熊　峰　彭如恕

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，衡陽(yáng) 421001)

二次燒結(jié)溫度對(duì)牙科氧化鋯陶瓷組織和力學(xué)性能的影響

熊峰彭如恕

(南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，衡陽(yáng) 421001)

摘要:研究二次燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋯牙科陶瓷微觀組織和力學(xué)性能的影響。方法為氧化鋯亞微米粉經(jīng)過(guò)干壓、冷等靜壓成型后在1050℃預(yù)燒結(jié)，然后將預(yù)燒結(jié)牙科氧化鋯瓷塊在1300~1600℃進(jìn)行二次燒結(jié)。對(duì)不同二次燒結(jié)溫度下材料的線收縮率、燒結(jié)密度、物相、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量分析，并通過(guò)掃描電鏡觀察試樣的斷面形貌。結(jié)果表明隨著二次燒結(jié)溫度提高，氧化鋯的密度、彎曲強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。在1350℃時(shí)體積密度達(dá)到6.10g/cm3，1500℃時(shí)的機(jī)械性能最優(yōu)，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為852MPa，主晶相為四方相。結(jié)論是亞微米氧化鋯粉體燒結(jié)活性高，力學(xué)性能優(yōu)良，能夠滿足口腔全瓷修復(fù)材料的要求。

關(guān)鍵詞:牙科氧化鋯陶瓷;二次燒結(jié)溫度;微觀結(jié)構(gòu);力學(xué)性能

3mol%氧化釔穩(wěn)定的四方多晶氧化鋯(3mol% yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal, 3Y-TZP)陶瓷具有極高的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性、杰出的生物相容性、較低的導(dǎo)熱率以及一定的半透度，因而其廣泛用作口腔全瓷義齒修復(fù)材料[1~3]。目前制作氧化鋯全瓷義齒的主要方法是先將干壓、冷等靜壓成型的氧化鋯素坯在較低溫度下預(yù)燒結(jié)得到具有一定強(qiáng)度的多孔氧化鋯瓷塊，然后將預(yù)燒結(jié)氧化鋯瓷塊放入齒科雕銑機(jī)進(jìn)行CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造)切削加工成所需要的義齒形態(tài)，最終通過(guò)較高溫度的二次燒結(jié)使材料完全致密并獲得足夠的抗彎強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性[4,5]。其中二次燒結(jié)溫度的選擇對(duì)氧化鋯義齒最終的力學(xué)性能產(chǎn)生決定性影響。運(yùn)新躍[6]、黃慧[7]、孫蕾[8]、趙琬倩[9]和李樹(shù)[10]等研究3Y-TZP粉體燒結(jié)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著二次燒結(jié)溫度升高，氧化鋯陶瓷的硬度、燒結(jié)密度、線收縮率和平均晶粒尺寸增大，其中陶瓷的主晶相為四方相，氧化鋯的增韌機(jī)制為應(yīng)力誘導(dǎo)相變。Inokoshi M等[11]研究發(fā)現(xiàn)二次燒結(jié)溫度過(guò)高，氧化鋯陶瓷晶粒粗大，顯著降低了其抗老化性能。

然而，目前關(guān)于二次燒結(jié)溫度對(duì)亞微米牙科陶瓷3Y-TZP微觀組織和力學(xué)性能的研究報(bào)道還不多見(jiàn)。本文研究了不同二次燒結(jié)溫度下得到的氧化鋯陶瓷的密度，線收縮率、抗彎強(qiáng)度、相組成、斷面形貌，分析了二次燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋯陶瓷組織和力學(xué)性能的影響。

1材料和方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1實(shí)驗(yàn)材料

亞微米氧化鋯粉體(HWY-N-5.5，華旺鋯材料有限公司，廣東)。粉體粒徑為0.2μm，比表面積為(11~14)m2·g-1。氧化鋯原料的化學(xué)成分列于表1。

表1　氧化鋯粉末的化學(xué)組成

氧化鋯亞微米粉體首先用鋼模以3.5MPa的單向壓力干壓成Φ98.5mm×14mm的圓盤(pán)，然后在200MPa的壓力下進(jìn)行冷等靜壓成型，再經(jīng)1050℃預(yù)燒結(jié)，得到相對(duì)密度為52%的預(yù)燒結(jié)氧化鋯瓷塊。預(yù)燒結(jié)升溫速率為3℃/min,保溫2h,隨爐冷卻至100℃，開(kāi)爐降溫至室溫。二次燒結(jié)升溫速度為3℃/min，分別于1300℃,1350℃,1400℃,1450℃,1500℃,1550℃,1600℃保溫2h燒結(jié)，隨爐冷卻。

