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编号:10273795
可切削渗透陶瓷(MIC)渗透玻璃的研究
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 2000年第1期
     作者:廖运茂 杨禾 鲜苏琴 薛玉萍 柴枫

    单位:廖运茂(华西医科大学 口腔医学院,成都 610041);杨禾(上海静安区牙防所工作);鲜苏琴(华西医科大学 口腔医学院,成都 610041);薛玉萍(华西医科大学 口腔医学院,成都 610041);柴枫(华西医科大学 口腔医学院,成都 610041)

    关键词:渗透玻璃;氟金云母;性能表征

    生物医学工程学杂志000110 摘 要:讨论可切削渗透陶瓷(MIC)渗透玻璃的制备技术及性能表征。采用氧化铝坩埚于1450 ℃熔融成玻璃,筛选玻璃生成范围,采用热分析仪测定玻璃的热学性能,对晶化后的微晶玻璃采用X射线衍射分析进行物相鉴别,用三点弯曲法测定力学性能。确立了母体玻璃的化学组成,对传统氟金云母玻璃进行了改进,增加了B2O3的用量,并添加了La2O3及Li2O,生成了具有较低熔点的玻璃,晶化后析出氟金云母晶相。氟金云母玻璃可按性能要求进行组分调整。本实验证实改进后的MIC云母微晶玻璃具有良好的高温渗透特性及可切削性能。
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    Investigation of Infiltration Glass of the Machinable

    Infiltrated Ceramic(MIC)

    Liao Yunmao Yang He Xan Suqin Xue Yuping Chai Feng

    (College of Stomatology, West China University of Medical Sciences, Chengdu 610041)

    Abstract:To explore the manufacture arts and determine the properties of the infiltration glass of the MIC. In order to determine the glass forming range of the MIC infiltration glass, molten glass was prepared in Al2O3 crucibles by heating the components to 1450 ℃. Thermal analytic device was employed to study the thermal properties of the glass. Its crystal phases after micro-crystallization were analyzed with XRD. Flexural strength was measured by means of 3-point bending test. The chemical components of MIC glass were determined. Conventional fluorophlogopite glass was converted into an infiltration glass with low viscosity, good infiltration capability and low fusing temperature by introducing B2O3, La2O3 and Li2O into the glass. Fluorophlogopite crystals formed after crystallization. Conventional mica glass can be changed according to the requirements of properties. Modified mica MIC glass in this study has good infiltration ability in Al2O3 matrix while remains machinability.
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    Key words:Infiltration glass Fluoropphlogopite Property▲

    云母类微晶玻璃具有优良的可切削性能,这是因为玻璃中析出的云母晶体具有板层状结构,板层之间通过K+或Na+松懈地连结,解理性很高[1]。这种材料在许多领域有着广阔的用途,但是因为其机械性能欠佳(σ3P≈150MPa),在临床上应用时失败率较高,大大限制了它作为齿科修复材料的使用及推广。

    本研究对一种具有良好可切削性的氟金云母微晶玻璃的化学组成进行了调整,使其适合于高温渗透多孔氧化铝基体,形成连续渗透相复合体。本研究还同时探讨了玻璃组成的调整对其力学性能及可切削性能产生的影响。

    1 材料与方法

    1.1 MIC渗透玻璃与其它玻璃体系的化学组成
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    现代复相陶瓷设计原则要求不同相之间要具有化学性能及物理性能的匹配[2]。以往的研究表明,用于In-Ceram技术的渗透玻璃应满足下述性能:(1)较低的高温粘度,良好的渗透性能;(2)较低的熔点,通常在低于Al2O3基体预烧温度50 ℃~100 ℃间熔融渗透;(3)与Al2O3基体有良好的润湿性;(4)较好的化学稳定性,在渗透温度下不会与Al2O3基体产生明显的化学反应;(5)玻璃的热膨胀系数应稍小于α-Al2O3的热膨胀系数,以便冷却时在玻璃相中引入有利的微观压应力。要使传统的云母微晶玻璃满足这些要求,就需要对其组成进行一定的调整。经反复实验,对MIC渗透玻璃组成进行了调整,并与相关玻璃组分进行了对比,如表1所示。

    表1 云母玻璃的组成(wt%)

    Table 1 MIC glass compositions for infiltration(wt%) Glass
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    Na2O

