低温烧结氧化锆牙科陶瓷材料的制备研究

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陶瓷作为口腔修复材料具有极佳的生物相容性,优良的耐腐蚀性和耐磨损性,尤其是其独特的美学性能是金属材料无法比拟的,但低的脆性大大限制了它的临床应用。四方多晶氧化锆(TZP)增韧陶瓷具有独特的应力诱发相变增韧机制,是弯曲强度和断裂韧性最高的结构陶瓷材料之一。但Y-TZP陶瓷一般是在较高温度下(1600℃左右)通过固相烧结法制备。近年来,随着需求的不断增加,降低烧结温度和生产成本,以适应目前口腔临床试验条件,逐渐成为氧化锆口腔修复材料的主要研究方向之一。 本文首先简单介绍了实验中所使用Y-TZP粉体和助烧结剂MAS(MgO-Al2O3-SiO2)的性能。然后以ZrOCl2·8H2O和Y(NO3)3为原料,利用反向共沉淀法并经700℃/2h煅烧后得到分散性良好的3Y-TZP粉体,其平均晶粒尺寸约为30~40nm;将制备好的3Y-TZP粉与不同比例(3wt%,5wt%和10wt%)的助烧结剂MAS混合,通过等静压成型,将素坯置于硅钼棒炉中在1200℃~1500℃下无压烧结后便可获得致密的氧化锆陶瓷材料。借助X-射线衍射分析(XRD)、扫描电镜分析(SEM)、透射电镜分析(TEM) 等方法对该材料的结构和形貌进行了观察分析,此外还测试了烧结试样的抗弯强度、断裂韧性、体积密度、硬度、化学稳定性等理化性能;由此,重点研究了助烧结剂对3Y-TZP材料的致密化、烧结试样的物相组成、显微结构和常温力学性能的影响,并初步分析了低温液相烧结3Y-TZP的致密化机理。论文最后对工业氧化锆粉体的液相烧结,及杂质含量对液相烧结Y-TZP性能的影响作了初步探讨,并与共沉淀3Y-TZP粉体液相烧结制备的陶瓷试样作了对比。主要得到以下结论: 玻璃添加剂MAS在约1250℃下生成液相,该液相对TZP陶瓷具有良好的润湿性,是液相烧结制备TZP陶瓷较合适的助烧结剂。通过对液相烧结3Y-TZP影响因素的分析,结果发现,添加5wt%MAS在1350℃烧结便可获得致密的Y-TZP陶瓷(相对密度大于99%)。烧结样中,ZrO2的平均晶粒尺寸约为0.3μm,其抗弯强度和断裂韧性分别为628±23MPa和6.2±0.2MPa·m1/2。该材料性能优于目前的牙科修复体材料In-Ceram(抗弯强度为200MPa,断裂韧性为1.3~1.7MPa·m1/2),所以具有很好的临床应用前景。 以MAS为助烧结剂时,部分晶界上析出了高温堇青石(Mg2Al4Si5O18)相,结果表明,试样的力学性能获得了进一步改善。此外,由于MAS玻璃的膨胀系数比Y-TZP的要小,由薄晶界模型的结果可知,材料中晶界相受压而Y-TZP基体受拉,有助于材料断裂韧性的提高。 以工业氧化锆粉体为原料液相烧结制备TZP陶瓷,需要的助烧结剂含量较多。添加10wt%CAS(CaO-Al2O3-SiO2),在1350℃烧结可获得较致密的Y-TZP陶瓷。工业氧化锆粉料液相烧结制备的TZP试样,其显微结构与共沉淀TZP粉体液相烧结试样的显微结构相似,只是ZrO2晶粒稍稍增大,加之原料中含有SiO2、Fe2O3等杂质,影响材料的致密化程度,从而导致其抗弯强度和断裂韧性均有所下降,分别为521±17MPa和5.4±0.1MPa·m1/2。
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