瓷結(jié)合力影響研究管理論文
時間:2022-06-09 10:00:00
導(dǎo)語:瓷結(jié)合力影響研究管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳,不代表本站觀點,若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師,歡迎參考。
論文關(guān)鍵詞:結(jié)合因素影響分析
論文摘要:鈦-瓷結(jié)合理論分為機械結(jié)合和化學(xué)結(jié)合兩部分。如今普遍認為,絕大多數(shù)鈦-瓷修復(fù)系統(tǒng)的結(jié)合主要靠化學(xué)結(jié)合,個別系統(tǒng)主要為機械結(jié)合。合金的氧化行為決定了其與瓷結(jié)合的潛力,表面有強附著性氧化膜的合金能與瓷形成良好的結(jié)合,而氧化膜附著性差的合金與瓷的結(jié)合力也差。不形成外在氧化膜的合金,如銀-鈀合金,其金-瓷結(jié)合則為機械結(jié)合。鈦-瓷之間的結(jié)合主要靠化學(xué)結(jié)合,鈦的氧化行為是影響鈦-瓷結(jié)合力的主要因素。影響鈦-瓷結(jié)合力的另一個主要因素,是由于金-瓷熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的瞬時熱應(yīng)力和殘余熱應(yīng)力。
一、鈦的氧化行為對鈦-瓷結(jié)合力的影響
鈦在低于800℃時,短時間內(nèi)可形成緊密粘附于其表面的氧化膜,而在高溫下則會形成多孔的、缺乏粘附力的氧化膜。因此,對于鈦氧化行為對鈦-瓷結(jié)合力的影響必須考慮到以下因素。
1.升溫時氧化層的形成。氧作為溶質(zhì)特別是在高溫條件下很容易溶入鈦中,而少量的O2溶入Ti中便可明顯地改變Ti的性能。Adachi等觀察了純鈦和Ti-6Al-4V合金在650℃至1000℃升溫過程中的瞬時氧化行為,發(fā)現(xiàn)710℃時Ti的氧化膜已有相當?shù)暮穸取?50℃時Ti為紫色到蘭色,提示氧化膜厚度為32nm;而Ti-6Al-4V表面只呈黃色到金黃色,提示氧化膜厚度僅有11nm。在1000℃時,二者的氧化膜厚度均為1000nm且從金屬表面剝脫。該實驗同時說明,即使在低于800℃時熔附瓷也不能消除氧化過程。用熱動力學(xué)方法觀察,基于Ellinghum′s曲線在700℃~1000℃時Ti/O2的溶解平衡,要求氧的壓力為10-30~10-42個大氣壓。因此,用現(xiàn)有的牙科真空烤瓷爐,在如此低的氧壓下防止過度氧化,幾乎是不可能和不現(xiàn)實的。鈦表面高溫氧化的最常見氧化物是TiO2,所以TiO2必然成為鈦-瓷修復(fù)系統(tǒng)的結(jié)合介質(zhì)。
2.自身氧化層與鈦的結(jié)合。Menis等曾將一種低熔瓷在800℃時熔附于鑄鈦表面,發(fā)現(xiàn)其結(jié)合力雖然與普通瓷與Ni-Cr的結(jié)合力相當,但金瓷分離發(fā)生在氧化物與金屬界面間,提示氧化物與鈦的結(jié)合力較低。Yilmaz的氧化膜結(jié)合力實驗顯示,Ti的低溫氧化膜結(jié)合力(39.1N/mm2)明顯大于Ni-Cr合金(32.1N/mm2);Ti樣本的斷裂面均位于氰基丙烯酸粘固層內(nèi),說明Ti氧化膜結(jié)合力高于氰基丙烯酸粘固劑的粘著力。Adachi等的研究發(fā)現(xiàn),鈦與Ti-6Al-4V合金低溫氧化的樣本經(jīng)多次模擬烤瓷程序的燒烤后,其氧化膜的結(jié)合力明顯下降。以往認為在高溫時TiO2不能形成保護性膜,是因為氧化膜內(nèi)形成向內(nèi)增長的應(yīng)力,當氧化膜接近1000nm厚時,應(yīng)力的增長明顯超過了膜的強度,導(dǎo)致了膜的折裂并將新的金屬面暴露于大氣中。然而,Whittle和Stringer在分析了不同氧化膜結(jié)合模型的實驗結(jié)果后,認為任何一種試圖通過釋放應(yīng)力或杜絕應(yīng)力形成以改善氧化物的結(jié)合模型都不能被完全接受。氧化物與其底層金屬的結(jié)合明顯地依賴于氧化物與金屬間形成的原子鍵。鈦在高溫時形成疏松的TiO2膜,氧和鈦離子可通過此膜擴散,氧化膜下的金屬表面繼續(xù)氧化,致使氧化膜增厚。陽離子通過氧化膜向外擴散的結(jié)果是使金屬內(nèi)部出現(xiàn)晶格缺陷,若不阻止這些晶格缺陷的形成,氧化膜則將發(fā)生剝脫。因此,氧化物中應(yīng)力的增長可能是這一過程的結(jié)果,而陽離子通過氧化膜向外擴散伴隨著金屬支架內(nèi)部晶格缺陷的形成,才是導(dǎo)致氧化膜脫落的真正原因??梢哉J為,低溫氧化的試件經(jīng)多次模擬烤瓷程序的燒烤后,其氧化膜結(jié)合力明顯下降是繼續(xù)氧化所造成的。
