氧化铝颗粒大小对氧化铝玻璃复合体力学性能的影响
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37c医学网
作者：骆小平 赵云凤 巢永烈 田杰谟 张云龙 张世新
单位：(骆小平,赵云凤,巢永烈)610041 华西医科大学口腔医学院修复学教研室,(田杰谟,张云龙,张世新) 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室
关键词：氧化铝颗粒；玻璃渗透；力学性能；扫描电镜
华西口腔医学杂志990107 摘要 目的:研究氧化铝颗粒大小对氧化铝玻璃复合体力学性能的影响。方法:采用两种不同大小颗粒的氧化铝原料,经等静压成型,1400℃ 2小时的低温烧结,制作了部分烧结的多孔氧化铝,经镧硼硅玻璃渗透形成了氧化铝玻璃复合体。结果:用纳米颗粒氧化铝制作的氧化铝玻璃复合体强度(358.2 MPa)、断裂韧性(2.38 MPam1/2)显著低于微米氧化铝玻璃复合体的强度(432.2 MPa)和断裂韧性(5.12 MPam1/2)。SEM显示纳米氧化铝玻璃复合体中气孔率占11.5%,玻璃相成分多;微米氧化铝玻璃复合体中气孔率仅占1.2%。玻璃相成分少。结论:氧化铝玻璃复合体中氧化铝的体积百分数和气孔率对其强度和断裂韧性起着关键性作用。
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Effects of Alumina Particle-size on Mechanical Properties
of Alumina-glass Composite
Luo Xiaoping, Zhao Yunfeng, Chao Yonglie
College of Stomatology, West China University of Medical Sciences
Tian Jiemo, Zhang Yunlong, Zhang Shixin
State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Processing, Tsinghua University
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Abstract Objective:To study the effects of alumina particle-size on mechanical properties of alumina-glass composite. Methods: Alumina compacts were prepared by isostatic press method and sintered at 1400℃ for 2 hours with two various particle-size alumina. Alumina-glass composite was made by infiltrating partially sintered porous alumina with glass at 1200℃ for 4 hours.Results:The strength and fracture toughness of nanometre alumina-glass composite were 358.2 MPa, 2.38 MPam1/2 respectively. The strength and fracture toughness of micrometer alumina-glass composite were 432.2 MPa, 5.12 MPam1/2 respectively. Image analysis of SEM micrograph showed that porous rate was about 11.5% in the nanometer alumina-glass composite, 1.2% in the micrometer alumina-glass composite, and there was more glass composition in the nanometer alumina-glass composite than that in the micrometer alumina-glass composite.Conclusion: The alumina volume percentage and porous rate play an important role in the strength and fracture toughness of alumina-glass composite.
