断裂力学方法评价陶粒-金属键合
D. R. WILEY*, N. E. WATERS
Department of Dental Materials Science, UMDS Guyfs Campus, London SE1 9RT, UK
铸造金属/烤瓷牙修复体的机械失效发生率促进了一项研究，即在标准牙科实验室条件下生产时，开发可靠的方法来表征和提高粘结强度。通过将陶瓷从单一混合熔块烧制到中央金属片的任何一侧，并在20±2℃和0.5mmmin-1十字头速度下对其进行四点弯曲，制备单边缺口梁试件。制备了三种具有代表性的牙科合金和一种实验合金的两种试样尺寸和三种缺口宽度，其断裂韧性（Ctc）值独立于缺口宽度和试样大小的范围内的这些变量检查和良好的鉴别获得。所有键的断裂韧性都通过商业热等静压循环得到改善。对断裂表面的扫描电镜检查表明，这种改善是由于界面微孔的减少。
1、介绍
在过去的十年中，越来越多的使用瓷熔金属修复体，因为这种结构结合了全瓷修复体的美观特性和铸造修复体的强度和边缘完整性。这种特性的结合使得这种修复体既可以用于牙冠，也可以用于牙桥，在咀嚼过程中承受高应力。铸造金属瓷修复在制造和使用条件下的机械失效的发生率促使研究开发在标准实验室条件下生产的可靠方法来表征和改进粘结强度。本报告与粘结强度的测定有关。
尽管在过去相当聪明的方法被用来发展可靠的测试方法，但没有一个被普遍接受的方法被发展。然而最近，Elssner和帕布斯特[2]已经成功地使用了断裂力学的方法来评估债券之间的多晶氧化铝和铌箔使用四点弯曲试样提供一个等级在接口（见图1），这种方法应该产生一个明确的参数键的强度是决定调查这个方法使用一个代表性的牙科合金。该项目中使用的所有合金都是在标准的实验室条件下铸造的，以便生产出模拟正常生产材料的试样。
2、材料和方法
三种牙科合金，包括商用的珍贵、半珍贵和非珍贵合金，以及一种与Johnson Matthey合作生产的实验合金，与Vita有限公司生产的Vita不透明体瓷的单一瓷熔块一起使用。这种熔块的成分不明，但一般不透明的粘接瓷的成分接近60% SiO2，20% A12O3j 6% K2O，5% TiO2残余物 CaO and B2O3j 包括液相烧结。
所检测的合金和所用的铸造参数如表1所示，所有牙科铸件均采用失蜡法进行铸造，单刃缺口梁（SENB）试样所需的蜡模是从名义厚度为0.25mm的蜡板上切割下来的。所有的样品都用直径为4mm的蜡进行喷涂，并用衬有石棉的低碳钢铸造环进行浇铸。采用了磷酸。混合局部真空下进行了1分钟使用一个常数粉/液体60g的粉比11mm3的液体和振实模蜡模在此前湿与一个专用润湿agdnt .Moulds被允许删除之前设置为1h橡胶坩埚前刮釉上表面，如果离开会导致气体塞积，导致铸件孔隙度。在350°C的模具进行30分钟之前的模具转移到另一个烤箱加热浸泡1h，铸件都进行离心地使用给定的参数在表1金和银钯合金熔化使用加热盘管和高频感应加热的高温合金。浇注后的衬板经喷砂玻璃珠去除熔模残留物，切片，超声波清洗，最后用脱脂剂、抑制二醇和水清洗，为瓷粘接做准备。所有的规格都用600级SiC纸完成，并在受控条件下进行氧化(表II)。
图1. 四点弯曲试样。
构造夹具可以生产与SENB样品相同深度和长度的块，但通过纵向切片可以获得更宽的单个样品。瓷被应用到氧化合金片之前，其插入位置槽提供在90度的长轴。剩下的瓷器被应用，振动和干燥与棉纱。经过仔细的拆卸，进一步的干燥是允许的，在插入炉中进行额外的干燥。另外使用了一个没有定位槽的夹具来准备不透明的瓷棒。
烧成按表3所列制造商指定的温度-时间周期进行，并配有额外的精确温度测量设备。
最初，为了模拟正常的牙科生产材料，使用淬硬碳钢表面的夹具，通过研磨和研磨，制备了单个的试样并完成。经过相当多的试验后，由于结果的再现性差，这种结果在烧成、磨削、研磨和测量阶段似乎得到了充分的控制，但仍然存在再现性差，因此放弃了这种方法，采用了下面详细介绍的分段技术。
在直径6.5英寸的金刚石切割机上进行纵向切片，并进行水冷却。为了精确地保留样品，从而在一致的表面光洁度下获得尺寸精度，从而消除了进一步研磨的必要性，开发的方法如下。