    Li2O

    Al2O3

    SiO2

    MgF2

    MgO

    B2O3

    TiO2

    ZrO2

    La2O3
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    CaO

    the others

    MIC infiltration glass

    8-12

    1-1.2

    15-22

    26-33

    6-10

    4-6

    13-15

    1-2

    1-2

, http://www.100md.com     7-9

    0.5-1

    1

    Mica glass-ceramics

    3-12

    /

    15-25

    35-45

    5-10

    10-25

    5-10

    2~5

    /
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    /

    1.5

    In-Ceram glass

    /

    /

    18

    17

    /

    /

    17.6

    2.5

    /

    40

, 百拇医药     2.5

    2.4

    Dicor glass-ceramics

    /

    /

    0-2

    55-65

    /

    14-19

    /

    /

    0-7

    /
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    /

    F:9wt%

    按化学计量配料、混匀,将配料于1450 ℃~1490 ℃熔融2 h成玻璃,浇于水中淬冷成颗粒,球磨至140目玻璃粉体,烘干备用。

    1.2 热膨胀曲线测定

    将原始玻璃熔融,浇铸于铸铁模具中成形,在520 ℃马福炉中退火2 h,随炉冷却至室温。将玻璃制备成6 mm×6 mm×20 mm的长方体试件,端面与轴向垂直。用TMA热机械分析仪(美国TA公司)以5 ℃/min速率升温,绘制试件在25 ℃~700 ℃间的热膨胀曲线。确定玻璃的热膨胀系数(thermoexpansion coefficient, TEC),玻璃转变温度Tg,软化温度Tf

    1.3 力学性能测试
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    1.3.1 强度 将熔融玻璃浇注于铸铁模具中,置于520 ℃炉中退火2 h,随炉冷却至室温,制备2.5 mm×5 mm×30 mm试件10件。以10 ℃/min均速升温,于550 ℃核化处理1 h,900℃晶化处理1 h。取7个试件测其三点弯曲强度σ3P

    1.3.2 弹性模量 将上述3个剩余试件用Instron 4460型力学测试机以三点弯曲法测定其弹性模量E。

    1.3.3 显微硬度 将上述试件断片用树脂包埋固定,以400#~1000#金刚砂纸依次磨平磨光,置于东德蔡司JENA 466090型立式显微硬度仪上测定其维氏显微硬度(Hv)。加载负荷为400 gf(3.92 N),持续30 s,测5点。计算公式为:Hv=1854.4 ρ/(2a)2,式中ρ为加载负荷(N),a为压痕对角线平均长度的一半(μm)。
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    1.3.4 断裂韧性 用压痕法测定试件断裂韧性KIC,条件同显微硬度测定。计算公式为:KIC=0.016(E/H)0.5(P/C1.5),式中E为弹性模量(GPa),H为维氏显微硬度(GPa),ρ为加载负荷(N),C为从压痕中心测量的裂纹扩展长度(μm)。

    1.3.5 可切削性能参数(H/KIC)2 利用上述测量结果计算。

    1.4 X射线衍射分析(XRD)

    取上述力学性能测试后的试件断片,磨碎成小于200目粉体,进行XRD分析。

    2 结 果

    2.1 MIC渗透玻璃的热膨胀曲线
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    由热膨胀曲线可得出MIC渗透玻璃的热膨胀系数TEC25/532=7.236×10-6/℃,转化玻璃Tg=523.32 ℃,软化玻璃Tf=623.07 ℃

    图1 MIC渗透玻璃的热膨胀曲线

    Fig 1 The thermoexpansion curve of MIC infiltration glass

    2.2 MIC渗透玻璃的X射线衍射分析

    MIC渗透玻璃经微晶化处理后,其粉末X射线衍射分析显示其析出的主晶相为氟金云母(KMg3AlSi3O10F2),见图2。
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    图2 MIC渗透玻璃的X射线衍射图

    Fig 2 XRD partterns of MIC infiltration glass

    2.3 MIC渗透玻璃的力学性能及可切削性能

    按照前述方法对MIC渗透玻璃的抗弯强度σ3P、弹性模量E、显微硬度H、断裂韧性KIC及可切削性能(H/KIC)2进行了测定,结果见表2。

    表2 MIC专用渗透玻璃的力学性能及可切削性能(H/KIC)2

    Table 2 Bending Strength, Elastic Modulus, Hardness, Fracture Toughness and Machinable property of MIC infiltration glass σ3P(MPa)(SD)
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    E(GPa)(SD)

    H(GPa)(SD)

    KIC(MPam1/2)(SD)

    (H/KIC)2(μm-1)(SD)

    162.5(17.58)
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    82.01(1.6)

    4.86(0.26)

    2.3(0.11)

    4.42(0.44)

