二次烧结温度对牙科氧化锆陶瓷组织和力学性能的影响

熊　峰　彭如恕

(南华大学机械工程学院，衡阳 421001)

二次烧结温度对牙科氧化锆陶瓷组织和力学性能的影响

熊峰彭如恕

(南华大学机械工程学院，衡阳 421001)

摘要:研究二次烧结温度对氧化锆牙科陶瓷微观组织和力学性能的影响。方法为氧化锆亚微米粉经过干压、冷等静压成型后在1050℃预烧结，然后将预烧结牙科氧化锆瓷块在1300~1600℃进行二次烧结。对不同二次烧结温度下材料的线收缩率、烧结密度、物相、三点抗弯强度进行测量分析，并通过扫描电镜观察试样的断面形貌。结果表明随着二次烧结温度提高，氧化锆的密度、弯曲强度呈上升趋势。在1350℃时体积密度达到6.10g/cm3，1500℃时的机械性能最优，三点弯曲强度为852MPa，主晶相为四方相。结论是亚微米氧化锆粉体烧结活性高，力学性能优良，能够满足口腔全瓷修复材料的要求。

关键词:牙科氧化锆陶瓷;二次烧结温度;微观结构;力学性能

3mol%氧化钇稳定的四方多晶氧化锆(3mol% yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal, 3Y-TZP)陶瓷具有极高的抗弯强度和断裂韧性、杰出的生物相容性、较低的导热率以及一定的半透度，因而其广泛用作口腔全瓷义齿修复材料[1~3]。目前制作氧化锆全瓷义齿的主要方法是先将干压、冷等静压成型的氧化锆素坯在较低温度下预烧结得到具有一定强度的多孔氧化锆瓷块，然后将预烧结氧化锆瓷块放入齿科雕铣机进行CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)切削加工成所需要的义齿形态，最终通过较高温度的二次烧结使材料完全致密并获得足够的抗弯强度、硬度和断裂韧性[4,5]。其中二次烧结温度的选择对氧化锆义齿最终的力学性能产生决定性影响。运新跃[6]、黄慧[7]、孙蕾[8]、赵琬倩[9]和李树[10]等研究3Y-TZP粉体烧结性能时发现随着二次烧结温度升高，氧化锆陶瓷的硬度、烧结密度、线收缩率和平均晶粒尺寸增大，其中陶瓷的主晶相为四方相，氧化锆的增韧机制为应力诱导相变。Inokoshi M等[11]研究发现二次烧结温度过高，氧化锆陶瓷晶粒粗大，显著降低了其抗老化性能。

然而，目前关于二次烧结温度对亚微米牙科陶瓷3Y-TZP微观组织和力学性能的研究报道还不多见。本文研究了不同二次烧结温度下得到的氧化锆陶瓷的密度，线收缩率、抗弯强度、相组成、断面形貌，分析了二次烧结温度对氧化锆陶瓷组织和力学性能的影响。

1材料和方法

1.1　实验材料与设备

1.1.1实验材料

亚微米氧化锆粉体(HWY-N-5.5，华旺锆材料有限公司，广东)。粉体粒径为0.2μm，比表面积为(11~14)m2·g-1。氧化锆原料的化学成分列于表1。

表1　氧化锆粉末的化学组成

氧化锆亚微米粉体首先用钢模以3.5MPa的单向压力干压成Φ98.5mm×14mm的圆盘，然后在200MPa的压力下进行冷等静压成型，再经1050℃预烧结，得到相对密度为52%的预烧结氧化锆瓷块。预烧结升温速率为3℃/min,保温2h,随炉冷却至100℃，开炉降温至室温。二次烧结升温速度为3℃/min，分别于1300℃,1350℃,1400℃,1450℃,1500℃,1550℃,1600℃保温2h烧结，随炉冷却。

