口腔金属材料

口腔金属材料 具有良好的物理机械性能和一定的生物相容性能广泛用作口腔修复 正畸 充填和种植等材料 金属及合金材料 第一节概述 金属的特性可大致归纳为以下几点 在溶液中能被电离释放离子 离子化时形成阳离子如 a2 e3 固体状态时呈结晶 具有金属光泽 是电和热的良导体 密度大 不透明 一 金属的特性 塑性变形较大 富有延展性 金属易被氧化 氧化物多数显碱性如Fe2O3 合金化能改变其性能 二 金属的结构 晶体结点晶格晶胞 金属中的原子以 金属键 的形式结合 金属键的键能较高 依靠金属键足以把这些结点连接一起形成牢固的金属结晶 并在金属发生一定变形时不至被破坏 三 金属的熔融与凝固 金属的结晶过程分为两个阶段 在液态金属中产生结晶微粒 结晶中心或晶核 结晶中心或晶核成长 增多 直到液体完全消失 液态固态 凝固 结晶 熔融 四 合金的结构与性质 两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素熔合在一起 具有金属性质的物质 制成合金可以改善金属性能 目前在口腔临床应用的金属材料大多数为合金 概念 一 合金的结构组元 组成合金的独立的最基本的单元 可以是金属元素或非金属元素 也可以是稳定的化合物 例如铁碳合金中 纯铁和碳都是组元 二 合金的性质合金的性质与纯金属的差别 1 熔点与凝固点纯金属的熔点与凝固点为恒定不变的温度且两点温度相同 合金开始熔化与最后完全熔化的温度相差很大 在凝固时亦然 合金的熔点一般较凝固点为低 2 延性 展性 韧性合金的延性及展性一般均较所组成的金属为低 而韧性则增高 3 硬度合金的硬度较其所组成的纯金属为高 金属与合金热处理后均可改变其原有硬度 4 传导性包括导电和导热性 金属及合金均具有传导性 但合金的传导性一般均较原有金属差 其中尤以导电性减弱更为明显 5 色泽合金的色泽与所组成金属有关 6 腐蚀性金属及合金由于周围介质对它的化学作用而发生的破坏称为腐蚀 纯金属一般不易被腐蚀 对合金的腐蚀则视其结构及组成不同而各异 在合金中加入一定量的抗腐蚀元素如铬等 可提高抗腐蚀性 不锈钢等均属于此类 四 金属的形变 应力和应变 当材料受到外力作用时 材料内部所产生的与外力大小相同而方向相反的抗力 称为应力 弹性形变 当应力小时 材料可产生与原来外形不一致现象 当除去负何后 材料就可以恢复原来形状 称为弹性形变 塑性形变 当应力达到某种限度 除去负荷 材料不能完全恢复原形而产生永久变形时 这种永久性变形称为塑性形变 强度 金属材料在静外力作用下抵抗破坏和断裂的能力称为强度 五 金属的冷加工与热处理 一 冷加工金属在再结晶温度以下进行的变形加工称为冷加工 一般通过锻造 冲压 轧制 挤压和拉拔等加工过程 使金属产生塑性形变 冷加工导致 金属内部产生应变硬化硬度 强度 弹性和磁性增加延展性 韧性和抗腐蚀性降低微观来看 晶体内部晶粒破碎 晶格畸变严重 位错大量增加 上述金属在塑性形变后的组织结构是不稳定的 具有趋于结构最稳定的状态 二 热处理加热使金属的温度升高 原子活动能力增大 可使结构还原 这种对金属加热处理的方法称为热处理 1 热处理的结构变化回复再结晶晶粒长大 变形晶体内晶格畸变逐渐缩小的过程 可使变形金属的内应力下降 所需温度较低 进一步升高温度后 原子重新进行排列 金属内部出现等轴晶粒代替旧的变形晶粒的现象 回复 再结晶 温度继续升高或保温时间延长 则使晶粒互相吞并而长大 在高于再结晶温度下进行加工时 晶格也会产生滑移和塑性形变 但不产生应变硬化 这种塑性形变称为热加工 