纳米氧化锆医用陶瓷的力学性能研究 毕业设计.doc
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1、摘要陶瓷材料因其优异的性能被誉为“未来的材料”,在口腔修复领域,陶瓷材料以其极佳的生物相容性、良好的耐磨、耐腐蚀性和类似天然牙的美学性能成为修复材料的首选。自上世纪六十年代人们解决了金瓷匹配问题后,以金属底层冠增强的金属熔附烤瓷牙(PFM)成为口腔临床最为常用的固定修复方式,但金属底层的存在使金属烤瓷牙存在着难以克服的缺点,例如:金属离子的析出有潜在的致敏性,析出的金属离子可导致龈缘灰线影响美观,遮色层的存在阻止了光线透过使人工牙缺乏天然牙活力等。因此能够以高强度陶瓷材料取代底层金属冠,以达到最佳美学效果和生物相容性的全瓷修复已成为近年的研究热点和口腔修复的发展方向,并相继出现了IPS Imp
2、ress热压铸陶瓷、In-Ceram系列粉浆涂塑渗透铝瓷等全瓷材料,近年又与先进的计算机辅助设计/计算机辅助制作(CAD/CAM)技术相结合研制出可机械加工的In-Ceram多孔铝瓷和Procera All Ceram高铝瓷预成瓷块,大大推进了全瓷修复体在临床的应用。但由于陶瓷材料的位错运动,这种脆性本质限制了陶瓷材料的实际应用,克服其脆性、提高其韧性一直是材料学家们努力要解决的问题。但由于陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价键,键结合牢固并有明显的方向性,室温下几乎不能产生滑移或位错运动,这种脆性本质限制了陶瓷材料的实际应用,克服其脆性、提高其韧性一直是材料学家们努力要解决的问题传统的陶瓷增韧
3、方法有相变增韧、纤维增韧、晶须及颗粒韧化等,其中最为引人注目的材料之一是氧化锆相变增韧陶瓷,由于在应力作用下诱发四方相向单斜相的马氏体相变而使其断裂韧性大大提高,成为室温下韧性最好的陶瓷材料,故有“陶瓷钢”的美誉,而且其粉体还可以作为第二相颗粒填加到其它陶瓷基体中起到相变增韧作用。近年来氧化锆陶瓷优良的力学性能也引起了口腔医学家们的关注,成为引人注目的新型牙科材料。除了传统的增韧方法,近年来纳米科技的发展使新材料、新技术不断涌现,纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。当前纳米氧化锆及纳米氧化锆复合陶瓷已成为材料学界的研究热点。关键词:牙科陶瓷;氧化锆;氧化铝;纳米粉体;沉淀法;超声波;纳米复
4、合陶瓷;力学性能AbstractCeramic is praised as“future material”for its unique properties,especially is considered to be the best choice as prosthetics materials because of its excellent biocompatibility、corrosion and abrasive resistance、nature aesthetic traits.Now the porcelain-fused-to-metal (PFM)restoratio
5、n has become the most commonly clinical restorative way since the matching problem between ceram and metal material was resolved in the 60slast century.But the metal substructures exist many shortcomings such as the poor biocompatibility and poor aesthetics caused by the deposition of metal ions,the
6、 absence of nature vigour because of the poor transparence,et al. To overcome the disadvantages, all-ceram restoration which substitute the ceramic core crown for metal substructure has become the developping trend and researching focus.But the inherent brittleness and lower strength limit the all-c
7、eram materials application.researchers are attemping to overcome the brittleness、enhance its fracture strength and toughness. With the developping of nanotechnology, nano-ceramic was considered to be the statistic way to resolve ceramics brittleness. So the key idea in this study was to bring nano-m
