牙科氧化锆陶瓷疲劳性能的实验研究

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氧化锆陶瓷具有优异的生物相容性、良好的美学特性及力学性能,目前已广泛应用于口腔修复领域。但其陶瓷的固有脆性,使氧化锆陶瓷修复体在口腔潮湿环境下,受到长期咀嚼力作用后,可能会出现失效断裂的情况,这种情况一般被认为是材料受到应力诱导产生的疲劳行为所导致。国内外学者对于氧化锆陶瓷材料,大多关注于材料的研发及新的涂层技术,使材料的性能和加工工艺在近年来得到了很大的提升,但关于氧化锆陶瓷材料疲劳的研究尚处于起步阶段。对于口腔应用的氧化锆陶瓷材料来说,疲劳问题不容忽视,但目前研究对于疲劳的机制机理尚未达成定论,对于疲劳试验的方法、疲劳的分析方法选用的不同,最终结果差异很大。因此设计本实验对牙科氧化锆陶瓷的疲劳性能进行相关研究。研究目的:对现有品牌(Wieland及Aidite,简称WL及AT)的牙科氧化锆陶瓷进行疲劳性能的研究,通过实验及理论分析方法的有机结合,对氧化锆陶瓷的疲劳寿命进行分析及预测,以期用一种简便易行的方法得出氧化锆陶瓷的疲劳寿命,对临床医生选择和设计氧化锆陶瓷修复体提供指导作用。研究方法:1)通过动态加载实验测试不同加载速率下两种氧化锆陶瓷的三点弯曲强度并进行分析,计算相应的应力腐蚀指数n及常数B的值。2)通过裂纹扩展理论,利用已求得的应力腐蚀指数n和常数B的值,预测不同应力作用下两种氧化锆陶瓷的静态疲劳寿命及循环疲劳寿命,绘制应力-寿命图。3)利用赫兹接触法在循环试验机上对两种氧化锆陶瓷进行不同循环次数加载,并对加载后的试件进行弯曲强度测试,对测试结果进行比较及Weibull分析。4)利用剩余强度理论,对两种氧化锆陶瓷循环疲劳的强度下降规律进行分析,结合之前所推导出理论寿命,修正理论分析结果。研究结果:1)在0.005mm/min、0.05mm/min、0.5mm/min三种加载速度下,WL陶瓷三点弯曲强度分别为(861.50±76.50)MPa、(889.38±121.22)MPa、(915.33±97.83)MPa,AT陶瓷三点弯曲强度分别为(590.63±121.75)MPa、(610.50±210.14)MPa、(622.76±82.66)MPa,WL的弯曲强度高于AT(P<0.05)。随加载速率的降低,WL和AT陶瓷都表现出了抗动态疲劳的特性,强度未见明显变化(P>0.05),仅平均强度略有下降。测得WL的应力腐蚀指数n=76.58,AT的应力腐蚀指数n=52.76。2)寿命预测表明,随应力的增加,WL和AT陶瓷的寿命均呈单调递减趋势。相同应力作用下WL陶瓷的静态疲劳寿命及循环疲劳寿命均高于AT陶瓷。3)循环加载实验表明,WL和AT陶瓷的剩余强度会随循环次数的增加而相应的下降,其中WL陶瓷表现出了更好的抗循环疲劳特性,强度未见明显下降(P>0.05),AT陶瓷经105循环后比较未循环时和103次循环时强度下降明显(P<0.05)。两种陶瓷的Weibull模数随循环次数的增加均呈先上升后下降趋势,而特征强度呈整体下降趋势。4)WL及AT两种陶瓷的剩余强度和循环次数之间呈幂指数下降规律。根据修正结果,得到相对准确的预测WL和AT氧化锆陶瓷寿命的方法,推算WL及AT两种陶瓷在30-300N循环应力作用下,循环寿命分别为5.36×1010次和2.69×107,寿命可超过20年。结论:WL和AT陶瓷强度均可满足临床应用需要,在口腔平均咀嚼应力作用下使用寿命可超过二十年,且都表现出了一定的抗动态疲劳特性。而相比之下WL表现出了比AT陶瓷更高的强度和更好的抗循环疲劳特性。
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