反而导致金属机械性能下降 晶粒长大 2 热处理的方法根据需要可将金属在固态下进行加温 保温和用不同的冷却方式进行例如钢的热处理可分为退火 正火 淬火 回火和表面热处理等5种方法 口腔科常用的有软化热处理 硬化热处理和消除应力热处理 六 金属的成形法 1 铸造 将熔化的金属或合金浇注到预先制成的铸型中成为铸件的过程称为铸造 临床常用的失蜡浇注法 可获得高精度的修复体 2 锻造 金属或合金在再结晶温度以下通过外力 拉 压 锤等 而产生的塑性形变称为锻造 临床常用的不锈钢丝 镍铬合金片等均是锻造而成 粉末冶金 指金属粉末经加压成形 通过烧结以提高强度 电铸 指利用电解过程 在导电性物质上镀上所需金属 铸造和锻造均为口腔临床常用的金属成形法 而粉末冶金和电铸法尚处于研究阶段 电铸可以用于金沉积冠的制作 适合性好 八 金属的腐蚀与防腐蚀 金属的腐蚀到处可见 全世界有10 的金属制件是因腐蚀而被损坏的 若用于口腔临床的金属材料被腐蚀 不但使机械性能下降 还可能给人体带来危害 因此了解金属的腐蚀和采取合理的防腐蚀措施显得非常重要 一 金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种 1 化学腐蚀化学腐蚀指金属和周围介质直接发生化学作用使金属损坏的现象 这类腐蚀的化学反应是氧化还原反应 其结果是金属表面生成氧化物等 金属腐蚀的发生程度取决于腐蚀产物 氧化膜 的结构和性质 致密 稳定的氧化膜形成后 腐蚀速度会明显减慢 如铬 铝等元素形成的氧化膜紧密稳定 若氧化膜的结构疏松 则腐蚀速度加快 并向内层扩展 如铁的氧化膜疏松 则容易被腐蚀 2 电化学腐蚀电化学腐蚀即为金属与电解质溶液相接触 形成原电池而发生的腐蚀损坏现象 在腐蚀过程中必然伴有电流产生 金属的电化学腐蚀普遍存在 如船舶在海水中的腐蚀 潮湿空气中的金属被腐蚀以及各种酸 碱或盐水溶液中金属的腐蚀等 口腔内合金的腐蚀主要是电化学腐蚀 因口腔内唾液是稀的电解质溶液 摄取的食物中可能含有大量的弱酸 弱碱性物质和盐类 停留于牙间的食物残屑分解而发酵产生的有机酸等均可构成原电池而产生电化学腐蚀 若在牙科用合金内有两种不同组成的合金相并存 则可形成原电池 在防腐蚀方面就应该注意 使合金组织结构均匀 避免不同金属的接触 经冷加工后所产生的应力可通过热处理给予减小或消除 修复体表面保持光洁无缺陷 金属内加入某些抗腐蚀元素等 二 金属的防腐蚀 第二节锻造合金 锻造18 8铬镍不锈钢 组成 碳 合金的硬度和强度 韧性 其含量低于1 7 时称为钢 高于1 7 时称为铸铁 铬 改善钢的抗氧化作用 提高钢的抗腐蚀性能 增加合金的硬度和强度 含量在 12 的钢材称为不锈钢 镍 抗腐蚀性 增加合金的强度 韧性和延展性硅 抗腐蚀性能 铁 溶剂元素 还有锰 钼 硫 磷等 锻造18 8铬镍不锈钢 性能 生物学性能 无明显毒性 抗腐蚀性能 机械性能 拉伸强度 硬度 弹性模量 延伸率等 应用 弯制卡环 锻造镍铬合金 组成 镍 铬 抗腐蚀性 铬能 强度和硬度 镍 韧性 铜 流动性 改善焊接性能 其它 锰 硅 碳 磷 硫 锻造镍铬合金 性能 具有良好的加工性 抗腐蚀性 机械性能 生物学性能 应用 制作合金片 无缝冠 正畸托槽 锻造贵金属合金丝 性能 机械及生物学性能 应用 正畸弓丝和卡环 锻造钴铬合金丝 性能 抗腐蚀性 焊接性能 加工性能 应用 正畸弓丝和卡环 锻造钛合金丝 镍钛形状记忆合金丝 性能 记忆特性 质轻 强度高 弹性好 耐腐蚀 良好的生物学性能 加工及焊接性能差 应用 正畸弓丝 锻造钛合金丝 性能 高回弹性 