在一个热板上加热黄铜股票，涂上牙科粘蜡，然后在表面粘上一个玻璃显微镜载玻片，接着是蜡和第二载玻片。然后用蜡将标本固定在顶部，然后让总成冷却。通过这种技术，试样被刚性地安装在钳口的黄铜股票，可以完全通过不运动的切割，而且没有黄铜被夹在刃口。标本在热板上加热，并用抑制二醇溶解蜡。然后将标本用水清洗并晾干。
在一种特殊的夹具的帮助下，在一个陶瓷-金属界面上放置不同宽度的切口，该夹具装有一个牙科手机，可在其中插入标称厚度为120、200、290/zm的金刚石圆盘。缺口是在水冷却下在5000转/分进行的。
表1. 合金组成和铸造温度
Alloy
Composition
Supplier
Mould heat soak (°C)
Crucible
Casting temperature (°Q
Au
88Au, 5Pt, 4Pd,
1.5In remainder Ag
Johnson Matthey
Medical Ltd, Birmingham
850
Carbon
1180
Ag Pd
54Pd, 38Ag, 8Sn
Davis Schottlander &
Davis, London ECI,
850
Carbon
1270
Ni Cr
67Ni, 13C, 7.5Ga,
7Mo remainder Fe
Howmedica International Ltd,
London N16i
900
Ceramic
1485
Experimental
78Pd, 20Ag, 2A1
Johnson & Mattey
Medical Ltd, Birmingham
850
Ceramic
1320
表2. 合金氧化条件
Alloy
Furnace temperature at insertion (° C)
Rate of heating (°C min-1)
Maximum temperature (°C)
Hold time (min)
Bench cooled from(°C)
Au
400
200
1000
500
Ag Pd
400
200
1000
500
Ni Cr
400
200
1093
600
Experimental
400
200
1000
500
表3. 陶瓷烧结条件
Alloy insert
Maximum temperature (° C)
Hold time
(min)
Removed from furnace after slow cooling to(° C)
Drying out
Firing
Au
300
960
400
Ag Pd
300
960
400
Ni Cr
300
975
400
Experimental
300
960
400
裂韧性测量在Instron通用试验机上进行，温度为20±2°C和转速为0.5mm/min。采用特别设计的四点加载钻机，使精确的校直最小化不均匀的负载分布和扭转影响，并减少任何摩擦影响在加载和支撑点。夹具尺寸如下：平均分离托辊中心，19mm；平均分离负荷辊中心7mm。
每个合金陶瓷准备两个样品大小不同切口的深度（表4）。这些都是分成两批，一个用于检测没有进一步的治疗，另一个用于检查对粘结强度的影响的一个合适的热均衡处理治疗的压力容器装满氩100MPa拍摄到750°C，这个温度进行了20分钟，然后允许冷却。该温度时间周期持续时间为2h。这种商业周期被选为最合适的合金陶瓷与名义上的玻璃化转变温度(皿)据报道在575- 750°C取决于冷却速度[4-6]。断裂韧性由图1给出的标准公式计算[7,8]。
3、结果与讨论
两种不同材料之间的键合强度可以由单一断裂韧性参数来表征，这一概念很吸引人。为提供这一信息的任何特定测试几何的有效性，然而，需要一个彻底的检查，从神学和实验。虽然复合材料SENB试样的详细应力分析还没有，但从第一原理可以清楚地看出，由于两种材料的弹性常数的差异，裂纹尖端区域的应力场一定是不对称的。这种不对称虽然在任何试验几何形状中都是不可避免的，但会受到合金镶件厚度的影响；因此，厚度保持不变。然而，合金片厚度对此类键的断裂韧性的影响仍需进行检验，因为这可能会使通过其他方法获得的断裂韧性结果与之相比较。
所检验的测试变量是试样尺寸和缺口宽度。应该注意的是，切口深度也会变化，因为没有办法随着刀具宽度的变化而调整这个参数。