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Key words: alumina particles glass infiltration mechanical property scanning electron microscope
90年代初,一种新型的、高强度的In-Ceram瓷修复系统应用于临床[1],其强度和韧性是普通牙科瓷的2～3倍。它采用65 vol%的氧化铝注浆涂塑在耐火的石膏代型上,经1100℃ 2小时的烧结,形成多孔的氧化铝骨架,再经1150℃ 4小时的玻璃渗透,制作出高强度、高韧性的核瓷冠。然而,目前对In-Ceram核瓷冠的强度报道差异较大(236～604 MPa)[2]。这除与其采用的测试方法、试件大小、试件表面状态有关外,操作者在制作注浆时对氧化铝密度和均一性控制也是一个不可忽略的因素。同时,注浆工艺的时间太长也将影响临床的使用。近年来,随着牙科CAD/CAM技术的发展,利用其技术制作全瓷冠桥已成为可能。1996年,Rinke[3]采用Celay系统切削预成多孔氧化铝块,制作核瓷冠,其玻璃渗透可在普通烤瓷内完成,时间仅需40分钟。因此,In-Ceram技术和CAM技术的完美结合,将为牙科全瓷修复开辟新的途径[4]。目前,对预成多孔氧化铝渗透玻璃的研究甚少。本文采用两种不同大小颗粒的氧化铝原料,经等静压成型,1400℃ 2小时的低温烧结,制作了预成的多孔氧化铝块,研究其颗粒大小对氧化铝渗透镧硼硅玻璃后形成玻璃复合体的力学性能影响。
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1 材料和方法
1.1 预成多孔氧化铝块的制作
采用平均粒径2.85 μm和平均粒径20～30 nm,纯度大于99.5%的α型氧化铝作原料,分别加入0.5%的氧化镁,按1∶2∶1的料∶球∶无水酒精比放入玛瑙罐内,磨球4小时混合均匀。原料在70 ℃恒温下烘干,经等静压成型为40 mm×40 mm×4 mm的氧化铝坯体,所用等静压压力为250 MPa。将成型后的氧化铝坯体放置在程序控制的陶瓷炉内进行烧结,烧结温度为1400 ℃,保持时间为2小时。用数显游标卡尺测量氧化铝坯体烧结后的线收缩,用重量-体积法测出氧化铝坯体烧结前后的密度。
1.2 氧化铝玻璃复合体的制作
采用华西医科大学口腔医学院与清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室共同研制的镧硼硅玻璃作渗透用玻璃,用去离子水配成水浆,涂塑在部分烧结的氧化铝块上表面,在1200 ℃下渗透4小时,然后冷却到室温。取出氧化铝玻璃复合体,用数控磨床将复合体上下表面各磨去0.5 mm。
, 百拇医药
1.3 弯曲强度及断裂韧性测试
制备3 mm×2 mm×30 mm和4 mm×2 mm×30 mm部分烧结氧化铝、玻璃、氧化铝玻璃复合体试样各5根,表面磨光、抛光。用岛津拉伸试验机测试其三点弯曲强度,试件跨距为20 mm,加载速度0.5 mm/min,弯曲强度由λ=3PL/2bh2公式计算。断裂韧性采用单边切口梁法测试,切口宽度0.2 mm,切口深度2 mm,加载速度0.05 mm/min,KIC=Y×3PLa1/2/2hw3。Y=1.93-3.07(a/w)+14.53(a/w)2-25.07(a/w)3+25.8(a/w)4。
1.4 扫描电镜及X衍射分析
采用S-540型扫描电镜观察氧化铝玻璃复合体的显微结构,采用日本理学D/max-Ⅲ型X衍射分析仪分析氧化铝玻璃复合体的相结构。
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2 结 果
经等静压成型后的微米氧化铝、纳米氧化铝坯体密度分别为2.43和1.87 g/cm3,部分烧结后微米氧化铝、纳米氧化铝坯体线收缩分别为3.21%、5.12%。部分烧结氧化铝、氧化铝玻璃复合体的密度、三点弯曲强度、断裂韧性见表1。经统计分析部分烧结的纳米氧化铝与部分烧结的微米氧化铝以及纳米氧化铝玻璃复合体与微米氧化铝玻璃复合体之间,在三点弯曲强度、断裂韧性上均有显著差异。
表1 部分烧结氧化铝及其玻璃复合体的密度、弯曲强度和断裂韧性 材料
密度
(g/cm3)
三点弯曲强度
(MPa)
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断裂韧性
(MPam1/2)
部分烧结的微米氧化铝
2.90
210.1±15.2
1.86±0.04
部分烧结的纳米氧化铝
1.98
110.6±10.2
1.35±0.12
纳米氧化铝玻璃复合体
3.65
, 百拇医药
358.2±14.2
2.38±0.11
微米氧化铝玻璃复合体
3.89
432.2±11.1