8、aterials into dental material research,combine the toughening effect of phase transformation of Zirconia and nano-particles to develop new type of Zirconia nano-ceramic composites,which have better mechanical properties and can meet the demand of prosthetics material.In addition,we try to use advanc
9、ed S P Stechnology to develop Zirconia nano-ceramic composites for dental application,and get some benefit results.Keywords:dentalceramic;zirconia;aluminia;precipitation;ultrasonic;nano-powder;nano-composite ceramic materials;mechanical properties.目录摘要.Abstract.目录 .第一章 绪论 .11.1陶瓷 .11.2氧化锆 .31.3纳米氧化锆
10、陶瓷 .8第二章 纳米氧化锆陶瓷的相变增韧机制及制备 .112.1氧化锆的相变及特点 .112.2氧化锆的增韧机制 .122.3氧化锆的制备方法 .142.4 纳米氧化锆的主要增韧机理 . 162.5 纳米氧化锆的主要制备方法 . 182.6纳米氧化锆的制备实验 .192.7 纳米氧化锆的性能实验 . 23第三章 平面磨削过程中温度场数值仿真的有限元分析 . 283.1 有限元模型的建立 .283.2 磨削区温度场的求解 .343.3 磨削区温度场的后处理 .373.4磨削参数对磨削区温度场的影响. 39第四章 纳米氧化锆陶瓷磨削机理及磨削实验 .4141 传统磨削理论 . 414.2 纳米氧
11、化锆材料磨削机理 .434.3 纳米氧化锆高效深磨磨削力的试验 .454.4 纳米氧化锆陶瓷的表面磨削温度 .604.5 纳米氧化锆磨削后的表面形貌分析 .63 第五章 纳米氧化锆陶瓷的特性研究 .655.1 纳米陶瓷及微粒的表面改性 . 655.2 表面处理方法对牙科氧化锆陶瓷表面相结构及微观结构影响 .665.3 提高牙科陶瓷强度的主要方法 . 67总结 . 70参考文献 .72致谢 .74附件1 .75附件2 . 92第一章 绪论1.1 陶瓷陶瓷有着光辉的历史,代表着人类灿烂的文化,人类的文明史从一定程度上讲又是一部陶瓷的发展史。随着科学的发展和社会文明的进步人们对陶瓷制品的要求越来起高
12、不仅要求其其有良好的机械性能,而且要具有声、光、电,热、磁等特殊性能,由此先进陶瓷应运而生。先进陶瓷的化学组成扩大到硅酸盐以外更广阔的范围不但克服了原有的许多弊端并且增加了许多新的特性,先进陶瓷以其超越普通陶瓷的抗氧化、抗热震耐腐蚀、耐磨损、耐高温、密度小、高绝缘等特性引起科技界的高度重现它的发展将为人类文明的发展书写新的篇章。1.1.1 传统陶瓷传统陶瓷是使用普通硅酸盐原科及部分化工原料,拄照一定的工艺方法加工、成型、烧结而得到的满足人们日常生活需要或具有一定的艺术段赏价值主要起装饰作用的离陶瓷制品随着科学技术的发展。传统陶瓷已具有更好的装饰特性和技术性能,1.1.2 先进陶瓷先进陶瓷作为一
13、种新材料,以其优异的性能在材料领域独树一帜,受到人们的高度重视,在未来的社会中将发挥重要的作用。随着世界科学技术的不断进步,可以预见,先进陶瓷材料在21世纪必将获得惊人的发展。先进陶瓷尚无精确定义,通常认为先进陶瓷是“采用高度精选或合成的原料,具有精确控制的化学组成,按照便于控制的制造技术加工的、便于进行结构设计,并且有优异特性的陶瓷”。按其特性和用途可分为两大类:结构陶瓷和功能陶瓷。先进陶瓷的高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等性能远远优于金属材料和高分子材料;另外,先进陶瓷是根据所要求的产品性能,通过严格的成分和生产工艺控制而制造出来的高性能材料,因此可用于高温和腐蚀介质环境,是现代材
14、料科学发展最活跃的领域之一。先进陶瓷又可以分为结构陶瓷以及功能陶瓷。(1)结构陶瓷结构陶瓷可分为三大类:氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和陶瓷基复合材料。氧化物陶瓷主要包括氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化锡陶瓷、二氧化硅陶瓷和莫来石陶瓷。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题。氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能,高硬度和耐化学腐蚀性。其主要缺点是在l 0000以上高温蠕变速率高,机械性能显著降低。氧化铝和氧化锆主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。非氧化物陶瓷主要包括碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硅化物陶瓷和硼化物陶瓷等。非氧化物陶瓷在以下三个方面不同于氧
