烧结温度及升温速率对牙科CAD/CAM用氧化铝性能的影响

作者:温宁,张少锋

【关键词】  氧化铝

　　关键词: 氧化铝;牙科材料;计算机辅助设计
   
　　摘 要:目的  探讨升温速率及烧结温度对部分烧结氧化铝块性能的影响. 方法  精细微米α-氧化铝经250MPa冷等静压成型，分别在1400℃，1450℃及高、低两种升温速率下烧结，测试各种烧结条件下氧化铝块的力学性能. 结果  微米氧化铝的各项性能都随着烧结温度及烧结速率的提高而有所增加，其强度、韧性和硬度分别为41～160MPa，0.58～2.1MPam 1/2 ，1.81～2.15GPa，而线收缩和密度却没有太大增加. 结论  在高速率升温分别至1400℃，1450℃和低速率升温至1450℃烧结的氧化铝块，均能满足CAD/CAM加工要求，以高速率升温至1400℃烧结的氧化铝块实用性最好.
    
　　Effects of sintering temperature calefactive velocity on the partially sintered alumina block for dental CAD/CAM
    
　　WEN Ning，ZHANG Shao-Feng，WANG Zhong-Yi，TIAN Jie-Mo，SHI Chang-Xi

　　1 Department of Prosthetics，Stomatological Col-lege，Fourth Military Medical University，Xi'an710033，China，2 National Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing，Tsinghua University
     
　　Keywords:aluminum oxide;dental material;computer-aided design
    
　　Abstract:AIM To study the effects of sintering tempera-ture and calefactive velocity on the partially sintered alumina.METHODS Sintered aluminan oxide（SAO）was prepared by fine micron-sized aluminum oxide powder，compacted via250MPa isostastic pressure and then sintered at1400℃and 1450℃respectively，as well as different kinds of calefactive velocity.Their mechanical properties were tested.RESULTS Three-point bending strength，fracture toughness and Vicker's hardness of partially sintered alumina block were41～160MPa，0.58～2.1MPam1/2 ，1.81～2.15GPa respec┐tively.CONCLUSION Partially sintered alumina block the developed in this way may be used to mill for CAD/CAM and fabricate the shrinkage-free all ceramic crown.
    
　　0 引言
    
　　随着计算机工业的迅猛发展，牙科CAD/CAM技术已进入临床实用阶段，但牙科CAD/CAM的可切削陶瓷材料研究进展缓慢，目前可切削陶瓷产品的强度低（<200MPa），韧性差（<2.0MPam 1/2 ），可切削性不够好（>4.0μm-1 ）.1996年，Bindl等［1］ 及Rinke等［2］ 分别用CerecⅡ和Celay CAD/CAM系统将预成多孔氧化铝加工成基底冠，然后采用In-Cer-am技术［3-5］ 使玻璃渗透氧化铝核心，再用Vita公司的专用瓷粉进行表面饰瓷，即得到理想的类似于自然牙的修复体外形，使In-Ceram技术与牙科CAD/CAM技术结合起来.但表面饰瓷的采用增加了工作量及操作难度，没有突出CAD/CAM技术的方便快捷性.本研究采用高纯度微米氧化铝经冷等静压成型及低温不完全烧结技术制作氧化铝块，探讨不同温度及升温速率对氧化铝块性能的影响，以期寻求易于CAD/CAM直接加工成冠及玻璃渗透的烧结氧化铝工艺.
    
　　1 材料和方法
    
　　1.1 材料 

　　采用商用微米α-氧化铝粉末作为原料，其中α-氧化铝含量>99.5%，平均粒径约4μm.将原料置于4L的玛瑙罐中以100r?min-1 速度球磨24h，球磨时采用无水乙醇作为介质，直径15mm的玛瑙球作为磨球.球磨后将氧化铝浆料放入70℃的烘箱中干燥24h以上.采用日本Shimadzu SA-CP3颗粒分析仪测定球磨后氧化铝颗粒的粒径分布.干燥后的粉料装入模具中密封抽真空，用冷等静压成型，等静压压力为250MPa，保压时间为15min.将制备的氧化铝坯体分四组:①高速率升温至1400℃;②高速率升温至1450℃;③低速率升温至1400℃;④低速率升温至1450℃.分别烧结2h.高速率升温是低温段约5℃?min-1 ，高温段约10℃?min-1 .低速率升温是低温段约1℃?min-1 ，高温段约3℃?min
     -1 .