1.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Y41TF40粉末壓片機(jī)(無(wú)錫大力液壓機(jī)械廠)，KJY300型冷等靜壓機(jī)(太原中睿合科技有限公司)，ZTE-100-13型高溫?zé)Y(jié)爐(中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司)，BSA124S型分析天平(天津賽得利斯實(shí)驗(yàn)分析儀器制造廠)，WDW-5型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南華興試驗(yàn)設(shè)備有限公司)，D8-ADVANCE型X射線衍射儀(Bruker,德國(guó))，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(QuantaFEG250，Oregon,美國(guó))。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1試樣制備

二次燒結(jié)體經(jīng)過(guò)切割、打磨、拋光、倒角后，制成尺寸為25mm×4mm×1.2mm的抗彎強(qiáng)度測(cè)試試樣。

1.2.2測(cè)試

線收縮率測(cè)試：用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量氧化鋯二次燒結(jié)前后圓盤(pán)的直徑，測(cè)量三次取平均值。由公式(1)計(jì)算二次燒結(jié)的線收縮率(s)：

(1)

其中d1和d2分別代表了燒結(jié)前后試樣的直徑。

體積密度測(cè)試：采用阿基米德排水法測(cè)量不同二次燒結(jié)溫度下樣品的體積密度，用精密分析天平先測(cè)出試樣的干重mo，然后將試樣置于沸水中煮沸2h，冷卻至室溫后稱量飽和試樣在水中的浮重m1，然后將其從水中取出，用飽含水的多層紗布擦拭試樣表面后迅速稱量試樣在空氣中的濕重m2，實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次取平均值。燒結(jié)體的體積密度(SD)由公式(2)計(jì)算：

(2)

其中，d水為室溫下(20℃)水的密度，取為0.9982g·cm-3。

抗彎強(qiáng)度測(cè)試：采用WDW-5型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度σ3P。壓頭直徑0.8mm,加載速度1mm/min,試樣跨距14mm?？箯潖?qiáng)度由公式(3)計(jì)算：

(3)

其中P為材料斷裂時(shí)的荷載，L為跨距，b為試樣寬度，d為試樣厚度。

晶相組成分析：用D8-ADVANCE型X線衍射儀(Bruker，德國(guó))對(duì)試樣進(jìn)行晶相組成分析。

掃描電鏡觀察：利用QuantaFEG250型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Oregon,美國(guó))觀測(cè)試樣斷裂表面形貌。

2結(jié)果與討論

2.1　線收縮率、密度和彎曲強(qiáng)度測(cè)定

試樣線收縮率、密度和彎曲強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果列于表2。表2線收縮率測(cè)試結(jié)果顯示不同二次燒結(jié)溫度下試樣線收縮率趨于穩(wěn)定不再增加。試樣的燒結(jié)收縮是由于材料的晶粒長(zhǎng)大與合并導(dǎo)致材料內(nèi)部原有的氣孔體積減少和消失，由此可以推斷試樣燒結(jié)趨于致密。表2密度測(cè)試結(jié)果顯示除1300℃燒結(jié)試樣外，其它氧化鋯試樣的體積密度基本上都達(dá)到了6.0g/cm3，致密程度很高。同時(shí)還可以觀察到燒結(jié)溫度過(guò)高，體積密度有所下降。表2抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示在1500℃時(shí)試樣強(qiáng)度為最大值為852MPa，同時(shí)還可以觀察到燒結(jié)溫度過(guò)高抗彎強(qiáng)度反而有所下降。原因?yàn)闊Y(jié)溫度過(guò)高，部分晶粒尺寸超過(guò)氧化鋯陶瓷相變?cè)鲰g的臨界尺寸，使這部分的晶粒無(wú)法產(chǎn)生相變?cè)鲰g效果，導(dǎo)致試樣整體力學(xué)性能的降低。

