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上海海洋大学硕士学位论文 齿科陶瓷的可加工性及其检测方法研究 摘要 齿科陶瓷材料是指用于修补缺损牙齿或替代缺损、缺失的牙列，使其恢复解 剖形态、功能和外观的各种材料，具有良好的生物相容性、在口腔环境中的化学 稳定性，以及与自然牙相似的热导率和自然牙釉相似的磨损率，并具有美学性能， 是应用非常广的一类生物陶瓷材料。陶瓷是典型的硬脆性难加工材料，由于陶瓷 材料的高硬度和高脆性，被加工的陶瓷元件大多会产生各种类型的表面或亚表面 损伤，这会导致陶瓷元件强度的降低，进而又限制了陶瓷材料更为广泛的应用。 机械加工是陶瓷材料的主要加工方式，包括切削加工、钻削加工、磨削加工、研 磨和抛光加工，其中磨削加工是目前已有加工方法中应用最多的一种。在陶瓷磨 削加工过程中，材料去除主要基于以下几种去除机理：脆性去除、粉末化去除和 塑性去除。作为材料设计与机械加工之间的连接纽带，材料的可加工性是研究陶 瓷材料加工工艺性的基础性核心技术。陶瓷材料可加工性的影响因素有很多，除 了加工方式、加工工件等外在因素外，材料的力学性能是影响材料可加工性的重 要因素，包括硬度、断裂韧性、弹性模量、强度、韦伯模数和泊松比等。齿科陶 瓷可加工性的检测在现有文献中所见不多。 本文选取几种齿科修复陶瓷材料，包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、e m p r e s s 长 石瓷、e m p r e s s 增韧白榴石、二矽酸锂增韧玻璃陶瓷( l d g ) ，进行不同条件下的 表面磨削试验和切削试验，对加工后的试样表面用表面粗糙度仪、光学显微镜和 扫描电子显微镜进行观察、检测和分析，研究发现：金刚砂砂轮能获得较平整的 加工表面，在其他条件一致的情况下，较高的砂轮转速和较长的磨削加工时间能 获得较好的加工表面。再选取几种典型的齿科修复全瓷产品，包括玻璃渗透氧化 铝陶瓷i n c e r a ma l u m i n a ( c a 1 2 ) 、玻璃渗透尖晶石陶瓷i nc e r a ms p i n n e l l ( c s 一1 1 ) 、精细钾长石m a r ki i ( i 1 2 ) 、长石质瓷t r i l u x e ( t r i 1 2 ) ，用表面磨 削、凹槽磨削、内圆切削、外圆切削、钻削进行加工试验，并在充分考虑c a d c a m 全瓷修复系统加工机理的基础上，以4 0 目、8 0 目和1 2 0 目石英砂作磨损介质，进 行磨粒磨损测试，测定磨损量，分析磨损表面形貌。经检测和分析表明：采用 i n c e r a m 技术的预烧结的齿科修复陶瓷c a 1 2 和c s 1 1 具有较好的可加工性能， 并可通过磨削加工获得较好的表面质量，而传统的长石质齿科修复陶瓷i 1 2 和 f 上海海洋大学硕士学位论文 t r i 1 2 则是切削加工的表面质量更好。磨粒磨损试验中8 0 目石英砂既能获得较为 平整的磨损表面形貌，又能保持稳定的流速。l d g 的磨损量最大，且磨损量随磨 损时间的增长有明显增幅，i 1 2 和t r i 1 2 的磨损量高于c a 1 2 和c s 1 l ，c s 1 1 的磨损量明显是最小的，结合材料力学性能分析可知，在相同的工艺条件下进行 磨损试验，硬度较高的材料磨损量较低，但磨损量也受材料本身脆性的影响，硬 度相近的材料，脆性较大的磨损量也较大，也就是说，磨损量与材料的综合力学 性能有关。e a - l - 2 梧e s h - 两种预烧结齿科陶瓷在磨粒瘩损试验后盼表面形貌较 为细致平整，i 1 2 和t r i - 1 2 两种长石质齿科修复陶瓷在表面有较为明显的高低起 伏，结合材料去除机理分析，1 - 1 2 和t r i 1 2 两种长石质瓷的材料去除方式主要是 脆性断裂，石英砂具有锋利的棱角，锋锐的磨粒与材料表面产生刮磨的同时，与 材料表面产生碰撞；c a 1 2 和c s 1l 是粉末预烧结材料，材料去除方式是粉体延 性滑动为主，磨粒与材料表面产生刮擦，材料以剪切切屑成形方式去除，材料磨 损表面形貌更平整。l d g 的磨损表面有明显的以裂纹和龟裂为主的表面损伤。本 文选择在对样品进行分析的过程中，通过测定表面粗糙度以具体数值的形式较直 观地表达材料加工表面的质量情况，也能很好地体现材料的加工性能，而这种评 定材料加工性能的方式还未见有相关文献。根据以上对齿科精细陶瓷可加工性检 测所积累的数据，结合显微结构的变化，分析陶瓷可加工性的机理，以材料物理、 力学性能为依据，利用模糊综合评判法，建立齿科修复陶瓷材料可加工性的理论 评判模型，为齿科修复陶瓷材料性能的综合评测提供理论基础。本文选择三个力 学性能参数构成因素集，根据提出的评判方法，对几种典型齿科陶瓷材料的可加 工性进行评价，并根据综合评价指标进行排序。结果表明，该方法的评判结果合 理，评价方法简单实用，不仅能够很好的评判材料可加工性，也具有一定的理论 指导价值。 