　　1.2 方法
    
　　1.2.1 线收缩和密度测定 

　　用游标卡尺测量氧化铝烧结后的线收缩，用重量体积法测出氧化铝烧结前后的密度.
    
　　1.2.2 平均孔径的测定 

　　采用压汞法测量氧化铝烧结后的孔径分布情况.
    
　　1.2.3 弯曲强度的测定 

　　采用三点弯曲法测试.试样加工成3mm×2mm×30mm的规格，表面抛光并倒角，试件数量每组10个.用Shimadzu DSS-25T拉伸试验机测试其三点弯曲强度，试样跨距20mm，加载载荷5kg，加载速率0.5mm?min-1 .弯曲强度采用公式（1）进行计算: σ=3PL2bh2  （1）其中:σ为三点抗弯强度（MPa），P为断裂载荷（N），L为跨距（mm），b为试样宽度（mm），h为试样高度（mm）.
    
　　1.2.4 断裂韧性的测试 

　　断裂韧性采用单边切口梁法（Simple Edge Notched Beam）.试件规格为4mm×2mm×25mm，切口宽度为0.2mm，切口深度约为2mm（保证切口深度与试件高度的比例为0.4～0.6）.试件表面抛光并倒角，数量大于5个.采用弯曲强度同样的设备进行测试，试件跨距为16mm，加载载荷为5kg，加载速度为0.05mm?min-1 ，断裂韧性KIC 采用公式（2）计算:   KIC= PL bh3/2 .f（a h） （2） 其中:P为断裂载荷（N），L为试件跨距（mm），b为试件宽度（mm），h为试样高度（mm），a为试件高度（mm）.    f（a h）为几何因子，由下式（3）给出: f（a h）=2.9（a h）1/2 -4.6（a h）3/2 +21.8（a h）5/2 -37.6（a h）     7/2 +38.7（a h）9/2  （3）

　　1.2.5 维氏硬度的测定 

　　采用Frank显微硬度仪（Frank公司，德国）测量不完全烧结氧化铝表面的显微硬度，加载载荷为9.8N.维氏硬度（H）由（4）计算可得:     H=1.81544P/d2  （4）其中:P为加载载荷（N），d为压痕两对角线的均值（mm）.

　1.2.6 可切削性能分析 

　　由显微硬度（H）与断裂韧性（KIC ）的比值平方分析其可切削性.
    
　　2 结果
    
　　本研究选用的微米氧化铝粉体平均粒径为3.32μm.经1400℃，1450℃及不同升温速率烧结后，氧化铝块的线收缩，密度，平均孔径，抗弯强度，断裂韧性，维氏硬度，可切削性指数见Tab1.表1 部分烧结氧化铝的性能指标（略）
  
　　3 讨论
    
　　本研究制备的氧化铝块是为了供CAD/CAM加工成修复体形状，再经玻璃渗透而成最终的修复体或基底冠.因此，整套工艺要求制备的氧化铝有足够的抗弯强度和韧性供CAD/CAM加工;有更好的可切削性能，以减少刀具的磨耗;有足够的空隙率以供玻璃渗透的进行.  

　　冷等静压成型是利用液体介质的不可压缩性及均匀传递的特性，使密闭于模具中的粉体在各个方向上受到均匀压力，成型为密度均匀的致密坯体.本研究采用的冷等静压压力为250Mpa，成型后的氧化铝坯体密度为2.46g?cm -3 ，已达理论密度（3.98g?cm -3 ）的62%.这种致密的坯体已有一定的强度，可以脱模.在经1400℃，1450℃及两种升温速率下烧结的氧化铝坯体，线收缩为3.1%～5.2%，密度为（2.68～2.79）g?cm-3 .一般来说，氧化铝坯体烧结成致密体的温度为1600～1800℃，根据Kuczynski的烧结动力学理论模型，1400～1450℃烧结氧化铝属于烧结的初级阶段［6］ ，此时的烧结温度及升温速率均不足以使氧化铝坯体完全致密或产生大量闭孔.
   