5.12±0.35
扫描电镜观察显示纳米氧化铝复合体中有较多的气孔存在,图像处理分析表明气孔率约占11.5%(图1)。微米氧化铝玻璃复合体结构非常致密,气孔极少,不足1.2%。因而,其复合体的弯曲程度和断裂韧性均较高(图2)。X衍射分析表明两种复合体中主晶相结构相同,只是纳米氧化铝复合体中玻璃相含量较高(图3,4)
图1 纳米氧化铝玻璃复合体中有较多的气孔残留
, 百拇医药
图2 微米氧化铝玻璃复合体结构致密,气孔少
图3 纳米氧化铝玻璃复合体的X衍射图
有较多玻璃相存在
图4 微米氧化铝玻璃复合体的X衍射图
玻璃相成分少
3 讨 论
本研究采用两种粒度的氧化铝,经等静压成型、低温烧结后的坯体密度有较大差异,微米氧化铝坯体的相对密度为72.9%,而纳米氧化铝坯体的相对密度仅为50%。这是由于颗粒越小,其比表面积越大,克服分子间范德华力所需的能量也越大。因此,在相同压力条件下,纳米氧化铝坯体密度低于微米氧化铝坯体密度。在1400 ℃烧结2小时后,纳米氧化铝坯体和微米氧化铝坯体的密度均有提高。但本研究采用了急速冷却机制使坯体的收缩较小,同时,氧化镁的加入有效地抑制了晶粒的长大,减少了闭孔的产生。至于部分烧结体强度和韧性的差异是由于两者的密度差异所致。Nanjanud等[5]的研究也表明:部分烧结多孔氧化铝的强度受其密度的影响较大。
, 百拇医药
无论纳米氧化铝还是微米氧化铝所形成的坯体,在1400 ℃烧结后,颗粒间的表面扩散和颈部生长在提高部分烧结多孔氧化铝强度的同时,颗粒间形成了刚性骨架。因而,在1200 ℃进行玻璃渗透过程中,颗粒彼此间不会产生相对移动。熔融的玻璃只是通过表面的毛细管作用填补氧化铝刚性骨架中的孔隙,所以部分烧结氧化铝块体几乎没有发生收缩和变形。由于纳米氧化铝颗粒表面活性大、易团聚,在部分烧结体有闭孔存在,阻碍了玻璃的渗透。扫描电镜的图像分析显示纳米氧化铝玻璃复合体中残留气孔率约占11.5%,而微米氧化铝玻璃复合体中残留气孔率仅占1.2%。因此,大量的气孔存在降低了复合体的弯曲强度和断裂韧性。Wolf等[6]认为氧化铝复合材料的强度和断裂韧性与氧化铝的体积分数密切相关,氧化铝的体积分数高将会增加复合体裂纹偏转和裂纹桥的形成。普通牙科瓷中氧化铝的体积分数低于40%,因而,其强度低、韧性小。本实验再次证实了氧化铝的体积分数对氧化铝复合体强度和断裂韧性有显著影响。
由于氧化铝颗粒大小不同,在采用相同的等静压成型压力、相同的烧结机制条件下,其部分烧结体及玻璃渗透后形成的复合体密度、弯曲强度、断裂韧性有显著差异。因此,对于用超细纳米氧化铝作原料制作可供牙科CAD/CAM加工的氧化铝块时,其成型工艺、烧结工艺尚待进一步研究,以提高烧结体的密度并减少闭孔的产生。
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本课题由中国博士后基金资助
参考文献
1 Probster L, Diehl J. Slip-casting alumina ceramics for crown and bridge restorations. Quintess Int, 1992, 23(1):25～31
2 Lioyd CH, Scrimgeour SN. Dental materials: 1995 literature review. J Dent, 1997, 25(2):173～174
3 Rinke S. Copy-milling aluminous core ceramic crown: A clinical report. J Prosthet Dent, 1996, 76(4):343～346
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4 Qualtrough AJE, Piddock V. Ceramics update. J Dent, 1997, 25(2):91～94
5 Nanjanud SC, Brezny R, Green D. Strength and Young's modules behavior of a partially sintered porous alumina. J Am Ceram Soc, 1995, 78(1):266～269
6 Wolf WD, Vaidya KJ, Francis LF. Mechanical properties and failure analysis of alumina-glass dental composite. J Am Ceram Soc, 1996, 79(9):1769～1775
(1997-12-10收稿), 百拇医药