关键词：齿科陶瓷，可加工性，磨削，切削，磨粒磨损，模糊综合评判 上海海洋大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h em a c h i n a b i l i t ya n da n a l y s i sm e t h o d so f d e n t a lc e r a m i c a b s t r a c t o na c c o u n to ft h ef a v o r a b l eb i o c o m p a t i b i l i t y , c h e m i c a ls t a b i l i t y , c o m p a r a b l e t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n da b r a s i o nr a t e t ot h en a t u r et e e t h , d e n t a lc e r a m i cm a t e r i a l sa r e w i d e l yu s e di nt h ep r o s t h o d o n t i c sa so n ek i n do ft h em o s ti m p o r t a n tm e m b e r si n b i o m a t e r i a lf a m i l yt or e s u m et h ef u n c t i o n , s h a p ea n db e a u t yo ft h et e e t h b e c a u s eo f t h e i ro u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i g hh a r d n e s sa n db r i t t l e n e s so ft h ec e r a m i c s ， s u r f a c ed a m a g e sa n ds u b - s u r f a c e d a m a g e sa r er e v i e w e dd u r i n gm a c h i n i n g , t h u s r e d u c i n gt l l e i ri n t e n s i t ya n dr e s t r i c t i n gt h e i ra p p l i c a t i o na r e a m e c h a n i c a lp r o c e s s i n g ， s u c ha sc u t t i n g ，d r i l l i n g ，g r i n d i n g ，l a p p i n ga n dp o l i s h i n g ，i st h em a i nm e t h o df o r m a c h i n i n go fc e r a m i c s ，a n dg r i n a i n gi s t h ep r i m a r yc h o i c e m a t e r i a lr e m o v a l m e c h a n i s m sa l ed i s c u s s e da sb r i t t l ef r a c t u r e ，p o w d e r e dr e m o v a la n dp l a s t i cr e m o v a l m a c h i n a b i l i t ye v a l u a t i o n , t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nm a t e r i a ld e s i g na n dm e c h a n i c a l p r o c e s s i n g ，i st h ek e yo fm a c h i n i n gt e c h n o l o g y m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r et h el e a d i n g i n f l u e n c ef a c t o r so fm a c h i n a b i l i t y , i n c l u d i n gh a r d n e s s ，f r a c t u r et o u g h n e s s ，e l a s t i c m o d u l u se t c i nt h i sp a p e r , t h e g r i n d i n ga n dc u t t i n gt e s t sw e r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l yi n d i f f e r e n tc o n d i t i o n sf o rt h ed e n t a lc e r a m i cm a t e r i a l s ，s u c ha sa l u m i n a , z i r c o n i a , e m p r e s s f e l d s p a rc e r a m i c s ，e m p r e s st o u g h e n i n gl e u c i t ea n dg l a s sc e r a m i c s ( l d g ) ，a l s ot h e s l l f 6 a c eo ft h ep r o c e s s e ds a m p l e sw