RF型氧化鋯陶瓷可切削性能的研究

秘婷婷，武天逾，何惠明，梁猛猛

(1.第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，陜西西安 710032;2.深圳金悠然科技有限公司，廣東深圳 518129)

RF型氧化鋯陶瓷可切削性能的研究

秘婷婷1，武天逾2，何惠明1，梁猛猛1

(1.第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，陜西西安 710032;2.深圳金悠然科技有限公司，廣東深圳 518129)

目的:以IPS e.max ZirCAD(ZirCAD)、VITA In－Cream YZ for inlab(YZ)陶瓷可切削性能做為對比，分析RF型氧化鋯陶瓷(RF)的可切削性能。方法:測量RF、ZirCAD、YZ 3種陶瓷的維氏硬度和斷裂韌性，計(jì)算出3種陶瓷的可加工指數(shù);另將3種陶瓷放置于Sirona inLab MC XL型CAD/CAM機(jī)上加工同一左側(cè)下頜第一前磨牙基底冠，測量切削時(shí)間;用體視顯微鏡觀察冠表面情況。結(jié)果:RF、ZirCAD、YZ 3種陶瓷的可加工指數(shù)(μm1/2)分別為2.88 ±0.02、2.87 ±0.03、2.90 ±0.02;切削時(shí)間分別為 512.6 ± 1.82、517.2 ±1.92、510.2±1.92。其中RF與YZ陶瓷的可加工指數(shù)和切削時(shí)間無顯著差異(P＞0.05)，而ZirCAD與其余2種陶瓷有顯著差異(P＜0.05)。3種陶瓷所切削的冠外形完整，邊緣光滑，無崩口、無裂紋。結(jié)論:RF型可切削氧化鋯陶瓷具有較良好的可切削性能，可以滿足牙科CAD/CAM加工的需要。

陶瓷;氧化鋯;可切削性

［牙體牙髓牙周病學(xué)雜志，2011，21(2):98］

［Chinese Journal of Conservativedentistry，2011，21(2):98］

氧化鋯陶瓷由于具有高的斷裂韌性、強(qiáng)度、硬度和耐磨性等優(yōu)良性能，從牙科用陶瓷材料中脫穎而出，成為最有發(fā)展前景的新型牙科材料［1－2］。氧化鋯全瓷修復(fù)體，通常采用CAD/CAM系統(tǒng)切削預(yù)燒結(jié)的氧化鋯陶瓷，加工出放大的氧化鋯內(nèi)冠以補(bǔ)償再次燒結(jié)過程中的體積收縮，將加工好的內(nèi)冠，放入高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)到完全致密，再上飾瓷［3］。目前各大牙科材料公司都有與上述方法相應(yīng)的氧化鋯陶瓷產(chǎn)品用于加工內(nèi)冠，如 Vita、Ivoclar vivadent、Kavo、Sirona、Lava等，本課題組與深圳金悠然科技有限公司合作，通對納米氧化鋯晶粒等靜壓成型，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，研發(fā)了RF型可切削氧化鋯陶瓷，用于CAD/CAM系統(tǒng)加工內(nèi)冠。這就要求預(yù)燒結(jié)氧化鋯陶瓷具有良好的可切削性能。目前對氧化鋯陶瓷材料的可切削性并無一個(gè)定量的標(biāo)準(zhǔn)，所以本研究采用制備工藝方法相同，并且以廣泛應(yīng)用的兩種可切削氧化鋯陶瓷 IPS e.max ZirCAD和VITA In－Cream YZ for inlab做為對比，來分析RF型氧化鋯陶瓷的可切削性能，為RF型氧化鋯陶瓷的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

RF型可切削氧化鋯瓷塊(第四軍醫(yī)大學(xué)與深圳市金悠然科技有限公司聯(lián)合研發(fā)，簡稱RF);IPS e.max ZirCAD 瓷塊(Ivoclar vivadent公司，列支敦士登，簡稱 ZirCAD);VITA In－Cream YZ for inlab瓷塊(VITA公司，德國，簡稱YZ);HBV－30A布維硬度儀(山東萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司);Sirona inLab MC XL型 CAD/CAM(Sirona公司，德國);Nikon SMZ 1500體視顯微鏡(Ninkon公司，日本)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 硬度及斷裂韌性的測定

分別取RF、ZirCAD、YZ 3種陶瓷瓷塊各5個(gè)，將每個(gè)瓷塊用多功能磨床加工成6 mm×6 mm×4 mm的試件，保持測試面與底面平行，將測試面用水砂紙逐級(jí)打磨拋光，至1200目，再用W3.5研磨膏，在機(jī)械軟布上拋光。采用維氏硬度儀同時(shí)測量各試件的硬度和斷裂韌性，于每個(gè)試件的不同部位分別采樣5次，加載負(fù)荷為5 kgf，保持15 s，保證壓痕的4個(gè)尖端均有裂紋且試件無碎片濺出，c/a≥2(c=a+l)(圖1)。硬度的計(jì)算公式為:Hv=1.81544p/(2a)2;式中P為加載負(fù)荷(kg)，2a為壓痕兩對角線的均值(mm)，取每個(gè)試件的5個(gè)點(diǎn)的平均值為其硬度值。斷裂韌性公式采用 Kic=0.0319P/al1/2［4］;式中 P為加載負(fù)荷，a為壓痕對角線的一半(mm)，l為裂紋長度(mm)，取每個(gè)試件的5個(gè)點(diǎn)的平均值為其斷裂韌性值。