单位：(骆小平,赵云凤,巢永烈)610041 华西医科大学口腔医学院修复学教研室,(田杰谟,张云龙,张世新) 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室
关键词：氧化铝颗粒；玻璃渗透；力学性能；扫描电镜
华西口腔医学杂志990107 摘要 目的:研究氧化铝颗粒大小对氧化铝玻璃复合体力学性能的影响。方法:采用两种不同大小颗粒的氧化铝原料,经等静压成型,1400℃ 2小时的低温烧结,制作了部分烧结的多孔氧化铝,经镧硼硅玻璃渗透形成了氧化铝玻璃复合体。结果:用纳米颗粒氧化铝制作的氧化铝玻璃复合体强度(358.2 MPa)、断裂韧性(2.38 MPam1/2)显著低于微米氧化铝玻璃复合体的强度(432.2 MPa)和断裂韧性(5.12 MPam1/2)。SEM显示纳米氧化铝玻璃复合体中气孔率占11.5%,玻璃相成分多;微米氧化铝玻璃复合体中气孔率仅占1.2%。玻璃相成分少。结论:氧化铝玻璃复合体中氧化铝的体积百分数和气孔率对其强度和断裂韧性起着关键性作用。
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Effects of Alumina Particle-size on Mechanical Properties
of Alumina-glass Composite
Luo Xiaoping, Zhao Yunfeng, Chao Yonglie
College of Stomatology, West China University of Medical Sciences
Tian Jiemo, Zhang Yunlong, Zhang Shixin
State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Processing, Tsinghua University
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Abstract Objective:To study the effects of alumina particle-size on mechanical properties of alumina-glass composite. Methods: Alumina compacts were prepared by isostatic press method and sintered at 1400℃ for 2 hours with two various particle-size alumina. Alumina-glass composite was made by infiltrating partially sintered porous alumina with glass at 1200℃ for 4 hours.Results:The strength and fracture toughness of nanometre alumina-glass composite were 358.2 MPa, 2.38 MPam1/2 respectively. The strength and fracture toughness of micrometer alumina-glass composite were 432.2 MPa, 5.12 MPam1/2 respectively. Image analysis of SEM micrograph showed that porous rate was about 11.5% in the nanometer alumina-glass composite, 1.2% in the micrometer alumina-glass composite, and there was more glass composition in the nanometer alumina-glass composite than that in the micrometer alumina-glass composite.Conclusion: The alumina volume percentage and porous rate play an important role in the strength and fracture toughness of alumina-glass composite.
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Key words: alumina particles glass infiltration mechanical property scanning electron microscope
