4种齿科CAD_CAM陶瓷材料的可加工性能研究.pdf

种齿科 陶瓷材料的可加工性能研究 黄慧 张富强 姚自栋 张骋 上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔修复科 上海口腔医学研究所 上海 上海应用技术学院材料工程系 摘要 目的 对 公司生产的 种不同齿科 陶瓷材料的可加工性能进行比较实验 以明确不同 材料可加工性能上的差异 方法 选择临床上常用的 种 可切削陶瓷材料 和 主要成份分别为 长石质瓷 氧化铝和镁铝尖晶石 采用磨削 钻削和切削 种 加工方法 在相同的实验条件下 检测 种陶瓷材料的磨削深度和切削面积 计算 种材料单位时间的去除率 同 时在扫描电镜下观察切削面的形貌 并用表面粗糙度仪测试切削面的粗糙度 结果 在 种加工方式中 的加工效率最高 与另外 种材料之间存在统计学差异 切削面的表面粗糙度长石质瓷较 和 低 长石质瓷的切削面细致均匀 能清晰地看到切削所留下的规整而细致 的划痕 而 和 切削面无明显划痕 呈多孔结构 表面凹凸不平 结论 采用 技术的齿科修复陶瓷较长石质瓷具有更好的可加工性能 关键词 齿科陶瓷 可加工性 磨削 切削 钻削 中图分类号 文献标识码 文章编号 计算机辅助设计与制作 技术近几 年来在临床上的应用越来越广泛 各个公司也相 继推出了多种品牌的可切削瓷块 以满足临床不同 的使用要求 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的 核心技术 一方面可以根据被加工材料可加工性的 难易程度 确定适合的工具参数和工艺参数以及其 基金资助 上海市科委基金资助项目 齿科精细陶瓷可加工性检测 方法研究 编号 上海市重点学科建设项目资助 编号 作者简介 黄慧 湖北人 博士 副主任医师 主要从事口 腔修复学研究工作 通讯作者 张骋 他加工条件 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与制 备工艺 满足材料的机械加工要求 因此 通过对陶 瓷材料可加工性的系统研究 指导临床上加工参数 的选择与新型材料的设计 实现陶瓷材料加工性能 与使用性能的协调统一 材料的可加工性主要通过 材料的性能参数进行评价 如硬度 抗拉强度 延伸 率 冲击值和热导率是影响金属材料可加工性的 个主要性能指标 对于陶瓷材料 到目前为止 还没 有一种能全面考虑各种影响因素的可加工性评价方 法 陶瓷材料坚硬 耐磨 且在制备烧结时会有形状 上的变形和尺寸上的收缩 故需留有较大的加工余 口腔医学研究 年 月第 卷第 期 量 陶瓷材料内部结构复杂 缺陷和孔隙分布不均 匀 所形成的应力集中使得宏观性能表现为硬脆 而陶瓷材料内部牢固而稳定的结构所导致的低韧性 又使其不能像金属和高分子材料那样成型和加工 而齿科陶瓷所需要的加工精度更高 加工形状复杂 和不规则 所以加工难度和加工成本更高 本实验 通过 种加工实验比较 种齿科 陶瓷 的可加工性能 并探究齿科陶瓷的加工效率与加工 性能之间的关系 以指导临床应用与材料设计 材料与方法 实验材料 德国 公司出品的 种常用 的齿科 可切削陶瓷瓷块各 块 尺寸均 为 分别用于下面 的磨削 钻削和切削实验 商品名 主要组分和实验 编号分别为 钾长石 长石质 瓷 氧化铝 镁铝尖晶石 磨削实验 采用 公司生产的 专用精细磨削的磨针 直径 夹在轻 型台钻 型号 滕州市大同机床厂 的钻夹头 上 以 的恒定转速 的恒定载力 图 对 种齿科 陶瓷材料进行凹槽 磨削实验 磨削时间 通过秒表精确控制加工 时间 用游标卡尺 精度 测量磨 削的宽度和深度 计算材料单位时间的去除率 公式 为 磨削效率 宽度 深度 每个试 件测试 次 每次测试均换用新磨针 图 磨削实验示意图 钻削实验 采用轻型台钻 将试件夹持固定的 台钻夹头上 测试面与钻头垂直 