微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)對牙科用氧化鋯摩擦磨損性能的影響

胡國新 楊瑛 江月梅 夏文靜

1.南昌大學撫州醫(yī)學院，撫州 344000；2.南昌大學附屬口腔醫(yī)院修復(fù)一科，南昌 330006；3.九江學院附屬口腔醫(yī)院修復(fù)科，九江 332000

微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)對牙科用氧化鋯摩擦磨損性能的影響

胡國新1楊瑛2江月梅3夏文靜2

1.南昌大學撫州醫(yī)學院，撫州 344000；2.南昌大學附屬口腔醫(yī)院修復(fù)一科，南昌 330006；3.九江學院附屬口腔醫(yī)院修復(fù)科，九江 332000

目的 采用微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)牙科用氧化鋯與滑石瓷進行摩擦磨損實驗，探討其摩擦磨損性能及對磨物的磨耗程度。方法選取Lava品牌氧化鋯試件10個，隨機分為微波燒結(jié)組和常規(guī)燒結(jié)組。使用粗糙度輪廓儀測量氧化鋯表面粗糙度；以滑石瓷球為對磨物進行磨損實驗，記錄摩擦系數(shù)曲線，計算磨損體積；采用光學顯微鏡觀察氧化鋯和滑石瓷球的磨損形貌，場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察氧化鋯顯微結(jié)構(gòu)。結(jié)果微波燒結(jié)和常規(guī)燒結(jié)氧化鋯磨損量依次為（6.940±1.382）×10-2、（7.952±1.815）×10-2mm3，對磨滑石瓷磨損體積依次為（14.189±4.745）× 10-2、（15.813±3.481）×10-2mm3，兩種燒結(jié)方式氧化鋯耐磨性及造成對磨物磨損量差異均無統(tǒng)計學意義。光學電鏡顯示氧化鋯可見明顯的犁溝；對磨滑石瓷可見裂紋，同時伴有犁溝。SEM顯示兩種燒結(jié)方式氧化鋯均已致密燒結(jié)，微波燒結(jié)氧化鋯晶粒更加細小均勻。結(jié)論兩種燒結(jié)方式氧化鋯摩擦磨損性能接近。

氧化鋯； 磨損； 微波燒結(jié)； 常規(guī)燒結(jié)

為了避免氧化鋯陶瓷飾面瓷折裂，全解剖式氧化鋯在臨床上使用越來越多。相對于其他陶瓷和飾面瓷材料，氧化鋯對對磨物的磨損較小[1]，但是仍會造成對磨物一定程度的過度磨損[2]。許多學者認為晶粒的大小、形狀、氣孔和裂紋等這些微觀結(jié)構(gòu)，以及接觸表面的粗糙度和環(huán)境因素與陶瓷材料的磨耗性能關(guān)系比較密切，而燒結(jié)工藝會影響氧化鋯的微觀結(jié)構(gòu)，從而也可能影響其摩擦磨損性能。

目前氧化鋯陶瓷的燒結(jié)方法為無壓燒結(jié)，升溫速率較慢，燒結(jié)時間較長，整個燒結(jié)時間大致為6～11 h。與常規(guī)燒結(jié)相比，微波燒結(jié)是一種新型的燒結(jié)方法，具有燒結(jié)時間短，高效節(jié)能，同時能改善陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。目前國內(nèi)外學者對微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)牙科用氧化鋯的性能如半透性[3-4]、彎曲強度[5]、斷裂韌性[6]等進行了一些研究，但是對微波燒結(jié)對氧化鋯陶瓷的摩擦磨損性能影響的研究還較少。本實驗采用微波燒結(jié)與常規(guī)燒結(jié)牙科用氧化鋯與滑石瓷進行摩擦磨損實驗，研究其摩擦磨損性能及對磨物的磨耗程度。

1 材料和方法

1.1 實驗主要材料和設(shè)備

Lava氧化鋯（3M公司，美國），滑石瓷（鹽城中德加熱科技有限公司），NJZ4-3型微波燒結(jié)爐（南京杰全微波設(shè)備有限公司），金相試件預(yù)磨機（上海日用電機廠），120～1 500號SiC耐水磨砂紙（湖北豐普研磨科技有限公司），BS-124S電子分析天平（北京賽多利斯天平有限公司），JB-6C粗糙度輪廓儀（上海泰明光學儀器有限公司），CFT-1型材料表面性能綜合測試儀（蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司），光學顯微鏡（深圳海量精密儀器設(shè)備有限公司），場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Nova Nano SEM450，F(xiàn)EI公司，美國）。