e r er e v i e w e d ，a n a l y s e da n dd i s c u s s e db ys u r f a c e r o u g h n e s s ，o p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds e m o b v i o u s l y , t h es a m p l e sh a v es m o o t h e rs u r f a c e i ft h e ya r ep r o c e s s e db yd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l ，h i g h e rs p e e do ft h ew h e e la n dl o n g e r t i m e f o u rk i n d so fd e n t a la l l c e r a m i cm a t e r i a l s ，i n c l u d i n gc s 一11 ，c a 一12 ，i 一12 ，t r i - 12 ， w e r ep r o c e s s e db yg r i n d i n g ，c u t t i n ga n dd r i l l i n g ，a n dt h ea b r a s i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s a m p l e sw e r es t u d i e db yu s i n gm m 2 0 0w e a rt e s t i n gm a c h i n ew i t l ls i l i c as a n d so f4 0 m e s h ，8 0m e s ha sw e l la s12 0m e s ha st h ea b r a s i o nm e d i u m t h ew e i g h t1 0 s s e so fd e n t a l c e r a m i cs a m p l e sa f t e ra b r a s i v et e s t i n go fc e r t a i nt i m e sw e r em e a s u r e da n ds u r f a c e sw e r e t h e no b s e r v e du n d e rs e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s i n t e r i n gc e r a m i c so fc a 12 a n dc s - 11p r o d u c e db yi n - c r e a mt e c h n o l o g yh a v et h es m o o t h e rs u r f a c eq u a l i t ya f t e r i i i 上海海洋大学硕士学位论文 g r i n d i n g ，w h i l et h et r a d i t i o n a lf e l d s p a rc e r a m i c s ，i 一1 2a n dt i l l - 1 2 ，h a v eb e t t e rs u r f a c e f e a t u r eb yc u t t i n gt e s t i nt h ew e a rt e s t , w h i l ea b r a d e db y8 0m e s ha n d12 0m e s hs i l i c a s a n d s ，t h es a m p l e sh a v es m o o t h e rs u r f a c e st h a nb y4 0m e s hs a n d t h eb i g g e s tw e i g h t l o s si sf o u n df o rl d ga n do b v i o u s l y , t h ea m o u n tg r o w sb yt i m e t h el e a s tm a t e r i a l r e m o v a la m o u n tg o e st oc s - 11u n d e rt h es a m et e s t i n gc o n d i t i o n s m o r em a t e r i a l sa r e r e m o v e df r o mb o t hi 一1 2a n dt r i - 1 2g r o u n db y1 2 0m e s hs i l i c as a n dt h a nb yo t h e rt w o k i n d so fc o a r s e ra b r a s i v ep a r t i c l e s f o rt h es a m p l eg r o u n di nt h es a h l ec o n d i t i o n s ，t h e h i g h e rh a r d n e s s ，t h el e s sw e i g h tl o s s a n dt h eh i g h e rt o u g