氟磷灰石义齿饰瓷摩擦磨损特性研究

发布时间：2020-07-11 11:00

【摘要】：微晶玻璃具有良好的力学性能,较高的化学稳定性和耐高温等优点,在建材、航空航天、生物医学等领域具有广阔的应用前景。牙科微晶玻璃以美观的光泽受到消费者的青睐,针状氟磷灰石晶体与天然牙釉质形态相似,拥有其他材料无法比拟的生物相容性,因此以氟磷灰石为主晶相的微晶玻璃在众多牙科材料中脱颖而出,常作为饰瓷材料使用。然而,由于氟磷灰石微晶玻璃强度较低,临床使用中易发生崩瓷、过度磨损等,导致义齿失效。为解决上述问题,本文对氟磷灰石微晶玻璃的摩擦磨损特性进行了细致研究,同时结合力学性能进行了机理分析,并利用有限元法对材料的实际使用性能进行了评价。首先,选取了合适的磷硅酸盐玻璃系统,使用烧结法制备了具有良好晶体形态的氟磷灰石微晶玻璃并研究了析晶规律,讨论了析晶机理;然后,研究了不同晶相结构对微晶玻璃的力学性能与摩擦磨损性能的影响;最后利用有限元法分析了微晶玻璃力学性能对义齿整体使用性能的影响。由SiO_2-Al_2O_3-K_2O-CaO-P_2O_5系统得到的微晶玻璃,其主晶相为针状氟磷灰石,并且次晶相含量低,生物活性好,是理想的牙科用生物材料。钙是形成氟磷灰石的关键元素,并且热处理温度对晶体析出起决定性作用,因此以两者为变量对氟磷灰石微晶玻璃进行制备。研究结果表明,钙元素主要影响了氟磷灰石的晶体尺寸,其含量与晶体尺寸呈非线性关系,钙元素含量为6.0 wt.%时,晶体尺寸最大,平均尺寸为368.03 nm,提高热处理温度加快了晶体的析出,因此随着热处理温度的上升,结晶度与晶体尺寸都逐步增加。晶体材料的微观结构与力学性能直接相关,探究两者间的规律,是材料走向实际应用的重要一环。对上述微晶玻璃分别进行了密度、显微硬度、抗弯强度、弹性模量的测试。研究结果发现,氧化钙通过改变晶体尺寸,对材料的应力应变状态带来影响,其中抗弯强度和弹性模量与晶体尺寸呈正相关;热处理温度对材料性能影响较大,其主要通过增强材料的致密性与晶相含量对材料的性能带来改变,呈现为力学性能参数均随热处理温度的增加而提高。牙科修复体的摩擦磨损问题日益突出,因此深入开展氟磷灰石微晶玻璃摩擦学方面的研究是必要的。使用往复摩擦磨损试验机对氟磷灰石微晶玻璃进行干摩擦和唾液润滑状态下的摩擦磨损实验,综合摩擦系数、磨痕深度、磨损表面形貌对摩擦磨损机理进行了分析。结果显示,干摩擦与唾液环境下氟磷灰石微晶玻璃的磨损机制存在差异,在干摩擦状态下,氧化钙通过改变晶体尺寸改变材料性能,影响摩擦磨损状态,但影响程度有限,增大FAp晶体尺寸增强了材料性能,较大的FAp晶体使磨损表面呈现出较多的鳞剥和较少的黏着,减少了磨损量;热处理温度会大幅改变材料力学性能,因此对摩擦系数及磨损形貌影响较大,低温烧结材料磨损表面剥落严重,以黏着磨损为主,随着烧结温度升高,剥落特征减弱,且经1100°C烧结后,摩擦系数显著下降,磨损机制变为疲劳磨损。唾液环境下试样的磨损机制则全部以磨粒磨损为主,氧化钙的增加使材料硬度升高,增强了材料的耐磨性,磨损表面表现为犁沟数量少,深度浅;热处理温度对摩擦系数及磨损形貌影响仍较大,低温烧结下材料表面损伤严重,经1100°C烧结,摩擦系数显著降低且犁沟效应明显减弱。为探究微晶玻璃力学性能对双层义齿使用强度的影响,建立了包括:饰瓷、底瓷、牙本质的义齿三维简化模型,并将牙齿咬合过程分为3个阶段,利用有限元法计算义齿在咀嚼过程中的应力,进一步对比了材料的优劣。低温烧结的试样由于强度较低,在使用过程中最大主应力超过了抗弯强度,会发生脆性断裂;力学性能较好的试样所承受应力也较大;在受力过程中,饰瓷应力集中部位会由饰瓷外缘转移至牙合面的牙沟、点隙,随后再次转移至外缘,因此使用氟磷灰石微晶玻璃制作义齿时,饰瓷与底瓷、基牙的结合点、及牙冠是需要特别注意的部位。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ171.733;R783.1
【图文】：

微晶玻璃

氟磷灰石义齿饰瓷摩擦磨损特性研究着玉石光泽，纹理独特[2]；（4）电子器件：微晶玻璃自身电阻率高、介电性好、电绝缘性好，因而在电子元件中应用广泛[1]。一般而言，微晶玻璃基本成分不仅包括普通玻璃的形成氧化物：石英（SiO2）；中间体氧化物：长石（Al2O3）；网格外体氧化物：白云石（MgO）；澄清剂：白砒（As2O3）；脱色剂：CeO2等；还包括一定量的晶核剂如 TiO2、ZrO2、P2O5，这些晶核剂往往都具有半径小、场强大的阳离子如 Ti4+，P5+，使玻璃在进行热处理时，实现内部质点迁移，打破析晶势垒形成晶核，在此基础上粒子进一步以某种形式聚集形成晶体，得到微晶玻璃[4]。

微晶玻璃,硅酸锂,显微形貌

图 1.2 微晶玻璃显微形貌：（a）二硅酸锂微晶玻璃[12]（b）白榴石微晶玻璃[14]（c）氟金云母微晶玻璃[16]1.3.3 云母微晶玻璃云母微晶玻璃是唯一一种能够实现切削的微晶玻璃，克服了传统陶瓷无法加工的困难，其主要包括四硅云母、氟金云母（如图 1.2c）和钙云母微晶玻璃，主要用作嵌体和贴面，代表产品有：DicorMGG。卷心菜的片状晶体是云母玻璃特有的显微结构，云母在结晶过程中，晶体的网格结构会受到场强大的离子的影响如 Al3+、Si4+、Mg2+而发生畸变产生应力而弯曲，即出现了卷心菜结构[16]。虽然这类微晶玻璃可以采用机加工方法一次成型，但与白榴石类似，较低的强度限制了它的应用范围，目前有很多学者正在积极改善它的力学性能。1.3.4 氟磷灰石微晶玻璃

固定桥,金属,钛合金

其逐渐被生物陶瓷材料取代，目前常用作种植体及固定桥（图1.3）的制作。比较有前景的合金材料为 Ti-2Ag-2Fe、Ti-6Al-1Fe，虽然研究发现钛合金的磨损量要比普通合金大，但相关学者指出钛合金的摩擦磨损性能与天然牙相似，提升

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