良好焊接性能及成形性 应用 正畸弓丝 第三节铸造合金 铸造 是指将合金加热熔化 浇铸入预先制备好的铸型内成为铸件 成品 的过程 铸造合金的分类 高熔铸造合金 1100 以上 中熔铸造合金 500 1100 低熔铸造合金 500 以下 铸造金合金的组成 金 熔点高 拉伸强度好 铜 强度及硬度 熔点 抗沾染性及抗腐蚀性 银 金铜合金热处理的影响 降低铜红色使合金趋向淡黄色 延性 铂 钯 机械性能 使处理后的合金的强度 弹性 硬度显著增加铂 抗沾染性及抗腐蚀性 铸造金合金 其它性能 化学性能 铸造性能 温度为850 1000 易加工成型熔金流动性好 铸造收缩较小 生物学性能 铸造银合金 组成 银 钯 金 铜等 性能 银有细胞毒性 合金化后减弱 还与硫形成黑色硫化银而影响美观 应用 主要用于冠桥修复体 铸造铬镍不锈钢 种类 低铬不锈钢 马氏体不锈钢 常用于制作较高硬度和耐磨性的医疗器械 高铬不锈钢 纯铁素体不锈钢 含碳量少 抗腐蚀性比一类高 但强度 硬度低 不能硬化 多作为设备用 镍铬不锈钢 奥氏体不锈钢 具有良好的抗腐蚀性及延展性 修复用18 8铬镍不锈钢 组成 碳 与强度和硬度有关 适用于活动修复体支架或单个固定义齿铬 具有抗腐蚀性 强度 含17 19 镍 具有抗腐蚀性 韧性 含8 12 硅 钢的铸造性能 钢熔化时有去氧化 碳化 清洁作用 钢的强度 硬度 抗腐蚀性锰 钢的强度和硬度 形成硫化锰减轻硫的有害作用钛 抗腐蚀能力 修复用铸造钴铬合金 组成 钴 抗腐蚀性强 强度及硬度 铬 熔点 抗腐蚀性 含量 30 镍 塑性 熔点及强度 钼 弹性极限及延伸率 增加合金强度及硬度 锰和硅 脱氧剂 改善合金的流动性和铸造性能 碳 形成碳化物 其数量 形态及大小影响合金的机械性能 钛 作用与钼相同 镓 铟 使晶粒细化 修复用铸造钴铬合金 性能 抗腐蚀性能和生物学性能良好 强度和硬度高 延伸率稍低 耐磨性好 铸造收缩较大 应用 硬质 活动义齿大支架的整体铸造和种植体中硬质 卡环 合垫 基托或冠 桥的铸造软质 各类固定修复 铸造铜基合金 应用 用于一般的固定修复 铸造钛及钛合金的应用 口腔修复 基托 冠 桥的制作 制作种植体 用于口腔正畸 金属烤瓷合金 性能要求 合金的熔点比瓷烧成温度高 机械性能优良 合金与瓷的线胀系数相匹配 合金与瓷能牢固结合并耐久 不能生成有色的氧化物 非贵金属烤瓷合金 组成镍 73 6 87 6 熔点1455 耐腐蚀性 热导率良好 有适当的拉伸强度 伸长率 硬度和韧性铬 耐氧化钴 延展性 加工性能良好其它 钼 锰 硅 硼 铍 铁等 烤瓷合金的表面处理 目的 除去合金与瓷熔着过程中阻碍两者接触的因子加强合金与瓷的结合力 处理方法 除磨削外酸处理 盐酸 氢氟酸处理贵金属合金 四氯化碳或三氯甲烷等有机溶液处理非贵金属粗化处理 喷砂处理排气和预氧化 合金与烤瓷的熔附 化学结合力 合金表面的氧化层与瓷中氧化物 非结晶性玻璃反应而生成 机械结合力 压缩结合力 范德华力 第四节焊接与其他合金 焊接合金的性能要求 其成分 强度 色泽等应尽量与被焊接合金相接近 焊接合金的熔点必须低于被焊合金 以低100为宜 熔化后流动性大 扩散性高 能均匀达到焊接界面 且与被焊合金牢固结合 具有良好的抗腐蚀性抗玷污性 银焊合金 名称又称白合金焊 应用 焊接银合金 镍铬合金 不锈钢 钴铬合金 铜合金等 含金和钯的银合金可用于焊接金 银 钯合金 牙体修复用金属制品 固位钉的类型 粘接固位钉 摩擦固位钉 钉直径0 06cm 钉道直径0 05cm 自攻螺旋固位钉 固位钉的作用 把充填体连接到牙体组织上 并传导受力 