h n e s s ，t h eh i g h e rm a t e r i a l r e m o v a la m o t m la sp r e s i n t e r i n gc e r a m i c s ，c a 一1 2a n dc s - 11h a v es m o o t h e rs u r f a c e s c o m p a r i n gt oi - 12a n dt r i 一12 a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s m , t h em a t e r i a l sa l er e m o v e d f r o mt h ei 一1 2a n dt r i - 12s a m p l e sb yb r i t t l ef r a e t t l r e , t h es u r f a c e so ft h es a m p l e sa r e s c r a p e da n dc o l l i d e db yt h es i l i c as a n d s a n dt h em a t e r i a l sa r er e m o v e df r o mt h e c s ll a n dc a - 1 2s a m p l e sb yp l a s t i cr e m o v a l ，a st h em e a no fs h e a rc h i pf o r m a t i o n t h e s u r f a c ed a m a g e s ，a sc r a c k sa r eo b s e r v e do nt h es u r f a c eo ft h el d gi na n a l y s i s ，t h e s u r f a c er o u g h n e s si sp r o p o s e df o rm a c h i n a b i l i t ye v a l u a t i o no fd e n t a lc e r a m i c sa san e w m e t h o d t h et e s t i n gd a t aa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et a k e na ss e t so fa v a i l a b l e a l t e r n a t i v e s f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o np r i n c i p l ew a sa p p l i e dt oe s t a b l i s ham o d e l f o rm a c h i n a b i l i t ye v a l u a t i o no fd e n t a lc e r a m i c s a sa ne x a m p l e , t h r e em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fd e n t a lc e r a m i c sw e r es e l e c t e dt ob et h ea l t e r n a t i v e sf o rm a c h i n a b i l i t y e v a l u a t i o n m a c h i n a b i l i t yo fs e v e r a lt y p i c a ld e n t a lc e r a m i c sw a se v a l u a t e d ，a n dc e r a m i c m a t e r i a l sw e r er a n k e di no r d e ro fc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e x t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ef u z z ye v a l u a t i o ni sr a t i o n a l ，a n dc a l c u l a t i n gm e t h o di s s i m p l ea n de a s y t h e m a c h i n a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o dw i l lb ea ni m p o r t a n tw a yf o rd e t e r m i n a t i o no f m a c h i n i n gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：d e n t a lc e r a m i c s ，m a c h i n a b i l i t y , g r i n d i n g ，c u t t i n g ，a b r a s i o n ， f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i v 上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：痔趟 日期：气年f月 日 上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口 ，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密 口 学位论文作者签名： 奢弼指导教师签名：印芗 日期：。