1.2.2 可加工指數(shù)

計(jì)算可加工指數(shù) M=Kic/Hv。式中Kic為斷裂韌性(MPa·m1/2)，Hv為硬度(GP)。

1.2.3 Sirona inLab MC XL 型 CAD/CAM 機(jī)切削時(shí)間測量

將RF陶瓷加工成14 mm×15 mm×18 mm大小的瓷塊，用環(huán)氧樹脂將14 mm×15 mm的底面粘在Sirona inLab MC XL型CAD/CAMAD機(jī)專用金屬底著座上，另取尺寸與RF相同的ZirCAD、YZ兩種陶瓷成品瓷塊，放置在Sirona inLab MC XL型CAD/CAM機(jī)上，每組各5個(gè)，分別以已儲(chǔ)存的左側(cè)下頜第一前磨牙的光學(xué)模型為同一磨削目標(biāo)，加工成基底層瓷冠，計(jì)算機(jī)設(shè)定完成磨削牙所需的時(shí)間為545 s，每組材料均更換新的切盤和切針。記錄每次磨削所用的時(shí)間。

1.2.4 體視顯微鏡下觀察切削冠表面

將所切削的冠放置于400倍體視顯微鏡下，觀察冠內(nèi)、外表面情況。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS12.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，對3種陶瓷的可加工指數(shù)和切削時(shí)間進(jìn)行單因素方差分析，兩兩比較用SNK檢驗(yàn)(q檢驗(yàn))，P＜0.05為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

RF、ZirCAD、YZ 3種陶瓷材料的硬度、斷裂韌性、可加工指數(shù)和切削時(shí)間見表1，其中RF和YZ 2種陶瓷的可加工指數(shù)和切削時(shí)間相當(dāng)(P＞0.05)，而與ZirCAD相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。切削后所形成的基底冠肉眼觀察均形態(tài)完整、逼真，邊緣光滑，無碎裂(圖2)，體視顯微鏡下觀察基底冠表面光滑，無裂紋，無崩裂現(xiàn)象(圖3)。

表13 種陶瓷的可加工指數(shù)及切削時(shí)間比較(±s)

表13 種陶瓷的可加工指數(shù)及切削時(shí)間比較(±s)

字母為各材料間比較結(jié)果，相同字母表示P＞0.05，不同字母表示P＜0.05

項(xiàng)目RF ZirCAD YZ硬度(MP)594.67 ±7.74 607.26 ±14.35 591.29 ±8.46斷裂韌性(MP·m1/2) 1.71 ±0.01 1.71 ±0.02 1.72 ±0.02可加工指數(shù)(μm1/2) 2.88 ±0.02b 2.82 ±0.03a 2.90 ±0.02b切削時(shí)間(s) 512.00 ±1.82b 517.00 ±1.92a 510.00 ±1.92b

圖2 切削后的基底冠照片

圖3 RF陶瓷基底冠體視顯微鏡下照片(×10)

3 討論

可切削性能可簡單的定義為材料被切削的難易程度，但由于材料的可切削性能不是單一的基本屬性而是一項(xiàng)綜合性能，因此，精確定量表征材料加工的難易程度很困難。影響材料可切削性能的因素有很多，主要包括兩方面:一是材料本身的性能，如硬度、彈性模量、泊松比、導(dǎo)熱性等;二是材料的加工方法，如刀具、進(jìn)刀量、材料給進(jìn)、切削率、切削力等［5－6］。有學(xué)者提出利用模糊綜合評(píng)判原理，集合多種因素建立因素集對單因素進(jìn)行評(píng)判與權(quán)重，模糊變換后來評(píng)價(jià)陶瓷材料的可切削性能，然而各個(gè)因素間又相互影響，無法對單因素進(jìn)行權(quán)重［7］。所以，對陶瓷材料可切削性能的具體評(píng)價(jià)方法還需進(jìn)一步的討論。但是各種可切削性能的評(píng)價(jià)方法都離不開陶瓷材料本身的性能與材料加工兩方面因素。