1.2 方法

1.2.1 氧化鋯試件制作 本實驗選擇Lava品牌的氧化鋯，在預(yù)燒結(jié)后的Lava氧化鋯坯體中切取長寬均為16 mm，厚2.7 mm的長方體試件10個。

1.2.2 氧化鋯常規(guī)燒結(jié)和微波燒結(jié) 根據(jù)不同燒結(jié)方式，Lava氧化鋯試件隨機分為常規(guī)燒結(jié)組和微波燒結(jié)組，每組5個試件。前者根據(jù)廠商推薦的燒結(jié)程序進行燒結(jié)，最高燒結(jié)溫度為1 500 ℃，保溫時間為2 h；后者微波源工作頻率為2.45 GHz，功率為0～4 kW連續(xù)可調(diào)，采用紅外測溫，燒結(jié)程序采用顯微結(jié)構(gòu)最優(yōu)的一組進行燒結(jié)：0～1 000 ℃升溫35 min，1 000 ℃保溫20 min，1 000～1 420 ℃升溫30 min，1 420 ℃保溫30 min，隨即進行降溫。燒結(jié)后可見，兩種燒結(jié)方式氧化鋯試件均勻收縮，燒結(jié)后氧化鋯試件長寬均為12 mm，厚度為2 mm。

1.2.3 氧化鋯試件包埋 由于磨損機夾持試件的尺寸需要大于直徑為15 mm圓盤形，因此實驗前用自凝塑料對所有的氧化鋯試件進行包埋，包埋成長寬為20 mm，厚度為3 mm的長方體形狀，以便夾持，測試面暴露。

1.2.4 對磨滑石瓷的制備 選擇由鹽城中德加熱科技有限公司提供的加工的滑石瓷球，表面光滑，直徑為5 mm，共10個，隨機分為2組。超聲清洗10 min，蒸餾水漂洗3次，冷風吹干，備用。

1.2.5 氧化鋯及滑石瓷密度測試 在氧化鋯試件包埋前，對氧化鋯密度進行測量。兩種燒結(jié)方式氧化鋯試件及滑石瓷球各3個，密度采用阿基米德排水法進行測量。

1.2.6 氧化鋯表面處理 在流水條件下，兩組氧化鋯試件依次使用120、320、600、800、1 000、1 200、1 500目的SiC耐水砂紙在金相試件預(yù)磨機上逐步拋光。處理完成后各組試件超聲清洗10 min，蒸餾水漂洗3次，冷風吹干，備用。

1.2.7 氧化鋯粗糙度測量 在每一個氧化鋯試件測試面上隨機選取3個點，取樣長度設(shè)置為0.8 mm，使用粗糙度輪廓儀測試試件的表面粗糙度值（roughness average，Ra）（精確度為0.001 μm），取平均值作為該試件的表面粗糙度。

1.2.8 磨損試驗 磨損前對每個氧化鋯試件以及滑石瓷球進行稱重，重復(fù)測量3次，取其平均值作為磨損前質(zhì)量。將氧化鋯以及滑石瓷按照要求進行安裝，室溫下進行，摩擦環(huán)境為干摩擦，實驗參數(shù)設(shè)置為：加載力5 N，旋轉(zhuǎn)直徑8 mm，轉(zhuǎn)速200 r·min-1，測試時間3 600 s，程序自動記錄摩擦系數(shù)曲線，取平均值為該試件的滑動摩擦系數(shù)。每次試驗完成后均更換氧化鋯以及對磨滑石瓷球，并進行超聲清洗，漂洗，冷風吹干，然后采用電子分析天平稱量磨損后質(zhì)量。

1.2.9 計算磨損量 計算各組氧化鋯試件及滑石瓷球磨損前后質(zhì)量損失，根據(jù)測得的質(zhì)量差及前面測得的密度，計算出氧化鋯試件及滑石瓷球磨損實驗的體積損失量，記錄數(shù)值。

1.2.10 光學顯微鏡觀察及掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察 各組隨機選取一個氧化鋯試件及對應(yīng)滑石瓷球，使用光學顯微鏡觀察磨損后試件形貌。各組隨機選取一個試件用于SEM觀察。按照前述步驟進行拋光，然后在低于最高燒結(jié)溫度50 ℃的溫度下進行熱腐蝕30 min，清洗，干燥，試件拋光面噴金后用場發(fā)射掃描電鏡觀察氧化鋯顯微結(jié)構(gòu)。根據(jù)ASTM標準E112平均晶粒度標準測試方法，使用直線截點法任意選擇5個視場測量兩組氧化鋯平均晶粒大小，被直線截出的晶粒數(shù)不低于50個，計算平均值作為氧化鋯平均晶粒大小[7]。