表2　試樣在不同燒結(jié)溫度下的線收縮率、體積密度和抗彎強(qiáng)度

2.2　晶相組成分析

X射線衍射儀對(duì)所有二次燒結(jié)后氧化鋯陶瓷進(jìn)行晶相組成，發(fā)現(xiàn)所有試樣的晶相圖譜非常相似，因此僅選取1500℃下二次燒結(jié)的晶相圖譜進(jìn)行分析(圖1)，從圖1分析結(jié)果可見(jiàn)：材料的主晶相為四方相,幾乎無(wú)單斜相存在。表明添加劑氧化釔完全固溶于氧化鋯基體中。常溫下存在的氧化鋯四方相，有利于發(fā)揮氧化鋯特有的相變?cè)鲰g效果，從而提高其力學(xué)性能。

圖1　3Y-TZP在1500℃燒成試樣拋光表面的的XRD圖譜

2.3　掃描電鏡觀察

由圖2為在1300~1600℃二次燒結(jié)氧化鋯陶瓷斷面晶體形貌，圖2(a)和2(b)可以看出燒結(jié)并未完全致密，晶粒間存在許多氣孔，而圖2(c)~(g)氧化鋯陶瓷晶粒緊密接觸，沒(méi)有檢測(cè)到氣孔，表明燒結(jié)完全致密。另外隨著燒結(jié)溫度升高，氧化鋯晶粒逐漸長(zhǎng)大。同時(shí)觀察到氧化鋯陶瓷的斷裂形貌由較低溫度下的沿晶斷裂模式過(guò)渡到較高燒結(jié)溫度下的沿晶和穿晶復(fù)合斷裂模式，這將提高氧化鋯陶瓷的抗彎強(qiáng)度。

3結(jié)論

氧化鋯亞微米粉體的燒結(jié)性能優(yōu)良,1350℃時(shí)的燒結(jié)密度已經(jīng)達(dá)到理論密度,最大線收縮率為17.80%。1500℃時(shí)的力學(xué)性能最佳，其最大抗彎強(qiáng)度為852MPa。超過(guò)牙科陶瓷國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6872-2008抗彎強(qiáng)度為800MPa的規(guī)定，能夠滿足牙科全瓷修復(fù)材料的使用要求，值得進(jìn)一步地研究和應(yīng)用。

(a)1300℃;(b)1350℃;(c)1400℃;(d)1450℃;(e)1500℃;(f)1550℃;(g)1600℃圖2　在不同溫度下燒結(jié)所得試樣的斷口SEM圖像

參考文獻(xiàn)

[1]李國(guó)華, 龔振宇, 于淑湘, 等. 牙科全瓷材料 3Y-TZP 粉體粒度對(duì)燒結(jié)性能與微觀結(jié)構(gòu)的影響 [J]. 口腔醫(yī)學(xué)研究. 2008, 24(3): 285.

[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, 王貽寧. 全瓷冠橋抗折性能研究進(jìn)展 [J]. 臨床口腔醫(yī)學(xué)雜志. 2005, 21(1): 58.

[4]楊瑟飛, 金志浩, 郭天文. 口腔修復(fù)用 Y-TZP 陶瓷材料制備工藝研究 [J]. 稀有金屬材料與工程. 2007, 36(2): 313.

[5]黃慧, 魏斌, 張富強(qiáng), 等. 兩次燒結(jié)工藝對(duì)氧化鋯陶瓷性能的影響 [J]. 華西口腔醫(yī)學(xué)雜志. 2008, 26(2): 175.

[6]運(yùn)新躍, 黃德信, 徐兵, 等. 燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋯陶瓷相組成及力學(xué)性能的影響 [J]. 硅酸鹽通報(bào). 2009, 28(B08): 102.

[7]黃慧, 張富強(qiáng), 孫蕾, 等. TZ-3Y-E 粉體的燒結(jié)及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分析 [J]. 口腔醫(yī)學(xué)研究. 2005, 21(4): 382.

[8]孫蕾, 張富強(qiáng), 高益鳴, 等. 二次燒結(jié)溫度對(duì)牙科納米氧化鋯陶瓷抗彎強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 口腔醫(yī)學(xué). 2008, 28(2): 70.

[9]趙琬倩, 李寧, 吳芝凱, 等. 燒結(jié)溫度對(duì)牙科 3Y-TZP 陶瓷透光率的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程. 2014, 1.

[10]李樹(shù)先, 朱德貴. 不同燒結(jié)法對(duì) 3Y-TZP 陶瓷力學(xué)性能的影響 [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

作者簡(jiǎn)介：熊峰(1990～)，男，碩士.主要從事牙科氧化鋯陶瓷組織與性能研究.

基金項(xiàng)目：湖南省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)(12C0324).