表4总结了Vita不透明瓷以及正常和hipped瓷/合金键合体的断裂韧性结果。统计分析表明，对于给定的试样尺寸，所有合金键，Klc结果与缺口尺寸无关。将不同缺口宽度的Klc结果单独进行线性回归分析，回归线斜率与0（p=0.022）有显著差异。Klc与切口的单向方差分析。
表4. 断裂硬度结果总结
Condition
Alloy-porcelain bond
Specimen size reference
Number of specimens
Mean Klc (MNm-3/2)
SD
Pooled means
Duncan grouping
Normal
Vita porcelain
18
2.1039
0.2883
2.1039
Au
18
2.3697
0.5385
2.2199
Au
14
2.0275
0.3818
AgPd
10
2.5627
0.5609
2.4070
AgPd
12
2.2772
0.3817
NiCr
10
1.3529
0.3059
1.3529
NiCr
10
2.0167
0.6173
RD*
Experimental
1.3861
0.3192
1.3861
Experimental
2.3103
0.2705
RD
Hipped
Au
2.4129
0.1674
2.6622
Au
2.9614
0.2476
AgPd
2.6980
0.4356
2.8390
AgPd
2.9799
0.3193
NiCr
2.0799
0.5288
2.0799
Experimental
2.6214
0.2057
2.6214
结果表明，不同切口宽度的结果之间没有显著差异，这被认为是将这些结果进行汇总的充分理由。发现Klc是独立于切口宽度是意想不到的，因为这样的依赖已经在文献中报道切口梁试验，用于陶瓷材料[9-11]和克服推断Klc的线性回归直线切口宽度获得零缺口宽度的断裂韧性。
Duncan的多极差分析表明，对于正常Au或AgPd债券，样本大小为2和4的平均Kic结果没有显著差异，因此可以将这些键的结果合并。然而，分析表明，在NiCr的尺寸3和尺寸4之间，以及在实验合金键的尺寸2和尺寸3之间，存在显著的统计学差异。进一步检查发现(由于错误)，3个试样的尺寸略低于SENB试样宽度高度比的接受下限。因此，如果将size 3的结果排除在分析中，正常键的结果分为两组，瓷键、Au键和AgPd键优于NiCr键和实验合金键，两组材料之间没有显著差异。
髋关节处理的样本数量必须受到限制，此外，一些样本在处理过程中失败了。失效发生率最高的是NiCr键，大约有一半的试样丢失了。
图2给出了正常和hipped键合并平均结果的比较，其中hipped结果被勾画出来。分析再次表明，结果与试样大小无关（仅限Au和AgPd键），因此这两种合金键的结果可以合并。如前所述，忽略实验合金尺寸3的结果，可以看到髋处理显著提高了所有键的断裂韧性。邓肯多重范围测试的进一步分析表明，hipped结果分为两组，其中NiCr明显低于其他三种合金。
图3. Au合金键合(正)断口表面的扫描电镜观察。
所有裂纹一旦启动就会发生灾难性断裂的断裂试验的缺点是断裂过程由缺口尖端区域的最大缺陷控制。本研究中对具有Au和AgPd键合的瓷在hipping前进行多量程测试，不可避免地提出了这样一种可能性，即测量值仅仅反映了瓷的断裂强度，而不是键合强度本身。
因此，尝试用肉眼和低功率光学显微镜对所有粘结的失效模式进行分类。总结结果见表诉的主要故障模式的普通键更高的优势利用邓肯的测试范围是通过氧化陶瓷边界，与一些孤立的小瓷内聚破坏领域增加密度对每个样品的上表面。从统计数据来看，处于较低强度范围的键，即NiCr和实验键，失效最常发生在合金-氧化物界面，似乎与较高的微孔率有关。断裂是氧化瓷界面断裂的唯一失效模式，但在合金-氧化物界面的NiCr键均表现出失效。断口形貌的SEM检查证实，在正常键合下，界面存在相当大的孔隙，如图3、4和5所示，Au、AgPd和NiCr合金键合分别在较低放大率下进行。
表5. 合金瓷键断裂模式(占试验总数的百分比)
Mode
Alloy
Au
AgPd
NiCr
Experimental
N*
Alloy oxide
15
100
5.5
Oxide
3.1
Oxide porcelain
81.2
100
81.8
100
70
55.5
100
Porcelain
9.4
18.2
15
35
*N=Normal；H=hipped.