1.3 統(tǒng)計學處理

采用SPSS 20.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析，對氧化鋯表面粗糙度和兩組氧化鋯及滑石瓷的磨損體積使用單因素方差分析。

2 結(jié)果

2.1 兩種燒結(jié)方式氧化鋯及滑石瓷密度

常規(guī)燒結(jié)氧化鋯實際密度為6.036 g·cm-3，微波燒結(jié)氧化鋯實際密度為6.052 g·cm-3，滑石瓷密度為2.403 g·cm-3。

2.2 氧化鋯表面粗糙度

經(jīng)過拋光處理后，常規(guī)燒結(jié)和微波燒結(jié)氧化鋯表面粗糙度值分別為0.073 μm±0.007 μm、0.068 μm± 0.006 μm。統(tǒng)計學分析表明，兩組氧化鋯表面粗糙度差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

2.3 氧化鋯和滑石瓷磨損體積

常規(guī)燒結(jié)下氧化鋯和滑石瓷磨損體積分別為（7.952±1.815）×10-2、（15.813±3.481）×10-2mm3，微波燒結(jié)下氧化鋯和滑石瓷磨損體積分別為（6.940± 1.382）×10-2、（14.189±4.745）×10-2mm3。統(tǒng)計學分析表明，兩組氧化鋯磨損體積差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），對應(yīng)滑石瓷磨損體積差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

2.4 氧化鋯滑動摩擦系數(shù)

氧化鋯動態(tài)滑動摩擦系數(shù)曲線見圖1，常規(guī)燒結(jié)氧化鋯平均摩擦系數(shù)為0.32，微波燒結(jié)氧化鋯平均摩擦系數(shù)為0.29。

圖1 氧化鋯摩擦系數(shù)曲線Fig1 Friction coefficient curve of zirconia

2.5 氧化鋯和滑石瓷磨損后表面形貌

氧化鋯磨痕清晰，可見明顯的犁溝，磨損面連續(xù)一致。滑石瓷磨損后表面有裂紋，同時伴有犁溝（圖2）。

圖2 氧化鋯和滑石瓷磨損表面形貌觀察 光學顯微鏡Fig2 Observation of wear surface of zirconia and steatite ceramic optical microscopy

2.6 氧化鋯微觀結(jié)構(gòu)

常規(guī)燒結(jié)和微波燒結(jié)氧化鋯SEM觀察結(jié)果見圖3。由圖3可見，兩組氧化鋯均已致密燒結(jié)，微波燒結(jié)氧化鋯晶粒更加細小均勻，其中常規(guī)燒結(jié)氧化鋯晶粒大小約540 nm，而微波燒結(jié)氧化鋯晶粒大小約450 nm。

圖3 常規(guī)燒結(jié)（左）和微波燒結(jié)（右）氧化鋯顯微結(jié)構(gòu)觀察SEM × 40 000Fig3 Observation of microstructure of zirconia between conventional sintering（left） and microwave sitering（right）SEM × 40 000

3 討論

微波燒結(jié)具有升溫速率快、燒結(jié)時間短、高效節(jié)能的優(yōu)點，微波燒結(jié)整個燒結(jié)時間約2 h，與常規(guī)燒結(jié)相比顯著縮短了燒結(jié)時間。SEM觀察見微波燒結(jié)氧化鋯晶粒結(jié)構(gòu)較常規(guī)燒結(jié)氧化鋯更加細小均勻，許多學者[3-4]研究表明微波燒結(jié)較常規(guī)燒結(jié)氧化鋯晶粒更加細小，這與本實驗結(jié)果一致。

本實驗?zāi)p試驗機選擇的是球盤式二體磨損機，對磨物選擇同一批號直徑為5 mm的滑石瓷球，避免了天然牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)和外形的差異對實驗結(jié)果的影響。盡管滑石瓷的機械性能與摩擦性能與天然牙釉質(zhì)存在差異[8]，但是研究[8-11]發(fā)現(xiàn)滑石瓷耐磨性與天然牙釉質(zhì)接近，可以作為天然牙釉質(zhì)的替代物。

在正常的咀嚼運動過程中，對頜牙間的咬合力為3～36 N，滑動距離為0.6 Km·y-1。本實驗載荷選擇為5 N，旋轉(zhuǎn)直徑設(shè)置為8 mm，旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)置為200 r·min-1，磨損時間為3 600 s，根據(jù)計算得出總滑動距離約300 m，這相當于氧化鋯全瓷冠在口腔內(nèi)使用半年的滑動距離。

Ghazal等[12]研究表明不同粗糙度的氧化鋯對釉質(zhì)磨損量的大小有顯著影響。本實驗對兩組氧化鋯進行拋光處理，控制兩者粗糙度，避免粗糙度不同對其摩擦磨損性能的影響。