90年代初,一种新型的、高强度的In-Ceram瓷修复系统应用于临床[1],其强度和韧性是普通牙科瓷的2～3倍。它采用65 vol%的氧化铝注浆涂塑在耐火的石膏代型上,经1100℃ 2小时的烧结,形成多孔的氧化铝骨架,再经1150℃ 4小时的玻璃渗透,制作出高强度、高韧性的核瓷冠。然而,目前对In-Ceram核瓷冠的强度报道差异较大(236～604 MPa)[2]。这除与其采用的测试方法、试件大小、试件表面状态有关外,操作者在制作注浆时对氧化铝密度和均一性控制也是一个不可忽略的因素。同时,注浆工艺的时间太长也将影响临床的使用。近年来,随着牙科CAD/CAM技术的发展,利用其技术制作全瓷冠桥已成为可能。1996年,Rinke[3]采用Celay系统切削预成多孔氧化铝块,制作核瓷冠,其玻璃渗透可在普通烤瓷内完成,时间仅需40分钟。因此,In-Ceram技术和CAM技术的完美结合,将为牙科全瓷修复开辟新的途径[4]。目前,对预成多孔氧化铝渗透玻璃的研究甚少。本文采用两种不同大小颗粒的氧化铝原料,经等静压成型,1400℃ 2小时的低温烧结,制作了预成的多孔氧化铝块,研究其颗粒大小对氧化铝渗透镧硼硅玻璃后形成玻璃复合体的力学性能影响。
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1 材料和方法
1.1 预成多孔氧化铝块的制作
采用平均粒径2.85 μm和平均粒径20～30 nm,纯度大于99.5%的α型氧化铝作原料,分别加入0.5%的氧化镁,按1∶2∶1的料∶球∶无水酒精比放入玛瑙罐内,磨球4小时混合均匀。原料在70 ℃恒温下烘干,经等静压成型为40 mm×40 mm×4 mm的氧化铝坯体,所用等静压压力为250 MPa。将成型后的氧化铝坯体放置在程序控制的陶瓷炉内进行烧结,烧结温度为1400 ℃,保持时间为2小时。用数显游标卡尺测量氧化铝坯体烧结后的线收缩,用重量-体积法测出氧化铝坯体烧结前后的密度。
1.2 氧化铝玻璃复合体的制作
采用华西医科大学口腔医学院与清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室共同研制的镧硼硅玻璃作渗透用玻璃,用去离子水配成水浆,涂塑在部分烧结的氧化铝块上表面,在1200 ℃下渗透4小时,然后冷却到室温。取出氧化铝玻璃复合体,用数控磨床将复合体上下表面各磨去0.5 mm。
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1.3 弯曲强度及断裂韧性测试
制备3 mm×2 mm×30 mm和4 mm×2 mm×30 mm部分烧结氧化铝、玻璃、氧化铝玻璃复合体试样各5根,表面磨光、抛光。用岛津拉伸试验机测试其三点弯曲强度,试件跨距为20 mm,加载速度0.5 mm/min,弯曲强度由λ=3PL/2bh2公式计算。断裂韧性采用单边切口梁法测试,切口宽度0.2 mm,切口深度2 mm,加载速度0.05 mm/min,KIC=Y×3PLa1/2/2hw3。Y=1.93-3.07(a/w)+14.53(a/w)2-25.07(a/w)3+25.8(a/w)4。
1.4 扫描电镜及X衍射分析
采用S-540型扫描电镜观察氧化铝玻璃复合体的显微结构,采用日本理学D/max-Ⅲ型X衍射分析仪分析氧化铝玻璃复合体的相结构。
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2 结 果
经等静压成型后的微米氧化铝、纳米氧化铝坯体密度分别为2.43和1.87 g/cm3,部分烧结后微米氧化铝、纳米氧化铝坯体线收缩分别为3.21%、5.12%。部分烧结氧化铝、氧化铝玻璃复合体的密度、三点弯曲强度、断裂韧性见表1。经统计分析部分烧结的纳米氧化铝与部分烧结的微米氧化铝以及纳米氧化铝玻璃复合体与微米氧化铝玻璃复合体之间,在三点弯曲强度、断裂韧性上均有显著差异。
表1 部分烧结氧化铝及其玻璃复合体的密度、弯曲强度和断裂韧性 材料
密度
(g/cm3)
三点弯曲强度
(MPa)
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断裂韧性
(MPam1/2)
部分烧结的微米氧化铝
2.90
210.1±15.2
1.86±0.04
部分烧结的纳米氧化铝
1.98
110.6±10.2
1.35±0.12
纳米氧化铝玻璃复合体
3.65
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358.2±14.2
2.38±0.11
微米氧化铝玻璃复合体
3.89
432.2±11.1
5.12±0.35