横向固位钉可以拉住修复它和牙本质 减少劈裂趋势 修复材料有一定体积时 可增加强度 义齿修复用金属制品 桩冠修复用成品根桩分类 光滑形 槽柱形 锥形 螺纹形制成材料 不锈钢规格 前牙 直径1 2mm 1 5mm 1 8mm 长度10mm 12mm 14mm后牙 直径1 0mm 1 2mm 1 5mm 长度8mm 10mm 12mm 附着体attachment分类 按附着体的部位和形式 根内 根上附着体 杆式 按扣式 辅助固位附着体 按附着体的加工精密程度分类 精密和半精密附着体 按附着体有无弹性分类 弹性和无弹性附着体 口腔陶瓷材料 陶瓷 ceramic porcelain 概念已扩大到整个无机非金属材料 即以氧化物 氮化物 碳化物等为原料制成的无机固体材料 硬度高耐磨性好化学性能稳定广泛应用于口腔领域生物性能好着色性能好 烤瓷及金属烤瓷铸造陶瓷种植陶瓷陶瓷牙 第一节 概述 口腔陶瓷材料的结构与性能 一 陶瓷材料的结构 相组成 陶瓷材料的显微结构通常由三种不同的相组成 即晶相 玻璃相和气相 晶相 是陶瓷中原子 离子和分子按周期 有规律的空间排列而成的固体相 是陶瓷材料中最主要的组成相 陶瓷的物理 化学性质主要由晶相所决定 陶瓷材料的晶体结构比较复杂 晶相的结构与配料矿物和制作工艺有关 玻璃相 非晶态固体部分 存在于各晶粒间 对于不同陶瓷其玻璃相的含量不同 玻璃相的作用是充填晶粒间隙 粘接晶粒 提高陶瓷材料的致密程度 降低烧结温度 改善工艺 抑制晶粒长大等 气相 在陶瓷材料中起重要作用 气孔是陶瓷成型过程中残留于制品内的气体 气孔包括开口气孔和闭口气孔 气孔存在可使陶瓷机械性能显著下降 但对陶瓷材料的光学性能有很大影响 合理控制陶瓷中气孔的数量 形态和分布极为重要 二 结合键 离子键 无方向性 键强度较高 组成的陶瓷强度高 硬度高 但脆性也大 共价键 具有方向性和饱和性 因此共价晶体中原子的堆积密度较小 共价晶体键强度较高 且有稳定的结构 这类陶瓷熔点高 硬度高 脆性大 热胀系数小 口腔陶瓷多为混合键结合 三 物理性能 见下表 口腔陶瓷材料主要物理性能密度2 4 g cm3 光透过率50 2mm板 热胀系数6 10 6 8 10 6 线收缩率13 70 热导率0 042 J cm s 体积收缩率35 50 吸水率0 2 口腔陶瓷材料是热的绝缘体 热胀系数与牙体接近 但口腔陶瓷材料在烧结制作过程中 存在较大的体积收缩而影响修复体的精度 需采取必要的措施 如烧结前尽量除去水份 振荡 压缩成型 以及真空烧结等防止或减小其收缩 影响陶瓷材料透明性的主要原因是陶瓷内存在的气孔 陶瓷粉颗粒越细 气孔越小 越致密 颗粒间的接触面积越大 但在光散射作用下透明度反而降低 因此采用适当的颗粒度可调整光透过率 对于含有石英等折光率较大原料的材料 可添加一些折光率较小的成分 如白榴石 长石等 可以提高透明性 四 机械性能口腔陶瓷材料的主要机械性能见下表 口腔陶瓷材料主要机械性能压缩强度 Mpa 345 3000弯曲强度 Mpa 55 1300拉伸强度 Mpa 24 8 37 4努氏硬度 Mpa 4600 5910 KHN 口腔陶瓷材料是一种脆性材料 五 化学性能口腔陶瓷是口腔材料中化学性能最稳定的材料 均可耐受许多化学物质的作用而不发生变化 长期在口腔环境条件下 对各种食物 饮料 唾液 体液 微生物及其酶的作用 不会产生变质 变性 六 生物性能口腔陶瓷材料具有较好的生物学性能 在口腔内使用安全 无毒 特别是生物陶瓷 更应具有生物相容性 七 审美性能由于口腔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 