2 讥尸声月( 7 日日期：一 年i 角易同 上海海洋大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章引言 陶瓷材料分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类【l 】，因其独特的分子构成而具有许多 优良的物理、化学、机械性能，如较高的硬度和强度，较强的耐腐蚀、耐磨损、 耐高温能力等，在航空航天、石油化工、海洋开发、电器电子、汽车以及制造领 域的应用日益广泛。然而陶瓷材料作为一种典型的硬脆性材料，其难加工性限制 了它的进一步应用1 2 】。 生物医学材料是一类特殊的功能材料，利用它可以对有机体进行修复、替代 与再生。生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱 化学反应的生物医学材料，主要包括生物陶瓷类和医用合金类材料1 3 j 。陶瓷材料用 于齿科修复有近两百年的历史。陶瓷齿科修复材料是最逼真的牙体组织人工替代 材料，具有良好的生物相容性、在口腔环境中的化学稳定性，以及与自然牙相似 的热导率和自然牙釉相似的磨损率【4 ，5 1 ，近年来已成为类备受关注并且具有广泛 应用前景的口腔修复材料【6 】。 在某种程度上，齿科陶瓷作为陶瓷材料中生物陶瓷的一种，在现代生活中的 应用非常广泛。但是由于它的强度较高、对加工条件反应极为敏感，使得如何快 速、有效地加工齿科陶瓷材料成为了人们关注的话题。 陶瓷是典型的硬脆性难加工材料，机械加工是陶瓷材料的主要加工方式，包 括车削加工、钻削加工、磨削加工、研磨和抛光加工r 。可加工性表示对某种材料 进行机械加工的难易程度，一直是加工领域的重要研究方向之。在材料可加工 性的评定中，存在着许多模糊性因素，例如某种材料“易加工 “较易加工 “难 加工”等没有绝对的界限，是用语言表达的主观信息。材料的可加工性是一项综 合属性，难以用单一的参数来衡量。作为材料与机械加工之间的联接纽带，材料 的可加工性是研究陶瓷材料加工工艺性的基础性核心技术。通过可加工性的研究， 可以为可加工陶瓷材料的设计和机械加工提供相应的理论支持，实现陶瓷材料的 可适应加工。一方面可以根据被加工材料的可加工性，确定适合的工具参数、加 工工艺参数以及其它加工条件，实现陶瓷材料的有效加工；另一方面，结合材料 的可加工性，可以在材料设计之前确定出相应的材料性能，从而有目的地设计材 料的组分和制备工艺，满足材料的机械加工要求【水j 。 上海海洋大学硕士学位论文 1 2 文献综述 1 2 1 陶瓷材料简介 陶瓷材料的化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键，呈现出与金属 不同的性质，主要表现为：在常温下对剪切应力的变形阻力很大，硬度很高；由 于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子或阴离子和阴离子之间的化学键结合而成的，化 学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距大，使陶瓷显示出很大的脆性；韧 性低，抗压不抗拉，对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；自 由电子数目少，导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损【i 7 】。 陶瓷材料以其优异的力学、耐高温、耐腐蚀性能正日益受到人们的重视，在 航空航天、汽车、冶金、化工、机械等领域等得到了越来越广泛的应用【1 2 1 。但由 于陶瓷材料的弹性模量相当大，而使陶瓷材料成为典型的硬脆性材料，导致难以 加工，特别是加工高精度、形状复杂的构件。对于形状简单、尺寸要求较低的零 件，一般可以直接热压烧结成型。对于形状复杂或精度要求高的零件，由于陶瓷 烧结时易变形等热压成型工艺特点，在烧结后需要进行精加工。而陶瓷材料的高 强度、高硬度和高脆性给精加工带来很大困难，易产生裂纹和烧伤。目前实际生 产中采用的陶瓷精加工方法为机械磨削，其加工范围仅限于加工平面和回转曲面。 虽然采用金刚石刀具和其它一些加工技术如激光、超声、放电加工可以解决部分 陶瓷的加工问题，但加工效率低，费用高。陶瓷材料的难加工性严重限制了它的 进一步的推广应用【1 2 以5 1 。目前，陶瓷材料的加工技术已成为世界各国该领域的研 究热点。 1 2 2 齿科陶瓷材料 用于修复牙齿和骨骼，是生物材料较早步入应用的领域。而骨骼和牙齿在修 复上又不尽相同。众所周知，骨骼在生理上是可自修复和自愈合的；而牙齿则既 不能自修复，又不能再生长。因为人的牙齿是由于牙胚发育形成的，乳牙胚在出 生前就已形成。在乳牙胚形成的时候，恒牙胚也开始出现。在6 岁以前乳牙与其 下的恒牙胚共存。