15、化物陶瓷:非氧化物陶瓷自然界很少存在,需要人工合成原料,然后再按照陶瓷工艺做成陶瓷制品;非氧化物标准生成的自由焓一般都大于相应氧化物标准生成的自由焓。所以,在原料的合成和陶瓷烧结时,易生成氧化物。氧化物原子间的化学键主要是离子键,而非氧化物一般是键性很强的共价键,因此,非氧化物陶瓷一般比氧化物陶瓷难熔和难烧结。(2)功能陶瓷 功能陶瓷是具有电、磁、光、声、超导、化学、生物等特性,且具有相互转化功能的一类陶瓷,已经具有极高的产业化程度。其大致可以分为电子陶瓷、透明陶瓷、生物与抗菌陶瓷、发光与红外辐射陶瓷、多孔陶瓷。电子陶瓷包括绝缘陶瓷、介电陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、敏感陶瓷、磁性材料
16、以及导电、超导陶瓷。耐热陶瓷、隔热陶瓷、导热陶瓷是陶瓷在热学方面的主要应用。其中,耐热陶瓷主要有Al203、Zr02、MgO、SiCSiN几种。由于它们具有高温稳定性,因此,作为耐火材料被应用于冶金行业以及其他行业。隔热陶瓷材料主要指氧化物纤维、空心球,由于其具有很好的隔热效果被广泛地应用于各个领域。生物陶瓷是指直接作用于人体或者与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料,广义讲,凡属于生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。作为生物陶瓷材料应具备如下功能:代替人体内有病的或损伤的部分,作为人体先天性缺损部分的代用品;有助于人体内组织的恢复。生物陶瓷除用于测量、诊断、治疗外主要是作生物硬组织的代用
17、材料,可应用在骨科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼科、耳喉鼻科及普通外科等各个方面。1.1.3 陶瓷发展展望近40年来,世界科学技术的高速发展令人瞩目,先进陶瓷的制备技术也随之日新月异,展望未来,纳米陶瓷材料将在下列几方面获得重大突破,对现代科技的发展和人类社会的进步做出重大的贡献:气相凝结法制备纳米粉体将成为先进陶瓷粉体研究发展的重点;快速原型制造技术(RPM)和胶肽成形将向传统成形技术挑战;微波烧结和放电等离子烧结(SPS)是获得纳米块状陶瓷材料的有效烧结方法;纳米材料的应用将为先进陶瓷材料带来新的活力。陶瓷在现在社会中所起的作用越来越大,尤其是现代陶瓷,其应用领域已发展到工农业生产、
18、国民经济、科学技术各个领域,除了生活日用、建筑材料、卫生洁具、化工设备、变电和输配电、切削刀具、钻井钻头、电子技术、自动控制、广播电视、有线无线通讯等广泛应用陶瓷材料之外,近几十年来迅速发展起来的空间技术、能源技术、计算技术、信息技术、生物医药技术、激光技术、电子新技术、遥感技术、仿生技术、红外技术等,也越来越多的应用于陶瓷新材料,时至今日,几乎每个现代科学技术的尖端领域都有现代陶瓷的足迹,现代陶瓷在国民经济和科学技术中一直扮演者不可缺少的角色,陶瓷的发展和应用具有无限光明的前景。陶瓷是一种包容广泛的无机非金属材料,而材料是人们在生存发展过程中进行劳动创造所必须借助的媒体和工具。现代陶瓷(先进
19、陶瓷)是现代社会人们进行生产活动和科学实验所不可或缺的。现代陶瓷的发展推动和加速了科学技术的发展,例如,如果没有现代陶瓷的磁性记忆存储元件,电子计算机就不可能达到每秒计算千亿次的速度,目前高科技中无数必须短时间内完成的复杂运算,也许就要拖延千百年,从而使这种计算变得毫无意义,科学研究和实验将无法进行;没有现代陶瓷的参加,人类登月旅行、火星探测等就是一句空话等。由此可见,现代陶瓷确实是现代人类文明和科学技术的基石、云梯、杠杆和催化剂。1.2 氧化锆1.2.1 氧化锆简介纯净的氧化锆是白色固体,含有杂质时会显现灰色或淡黄色,添加显色剂还可显示各种其它颜色。纯氧化锆的分子量为123.22,理论密度是
20、5.89g/cm3,熔点为2715。通常含有少量的氧化铪,难以分离,但是对氧化锆的性能没有明显的影响。氧化锆有三种晶体形态:单斜、四方、立方晶相。常温下氧化锆只以单斜相出现,加热到1100左右转变为四方相,加热到更高温度会转化为立方相。由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化,冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化,容易造成产品的开裂,限制了纯氧化锆在高温领域的应用。但是添加稳定剂以后,四方相可以在常温下稳定,因此在加热以后不会发生体积的突变,大大拓展了氧化锆的应用范围。1.2.2 氧化锆的性能氧化锆属于惰性生物医学陶瓷材料,其化学稳定性好,引发不良生物界面反应小。部分稳定化的
21、氧化锆是一种有应用前景的氧化物惰性生物陶瓷材料。由于其引入了相变增韧机制,这类陶瓷具有比氧化铝更好的断裂韧性,被提倡作为氧化铝的替用材料。氧化锆具有多晶型,随温度的变化范围存在如下多晶转变: 单斜 ZrO 约1170 四方ZrO 2370 立方ZrO 四方ZrO 1000 单斜ZrO 的相变属马氏体相变,相变过程伴随着有约14%的晶格切变和3%-5%的体积效应。通过引入YO 、 MgO 、CaO等四方相稳定剂。四方相亚稳态在低于1000的温度范围内可以存在下来。利用这一效应和稳定剂的控制相变作用,现已制备出多种具有增韧性质的ZrO陶瓷材料。1.2.3 氧化锆的应用氧化锆陶瓷具有较高的室温强度和
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