3.瓷與鈦自身氧化層的結(jié)合。鈦與瓷屬于化學(xué)結(jié)合,其結(jié)合力有賴于瓷與氧化層及氧化層與金屬的結(jié)合力。目前尚無法測定瓷與鈦自身氧化層的結(jié)合力,有實驗發(fā)現(xiàn)鈦瓷之間的斷裂絕大多數(shù)發(fā)生在氧化層與金屬間的界面;也有實驗發(fā)現(xiàn)鈦瓷之間的斷裂全部發(fā)生在氧化層內(nèi),說明瓷與氧化層的結(jié)合力至少大于氧化物與金屬的結(jié)合力及氧化膜自身的強度。Kononen研究發(fā)現(xiàn)鈦氧化膜與瓷在烤瓷溫度下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對鈦瓷結(jié)合有重要影響。他采用熱力學(xué)計算法得出Ti-Si-O在1023K時的反應(yīng)平衡相,基于熱力學(xué)計算和雙向擴散實驗得出該系統(tǒng)最可能的擴散途徑是:SiO2-Ti5Si3(O)-Ti(O),即反應(yīng)層由鈦的氧固溶層和含氧的硅化物層(富硅層)組成,硅化物可能是Ti5Si3(O)。這一結(jié)果也得到反應(yīng)區(qū)化學(xué)成份分析結(jié)果的支持并發(fā)現(xiàn)鈦的氧固溶層比硅化物層厚得多。可以認為,以SiO2為基質(zhì)的牙科陶瓷材料與純鈦在給定的時間和燒烤溫度(720℃~750℃)下接觸時,鈦自身氧化膜和瓷層中的氧化物都將發(fā)生分解,分解的元素溶入鈦中并與鈦元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),所形成的反應(yīng)層(氧固溶層和富硅層)在熱應(yīng)力下容易折斷是鈦瓷結(jié)合力低的重要原因。建議在鈦瓷修復(fù)體制作過程中合理控制鈦瓷間的化學(xué)反應(yīng)。
綜上所述,氧化膜是鈦瓷結(jié)合的薄弱層,鈦在高于800℃時形成的多孔、粘附性差的氧化膜是鈦瓷結(jié)合失敗的主要原因。所以,控制鈦在高溫時的氧化反應(yīng)是決定鈦瓷修復(fù)成敗的重要因素,具體方法有:①降低烤瓷溫度,以710℃為最理想;②降低高溫時烤瓷爐的氧分壓;③對鈦表面進行處理以防止氧化,如鈦表面噴涂或電鍍Cr及使用粘結(jié)劑等。
二、殘余熱應(yīng)力對鈦-瓷結(jié)合力的影響
金-瓷系統(tǒng)在高于瓷熔點的溫度時,瓷為熔融狀態(tài),金-瓷界面間不存在應(yīng)力。當溫度從熔點下降時,由于熱膨脹系數(shù)不同,界面間產(chǎn)生的應(yīng)力稱為瞬時熱應(yīng)力,瞬時熱應(yīng)力會導(dǎo)致瓷裂的發(fā)生。若冷卻過程中未發(fā)生瓷裂,瞬時熱應(yīng)力則殘留于系統(tǒng)內(nèi)部被稱為殘余熱應(yīng)力,導(dǎo)致遲發(fā)性瓷裂。金-瓷系統(tǒng)熱膨脹系數(shù)差(△α)可為正數(shù)(α金>α瓷)或負數(shù)(α金<α瓷)。當△α>0時,修復(fù)體冷卻時金屬收縮大于瓷收縮,在瓷中形成壓應(yīng)力,由于瓷具有較強的抗壓能力,該壓應(yīng)力不會引起瓷裂,反而對金瓷結(jié)合有利。相反,當△α<0時,修復(fù)體冷卻時金屬收縮小于瓷收縮,在瓷中形成張應(yīng)力,由于瓷的抗張強度低,該張應(yīng)力則易導(dǎo)致瓷裂發(fā)生。對于大多數(shù)金屬,在低于熔點的任何溫度范圍其熱膨脹系數(shù)變化均很小;而瓷的膨脹則不同,瓷在不同的溫度下膨脹系數(shù)不同,因此瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)不可能嚴格匹配。調(diào)節(jié)金屬和瓷的熱力學(xué)行為,以保證在修復(fù)體冷卻過程中形成的瞬時熱應(yīng)力和殘余熱應(yīng)力足夠小且具有適當?shù)姆较?對于避免發(fā)生即刻或遲發(fā)性瓷裂是非常重要的。在完成的修復(fù)體中瓷受輕微的壓應(yīng)力最為理想,將金-瓷系統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)差(△α)控制在1×10-6/℃以內(nèi)且為正值,即可達到這一目標。
結(jié)語:迄今為止的實驗結(jié)果證明,鈦瓷結(jié)合力與普通金瓷結(jié)合力相近或稍低,這一結(jié)合力水平被認為能夠滿足臨床要求。但大量文獻表明,鈦的氧化行為和殘余熱應(yīng)力對鈦瓷系統(tǒng)結(jié)合力的影響尚未完全解決,故在這兩方面仍需開展進一步研究。
參考文獻:
[1]李景春.礦熱熔煉爐參數(shù)計算方法淺析.鐵合金,1996(5):1
[2]埋弧電爐設(shè)計和運行中的主要參數(shù).戴維譯.鐵合金,1978(1~2):41