图4. AgPd合金键合(正)断口表面的SEM研究。
图6. Au合金键合(hipped)断口的扫描电镜(SEM)。
对hipped试样的断口进行的SEM检查表明，这种处理主要降低了键合区的孔隙率。例如，图6显示了在x350倍放大下，Au合金键合的断口，可见少量气孔。正如所预料的那样，hipping治疗导致了瓷器的致密化。图7和图8显示了在相同倍数（x200）下，正常瓷断口和瓷断口的外观。Sclosa等人[12]观察到，经过HIP处理后，微细氧化铝的密度和断裂韧性均有所增加，这表明由晶界滑动产生的径向蠕变填充了预烧过程留下的空隙和缩短的裂纹。这似乎是合理的，同样的机制是负责改善与牙科瓷。
图8. 瓷(脊)断口的扫描电镜(SEM)。瓷(脊)断口的扫描电镜(SEM)。
增压过程中的高故障率暂时归因于氩气在压力下通过界面区域的开放表面孔隙进入。之前的涂层与低熔点瓷的结合被发现限制这种类型的失败。对于Au和AgPd键，用所开发的方法得到的平均变异系数为20和22%，对于较弱的NiCr和实验键，平均变异系数为35和29%。经髋关节治疗后，变异系数分别为13.7、13.0、7.8和25.4%。这些数据与文献中用于粘结试验而不是仅瓷断裂的其他数据相比较是有利的。
重要的是要注意，使用的商业时尚周期被选为最合适的可用的关于玻璃化转变温度范围使用的瓷器和报道不一定是压力-温度-时间周期所需的最大提高粘结强度。如果在髋循环中某些特殊故障是由于氩气在压力下通过面间区域的开放气孔进入引起的假设是正确的，那么在疏散下进行初始加热处理可能是有益的。显然，在循环的最后部分采用的冷却速率将影响残余应力的释放，这些残余应力是由于合金和所用的瓷之间的热不匹配造成的。
最后，我们认为在该项目中通过制备SENB试样获得可靠结果所经历的困难，这在之前的文献中没有评论过，可以表明，断裂韧性是极其敏感的小在发射过程中温度变化或者更重要的是涉及两种模式的混合断裂应力的影响一和三，由于试样的上下面有轻微的不平行性，在加载时缺口处产生了应力扭转元件。
4、结论
根据所报道的结果，SENB试验方法似乎值得认真考虑，作为一种提供关于陶瓷-金属键断裂韧性(Kic)的可靠比较数据的方法。在这些变量的范围内，Klc值与缺口宽度和试样大小无关，并表现出良好的辨别能力。显然有必要对试样尺寸、合金片厚度和缺口深度的影响进行进一步的检验。通过工业性髋关节治疗，用这种方法测量的所有键的Kic都得到了改善，所有键的变异系数也得到了改善。对断裂表面的扫描电镜检查强烈表明，这种改善是由于界面孔隙率的降低。
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