    3 讨 论

    3.1 MIC渗透玻璃的组成

    MIC渗透玻璃的X射线衍射图显示,本研究所选用的微晶玻璃在550 ℃核化处理1 h及900 ℃晶化处理1 h后,析出的主晶相为氟金云母(KMg3AlSi3O10F2)。但是从表1可看出,这种玻璃的原料组成与传统氟金云母微晶玻璃的配方并不相同,比较而言,它增加了B2O3的用量,减少了SiO2的用量,并且还添加了La2O3及少量的Li2O。而B2O3,La2O3的增加以及SiO2的减少,都有助于降低高温时玻璃的粘度以及熔融玻璃的表面张力。这些因素改善了玻璃的渗透性能,有利于气泡的排出,减少了复合体中残余的气孔。稀土元素镧(La),其离子半径大,原子核场强度高,对电子云具有强烈的积聚作用,它的适量添加有助于提高玻璃的化学稳定性。同时由于La2O3具有较大的折射率,更易使渗透玻璃与多孔Al2O3基体形成半透明的复合体。引入少量Li2O的目的则在于适当降低渗透玻璃的热膨胀系数[3,4]。由图1可见,本研究所用的渗透玻璃的TEC25/523为7.236×10-6/℃,略小于α-Al2O3的热膨胀系数(TECα-Al2O320/500=7.6×10-6/℃)[5],它们之间存在着良好的匹配关系。
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    3.2 MIC渗透玻璃的力学性能

    如表2所示,本研究所选用的MIC渗透玻璃经550 ℃核化处理1 h及900 ℃晶化处理1 h后,其三点弯曲强度为162.5 MPa,断裂韧性KIC为2.31 MPam1/2。Baik等[6]报道了在680 ℃核化处理2 h及1000 ℃~1150 ℃晶化处理6 h的氟金云母微晶玻璃,其弯曲强度为140~160 MPa,断裂韧性为1.2~2.2 Mpam1/2。此结果与本实验的测试结果相近,但是两种热处理制度之间却差异甚大,分析其原因在于两个实验所用的氟金云母微晶玻璃在组成上有较大的差别(见表1)。如前所述,经调整配方后的MIC渗透云母微晶玻璃粘度降低,这将大大减小质点进行结构重排的阻力,使原始玻璃中晶体更易于在较低的温度下较快地析出及生长。

    3.3 MIC渗透玻璃的可切削性能
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    关于如何评价玻璃、陶瓷等脆性材料的可切削性能,以往一直没有统一的指标。许多实验通过选用一定的工具(如钻头、钢锯等)在材料上打孔或磨切,来确定其加工的难易[1,7]。这种方法常常受到切削工具的不同,转速的不同或是所施加外力大小的不同等因素影响,使得结果之间缺乏可比性。近年来,许多学者提出用(H/KIC)2值作为评价陶瓷材料可切削性能及脆性的参数。其值越小,材料的可切削性越好,脆性越小[8,9]。本研究中MIC渗透云母微晶玻璃的(H/KIC)2值为4.42 μm-1,较临床中常用的Dicor MGC可切削陶瓷的(H/KIC)2值(4.84 μm-1)略小,说明它具有良好的可切削性能。

    基金项目:卫生部科学基金资助项目(96-2-201)

, 百拇医药     参考文献:

    [1]廖运茂,岑远坤,张宇.WCMM可切削微晶玻璃初探.华西口腔医学杂志,1997;15(3)∶209

    [2]郭景坤,诸培南.复相陶瓷材料的设计原则.硅酸盐学报.1996;24(1)∶7

    [3]薛淼.口腔应用材料学.天津:天津科技翻译出版公司,1997∶324-326

    [4]潘金龙.玻璃工艺学.北京:中国轻工业出版社,1994∶186-201

    [5]Pober RL, Giordano RA, Campbell SD et al. Compositional analysis of in-ceram infusion glass [Abstract]. J Dent Res, 1992; 71(3)∶253
, http://www.100md.com
    [6]钦征骑.新型陶瓷材料手册.南京:江苏科学技术出版社.1996∶234-238

    [7]Baik DS, No KS, Chun JSS. Mechanical properties of mica glass-ceramics. J Am Ceram Soc, 1995;78(5)∶1217

    [8]芦安贤,阮月蓉,周忠慎等.新型口腔修复材料——Liko玻璃陶瓷的研究.实用口腔医学杂志,1991;7(4)∶242

    [9]周玉.陶瓷材料学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1995∶320-323

    收稿日期:1998-12-24, 百拇医药