微波二次烧结牙科纳米氧化锆全瓷材料的实验研究

牙科纳米氧化错全瓷材料己成为当前口腔修复材料中最具发展前景的一类修复材料。然而此类材料的烧结温度远远高于常规金属烤瓷材料烧结温度，通常需要1400℃以上高温烧结，并且经过10多个小时-的烧结才能达到材料的高致密性。牙科氧化错烧结温度高，制作周期较长，制作成本高，绝大多数病人因其昂贵的价格望而却步，因而影响了牙科氧化错全瓷材料在口腔临床推广普及。改良牙科纳米氧化错的加工工艺，缩短加工时间，降低制作成本，为临床提供高性能的牙科氧化错全瓷材料逐渐成为近年来研究的热点。微波加热技术应用于陶瓷材料的烧结是近年发展起来的新技术。目前微波烧结牙科全瓷材料主要集中在用粉体一次烧结成型制各牙科全瓷材料，国内已有学者使用自制微波炉成功烧结制备出氧化铝全瓷材料，其烧结时间缩短，材料性能优异:;。然而微波二次烧结牙科纳米氧化错全瓷材料鲜有报道，因此，本研究选取临床上较为常用的Cercon牙科纳米氧化错材料，初步研究微波二次烧结的工艺以及微波二次烧结对Cercon牙科纳米氧化错材料密度，维氏硬度以及显微晶象结构的影响，探讨微波烧结工艺对牙科氧化错全瓷材料机械性能的影响。材料和方法1主要材料和设备Cercon氧化错瓷块(DeguDent，德国)，CerconCAD/CAM系统(DeguDent，德国)，线性精密切割机(BUEHLER，美国)，碳化硅砂纸240"-1500(湖北玉立砂带集团)，光学显微镜(LV150，Nikon，日本)，分析天平((TG328A，上海精科天平厂)，千分卡尺(桂林量具刃具厂，精度0.01mm)，微波生物陶瓷马弗炉(HAMi-Lab-C1000}湖南隆泰微波热工有限公司)，维氏硬度仪((HVS-SOZ)，扫描电镜(Tescan，日本)2实验方法2.1氧化错陶瓷试件的制作将已预烧结的Cercon牙科纳米氧化错<ZrOz:95%;Yz03:5%;A1z03+otheroxidesC+SiOz)<1%)用低速线性切割机切割成20.0mm直径，2.5mm厚度均匀统一的圆片，砂纸依次打磨至1200目，厚度误差控制在士0.02mm。体视显微镜下检查试件，去掉有明显缺陷的试件，余下试件随机分为对照组和实验组，每组巧片。2.2氧化错陶瓷的烧结对照组15片试件置于Cercon专用烧结炉中烧结，按厂商推荐烧结程序烧结。烧结温度14800C常规烧结氧化错的总时间为11h(图1)实验组巧片一试件置于微波马弗炉中烧结。参考相关文献。微波烧结温度设定为13500C，氧化铭圆片试件置十刚玉柑祸内，采用高纯氧化铝粉末分层埋烧，每层放置试件5片，试件周围均被高纯氧化铝粉末包埋。升一温程序为:250℃之前采用恒定300W功率升温，升温时间为30min,250℃--600℃升温30min,600℃一1000℃升温25min,10000C一1200℃升温15min,1200℃--1350℃升温15min,1350℃保温30min，随炉冷却。微波烧结氧化错的总时间约为3h2.3氧化错试件密度测试采用阿基米德法测定两种烧结方法得到的氧化钻瓷块密度。分别测得试件室温下的干重，饱和试件在水中的浮重(WZ)以及试件在空气中的湿重(W3)，重复3次取均值。计算每组试件的实际密度。2.4维氏硬度测定:对照组和实验组完成烧结的各6片氧化错圆片试件分别用维氏硬度计侧定维氏硬度。每片试件经1200目砂纸单而抛光，维氏硬度仪测定材料的维氏硬度，每片试件不同部位分别采样5次，取均值。2.5SEM观察对照组和实验组烧结完成的各3片氧化错试件用于SEM观察，试件表面用75%酒精清洁30s，清水冲洗后超声波清洁，并用0.2%HF酸蚀1min后清水冲洗，干燥，对试件扫描面进行喷金处理，SEM观察微观结构。