ZrO2全瓷牙冠材料的半烧结成型工艺与技术的研究

摘要

氧化锆陶瓷材料以其高硬度、高强度、高耐磨性、一定韧性和良好的生物相容性,在齿科修复中有很大的应用前景。但是由于其高硬度、高强度特点使得难于进行机械加工,因而限制了其应用。本文提出了一种半烧结成型加工工艺,即首先对陶瓷材料在低于烧结温度下进行烧结得到烧结预制体,然后对其进行机械加工,最后在烧结温度下进行烧结,精确控制其收缩率,得到最终陶瓷烧结体。这样在很大程度上可使氧化锆陶瓷在牙科修复中得到广泛使用。本文以3mol％Y2O3-ZrO2为原料,以乙醇为溶剂,采用注浆成型法制备氧化锆坯体,分析了注浆工艺参数对氧化锆浆料和素坯的影响,通过工艺优化,得出最佳工艺：浆料的粘合剂体系含量为3wt%,固含量为45wt%,搅拌时间为3h,干燥条件为室温自然干燥。在氧化锆注浆成型工艺的基础上,研究了烧结工艺对氧化锆坯体物理性能、机械力学性能和半烧结加工性能的影响。结果表明：(1)随着烧结温度的提高,氧化锆陶瓷坯体的水平和垂直方向收缩率不断增大,密度逐渐增大,显气孔率不断减小,维氏硬度和断裂韧性呈增加趋势。当最终的烧结温度为1500℃,氧化锆陶瓷水平方向总收缩率为29.1%,垂直方向总收缩率为20.4%,相对密度达到96.1%,显气孔率降到了0.9%,显微形貌表明晶粒均匀,晶界清晰,没有晶粒的二次长大,其维氏硬度为1048 Kgf·mm-2,断裂韧性为4.24 MPa·m1/2,完全满足齿科材料的力学要求。(2)随着烧结温度的提高,氧化锆陶瓷的可加工性逐渐降低。当烧结温度为1300℃时,磨削加工的磨损率已经降低到了0.13mg·mm-2,表明已难加工。机械加工余量控制在6%之内,确定出1200℃和1250℃为较理想的半烧结温度。(3)回归分析了氧化锆陶瓷的维氏硬度、断裂韧性分别与磨损率之间的定量关系,结论表明：维氏硬度和磨损率呈线性回归,即y=7.634-0.014x,以及断裂韧性与磨损率为指数回归,即y=17.534e-2.04x,而且回归性都比较显著,对氧化锆陶瓷机械加工精确控制具有一定的指导意义。在半烧结加工基础上,研究了二次烧结对氧化锆陶瓷性能的影响。结果表明：二次烧结后,氧化锆陶瓷的相对密度和显孔率都降低,同时维氏硬度和断裂韧性也都降低。相对密度下降到1200℃/1500℃(半烧结温度为1200℃,最终烧结温度为1500℃,下同)二次烧结的94.7%及1250℃/1500℃的95.2%；显孔率下降到1200℃/1500℃的0.7%及1250℃/1500℃的0.6%：维氏硬度下降到1200℃/1500℃的936Kgf·mm-2及1250℃/1500℃的953 Kgf·mm-2;断裂韧性下降到1200℃/1500℃的3.96 MPa·m1/2及1250℃/1500℃的3.66 MPa·m1/2。经过优化,确定出最佳的半烧结温度为1200℃,二次烧结1200℃/1500℃后的氧化锆陶瓷性能可以满足齿科修复材料的应用要求。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 口腔陶瓷修复材料