以直径 的 硬质合金钻头分别对 种 陶瓷材料进 行钻削实验 钻头转速 钻削时间 固定钻床对试样所施加的载荷 以保持恒定的轴 向钻削 力 实验结束 后 精 密 线 切 割 机 美国 切割试件 暴露钻孔直径线 用 游标卡尺测量每个试件的钻孔深度 并计算材料去 除率 公 式为 钻 削 效 率 深 度 每个试件测试 次 每次测试均换用新钻头 切削实验 采用内圆切割机 型 西北机器厂 厚度的不锈钢刀片 刃口 磨料为金刚石 粒度为 目 刃口厚度 切削刀片以 的恒定转速旋转 试样以恒 定为 的切削加载力向刀片旋转的法向平行切 入直至断裂 用秒表记录 种不同的齿科 陶瓷的切削时间 并用游标卡尺测量和计算 切削面积 计算公式为 切削效率 瓷块长 宽 切削时间 各组试件重复 次 取均值 切削完 成后用表面粗糙度仪 型 德国 测 量切削表面的粗糙度 将传感器置于试件表面的 不同位置测试 每个试件测 次 组实验试件中 随机分别选取一个切削断面置于环境扫描电子显微 镜 荷兰 下观察断裂面的显 微形貌 采用单因素方差分析对测试结果进行统计 学分析 结果 磨削实验结果 组齿科 陶瓷材 料的磨削深度和磨削效率见表 结果显示在磨削 实验中 组和 组 种长石质齿科陶瓷的磨削效 率较 组和 组低 只有后者的 到 有显著 性差异 表 磨削实验中 组试件的磨削深度和磨削效率 珚 组别磨削深度 磨削效率 表 钻削实验中 组试件的钻孔深度和钻削效率 珚 组别钻孔深度 钻削效率 钻削实验结果 组齿科 陶瓷材 料的钻孔深度和钻削效率见表 钻削实验中 组的钻削效率最高 与其余各组之间有显著性差异 组最低 组和 组之间无明显差 异 表 切削实验中 组试件的切削时间和切削效率 珚 组别切削时间 切削效率 切削实验结果 组齿科 陶瓷材 料的切削时间和切削效率见表 切削实验中 组的切削效率最高 与其余各组之间有显著性差异 组最低 其余 组之间的差异不明 显 组齿科 陶瓷材料切削面的表面 粗糙度如下 组 组 组 组 组和 组 的表面粗糙度低 组和 组的表面粗糙度大 种齿科 陶瓷材料切削面的 照片如 图 所示 组和 组呈晶体结构 表面细致均 匀 能清晰地看到切削所留下的规整而细致的划痕 而 组和 组无明显划痕 呈粉末堆砌状的多孔结 构 表面凹凸不平 图 种齿科 陶瓷材料切削面的 照片 讨论 齿科陶瓷具有的高强度 耐磨耐腐蚀 优良的美 观性能和生物安全性等优点 已经广泛应用于口腔 修复临床 加工方式主要有 铸造成型 玻璃渗透和 加工 技术具备快捷 高精 度 节约劳动成本等优势 但由于陶瓷晶体的化学键 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 而成为难加工材料 特别是齿 科陶瓷一般具有高强度 高致密性和高韧性 对加工 精度的要求高 加工件形态复杂等特点 使得加工难 度大 仪器设备要求高和费用昂贵 实验中选择的 种 可切削陶瓷材 料是现阶段临床上常用的品种 其中 和 属于 系列材料 主要优点 是在完成磨削加工后 只需将修复体抛光或者上釉 即可戴入 和 系列切割瓷块是一 种钾长石陶瓷 高度半透明 具有良好的抛光性能和 优良的磨损特性 同一个瓷块上具有不同 程度的颜色饱和度 具备颈瓷 体瓷和切端瓷的颜色 特点 因而美观效果更好 修复体的层次感更强 和 材 料可以先进行加工成形 再通过渗透烘烤 使熔融的 玻璃料通过毛细作用渗入氧化铝颗粒之间的孔隙 中 形成复合的网络结构 以达到较高的强度和力学 性能 做到可加工性能和力学性能的兼顾 这两种瓷 块是用工业方法制成的成品 具有很强的毛细管作 用 使玻璃渗透时间由 减少到 加 上不需翻制工作模型 制作底层模型和烧结烧烤 临 床上可在 内作出 单冠 主要由 构成 氧化铝的含量约为 弯曲 强 度 左 右 断 裂 韧 性 为 是以镁铝尖晶石为 主晶相的渗透尖晶石瓷 加入镁铝尖晶石的目的是 