3统计分析采用SPSS13.0统计软件对实验组和对照组所测定的试件密度，维氏硬度数据进行统计分析，统计方法采用完全随机设计两样本比较的t检验，a=0.05为检验水准。结果1常规二次烧结氧化错试件与微波二次烧结氧化错试件密度测试结果见表12常规二次烧结氧化错试件与微波二次烧结氧化错试件维氏硬度测试结果见表2密度及维氏硬度值测试结果经Independent-SamplesTTest分析，微波二次烧结氧化错试件的密度，维氏硬度值均大于常规二次烧结的氧化错试件的密度，维氏硬度值，P<0.05，两种烧结方法得到的氧化错试件密度和维氏硬度值有统计学差异。3常规二次烧结氧化错试件与微波二次烧结氧化错试件SEM结果见图2-SaSEM结果观察到，两种烧结方法烧结的试件氧化错晶粒排列紧密，均达到了纳米级大小，微波烧结的氧化错晶粒要比常规烧结的氧化错晶粒小，约为300-400nm左右，致密程度高于常规烧结氧化锆。讨论微波烧结方式完全不同于传统的加热方式。传统烧结工艺，样品通过与发热体之间的辐射对流，传导实现由外及里的升温，为避免过高温度梯度对烧结材料造成的影响，需要较低的升温速率才能保证材料内部温度的一致性，因此烧结时间长。而微波烧结是依靠材料自身吸收微波能并转化为晶粒的动能和势能，试件加热时不存在温度梯度，可以承受更高的加热速率，减少烧结时间e因此对照组常规二次烧结氧化错需要llh，而实验组微波烧结仅用3h。本实验中的牙科纳米氧化错材料属于陶瓷类材料，符合微波加热条件，由于是二次烧结，烧结的原动力有所下降，因此升温速率采用相对比较缓慢的速度进行初步探索。微波烧结过程中，样品的表面辐射散热，若没有合理的保温装置，会直接导致氧化错材料的内外温差巨大，导致烧结不均匀，开裂，烧结失败。相对于复杂形态以及大尺寸的陶瓷材料在微波烧结中容易出现非均匀加热现象，也易导致材料烧结的开裂。解决这些问题多采用混合加热，达到增强材料吸收微波性能，均匀微波场的目的，防止烧结试件开裂变形Ls-!。因此本实验除了采用块状氧化铝炉内保温结构以外，在放置氧化错试件的刚玉塔塌内同时放入氧化铝粉末分层埋烧，采取混合加热的方式，保证烧结试件周围微波场均匀，提高微波烧结成功率。评价材料致密程度的指标最直接的就是测定烧结材料的密度，烧结后材料的密度越接近标准密度，说明材料的致密程度越好。本研究的测试结果显示，微波二次烧结的氧化错试件密度大于常规二次烧结的氧化错试件，更接近于氧化错的理论密度6.10/cm，DubeSEM结果观察到，两种烧结方法烧结的试件氧化错晶粒排列紧密，均达到了纳米级大小，微波烧结的氧化错晶粒要比常规烧结的氧化错晶粒小，约为300-400nm左右，致密程度高于常规烧结氧化错讨论微波烧结方式完全不同于传统的加热方式。传统烧结工艺，样品通过与发热体之间的辐射，对流，传导实现由外及里的升温，为避免过高温度梯度对烧结材料造成的影响，需要较低的升温速率才能保证材料内部温度的一致性，因此烧结时间长。而微波烧结是依靠材料自身吸收微波能并转化为晶粒的动能和势能，试件加热时不存在温度梯度，可以承受更高的加热速率，减少烧结时间e因此对照组常规二次烧结氧化错需要llh，而实验组微波烧结仅用3ho本实验中的牙科纳米氧化错材料属于陶瓷类材料，符合微波加热条件，由于是二次烧结，烧结的原动力有所下降，因此升温速率采用相对比较缓慢的速度进行初步探索。微波烧结过程中，样品的表面辐射散热，若没有合理的保温装置，会直接导致氧化错材料的内外温差巨大，导致烧结不均匀，开裂，烧结失败[f31。