1.2.1 牙科陶瓷材料的发展过程

1.2.2 牙科全瓷材料的分类

1.3 全瓷材料及氧化锆(ZrO_2)陶瓷应用现状

1.4 氧化锆(ZrO_2)陶瓷性能

1.4.1 氧化锆(ZrO_2)陶瓷的结构和性能

1.4.2 氧化钇(Y_2O_3)稳定的氧化锆(ZrO_2)的性能

1.5 氧化锆(ZrO_2)陶瓷的增韧机理

1.5.1 应力诱导相变增韧

1.5.2 微裂纹增韧

1.5.3 表面增韧

1.6 氧化锆(ZrO_2)陶瓷的成型方法

1.6.1 干法成型

1.6.2 塑性成型

1.6.3 胶态浇注成型

1.7 氧化锆(ZrO_2)陶瓷的烧结

1.7.1 影响氧化锆(ZrO_2)烧结的主要因素

1.7.2 主要的烧结工艺

1.8 陶瓷材料的可加工性能

1.8.1 材料可加工性的评价指标

1.8.2 材料可加工性的评价体系

1.9 选题的目的及研究内容

1.9.1 选题的目的及意义

1.9.2 课题的主要研究内容

2 实验方案

2.1 原材料及仪器

2.2 溶剂的选择

2.3 添加剂的选择

2.3.1 分散剂的选择

2.3.2 分散剂及其分散机理

2.3.3 粘结剂与增塑剂的选择

2.4 实验工艺流程

2.4.1 陶瓷浆料的配制

2.4.2 氧化锆(ZrO_2)素坯的制备

2.4.3 氧化锆(ZrO_2)陶瓷坯体的烧结

2.5 性能测试

2.5.1 线收缩率

2.5.2 密度和显孔率的测试

2.5.3 维氏硬度

2.5.4 断裂韧性

2.5.5 可加工性评价

3 注浆成型工艺

3.1 注浆成型料浆的要求

3.2 氧化锆(ZrO_2)浆料体系性能的研究

3.2.1 浆料粘度与剪切速率的关系

3.2.2 粘合剂体系含量对浆料流动性的影响

3.2.3 粘合剂体系含量对氧化锆(ZrO_2)坯体性能的影响

3.2.4 浆料固含量对浆料性能和氧化锆(ZrO_2)坯体性能的影响

3.2.5 搅拌时间对浆料性能的影响

3.3 干燥工艺

3.3.1 干燥机理的分析

3.3.2 干燥条件对注浆坯体的影响

3.4 素坯的宏观形貌

3.5 本章小结

4 烧结工艺

4.1 烧结中排胶制度的确定

4.2 烧结工艺对氧化锆(ZrO_2)陶瓷物理性能的影响

4.2.1 烧结温度对氧化锆(ZrO_2)陶瓷坯体收缩率的影响

4.2.2 烧结温度对氧化锆陶(ZrO_2)瓷密度和气孔率的影响

4.2.3 烧结温度对氧化锆(ZrO_2)陶瓷显微结构的影响

4.3 烧结温度对氧化锆(ZrO_2)陶瓷机械力学性能的影响

4.3.1 烧结温度对氧化锆(ZrO_2)陶瓷维氏硬度的影响

4.3.2 烧结温度对氧化锆(ZrO_2)陶瓷断裂韧性的影响

4.4 氧化锆(ZrO_2)陶瓷的半烧结加工性能

4.4.1 磨削磨损性能试验

4.4.2 牙钻钻孔试验

4.5 氧化锆(ZrO_2)陶瓷可加工性能的回归分析

4.5.1 氧化锆(ZrO_2)陶瓷磨削加工性与维氏硬度之间的回归分析

4.5.2 氧化锆(ZrO_2)陶瓷磨削加工性与断裂韧性之间的回归分析

4.6 本章小结

5 二次烧结工艺

5.1 二次烧结工艺流程的制定

5.2 二次烧结工艺对氧化锆(ZrO_2)陶瓷性能的影响

5.2.1 二次烧结工艺对氧化锆(ZrO_2)陶瓷物理性能的影响

5.2.2 二次烧结工艺对氧化锆(ZrO_2)陶瓷机械力学性能的影响

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文及获奖情况