到6 岁左右，恒牙胚就发育成恒牙，一些恒牙冲破阻力逐渐取 代乳牙，直到1 3 岁左右乳牙全部让位给恒牙。但是，恒牙长齐后，在它的下面就 没有牙胚，而且也不会再形成新的牙胚了。恒牙旦脱落或受损，就没有替补者。 因此，义齿( 假牙) 和齿科修复材料和技术应运而生。 齿科陶瓷材料是指用于修补缺损牙齿或替代缺损、缺失的牙列，使其恢复解 剖形态、功能和外观的各种材料【i 们。齿科陶瓷材料是齿科修复材料中化学性能最 上海海洋大学硕士学位论文 稳定的材料，均可耐受许多化学物质的作用而不发生变化，陶瓷修复体长期在1 ：3 腔环境中，对各种食物、饮料、唾液、体液、微生物及酶的作用，均不会产生变 质、变性。具有优良的生物安全性和生物相容性。并且，由于齿科陶瓷材料的着 色性能好，表面光泽度高，又具有透明和半透明性，能恢复牙体组织的天然色彩， 具有很好的美学性能弘阚。因此，陶瓷是最常采用的制作义齿的材料，深受广大 口腔医务人员及患者的青睐。 1 2 2 1 齿科修复陶瓷材料 ( 1 ) 长石瓷 由于长石质齿科陶瓷具有自然逼真的美学效果，因此以长石质牙科陶瓷为基 础的“烤瓷牙”在牙科美容领域的临床应用日益广泛。长石瓷主要用于成品人工 瓷牙、瓷熔附金属修复体和瓷熔附陶瓷修复体。用这类瓷粉烧制成的牙修复体光 泽好、美观，但其挠屈强度通常仅有5 0 8 0m p a ，需要和强度高的合金或陶瓷联合 应用【1 9 1 。 长石瓷的主要成分长石，是长石族矿物的总称。化学成分为碱金属与碱土金 属的硅铝酸盐，主要是钾、钠、钙和少量钡的硅铝酸盐【2 0 1 。传统长石烤瓷材料的 许多物理机械性能如压缩强度、弯曲强度、弹性模量、线形膨胀系数等都与牙釉 质相似。烧结后的烤瓷材料硬度接近于牙釉质，且耐磨性与牙釉质相当。传统长 石质烤瓷材料色泽美观，化学性能稳定，生物相容性良好，能长期耐受口腔环境 的唾液和微生物的作用不发生变化，但单纯用传统烤瓷材料制作的修复体有质脆 易折等缺点，无法保证长期的修复效果【1 8 】。 ( 2 ) 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷可分为多晶氧化铝陶瓷和单晶氧化铝陶瓷，二者的化学成分都是 a 1 2 0 3 ，晶型为仅划2 0 3 ，属六方晶系。单晶氧化铝的许多性能如机械强度、耐酸碱 性、生物性等都优于多晶氧化铝【1 7 】。 氧化铝陶瓷包括的范围比较广，其中a 1 2 0 3 的含量在4 5 以上的均属高纯氧 化铝陶瓷，随着砧2 0 3 含量的增加，其主晶相a a 1 2 0 3 增多，瓷体的性能逐渐提高 【1 ”。铝瓷具有机械强度高、耐高温、耐化学侵蚀、生物相容性好等优良性能。高 强度的铝瓷主要用作复合瓷冠的底层材料。可通过烧结、注入、浸透等工艺用铝 瓷制成底层冠f j 纠。在作为齿科材料时，其高硬度、高强度，是其他无机质人工齿 科材料所不及的。但氧化铝陶瓷与其他陶瓷材料一样，均属脆性材料，其弯曲强 度和韧性较低，在使用过程中易产生脆性断裂。氧化铝陶瓷的增韧方法大致可分 为两类：一类是自增韧陶瓷，主要由烧结或热处理等工艺使其微观组织内部自生 出增韧相；另一类是添加起增韧作用的第二相，纤维、晶须和颗粒增韧陶瓷即为 上海海洋大学硕士学位论文 此类【2 1 五2 1 。 ( 3 ) 氧化锆陶瓷 氧化锆，化学式z r 0 2 ，化学性能稳定，热导率低。在不同的温度下，纯z 1 0 2 以3 种同质异晶体存在，即单斜氧化锆( m - z r 0 2 ) 、四方氧化锆( t - z r 0 2 ) 和立方 氧化锆( c z r 0 2 ) 2 0 - 2 。 氧化锆陶瓷具有比氧化铝陶瓷更好的机械性能、弯曲强度、杨氏模量及韧性。 氧化锆作为齿科修复材料是在2 0 世纪末发展起来的，其作为齿科修复材料的主要 特点有：良好的生物相容性，不具有生物活性：可通过各种氧化锆相变增韧机理 来提高韧性，但抗磨损性低；更接近自然牙颜色和光泽；低热导率；良好的成型 性【1 6 1 。 ( 4 ) 玻璃陶瓷 玻璃陶瓷又称微晶玻璃，它是玻璃经微晶化处理制得的多晶固体。玻璃陶瓷 与玻璃的不同处在于，玻璃由无定形或非晶态的玻璃相组成；玻璃陶瓷则是由一 种或数种结晶相和残存玻璃相组成。结晶相均匀地分布在玻璃基质中，而结晶相 在数量上多于玻璃相【1 7 1 。齿科现用微晶玻璃有可铸造微晶玻璃、可切削微晶玻璃、 注入型微晶玻璃、植入型微晶玻璃等。由于在玻璃基质中分散有不同类型的结晶 相，改善了材料的内部结构，从而提高了其抗折性能【1 蟠】。 ( 5 ) 白榴石 白榴石是架状铝硅酸盐类的白榴石族中的一种。分子式为k a i s i 2 0 6 ，无色或 带浅黄、浅灰色调的白色，透明至半透明，有玻璃光泽。晶体结构属四方晶系， 常呈假等轴晶系状态。天然白榴石的储量少，目前烤瓷材料中引入的白榴石都是 依靠人工合成，主要方法包括固相法、熔盐法、共沉淀法、水热法和溶胶凝胶法【2 4 】。 分散在金属基烤瓷修复体中的白榴石可以提高基体的膨胀系数，使其与金属 基体的热膨胀系数相匹配，而且可以通过第二相弥散增韧来提高基体的强度。通 过调节瓷粉中白榴石的含量提高材料的热膨胀系数，从而一定程度上改善金属与 烤瓷间的热匹配性问题。因此，自榴石对烤瓷体来说是至关重要的。同时，烤瓷材 料中大量自榴石微晶存在也可以散射可见光，增加材料的乳浊度，从而满足自然 牙的半透明度和色泽【2 5 】。研究表明【2 5 】，材料中自榴石的含量和晶粒大小均对陶瓷 材料的强度有显著影响。 ( 6 ) 尖晶石 尖晶石族矿物，等轴晶系，在自然界中形成于熔融的岩浆侵入到不纯的灰岩 或白云岩中经接触变质作用形成的。有些出现在富铝的基性岩浆岩中。晶体形态 4 上海海洋大学硕士学位论文 为八面体及八面体与菱形十二面体的聚形。有无色、粉红色、红色、紫红色、浅 紫色、蓝紫色、蓝色、黄色、褐色等，贝壳状断口1 2 u j 。 尖晶石被添加于齿科陶瓷中通常是为了提高齿科陶瓷的透明度【16 。本试验所 采用的试验材料之一，就是v i t a 公司的i n - c e r a ms p i n e l l ，其组分中含有镁铝尖 晶石。镁铝尖晶石作为晶界相，能较好地阻止裂纹的扩展，起到颗粒增韧的效果。 这是因为晶界相镁铝尖晶石的热膨胀系数与主晶相刚玉相的热膨胀系数存在差 异，在瓷体冷却过程中产生，晶界应力，对陶瓷起到强化、增韧的效果。晶界应 力与外加应力的作用结果，能起到能量吸收、转移或消耗的效果，使晶粒不易脱 落，从而提高了陶瓷的耐磨性【l 叭7 1 。 1 2 2 2 齿科全瓷修复材料 目前在临床上普遍应用的烤瓷熔附金属材料，是在金属底层表面熔附一种性 能相匹配的瓷料，虽然能够兼具陶瓷和金属的优点，但是由于烤瓷熔附金属修复 体的基底结构是不透光的金属，光线不能在基底中传导，直接影响了饰面瓷的透 光性，使制作的修复体缺乏自然牙的活力，同时，烤瓷合金中的金属离子不仅能 使瓷修复体产生褪色，而且部分患者对金属过敏，这些因素的存在促使了齿科全 瓷修复材料的研制【1 8 】。 齿科全瓷修复材料是指用于制作全瓷冠、瓷嵌体、瓷贴面等无金属美学修复 体陶瓷材料的总称。用于齿科修复的全瓷材料可分为烧结全瓷材料和铸造陶瓷两 类。在本文中进行试验的齿科全瓷修复材料主要有粉浆涂塑全瓷材料i n c e r a m 系 列的玻璃渗透尖晶石陶瓷和玻璃渗透氧化铝陶瓷，以及v i t ab l o c s 系列的m a r k 和t r i l u x e 两种产品，下文将着重作介绍。 ( 1 ) 粉浆涂塑全瓷材料 由德国v i t a 公司和法国s a d o u n 公司共同研制开发并改进了粉浆涂塑技术， 并研制出一种高强度的全瓷冠，商品名为i n - c e r a m ，是烧结全瓷材料的一个特殊 种类。i n c e r a m 技术是采用粉浆涂塑技术成形，在耐火代型上将液状烤瓷粉浆涂 塑，耐火代型上的孔隙能够经毛细管作用虹吸粉浆中的水分，使涂塑体致密，形 成冠核，之后将其连同耐火代型一起于高温下烧结，通过烧结使烤瓷粉粒表面初 步熔接，形成一个稳定的立体网络结构。随后再于高温下使熔融的玻璃经毛细管 作用渗入瓷粉颗粒之间的孔隙中，形成网状交联结构。最终修复体孔隙变小，形 成相互渗透相复合体，使材料具有良好的物理机械性能，并使陶瓷由不透光变为 透光，由单色变为牙本质色i l 引。 粉浆涂塑全瓷材料主要包括德国v i t a 公司的玻璃渗透氧化铝陶瓷( 代表产品 i n c e r a ma l u m i n a ) 、玻璃渗透失晶石陶瓷( 代表产品i n c e r a ms p i n e l l ) 茅1 玻璃渗透氧 5 上海海洋大学硕士学位论文 化锆陶瓷( 代表产品i n c e r a mz i r c o n i a ) 。i n c e r a m 相对于传统的烤瓷熔附金属修复 体可明显改善光反射性能，并且陶瓷底层有半透明性而使色泽更自然逼真。修复 体底层陶瓷的强度较高，基本解决了以往全瓷材料强度低的问题，不仅可以制作 嵌体、前后牙冠，还可以作为前后牙桥的修复材料。并且有很好的生物相容性和 边缘适合性，成本低，临床成功率高i i s - 1 9 。 ( 2 ) v i t ab l o c s 系列烤瓷材料 m a r ku 和t r i l u x e 系列都属于v i t ab l o c s 系列材料。其最主要优点是在完 成磨削操作后，只需将修复体再进行研磨和抛光，或者上釉和戴入。v i t ab l o c s 系列材料提供了一种快捷美观制作全瓷的单个牙修复体的方法。 m a r ki i 系列切割瓷块具有良好的抛光性能和优良的类搪瓷的磨损特点。m a r k 系列是一种精细结构钾长石陶瓷，高度半透明，与天然牙质相匹配。 t r i l u x e 系列切割瓷块是在同一个瓷块上整合了不同程度的颜色饱和度的齿科 修复材料，因此不必再花费时间单独进行涂层加工，牙科技师可以制作多种修复 体：颈瓷、体瓷和釉瓷。是可以量体裁衣制作的瓷料。利用这种材料制作的修复 体可以与不同的口腔环境相匹配，尤其是在颜色上与天然牙齿几乎没有区别，不 同色度的区块都具有良好的磨削性能【1 7 - 1 9 。 ( 3 ) 其它齿科全瓷修复材料简介 烧结全瓷材料还有传统长石质烤瓷全瓷材料、白榴石增强长石质烤瓷、氧化 铝基烤瓷、高纯铝瓷和镁基核瓷。长石质烤瓷材料色泽美观，化学性能稳定，生 物相容性良好，能长期耐受1 ：3 腔环境的唾液和微生物的作用不发生变化。氧化铝 基烤瓷是在长石质烤瓷的基础上发展而来的，机械强度明显高于长石质烤瓷。高 纯铝瓷通常是指氧化铝含量大于9 5 的陶瓷，商品名为p r o c e r a a l l c e r a m ，机械强 度高。镁基核瓷成分基本和氧化铝基烤瓷相同，只是由镁代替了铝，适合于制作 大多数前牙冠，但不能用于桥体制作f 】3 】。 铸造陶瓷分铸造玻璃陶瓷和热压铸瓷材料。