20色系比色板 比色板 口腔陶瓷材料的分类及制品的制备 分类按性质可分为单纯陶瓷和陶瓷基复合材料氧化物系陶瓷和非氧化物系陶瓷惰性陶瓷和反应性陶瓷吸收性陶瓷和非吸收性陶瓷 按临床使用部位分为植入体内和非植入体内的陶瓷按临床用途分为烤瓷和金属烤瓷铸造陶瓷种植陶瓷成品陶瓷牙等 口腔陶瓷材料 陶瓷粉 的制备采用天然或人工合成的材料作为原材料 经高温熔融 淬冷 粉碎及混合等工艺制备成陶瓷粉 二 口腔陶瓷制品的制备1 烧结将初步烧结的陶瓷粉在低于熔点的温度下加热 获得致密高强度的结晶过程 烧结是陶瓷制品制备最关键的工艺环节 它决定了最终制品的性能 烧结过程通常伴随有气孔减少和体积收缩的变化 2 表面涂层表面涂层是采用一定的工艺手段 将某种材料均匀 等厚 紧密结合在另一种基底材料上的技术 常采用高温熔烧 等离子喷涂 热扩散 气相沉积 离子注入 溅射 真空镀膜等工艺进行涂层 烤瓷熔附金属修复体的制作 就是采用这种工艺方法 3 铸造将陶瓷材料熔融后注入铸模内 再冷却成预制体 再在特定的温度下经过结晶化处理 析出结晶相而瓷化 使材料获得足够强度 经过结晶化处理后进行铸造的陶瓷材料称为铸造陶瓷材料 目前多采用玻璃陶瓷进行铸造 其铸造工艺一般采用熔模铸造法 investmentcasting 或称为失蜡铸造法 lost waxprocess 几类口腔陶瓷材料的特征 一 长石质陶瓷结构特点 以长石为主要原料 配以石英 白陶土及少量硼砂和着色剂 少量助熔剂用以降低陶瓷的熔点 生物学性能良好 可作为烤瓷粉的材料以及制备成品陶瓷牙 陶瓷牙面等 二 玻璃陶瓷结构特点 是玻璃经微晶化处理制得的多晶固体 与玻璃的不同处在于 玻璃是由无定形或非晶态的玻璃相组成 而玻璃陶瓷则是由一种或数种结晶相和残存玻璃相组成 与人体牙 骨成分相近 可作为植入人体材料 也可作为烤瓷材料 可磨削陶瓷材料和铸造陶瓷材料使用 三 氧化铝陶瓷结构特点 分为多晶氧化铝陶瓷和单晶氧化铝陶瓷 生物学性能 单晶氧化铝表面存在一层水化膜 使其亲水性好 a Al2O3增多瓷体的性能逐渐提高 作为人工牙根种植体氧化铝渗透玻璃陶瓷全瓷冠 几种口腔陶瓷材料的物理机械性能 长石质陶瓷玻璃陶瓷单晶氧化铝陶瓷密度 g cm3 2 42 6 2 82 87硬度KH MPa 380061705910热胀系数 10 6 K 1 6 89 94 1压缩强度 MPa 345350 5003000弯曲强度 MPa 55210 250210 1300弹性模量 MPa 600001000038500 第二节 烤瓷材料 一 概念和应用范围烤瓷是指在口腔修复治疗中 直接采用各种粉状瓷料经过烧结制作陶瓷修复体的工艺过程 用于制作陶瓷修复体的材料称为烤瓷材料 又称烤瓷粉 porcelainmaterials 适用于制作嵌体 冠 贴面等修复体 二 分类和组成 一 分类烤瓷材料根据不同熔点范围分为三类 高熔烤瓷材料1200 1450 中熔烤瓷材料1050 1200 低熔烤瓷材料850 1050 按材料的成分分为二类 长石质烤瓷和氧化铝质烤瓷 二 组成 1 长石质陶瓷 feldspathicporcelain 长石 主要成分 钠长石和钾长石的混合物 构成瓷的玻璃基质 石英 骨架 提高强度 白陶土 基本成分 可塑性和结合性 不透明性 硼砂 助熔剂 还有碳酸纳 碳酸钾和硼酸钠成分 降低陶瓷熔点 着色剂 金属氧化物 组成比例变化 熔点不同性能不同 烤瓷原料组成高熔低熔长石61 60 石英29 12 碳酸钾2 8 碳酸纳2 8 碳酸钙5