SLA聯(lián)合HIP加工牙科氧化陶瓷材料的實(shí)驗(yàn)研究

朱華杰 王佳琴 周怡 沈璐 潘海燕 劉嘯晨，（通訊作者）

（1 杭州雨田口腔診所 浙江 杭州 310000）

（2 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院 浙江 杭州 310000）

（3 樹(shù)蘭（杭州）醫(yī)院 浙江 杭州 310000）

牙科氧化鋯具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐磨性，但這也導(dǎo)致其加工困難。目前氧化鋯的加工方式為CAD/CAM，制作過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)耗材且不能加工精細(xì)結(jié)構(gòu)[1]。立體光固化成型法（Stereo lithography Appearance，SLA）是一種3D打印技術(shù)，將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型離散形成薄片，應(yīng)用激光聚焦固化，對(duì)含感光樹(shù)脂的原料進(jìn)行分層制造，其優(yōu)點(diǎn)在于可以加工精細(xì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，減少材料和時(shí)間的浪費(fèi)[2]。本研究將3mol釔穩(wěn)定的二氧化鋯（3mol yttrium stabilized zirconia，3YSZ）粉末添加至液態(tài)感光樹(shù)脂中，應(yīng)用SLA成型及熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）燒結(jié)，對(duì)制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)價(jià)。

1.材料和方法

將粒徑為0.5μm的3YSZ粉末、XC11122感光液態(tài)樹(shù)脂及分散劑檸檬酸（0.32wt%）進(jìn)行24h球磨混合，形成懸浮液，3YSZ含量分別是20vol%、30vol%、40vol%、50vol%和60vol%。在激光束直徑為0.06mm，層厚度為0.07mm，y分辨率為0.1mm的參數(shù)下應(yīng)用SLA打印機(jī)進(jìn)行打印。應(yīng)用真空燒結(jié)和HIP對(duì)生胚進(jìn)行后處理，燒結(jié)程序均為以600℃/h升溫至1530℃，保持4小時(shí)，之后以600℃/h降溫至300℃，隨后冷卻至室溫。HIP燒結(jié)過(guò)程中氣壓保持在100Mpa。將燒結(jié)所得試件打磨成20mm*3mm*4mm，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試，采用widowes專用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)（α=0.05）。對(duì)試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶相應(yīng)用SEM和XRD進(jìn)行檢測(cè)。

2.結(jié)果與討論

2.1 不同體積含量3YSZ的成形情況

當(dāng)3YSZ含量為20vol%和30vol%時(shí)，SLA可成型生胚，但經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后分別出現(xiàn)材料坍塌和分層的現(xiàn)象；當(dāng)3YSZ含量上升到40vol%和50vol%時(shí)，生胚經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)后可獲得致密化試件；當(dāng)3YSZ含量上升到60vol%時(shí)，SLA無(wú)法成型生胚。

2.2 原料中3YSZ固相含量及HIP對(duì)試件力學(xué)性能的影響

對(duì)3YSZ含量為40vol%和50vol%的試件進(jìn)行真空高溫?zé)Y(jié)后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度比較，50vol%組明顯高于40vol%組（如表，P=0.004651），說(shuō)明原料中固相含量對(duì)試件的力學(xué)性能有較大影響；分別應(yīng)用真空高溫?zé)Y(jié)和HIP對(duì)50vol%組生胚進(jìn)行燒結(jié)，發(fā)現(xiàn)HIP顯著提高了試件的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度（如表，P=0.004623），達(dá)到500MPa以上，說(shuō)明后處理工藝對(duì)試件的力學(xué)性能有一定的影響。

表 2YSZ試件經(jīng)燒結(jié)后三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度

2.3 SLA聯(lián)合HIP加工的牙科3YSZ燒結(jié)試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)

XRD的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示3YSZ含量為50vol%經(jīng)HIP處理的試件內(nèi)部晶相結(jié)構(gòu)為四方相氧化鋯，說(shuō)明SLA及HIP處理未改變3YSZ的晶相結(jié)構(gòu)，且有機(jī)物在燒結(jié)過(guò)程中揮發(fā)完全。對(duì)試件斷裂面的掃描電鏡觀察分析顯示50vol%3YSZ試件燒結(jié)前后內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著改變，燒結(jié)前3YSZ顆粒較小，分布均為，未見(jiàn)明顯晶粒，燒結(jié)后氣孔減少，晶粒變大且比較均勻，說(shuō)明SLA聯(lián)合HIP可以得到結(jié)構(gòu)致密、晶相穩(wěn)定、力學(xué)性能優(yōu)良的氧化鋯材料。

3.結(jié)論

應(yīng)用SLA 3D打印聯(lián)合HIP后處理，可加工生產(chǎn)純度較高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均勻、力學(xué)性能較好的3YSZ試件，初步達(dá)到牙科材料的基本要求。