Pa·m1/2增加到了1.57 M Pa· m1/2,提高了48%。由此可见,外加四方相白榴石不仅起到了提高膨胀系数的作用,达到与金属基体的良好匹配,而且能明显起到弥散增强和增韧效果。

图6 白榴石的添加量对烤瓷材料断裂韧性的影响Fig.6 Effects of leucite content on fracture toughness

四方相白榴石颗粒均匀地弥散分布在玻璃相基质中,当烤瓷材料冷却时,由于玻璃基质与白榴石晶体的热膨胀系数和弹性模量不同,导致在材料内部产生残余应力。白榴石晶体的热膨胀系数大于烤瓷基体材料,在第二相白榴石颗粒内部将产生一个等静拉应力,而在环绕颗粒的玻璃基体中产生一个径向拉应力和切向压应力。当因外力使烤瓷材料出现微裂纹或烤瓷材料中原有的微裂纹扩展,同时若裂纹在扩展路径前方遇到第二相颗粒时,裂纹有可能会因为颗粒表面的切向压应力而中止或偏向。裂纹的偏转,增加裂纹扩展路径,提高了断裂能,增加了材料的断裂韧性和强度。加之,采用的是纳米级白榴石粉体,粒径小于产生临界裂纹的尺寸,不会引起微裂纹的产生,因此可以很好地起到增强和增韧的效果。

3 结论

(1)四方相白榴石晶体可以显著地提高烤瓷材料的热膨胀系数,通过调整白榴石的含量可以获得与Ni2Cr合金热膨胀系数良好匹配的烤瓷材料。

(2)作为弥散第二相,纳米白榴石晶体均匀分散在玻璃基质相中时,由于膨胀系数的差异而产生的残余应力场对烤瓷材料起到了增强和增韧的效果,使烤瓷材料获得了良好的力学性能。

(3)烤瓷材料的显微硬度随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

杨金萍(1973—),女,博士,副教授,主要从事生物陶瓷材料方面研究工作,联系地址:河北唐山市新华西道46号河北理工大学材料学院(063009),E2mail:im jp_yang@163.com