放电等离子烧结（SPS）技术制备牙科材料的研究

摘要

放电等离子烧结(SPS)技术作为一种新型的制备技术，具有特殊的烧结机理，在烧结过程中有直流脉冲放电、等离子活化和加压等多种机制起作用，可使烧结温度大幅度降低，在牙科生物材料的制备上有着突出的优势。种植体和修复体是牙科生物材料中的两个主要组成部分。种植体材料的研究目前集中在金属与合金的表面活化以及高性能的陶瓷材料，重点是进一步满足结合强度和生物相容性的要求。随着人们对牙齿美学要求的不断提高，以及计算机辅助设计/辅助加工(CAD/CAM)技术在牙科修复中的应用，可加工的全瓷修复材料越来越受到医学和材料学研究者的关注。本文选择了钛(Ti)表面羟基磷灰石(HA)活性涂层种植体材料和长石瓷修复体材料为研究对象，充分结合SPS技术的特点，进行材料的制备和性能研究。 首次采用SPS技术制备了Ti表面HA活性涂层。研究了HA/Ti生物活性复合材料的制备工艺以及涂层成分和厚度对涂层与基体结合强度的影响，采用填充料的方式制备了圆柱型钛棒表面HA活性涂层的种植体。实验结果表明：随着涂层厚度的减小，结合强度提高；梯度涂层能提高涂层与基体的结合强度；特别是经钝化处理后烧结的试样，涂层与基体的结合强度显著提高，最高达到了64MPa，远超过生物涂层种植体材料结合强度为15MPa的国际指标。 首次采用SPS技术制备了牙科长石瓷材料，系统研究了长石质陶瓷的烧结工艺和各种理化性能。试验结果表明：SPS技术能够在10min内完成矿物长石粉体的快速烧结，得到致密的长石质陶瓷。与普通烧结制备的长石瓷相比密度高、断裂韧性好(由1.0±0.2MPa·m1/2提高到了1.5±0.3MPa·m1/2)，达到了微晶玻璃的断裂韧性范围。SPS技术实现了在压力条件下陶瓷与玻璃的快速转变，可制备透明玻璃，也可同时控制其透明度和白度。 探讨了几种添加剂对SPS制备长石瓷工艺和性能的影响，结果表明：HA是一种良好的添加剂，能够避免烧结样品随原料颗粒度变细而变黑的问题，依靠弱项增韧的特点，一定程度上提高了断裂韧性，断口形貌平整，有利于加工性的提高；添加ZrO2的长石瓷透光度降低，含2％ZrO2的长石瓷中加入5％HA能够改善烧结效果，得到断裂韧性高达2.27MPa·m1/2的样品；K2CO3和氟云母微晶玻璃(GC)都能够降低长石瓷的烧结温度，对颜色和透光率也有一定的积极影响，一定程度上减轻了真空气氛中变黑的问题。但加入K2CO3的样品断裂韧性有所降低，仅为1.24±0.18MPa·m1/2。同时加入K2CO3和GC后能得到断裂韧性达到1.59±0.16MPa·m1/2的具有较好综合性能的复合材料。 采用SPS制备长石瓷的过程，属于压力下的液相烧结。升温过程中，热能主要来源于模具的传热，烧结的能量主要依靠颗粒表面放电现象所产生的瞬时高温，从而造成颗粒表面的熔化，达到烧结效果。随着烧结致密化，孔隙消失，高温也就不复存在，此时热能只来源于模具的电阻加热，在一段温度范围内模具中的样品处于稳定阶段。烧结得到的样品内部晶相为表面熔化后的残存相，加载电流的大小和颗粒的大小影响残存相的含量和大小。 CAD/CAM加工实验结果表明，自制长石瓷具有良好的可加工性，与牙体的咬合效果良好。通过纳米划痕实验能够得到材料的微观摩擦系数和摩擦后的显微形貌，是评价牙科材料可加工性和耐磨性的一种有效方法。 采用急性溶血实验和细胞毒性实验进行生物相容性初筛实验的结果表明，自制种植体材料和长石瓷材料的初步检验结果合格，均能够满足临床应用的初步要求。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2金属与合金的表面活化

1.2.1表面改性简介

1.2.2表面涂层技术

1.3牙科全瓷修复

1.3.1全瓷修复体制作技术的发展

1.3.2可加工的牙科全瓷修复材料

1.3.3国内外牙科陶瓷研究的关键问题

1.4放电等离子烧结技术与应用

1.5选题意义及研究内容

1.5.1选题意义

1.5.2研究内容

第2章SPS制备钛表面HA活性涂层种植体的研究

2.1材料及设备

2.2 SPS制备HA/Ti生物活性复合材料

2.2.1试验方法

2.2.2 Ti/HA复合材料的烧结效果分析

2.2.3 HA表面钝化对Ti/HA复合材料烧结效果的影响

2.3烧结制备Ti表面HA活性涂层

2.3.1试验方法

2.3.2涂层厚度对结合强度的影响

2.3.3梯度涂层对结合强度的影响

2.3.4 HA表面钝化处理对结合强度的影响

2.3.5拉伸试样宏观断口形貌分析

2.4采用填充法烧结制备圆柱型Ti表面HA涂层种植体材料

2.4.1试验方法

2.4.2试验结果和讨论

2.5本章小结

第3章SPS制备牙科长石瓷的研究

3.1原料及设备

3.1.1原料

3.1.2主要设备和仪器

3.2试验及分析方法

3.2.1样品的制备

3.2.2烧结效果的评价

3.2.3其他理化性能分析

3.2.4显微结构及成分分析

3.2.5微观力学性能及分析

3.3实验结果和分析

3.3.1压痕法测量长石瓷断裂韧性的可靠性研究

3.3.2烧结工艺的确定

3.3.3原料粉的颗粒度对烧结工艺和烧结效果的影响

3.3.4长石瓷的其他理化性能

3.3.5长石瓷的微观性能及其增韧机理

3.4 SPS制备陶瓷/玻璃的烧结机理

3.5讨论

3.5.1 SPS制备长石瓷在技术上的优势

3.5.2 SPS烧结中的样品变黑问题

3.6本章小结

第4章添加剂对SPS制备长石瓷的影响

4.1原料配方及烧结工艺

4.2 HA-KAS长石瓷的研究

4.2.1 HA对烧结工艺和烧结效果的影响

4.2.2 HA对长石瓷性能的影响

4.3 ZrO2-KAS陶瓷的研究

4.4 K2CO3和GC增韧长石瓷的研究

4.4.1对烧结工艺和烧结效果的影响

4.4.2性能分析

4.4.3成分及微观分析

4.5复相陶瓷的烧结及增韧机理

4.6本章小结

第5章可切削性及生物相容性的研究

5.1 CAD/CAM加工实验

5.1.1实验方法

5.1.2实验结果

5.1.3长石瓷可切削性的评价与本质

5.2急性溶血实验

5.2.1材料和方法

5.2.2结果与讨论

5.3体外细胞毒性实验

5.3.1材料与方法

5.3.2结果与讨论

5.4本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及发明专利

致 谢