扫描电镜观察显示纳米氧化铝复合体中有较多的气孔存在,图像处理分析表明气孔率约占11.5%(图1)。微米氧化铝玻璃复合体结构非常致密,气孔极少,不足1.2%。因而,其复合体的弯曲程度和断裂韧性均较高(图2)。X衍射分析表明两种复合体中主晶相结构相同,只是纳米氧化铝复合体中玻璃相含量较高(图3,4)
图1 纳米氧化铝玻璃复合体中有较多的气孔残留
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图2 微米氧化铝玻璃复合体结构致密,气孔少
图3 纳米氧化铝玻璃复合体的X衍射图
有较多玻璃相存在
图4 微米氧化铝玻璃复合体的X衍射图
玻璃相成分少
3 讨 论
本研究采用两种粒度的氧化铝,经等静压成型、低温烧结后的坯体密度有较大差异,微米氧化铝坯体的相对密度为72.9%,而纳米氧化铝坯体的相对密度仅为50%。这是由于颗粒越小,其比表面积越大,克服分子间范德华力所需的能量也越大。因此,在相同压力条件下,纳米氧化铝坯体密度低于微米氧化铝坯体密度。在1400 ℃烧结2小时后,纳米氧化铝坯体和微米氧化铝坯体的密度均有提高。但本研究采用了急速冷却机制使坯体的收缩较小,同时,氧化镁的加入有效地抑制了晶粒的长大,减少了闭孔的产生。至于部分烧结体强度和韧性的差异是由于两者的密度差异所致。Nanjanud等[5]的研究也表明:部分烧结多孔氧化铝的强度受其密度的影响较大。
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无论纳米氧化铝还是微米氧化铝所形成的坯体,在1400 ℃烧结后,颗粒间的表面扩散和颈部生长在提高部分烧结多孔氧化铝强度的同时,颗粒间形成了刚性骨架。因而,在1200 ℃进行玻璃渗透过程中,颗粒彼此间不会产生相对移动。熔融的玻璃只是通过表面的毛细管作用填补氧化铝刚性骨架中的孔隙,所以部分烧结氧化铝块体几乎没有发生收缩和变形。由于纳米氧化铝颗粒表面活性大、易团聚,在部分烧结体有闭孔存在,阻碍了玻璃的渗透。扫描电镜的图像分析显示纳米氧化铝玻璃复合体中残留气孔率约占11.5%,而微米氧化铝玻璃复合体中残留气孔率仅占1.2%。因此,大量的气孔存在降低了复合体的弯曲强度和断裂韧性。Wolf等[6]认为氧化铝复合材料的强度和断裂韧性与氧化铝的体积分数密切相关,氧化铝的体积分数高将会增加复合体裂纹偏转和裂纹桥的形成。普通牙科瓷中氧化铝的体积分数低于40%,因而,其强度低、韧性小。本实验再次证实了氧化铝的体积分数对氧化铝复合体强度和断裂韧性有显著影响。
由于氧化铝颗粒大小不同,在采用相同的等静压成型压力、相同的烧结机制条件下,其部分烧结体及玻璃渗透后形成的复合体密度、弯曲强度、断裂韧性有显著差异。因此,对于用超细纳米氧化铝作原料制作可供牙科CAD/CAM加工的氧化铝块时,其成型工艺、烧结工艺尚待进一步研究,以提高烧结体的密度并减少闭孔的产生。
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本课题由中国博士后基金资助
参考文献
1 Probster L, Diehl J. Slip-casting alumina ceramics for crown and bridge restorations. Quintess Int, 1992, 23(1):25～31
2 Lioyd CH, Scrimgeour SN. Dental materials: 1995 literature review. J Dent, 1997, 25(2):173～174
3 Rinke S. Copy-milling aluminous core ceramic crown: A clinical report. J Prosthet Dent, 1996, 76(4):343～346
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4 Qualtrough AJE, Piddock V. Ceramics update. J Dent, 1997, 25(2):91～94
5 Nanjanud SC, Brezny R, Green D. Strength and Young's modules behavior of a partially sintered porous alumina. J Am Ceram Soc, 1995, 78(1):266～269
6 Wolf WD, Vaidya KJ, Francis LF. Mechanical properties and failure analysis of alumina-glass dental composite. J Am Ceram Soc, 1996, 79(9):1769～1775
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