铸造玻璃陶瓷具有较好的物理机 械性能，化学性能稳定，生物安全性好，美学效果突出，修复体制作复杂、技术 要求高，主要用于全冠、贴面、嵌体及高嵌体的制作。热压铸瓷材料具有与天然 牙相似的光学性能，机械性能高，但脆性较高，生物相容性好，成形阶段体积收 缩小，制作简单快捷【l8 1 。 i 2 3 陶瓷材料的加工 陶瓷材料种类繁多，制品形状各异，其制造工艺多种多样，一般是将粉末进 行冷压成型、高温烧结或热压烧结后再加工成制品。通常可概括为四个阶段：配 料一粉末成型烧结- 力日工。其中每一过程均影响制品的最终性能。即使陶瓷配料坯 6 上海海洋大学硕士学位论文 是由微米级超细粉体组成的，其质量也难以控制。由于粉末完全无可塑性，为了 成型，除了粘合剂以外必须添加各种成型添加剂。未烧结的成型材料在烧结过程 中通常会收缩约2 0 ，引起制品的尺寸偏差和变形。在烧结后进行精加工，其加 工性能又很差。由于这种原因，以往陶瓷制品的形状大多比较简单，制品的使用 功能也较单一。但近年来，陶瓷材料的应用日益广泛，其制造工艺也有了很大的 改进阴。 1 2 3 1 陶瓷材料的传统加工技术 陶瓷材料的加工可根据材料的种类、工件的形状、要求加工精度、表面粗糙 度、加工效率和加工成本等因素选择不同的加工方法。常见的陶瓷材料加工主要 有以下类别：机械加工、电火花加工、化学机械加工、激光等离子加工、超声波 加工、高压磨料水射流加工以及各种复合加工工艺圈。机械加工是陶瓷材料的传 统加工技术，也是应用范围最广的加工方法。机械加工主要是指对材料进行切削、 磨削、钻孔等。 ( 1 ) 切削加工 陶瓷材料的切削加工主要是利用金刚石、立方氮化硼、硬质合金刚等超硬刀 具对陶瓷材料进行平面加工，通常采用湿法切削，即不间断向刀具喷射切削液。 切削液的主要目的是带走切削碎屑、减少刀具与材料的磨擦，降低刀具和加工材 料的温度，延长刀具使用寿命，减少材料表面损伤等。在加工过程中，材料表面 受到机械应力作用，容易在材料表面产生凹坑、崩口、表面及表下层微裂纹。刀 具、切削液的选择、刀具切削进给速度、进给量等工艺参数的优化，是陶瓷材料 切削加工的热点问题【7 捌。 切削脆性材料的实质是刀具在零件表面刮磨。当切削深度和进给量较大时， 在加工表面留有以裂痕和龟裂状为主的加工损伤，影响零件的强度。刀具的前角 愈小，裂痕愈严重。由于材料在加工变形时裂纹方向不稳定，会在材料表面产生 微小的且方向不能控制的加工裂纹，并在材料表面产生脱落性缺陷，影响材料的 加工质量。利用切削液可以减少刀具的磨损。切削速度大，由于高速切削时刀尖 与被切削层接触点切削温度高，高温时陶瓷材料的脆性降低，塑性增加，切削性 能得到改善，切削过程较稳定，表面质量好。实际应用时可采用高的切削速度、 大前角刀具、小切削深度和进给量来减小由于材料的脆性不稳定迸裂产生的微裂 纹和表面疤痕损伤，提高表面加工精度和材料的加工质量1 2 6 - 2 7 】。 ( 2 ) 磨削加工 磨削加工作为陶瓷材料的主要加工手段，是借助于砂轮表面大量磨粒作切刃 去除材料的种方法【2 引。陶瓷磨削中磨屑的处理是个大问题，一般采用冷却液冲 上海海洋大学硕士学位论文 洗，不仅可以冲走磨屑，而且可以降低磨削温度，提高加工质量，降低砂轮损耗。 一般选用清洗性能好、粘度低的磨削液。另外，砂轮的选择对陶瓷加工影响极大。 磨粒的大小也是影响陶瓷加工表面质量的重要因素，通常磨粒越小，加工表面粗 糙度越低，但砂轮的磨削比降低【刀。自上世纪8 0 年代以来，国内外学者集中研究 了陶瓷的磨削加工机理、加工工艺、加工设备、磨削力、磨削热、砂轮磨损及修 整等问题，并提出了一些新的磨削加工工艺，研制了高效精密磨床和磨削中心， 在陶瓷产品开发、应用以及提高加工效率、改善加工质量等方面取得了一定研究 成果 2 9 - 3 1 1 。 磨削加工效率通过材料磨除率( 单位时间内磨除材料的体积) 来衡量。为了 提高磨削效率，目前国内外学者相继提出并开发了高速磨削f 3 2 】、缓进给磨削【3 3 1 、 恒压力磨削踟、高速深磨加工1 3 习及高速往复磨n e 3 6 1 等高效磨削工艺，在一定程度 上实现了陶瓷材料的高效加工，尤其是近年来提出的高速深切磨削使磨削加工实 现了高效优质的结合。高速深磨加工综合了高速磨削、缓进给磨削的特点，采用 超硬磨料砂轮和可靠实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以 大的切削量实现材料的局部微脆性裂纹与塑性断裂的复合方式去除，达到提高材 料切除率、加工精度和加工质量的目的。随着特种加工技术的发展，激光、超声 波、磁力等技术也相继应用到陶瓷材料的磨削加工领域，形成了激光预热辅助磨 削、磁力磨削、超声磨削等复合磨削加工技术，进一步提高了加工效率，改善了 加工后材料的表面质量，是陶瓷材料加工技术发展的趋势 3 0 - 3 。 ( 3 ) 研磨和抛光加工 研磨和抛光是重要的陶瓷材料加工方法，早已用于球面、圆柱面等简单成型 表面的加工。研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作 用以达到加工效果的一种超精加工方法。研磨采用铸铁等较硬的具有数微米以上 的磨粒，抛光采用软质抛光器和细粉磨粒在较低的压力下加工【7 】。从材料的去除机 理上看。研磨加工是介于脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法，而抛光加工