改善材料的透明度 抗弯强度为 左右 低 于 齿科陶瓷 加工的根本目标 就是在 保持材料表面完整性和尺寸精度的同时具有最大的 加工效率 陶瓷在磨削加工过程中的材料去除机理 主要有下面 种 脆性去除机理 材料脆性去除 是通过空隙和裂纹的成形或延展 剥落及碎裂等方 式来完成的 主要有以下几种 晶粒去除 以整个晶 粒从工件表面上脱落的方式被去除 材料剥落 磨 削过程中所生的横向和径向裂纹的扩展而形成局部 剥落 脆性断裂 晶界微破碎和材料晶粒状错位等 粉末化去除机理 在精密磨削过程中 当磨削深 度在亚微米级时 碎裂和破碎不会发生 此时主要产 生材料粉末化现象 磨削过程中磨粒会引起流体静 态压应力 该压应力所包围的局部剪切应力场引起 晶界或晶间微破碎 从而产生材料粉末化现象 塑性去除机理 主要是指陶瓷的延性域磨削 材料 以剪切切屑成形方式去除 压痕断裂力学模型预测 口腔医学研究 年 月第 卷第 期 了产生横向裂纹临界载荷 在低于这一临界载荷加 工条件时 材料将以塑性变形去除为主 当磨粒的切削刃切入工件引起的应力场比缺陷 小时 材料将以塑性变形的方式被去除 相反当应力 场大于缺陷时 裂纹扩展引起局部集中的脆性破坏 将起主要作用 由于砂轮上磨粒的钝锐 高度分布 之别 各个磨粒的磨削深度不同 使得陶瓷材料通过 脆性破坏和塑性变形的共同作用而被去除 当金刚 石磨粒切入工件时 磨削刃前方的材料受到挤压 当 压力超过陶瓷材料承受极限时 材料被压溃 形成碎 屑 另一方面 由于压应力和摩擦热的作用 磨粒下 方的材料会产生局部塑性流动 形成变形层 当磨 粒划过后 由于应力的消失 引起变形层从工件上脱 离形成切屑 陶瓷材料可加工性能的影响因素很多 主要取 决于材料的力学性能 利用陶瓷材料的硬度 断裂 韧性 弹性模量等性能参数 对材料的磨削加工性进 行评价是可行的 陶瓷材料的硬度越高 切削力越 大 刀具磨损快 磨削加工性能越差 断裂韧性越大 裂纹扩展阻力越大 材料越难去除 弹性模量越大 材料易于在局部产生应力集中 导致裂纹扩展形成 崩碎的粉状切屑 材料的磨削加工性能越好 在磨削 钻削和切削 种加工方式中 采用渗透 加工技术的 的加工效率均为 最高 因为是瓷粉颗粒初步熔结的预烧结材料 尚没 有完全致密 因而具有更好的可加工性能 但同样 采用渗透加工技术的 则只在磨 削实验中的加工效率高于 和 而 在钻削和切削实验中的加工效率与长石瓷之间无明 显差 异 分 析 其 中 的 原 因 可 能 是 中的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 使晶粒不易脱落 从 而提高了陶瓷的耐磨性 因而 的加工效率低于 和 两种长石质瓷材料的去除 方式主要是脆性断裂 在晶粒去除过程中 材料主要 以整个晶粒从工件表面上脱落的方式被去除 表面 有明显的以裂纹和龟裂为主的表面损伤 材料加工 过程中的裂纹会引起应力集中 使裂纹末端应力更 大 当该处应力超过裂纹扩展临界值时 裂纹就会 扩展引起工件的破坏 从而会影响材料的强度 但 加工方式是否会影响到修复体的最终 强度与使用寿命尚需要深入的研究 而 和 是粉末预烧结材料 材料的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 而且修复体还需要进行玻 璃渗透加工 熔融的玻璃料通过毛细作用渗入氧化 铝颗粒之间的孔隙中 形成复合的网络结构并达到 最终的强度 因而 加工对 系列瓷块强度的影响较小 结论 种加工方式中 的加工 效率最高 与另外 种材料之间存在统计学差异 的加工效率次之 长石 质瓷的加工效率低于 系列陶瓷 切削 面的表面粗糙度长石质瓷较 和 低 长石质瓷的切削面细致均 匀 能清晰地看到切削所留下的规整而细致的划痕 而 和 切削 面无明显划痕 呈多孔结构 表面凹凸不平 采用 技术的齿科修复陶瓷较长石质瓷