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燒結工藝對氧化鋯陶瓷性能的影響

發布時間:2021-08-24 17:46:31

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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氧化鋯作為一種陶瓷材料,具有強度高、硬度大、耐磨性好、耐酸堿、耐高溫等優異性能。除了被廣泛應用于工業領域外,隨著近年來義齒行業的蓬勃發展,氧化鋯陶瓷又成為了最有潛力的義齒材料而受到眾多研究者的關注。


氧化鋯陶瓷的性能會受到很多因素的影響,今天我們來聊一聊燒結對氧化鋯陶瓷某些性能的影響。


一、燒結方式

傳統的燒結方式是加熱體通過熱輻射,熱傳導,熱對流的方式,使熱量是從氧化鋯表面向內部,但氧化鋯導熱性能比氧化鋁和其他陶瓷材料的導熱性能差。為防止熱應力引起的開裂,傳統加熱升溫速度慢、時間長,使得氧化鋯的制作周期較長,制作成本高。改良氧化鋯的加工工藝,縮短加工時間,降低制作成本,臨床提供高性能的牙科氧化鋯全瓷材料逐漸成為近年來研究的熱點,而微波燒結無疑是一種有前途的燒結方式。

經研究發現,微波燒結與常壓燒結對其半透性以及耐磨損的影響沒有較大差別,究其原因微波燒結所得的氧化鋯的密度與常規燒結的密度相近,都是致密燒結,但微波燒結的優勢在于燒結溫度低、速度快、燒結時間縮短。但是常壓燒結升溫速率較慢,燒結時間較長,整個燒結時間大致為6-11h。與常壓燒結相比,微波燒結是一種新型的燒結方法,具有燒結時間短,高效節能,同時能改善陶瓷的微觀結構等優點。

也有學者認為微波燒結后氧化鋯能較多的維持亞穩定的四方相,可能是由于微波快速加熱能實現較低溫度下材料的迅速致密化,晶粒比常壓燒結的細小均勻,低于t-ZrO2的臨界相變尺寸,從而有利于在室溫下盡可能多的保持在亞穩態,提高陶瓷材料強度和韌性。

二、兩次燒結工藝

致密燒結的氧化鋯陶瓷由于硬度高、強度大,只能用金剛砂刀具進行加工,加工成本高、時間長。為解決上述問題,某些時候會采用氧化鋯陶瓷的兩次燒結工藝,在陶瓷坯體成型及初步燒結后,經CAD/CAM放大切削加工到所需形狀,再燒結到最終燒結溫度使材料完全致密。

經研究發現,兩次燒結工藝會改變氧化鋯陶瓷的燒結動力學,對氧化鋯陶瓷的燒結密度、機械性能及顯微結構均會造成一定的影響。一次致密燒結的可切削氧化鋯陶瓷較兩次燒結的可切削氧化鋯陶瓷機械性能好,一次燒結氧化鋯陶瓷的雙軸彎曲強度和斷裂韌性高于二次燒結性能。一次燒結氧化鋯陶瓷的斷裂模式為穿晶/沿晶復合型,裂紋走向較直;兩次燒結氧化鋯陶瓷的斷裂模式主要為沿晶斷裂,裂紋走向較曲折,復合型斷裂模式的材料性能好于單純的沿晶斷裂模式。

三、燒結真空度

氧化鋯必須在真空環境下燒結,在燒結過程中會產生大量的氣泡,而在真空的環境下,氣泡容易從熔融狀態的瓷體中排出,提高了氧化鋯的致密度,從而增加了氧化鋯的半透性和力學性能。

四、升溫速率

氧化鋯在燒結過程中,為了獲得良好性能和預期效果,應采用較低的升溫速率。高的升溫速率使得氧化鋯在達到最終燒結溫度時,內部的溫度不均勻,導致裂紋出現和氣孔形成。經研究證明隨著升溫速率的升高,氧化鋯晶體因結晶時間縮短,晶體間的氣體不能排出,內部的氣孔率略有增加;隨著升溫速率的升高,四方相的氧化鋯中開始有少量的單斜晶相存在,這均會對力學性能產生影響;同時,隨著升溫速率的升高,晶粒會出現兩極化,即容易出現較大和較小晶粒共存的情況。較慢的升溫速率有利于形成較均勻的晶粒,從而使氧化鋯的半透性增加。




參考來源:

[1]詹文輝等.燒結對牙科用氧化鋯陶瓷性能的影響
[2]黃慧等.兩次燒結工藝對氧化鋯陶瓷性能的影響
[3]胡國新等.微波燒結與常規燒結對牙科用氧化鋯摩擦磨損性能的影響
[4]江月梅.兩種燒結方式對牙科用氧化鋯半透性的影響


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