　　由Tab1可以看出，微米氧化铝的各项性能都随着烧结温度及烧结速率的提高而增加，而线收缩和密度却没有太大增加.这对于实际运用是非常重要的.因为我们需要在保证具有足够孔隙率的同时具有良好的力学性能，如高韧性、高强度、低硬度等.尽管提高氧化铝坯体的烧结温度及升温速率可以增加氧化铝块的强度，但硬度的增加使可切削性能下降，在CAD/CAM加工时产生过多的磨耗，损害刀具.足够的孔隙率是为了保证玻璃渗透的顺利进行.密度的增加会降低材料的孔隙率和增加闭孔的数量，同时影响玻璃渗透及复合材料致密化的进行，使得氧化铝玻璃复合体的抗弯强度和韧性降低，也会降低透光性.而良好的力学性能是为了保证材料能够用CAD/CAM加工成修复体的形状，同时也使得材料在进行玻璃渗透时没有收缩和形变.
   
　　关于陶瓷的可切削性研究，Lawn［7］ 等和Baik等［8］ 曾采用（H/KIC ）2 作为牙科用云母陶瓷可切削性能的参照，认为（H/K IC ） 2 值与瓷的可切削性呈线性相关.Balk研究表明，不同组分的可切削陶瓷，其（H/KIC ）2 值有明显差异，（H/KIC ） 2 值越小，可切削性能越好.就目前两种商业的可切削陶瓷Vita MarkⅡ和Dicor MGC而言，前者的硬度和断裂韧性分别为5.2GPa，1.8MPam1/2 ;后者的硬度和断裂韧性分别 为3.30GPa和1.5MPam 1/2 .通过计算（H/KIC ）2 值可知，Vita MarkⅡ和Dicor MGC的（H/KIC ） 2 值分别为8.35μm-1 和4.84μm-1［9］ .研究所得的部分烧结多孔氧化铝硬度为1.93～2.15GPa，低于Vita MarkⅡ和Dicor MGC可切削陶瓷.在高速率升温分别至1400℃，1450℃和低速率升温至1450℃烧结的氧化铝块，其强度及韧性足够CAD/CAM加工，且三者的平均孔径接近，均有利于玻璃渗透的进行.其中以高速率升温至1400℃和145℃烧结的氧化铝块可切削性最好，达1.49μm-1 和1.04μm-1 ，且烧结氧化铝费时少，利于制备.至于氧化铝块的微观结构，玻璃渗透后的复合体性能及透光性则需进一步研究.

　　参考文献:
    
　　［1］Bindl A，Mormann WH.Klinische and technische aspekteder Cerec-In-Ceram-Krone ［J］.Quintessen，1996;47（6）:775-792.

    ［2］Rinke S，Huls A.Copy-milling aluminous core ceramic crown:A clinical report ［J］.J Prosthet Dent，1996;76（4）:343-346.［3］Kelly JR.Ceramics in dentistry:Historical root and cuttent per-spectives ［J］.J Prosthet Dent，1996;75（1）:18-32.

    ［4］Levy H.Working with the in-ceram porcelain system ［J］.J Prosthet Dent，1990;44（1）:1-11.

    ［5］Probster L，Diehl J.Slip-casting alumina cetamics for crown and bridge restorations ［J］.Quintessence Int，1992;23（1）:25-31.

　　［6］Cui GW.Kuosan Yu Shaojie（Defect，diffuse and sinter）［M］.Beijing:Qinghua Daxue Chubanshe（Tsinghua University Pub-lishing House），1995:145-149.

    ［7］Lawn BR，Marshall DB.Hardness，toughness and brittleness:An indentation analysis ［J］.J Am Ceram Soc，1997;62:347-350.

    ［8］Baik DS，No KS，Chun JSS.Mechanical properties of mica glass ceramics ［J］.J Am Ceram Soc，1995;78（2）:1217-1222.

    ［9］Luo XP，Zhao YF，Tian JM.Development of partially sintered alumina block for dental CAD/CAM and mechanical properties testing ［J ］.Zhonghua Kouqiang Yixue Zazhi（Chin J Stomatol），1999;34（4）:202-204.

　　基金项目: 国家“九五”攻关子课题资助项目（96-A10-01-10-04）
    
　　作者简介: 温 宁（1972-），男（汉族），安徽省肥东县人.博士生（导师施长溪，王忠义）.Tel.（029）3376243 Email.wenning@fmmu.edu.cn