同種材料，晶粒越小，耐磨性越好。Yang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋯晶粒尺寸在400～600 nm時，氧化鋯磨損率相差不大，而在晶粒尺寸為700～1 200 nm時磨損率相差較大。Bhamra等[14]研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋯晶粒尺寸≤0.7 μm時，主要的磨損機制為塑性變形和微裂紋；當晶粒尺寸≥0.9 μm時，主要的磨損機制為分層和晶粒拔出。在本實驗中兩種氧化鋯晶粒大小在400～600 nm之間，因此其耐磨性接近。兩種燒結(jié)方式氧化鋯對磨滑石瓷磨損體積無差異，可見兩種燒結(jié)方式氧化鋯摩擦磨損性能接近。

磨損根據(jù)其表面磨損機制和破壞方式的不同分為4類：磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。由于氧化鋯化學性能穩(wěn)定，不容易發(fā)生腐蝕磨損。由于磨損環(huán)境及材料特性不同，某一種磨損機制會占主導地位，而且常常隨環(huán)境的變化導致一種磨損機制向另一種機制轉(zhuǎn)換。

研究[13,15]表明，當載荷分別大于400 N和142 N時，氧化鋯陶瓷的磨損突變，摩擦系數(shù)迅速升高，從輕微變形向嚴重脆性斷裂轉(zhuǎn)變。根據(jù)磨損形貌觀察，氧化鋯出現(xiàn)明顯的犁溝，磨損機制以磨粒磨損為主，并未觀察到裂紋，可能與其斷裂韌性較高及加載力較小有關(guān)。兩組氧化鋯對磨滑石瓷出現(xiàn)裂紋和犁溝，主要磨損機制以疲勞磨損和磨粒磨損為主，可能是因為氧化鋯粗糙度較小時，與滑石瓷磨損時接觸面積較大，局部應(yīng)力較小，不容易出現(xiàn)嚴重的黏著磨損，這與宋海燕等[16]研究結(jié)果較為一致。

綜上所述，基于本實驗研究結(jié)果，微波燒結(jié)氧化鋯的摩擦磨損性能與常規(guī)燒結(jié)接近。

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（本文編輯 杜冰）

Study on friction and wear properties of dental zirconia ceramics processed by microwave and conventional sintering methods

Hu Guoxin1, Yang Ying2, Jiang Yuemei3, Xia Wenjing2. (1. Fuzhou Medical College, Nanchang University, Fuzhou 344000, China; 2. Dept. of Prosthodontics, Affiliated Stomatological Hospital of Nanchang University, Nanchang 330006, China; 3. Dept. of Prosthodontics, Affiliated Stomatological Hospital of Jiujiang University, Jiujiang 332000, China)

Objective This study evaluated the wear of an antagonist and friction and wear properties of dental zirconia ceramic that was subjected to microwave and conventional sintering methods.MethodsTen specimens were fabricated from Lava brand zirconia and randomly assigned to microwave and conventional sintering groups. A profile tester for surface roughness was used to measure roughness of the specimens. Wear test was performed, and steatite ceramic was used as antagonist. Friction coefficient curves were recorded, and wear volume were calculated. Finally, optical microscope was used to observe the surface morphology of zirconia and steatite ceramics. Field emission scanning electron microscopy was used to observe the microstructure of zirconia.ResultsWear volumes of microwave and conventionally sintered zirconia were (6.940±1.382)× 10-2, (7.952±1.815) ×10-2mm3, respectively. Moreover, wear volumes of antagonist after sintering by the considered methods were (14.189±4.745)×10-2, (15.813±3.481)×10-2mm3, correspondingly. Statistically significant difference was not observed in the wear resistance of zirconia and wear volume of steatite ceramic upon exposure to two kinds of sintering methods. Optical microscopy showed that ploughed surfaces were apparent in zirconia. The wear surface of steatite ceramic against had craze, accompanied by plough. Scanning electron microscopy showed that zirconia was sintered compactly when subjected to both conventional sintering and microwave methods, whereas grains of zirconia sintered by microwave alone were smaller and more uniform.ConclusionTwo kinds of sintering methods are successfully used to produce dental zirconia ceramics with similar friction and wear properties.

zirconia; wear; microwave sintering; conventional sintering

R 783.2

A

10.7518/hxkq.2017.02.008

2016-09-29；

2016-12-16

胡國新，碩士，E-mail：1131085280@qq.com

楊瑛，副教授，學士，E-mail：yangying27@tom.com

Correspondence: Yang Ying, E-mail: yangying27@tom.com.