可加工指數(shù)(M)=斷裂韌性(Kic)/硬度(Hv)，式中硬度(Hv)表示材料抵抗變形的能力;斷裂韌性(Kic)表示材料抵抗斷裂的能力，由于Kic包括了材料的彈性模量E、表面能v、塑性變形功Vp，即 Kic=［E(2v+Vp)］1/2，其中 E＇=E/(1 －υ2)，υ為泊松比，故能更好反映材料的本性，同種材料可加工指數(shù)(M)越大，其可切削性越好［8－10］。RF與YZ兩種陶瓷的可加工指數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)無差別，說明RF與YZ兩種陶瓷可切削性能相當(dāng)，而RF的可加工指數(shù)與ZirCAD陶瓷有差別，RF 的可加工指數(shù)為(2.88 ±0.02)μm1/2，高于ZirCAD陶瓷的可加工指數(shù)(2.82 ±0.03)μm1/2，說明與ZirCAD陶瓷相比，RF陶瓷在材料的性能上具有更好的可切削性。然而陶瓷材料的切削性能也受上述諸多因素的影響，不少學(xué)者采用鉆孔法［11］研究材料的實(shí)際切削性能，這種方法雖然模擬了CAD/CAM機(jī)的恒定力與轉(zhuǎn)速，但是在實(shí)際切削過程中，由于加工形態(tài)為不規(guī)則形，材料在磨切時(shí)受到的是來自不同角度和方向的切削力，因此不能真實(shí)反應(yīng)出材料的可切削性能。而本實(shí)驗(yàn)采用了適用于Sirona inLab MC XL型CAD/CAM機(jī)切削的兩種氧化鋯材料ZirCAD和YZ做為對比，3種陶瓷加工方法相同，加工參數(shù)相同，切削同一目標(biāo)，每組更換新的刀具，基本保證在同等的切削條件下對3種陶瓷進(jìn)行切削，切削率越高，切削時(shí)間越短，材料的可切削性越好，這種方法更直觀可信。RF陶瓷的切削時(shí)間為512±1.82，大于YZ陶瓷的切削時(shí)間510±1.92，但無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。而ZirCAD陶瓷的切削時(shí)間均大于其余2種，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同等的切削力下，硬度是影響刀具磨損度的關(guān)鍵因素，硬度越大，刀具的磨損越大［12］，表1可見ZirCAD陶瓷的硬度高于RF、YZ陶瓷，從而降低了切削率，耗費(fèi)的時(shí)間較其余兩者長。這與可加工指數(shù)表征的可切削性也是相一致的。但RF、ZirCAD、YZ 3種陶瓷均可在預(yù)計(jì)的切削時(shí)間內(nèi)完成切削，說明3種陶瓷材料均較易切削，ZirCAD陶瓷相對于其余2種陶瓷切削難易程度略低。另外陶瓷材料在外力作用下，破裂常常從表面開始，實(shí)際上是從表面缺陷的地方開始，使材料的機(jī)械強(qiáng)度大大降低［13］，而用3種陶瓷加工出的冠，形態(tài)完整，冠邊緣連續(xù)光滑，邊緣嵴形態(tài)清晰，無崩裂，無裂紋。說明經(jīng)過實(shí)際切削3種陶瓷均可獲得性能較好的修復(fù)體。綜合可加工指數(shù)和實(shí)際切削情況，說明RF、ZirCAD、YZ 3種陶瓷均具有良好的可切削性，其中RF陶瓷與YZ陶瓷的可切削性能相當(dāng)，可以滿足牙科CAD/CAM加工的需要。

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Analysis of machinability of the RF zirconia ceramics

BI Ting－ting*，WU Tian－yu，HE Hui－ming，LIANG Meng－meng
(*School of Stomatology，The Fourth Military Medical University，Xi'an 710032，China)

AIM:To investigate the machinability of the RF zirconia ceramics(RF)by comparing it with IPS e.max ZirCAD(ZirCAD)and VITA In－Cream YZ for inlab(YZ)ceramics.METHODS:Specimens of RF，Zir-CAD and YZ were prepared.A Vickers Hardness Tester was used for calculation of the surface oughness and fracture toughness，and then Milling index(M)was calculated.The frameworks of mandibular first premolar were obtained by RF，ZirCAD and YZ blocks with Sinona inlab MC XL CAD/CAM system.The miling time was recoded.All the frameworks were observed with an optical microscope.RESULTS:The Milling index(M)and milling time were:RF(2.88±0.02)μm1/2，(512.6 ± 1.82)s;ZirCAD(2.82 ± 0.02)μm1/2，(517.2 ± 1.92)s;YZ(2.90 ± 0.02)μm1/2，(510.2 ±1.92)s.The Milling index(M)and milling time results showed that there were no significant statisticaldifference between RF and YZ ceramics，but ZirCAD showed significantdifference with the other twogroups(P ＜0.05).All the frameworks had complete configuration without cracks.CONCLUSION:The RF zirconia ceramics has a satisfactory machinability，and the material can meet the need of CAD/CAM system indentistry.

cermics;zirconia;machinability

R783.1

A

1005－2593(2011)02－0098－04

2010－11－08

深圳龍崗區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(CX 2008001)

陜西省社發(fā)攻關(guān)項(xiàng)目(2009K01－87)

秘婷婷(1985－)，女，漢族，河北秦皇島人。碩士生(導(dǎo)師:何惠明)

何惠明，Tel:029－84776469

·論著·