二次燒結(jié)溫度對牙科氧化鋯陶瓷組織和力學性能的影響

熊　峰　彭如恕

(南華大學機械工程學院，衡陽 421001)

二次燒結(jié)溫度對牙科氧化鋯陶瓷組織和力學性能的影響

熊峰彭如恕

(南華大學機械工程學院，衡陽 421001)

摘要:研究二次燒結(jié)溫度對氧化鋯牙科陶瓷微觀組織和力學性能的影響。方法為氧化鋯亞微米粉經(jīng)過干壓、冷等靜壓成型后在1050℃預燒結(jié)，然后將預燒結(jié)牙科氧化鋯瓷塊在1300~1600℃進行二次燒結(jié)。對不同二次燒結(jié)溫度下材料的線收縮率、燒結(jié)密度、物相、三點抗彎強度進行測量分析，并通過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、彎曲強度呈上升趨勢。在1350℃時體積密度達到6.10g/cm3，1500℃時的機械性能最優(yōu)，三點彎曲強度為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，力學性能優(yōu)良，能夠滿足口腔全瓷修復材料的要求。

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

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度和斷裂韌性、杰出的生物相容性、較低的導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燒結(jié)得到具有一定強度的多孔氧化鋯瓷塊，然后將預燒結(jié)氧化鋯瓷塊放入齒科雕銑機進行CAD/CAM(計算機輔助設計/計算機輔助制造)切削加工成所需要的義齒形態(tài)，最終通過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度、硬度和斷裂韌性[4,5]。其中二次燒結(jié)溫度的選擇對氧化鋯義齒最終的力學性能產(chǎn)生決定性影響。運新躍[6]、黃慧[7]、孫蕾[8]、趙琬倩[9]和李樹[10]等研究3Y-TZP粉體燒結(jié)性能時發(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，氧化鋯的增韌機制為應力誘導相變。Inokoshi M等[11]研究發(fā)現(xiàn)二次燒結(jié)溫度過高，氧化鋯陶瓷晶粒粗大，顯著降低了其抗老化性能。

然而，目前關于二次燒結(jié)溫度對亞微米牙科陶瓷3Y-TZP微觀組織和力學性能的研究報道還不多見。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、抗彎強度、相組成、斷面形貌，分析了二次燒結(jié)溫度對氧化鋯陶瓷組織和力學性能的影響。

1材料和方法

1.1　實驗材料與設備

1.1.1實驗材料

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。氧化鋯原料的化學成分列于表1。

表1　氧化鋯粉末的化學組成

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，然后在200MPa的壓力下進行冷等靜壓成型，再經(jīng)1050℃預燒結(jié)，得到相對密度為52%的預燒結(jié)氧化鋯瓷塊。預燒結(jié)升溫速率為3℃/min,保溫2h,隨爐冷卻至100℃，開爐降溫至室溫。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實驗設備

Y41TF40粉末壓片機(無錫大力液壓機械廠)，KJY300型冷等靜壓機(太原中睿合科技有限公司)，ZTE-100-13型高溫燒結(jié)爐(中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司)，BSA124S型分析天平(天津賽得利斯實驗分析儀器制造廠)，WDW-5型微機控制電子萬能試驗機(濟南華興試驗設備有限公司)，D8-ADVANCE型X射線衍射儀(Bruker,德國)，場發(fā)射掃描電鏡(QuantaFEG250，Oregon,美國)。

1.2　實驗方法

1.2.1試樣制備

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

1.2.2測試

線收縮率測試：用數(shù)顯游標卡尺測量氧化鋯二次燒結(jié)前后圓盤的直徑，測量三次取平均值。由公式(1)計算二次燒結(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。

體積密度測試：采用阿基米德排水法測量不同二次燒結(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，實驗重復三次取平均值。燒結(jié)體的體積密度(SD)由公式(2)計算：

(2)

其中，d水為室溫下(20℃)水的密度，取為0.9982g·cm-3。

抗彎強度測試：采用WDW-5型萬能力學試驗機測定試樣的三點抗彎強度σ3P。壓頭直徑0.8mm,加載速度1mm/min,試樣跨距14mm?？箯潖姸扔晒?3)計算：

(3)

其中P為材料斷裂時的荷載，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)對試樣進行晶相組成分析。

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

2結(jié)果與討論

2.1　線收縮率、密度和彎曲強度測定

試樣線收縮率、密度和彎曲強度測定結(jié)果列于表2。表2線收縮率測試結(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大與合并導致材料內(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到了6.0g/cm3，致密程度很高。同時還可以觀察到燒結(jié)溫度過高，體積密度有所下降。表2抗彎強度測試結(jié)果顯示在1500℃時試樣強度為最大值為852MPa，同時還可以觀察到燒結(jié)溫度過高抗彎強度反而有所下降。原因為燒結(jié)溫度過高，部分晶粒尺寸超過氧化鋯陶瓷相變增韌的臨界尺寸，使這部分的晶粒無法產(chǎn)生相變增韌效果，導致試樣整體力學性能的降低。

表2　試樣在不同燒結(jié)溫度下的線收縮率、體積密度和抗彎強度

2.2　晶相組成分析

X射線衍射儀對所有二次燒結(jié)后氧化鋯陶瓷進行晶相組成，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)的晶相圖譜進行分析(圖1)，從圖1分析結(jié)果可見：材料的主晶相為四方相,幾乎無單斜相存在。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增韌效果，從而提高其力學性能。

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，沒有檢測到氣孔，表明燒結(jié)完全致密。另外隨著燒結(jié)溫度升高，氧化鋯晶粒逐漸長大。同時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渡到較高燒結(jié)溫度下的沿晶和穿晶復合斷裂模式，這將提高氧化鋯陶瓷的抗彎強度。

3結(jié)論

氧化鋯亞微米粉體的燒結(jié)性能優(yōu)良,1350℃時的燒結(jié)密度已經(jīng)達到理論密度,最大線收縮率為17.80%。1500℃時的力學性能最佳，其最大抗彎強度為852MPa。超過牙科陶瓷國際標準ISO6872-2008抗彎強度為800MPa的規(guī)定，能夠滿足牙科全瓷修復材料的使用要求，值得進一步地研究和應用。

(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

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[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.

基金項目：湖南省高等學?？茖W研究項目，項目編號(12C0324).