1.1.2实验设备

Y41TF40粉末压片机(无锡大力液压机械厂)，KJY300型冷等静压机(太原中睿合科技有限公司)，ZTE-100-13型高温烧结炉(中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司)，BSA124S型分析天平(天津赛得利斯实验分析仪器制造厂)，WDW-5型微机控制电子万能试验机(济南华兴试验设备有限公司)，D8-ADVANCE型X射线衍射仪(Bruker,德国)，场发射扫描电镜(QuantaFEG250，Oregon,美国)。

1.2　实验方法

1.2.1试样制备

二次烧结体经过切割、打磨、抛光、倒角后，制成尺寸为25mm×4mm×1.2mm的抗弯强度测试试样。

1.2.2测试

线收缩率测试：用数显游标卡尺测量氧化锆二次烧结前后圆盘的直径，测量三次取平均值。由公式(1)计算二次烧结的线收缩率(s)：

(1)

其中d1和d2分别代表了烧结前后试样的直径。

体积密度测试：采用阿基米德排水法测量不同二次烧结温度下样品的体积密度，用精密分析天平先测出试样的干重mo，然后将试样置于沸水中煮沸2h，冷却至室温后称量饱和试样在水中的浮重m1，然后将其从水中取出，用饱含水的多层纱布擦拭试样表面后迅速称量试样在空气中的湿重m2，实验重复三次取平均值。烧结体的体积密度(SD)由公式(2)计算：

(2)

其中，d水为室温下(20℃)水的密度，取为0.9982g·cm-3。

抗弯强度测试：采用WDW-5型万能力学试验机测定试样的三点抗弯强度σ3P。压头直径0.8mm,加载速度1mm/min,试样跨距14mm。抗弯强度由公式(3)计算：

(3)

其中P为材料断裂时的荷载，L为跨距，b为试样宽度，d为试样厚度。

晶相组成分析：用D8-ADVANCE型X线衍射仪(Bruker，德国)对试样进行晶相组成分析。

扫描电镜观察：利用QuantaFEG250型场发射扫描电镜(Oregon,美国)观测试样断裂表面形貌。

2结果与讨论

2.1　线收缩率、密度和弯曲强度测定

试样线收缩率、密度和弯曲强度测定结果列于表2。表2线收缩率测试结果显示不同二次烧结温度下试样线收缩率趋于稳定不再增加。试样的烧结收缩是由于材料的晶粒长大与合并导致材料内部原有的气孔体积减少和消失，由此可以推断试样烧结趋于致密。表2密度测试结果显示除1300℃烧结试样外，其它氧化锆试样的体积密度基本上都达到了6.0g/cm3，致密程度很高。同时还可以观察到烧结温度过高，体积密度有所下降。表2抗弯强度测试结果显示在1500℃时试样强度为最大值为852MPa，同时还可以观察到烧结温度过高抗弯强度反而有所下降。原因为烧结温度过高，部分晶粒尺寸超过氧化锆陶瓷相变增韧的临界尺寸，使这部分的晶粒无法产生相变增韧效果，导致试样整体力学性能的降低。

表2　试样在不同烧结温度下的线收缩率、体积密度和抗弯强度

2.2　晶相组成分析

X射线衍射仪对所有二次烧结后氧化锆陶瓷进行晶相组成，发现所有试样的晶相图谱非常相似，因此仅选取1500℃下二次烧结的晶相图谱进行分析(图1)，从图1分析结果可见：材料的主晶相为四方相,几乎无单斜相存在。表明添加剂氧化钇完全固溶于氧化锆基体中。常温下存在的氧化锆四方相，有利于发挥氧化锆特有的相变增韧效果，从而提高其力学性能。

图1　3Y-TZP在1500℃烧成试样抛光表面的的XRD图谱

2.3　扫描电镜观察

由图2为在1300~1600℃二次烧结氧化锆陶瓷断面晶体形貌，图2(a)和2(b)可以看出烧结并未完全致密，晶粒间存在许多气孔，而图2(c)~(g)氧化锆陶瓷晶粒紧密接触，没有检测到气孔，表明烧结完全致密。另外随着烧结温度升高，氧化锆晶粒逐渐长大。同时观察到氧化锆陶瓷的断裂形貌由较低温度下的沿晶断裂模式过渡到较高烧结温度下的沿晶和穿晶复合断裂模式，这将提高氧化锆陶瓷的抗弯强度。