相对于复杂形态以及大尺寸的陶瓷材料在微波烧结中容易出现非均匀加热现象，也易导致材料烧结的开裂ul。解决这些问题多采用混合加热，达到增强材料吸收微波性能，均匀微波场的目的，防止烧结试件开裂变形Ls-!。因此本实验除了采用块状氧化铝炉内保温结构以外，在放置氧化错试件的刚玉塔塌内同时放入氧化铝粉末分层埋烧，采取混合加热的方式，保证烧结试件周围微波场均匀，提高微波烧结成功率。评价材料致密程度的指标最直接的就是测定烧结材料的密度，烧结后材料的密度越接近标准密度，说明材料的致密程度越好。本研究的测试结果显示，微波二次烧结的氧化错试件密度大于常规二次烧结的氧化错试件，更接近于氧化错的理论密度6.10}/cm3}9}oDube等的研究亦发现[flol，微波烧结过程中样品周围电磁场聚焦，烧结试件颗粒之间的场强更是高达其他区域的30倍以上，强的电磁场促进了试件颗粒表面的离子化，提高了颗粒之间的扩散速率，因此加速了材料的致密化。处于晶界区域的颗粒在微波电磁场的作用下动能增加，活化能降低，晶粒生长速度增快叫。纽约州立大学Sreekumar等二‘2〕研究了p-SiAlON-ZrO,陶瓷微波烧结晶粒长大的机理，发现快速升温相对于常规烧结，在相同烧结温度下微波烧结试件的密度大于常规烧结，本实验测试结果中亦测得微波烧结材料的密度大于常规烧结的材料，说明微波快速烧结能够获得密度相对较高的氧化错材料。硬度是抵抗材料塑性变形能力的度量，是衡量材料力学性能的一项重要指标，反映了陶瓷材料抵抗破t}、的能力。本实验采用维氏硬度测量，因其在测定小面积以及硬度非常高的材料时特别适合。测试结果可以看到，微波烧结的氧化错试件维氏硬度高于常规烧结。Chockalingam等，使用微波烧结制备Si3N4陶瓷，维氏硬度测量发现，相同的烧结温度条件下，微波烧结制得的材料硬度更大，与本实验的结果相似。两种烧结方法所制作的氧化错试件通过SEM观察到，微波烧结的试件氧化错晶粒更小，基本在300nm左右，常规烧结的氧化错晶粒则相对较大一些，在同一放大倍数下，微波烧结的晶粒数相对于常规烧结较多。采用微波烧结工艺可以在较高的升温速率下制得氧化错晶粒尺寸更均匀，微观结构更优异，致密程度更高的材料，这与DavidE等研究的结果相近「lsl，微波烧结制得的材料微观结构相对较优异。微波烧结过程中材料内部的粒子在微波电场的作用下动能增大，烧结活化能降低，扩散系数升高，实现快速烧结并且保证微观结构的均一性。材料的性能由其微观结构决定，SEM结果观察，微波烧结的氧化错材料更致密，因此微波烧结材料所测得的密度及维氏硬度均高于常规烧结材料。我们从密度，维氏硬度和SEM的微观结构三个方面初步研究了微波二次烧结牙科纳米氧化错全瓷材料的可行性，探索了微波烧结牙科氧化错材料加工工艺的条件和流程，从本实验的结果来看，微波二次烧结牙科纳米氧化错全瓷材料缩短了烧结时间，降低了能源消耗和制作成本，3项测试指标中微波二次烧结的氧化错材料性能均好于常规烧结。微波烧结应用于牙科氧化错陶瓷材料还是一项比较新的技术，各方面的烧结条件还有待完善，所得氧化错试件的各项性能还有待模拟临床进一步检测，通过后续微波烧结条件和工艺的不断完善，我们认为微波二次烧结牙科纳米氧化错全瓷材料会有着广泛的应用前景。参考文献胡柏,王贻宁. 全瓷冠桥抗折性能研究进展[J].临床口腔医学杂志,2005,(01):58-60.Foo Keng Yuen,Hameed BH. 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