3结论

氧化锆亚微米粉体的烧结性能优良,1350℃时的烧结密度已经达到理论密度,最大线收缩率为17.80%。1500℃时的力学性能最佳，其最大抗弯强度为852MPa。超过牙科陶瓷国际标准ISO6872-2008抗弯强度为800MPa的规定，能够满足牙科全瓷修复材料的使用要求，值得进一步地研究和应用。

(a)1300℃;(b)1350℃;(c)1400℃;(d)1450℃;(e)1500℃;(f)1550℃;(g)1600℃图2　在不同温度下烧结所得试样的断口SEM图像

参考文献

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[2]Li Gh, Gong Zy, Yu Sx. Effects of Particle Size on Sintering Properties and Microstructure of 3Y-TZP [J]. Journal of Oral Science Research. 2008, 3: 018.

[3]胡柏, 王贻宁. 全瓷冠桥抗折性能研究进展 [J]. 临床口腔医学杂志. 2005, 21(1): 58.

[4]杨瑟飞, 金志浩, 郭天文. 口腔修复用 Y-TZP 陶瓷材料制备工艺研究 [J]. 稀有金属材料与工程. 2007, 36(2): 313.

[5]黄慧, 魏斌, 张富强, 等. 两次烧结工艺对氧化锆陶瓷性能的影响 [J]. 华西口腔医学杂志. 2008, 26(2): 175.

[6]运新跃, 黄德信, 徐兵, 等. 烧结温度对氧化锆陶瓷相组成及力学性能的影响 [J]. 硅酸盐通报. 2009, 28(B08): 102.

[7]黄慧, 张富强, 孙蕾, 等. TZ-3Y-E 粉体的烧结及力学性能实验分析 [J]. 口腔医学研究. 2005, 21(4): 382.

[8]孙蕾, 张富强, 高益鸣, 等. 二次烧结温度对牙科纳米氧化锆陶瓷抗弯强度影响的实验研究 [J]. 口腔医学. 2008, 28(2): 70.

[9]赵琬倩, 李宁, 吴芝凯, 等. 烧结温度对牙科 3Y-TZP 陶瓷透光率的影响 [J]. 稀有金属材料与工程. 2014, 1.

[10]李树先, 朱德贵. 不同烧结法对 3Y-TZP 陶瓷力学性能的影响 [J]. 佛山陶瓷. 2007, 17(9): 1.

[11]Inokoshi M, Zhang F, De Munck J, et al. Influence of sintering conditions on low-temperature degradation of dental zirconia [J]. Dental Materials. 2014, 30(6): 669.

Effect of the Second Sintering Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Dental Zirconia Ceramic

Xiong FengPeng Rushu

(School of Mechanical Engineering, University of South China, Hengyang 421001)

Abstract:To study the effects of the second sintering temperature on the microstructure and mechanical properties of zirconia dental ceramic. Methods: Submicron zirconia powder was dry compacted, cold isostatic pressed and pre-sintered at 1050℃. Then the pre-sintered zirconia blocks were sintered for the second time at temperature between 1300 and 1600℃. The density, main phase, three-point bending strength and fracture surface microstructure of the twice sintered samples were investigated. Results: The results showed that the sintered density, three-point bending strength increased with sintering temperature increased. The sintered density reached to 6.10 g/ cm3at 1350℃. The best mechanical properties of the materials were obtained at sintering temperature of 1500℃ at which bending strength of 852 MPa. The main phase was confirmed as tetragonal. Conclusions: The dental submicron zirconia powders have highly sintering activity, excellent mechanical properties to fit the requirement of dental use.

Keywords:dental zirconia ceramic; second-sintered temperature; microstructure; mechanical properties

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.05.001

作者简介：熊峰(1990～)，男，硕士.主要从事牙科氧化锆陶瓷组织与性能研究.

基金项目：湖南省高等学校科学研究项目，项目编号(12C0324).