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摘要 放电等离子烧结（SPS）在陶瓷的制备过程中有着特殊的机理和作用，能够在一定的压力下真空烧结陶瓷。突出的特点是烧结速度极快，晶相转变也可以在瞬时实现。本文从烧结工艺控制对烧结温度及烧结效果的实际影响，提出了放电等离子烧结牙科陶瓷中的一些工艺探讨。
关键词：放电等离子烧结 牙科陶瓷烧结温度
中图分类号：O463+.2 文献标识码：A 文章编号：
一．前言
作为牙科修复材料的重要组成部分，牙科陶瓷材料因其具有良好的生物相容性﹑优良的机械特性﹑高的化学稳定性以及逼真的颜色而成为目前新型牙科修复材料研究开发的热点。但是由于陶瓷材料的脆性及低强度制约了其在牙科修复中的进一步应用，所以牙科陶瓷材料的增强成为一个关键性的问题。
按照主要成分分类，牙科陶瓷材料主要包括羟基磷灰石、微晶玻璃、玻璃渗透陶瓷、长石质陶瓷等。
玻璃渗透陶瓷是近年来研制出的一种全瓷修复系统，目前主要的研究为粉浆涂塑铝瓷冠。它是用铝瓷粉浆直接涂塑于冠代型上，经高温烧结形成铝瓷核冠雏形，然后再用玻璃高温渗入雏冠中，形成高强度的铝瓷核冠再于核冠表面堆塑烧结面瓷而成[1]。其突出的特点为强度高，抗弯曲强度可达400MPa以上[2]，这主要依赖于玻璃料能够很好的渗透、充满铝瓷核冠雏形[3]。其不仅可以用于制作全瓷冠，还可以制作全瓷桥[4]。
长石瓷是K2O-Na2O-Al2O3-SiO2四元系统陶瓷，长石瓷主要以长石晶相与玻璃相混合存在，玻璃中含有分散的结晶成分（如霞石、正长石、钠长石等晶体）[5]。晶相成分一方面可以提高玻璃强度，另一方面，还可以调整玻璃的热膨胀系数，使之接近于牙体组织。
长石瓷具有良好的生物相容性，而且其颜色与牙体的颜色最为接近，其作为牙科修复材料已经有200多年的历史。但是其本身所固有的强度不足等缺陷大大的限制了传统长石质全瓷修复体的应用，直到上个世纪50年代研制出瓷熔附金属修复体后，很好的解决了强度问题，但是金属基底及金属核降低了瓷对光线的穿透性，还容易形成金属离子变色，且边缘密合度差，容易发青，发灰，如果瓷粉和合金选择不当，还容易崩瓷[6]。另外某些患者对不同的金属会有不同程度的过敏反应。
为了扩大陶瓷在口腔修复中的应用，人们通过各种方式使陶瓷增强，增强方法主要为陶瓷材料的晶粒细化。
对陶瓷材料颗粒的细化是指陶瓷粉体纳米化。随着纳米材料科学研究的深入，科学家预言纳米陶瓷是未来克服陶瓷脆性的根本途径。纳米陶瓷粉体具有独特的体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，已在很多方面得到广泛的应用。但是纳米陶瓷的制备中最棘手的问题就是纳米粉体的团聚，随着颗粒尺寸的减小，颗粒间的静电吸引力，范德华力、毛细管作用等较弱的相互作用会显得越来越突出，形成所谓德“软团聚”；另一方面，颗粒的比表面积增加，水蒸气在颗粒间的凝结的趋势增加，在颗粒间形成化学键，加剧团聚，形成由于吸附许多水分子而造成的“架桥反应”。由于粉体中的团聚体的存在会导致坯体堆积密度低和形态的不均匀，会使所需烧结温度提高，使强度、韧性及可靠性降低。
SPS在烧结牙科陶瓷中的突出优势：
1，能够在压力烧结的情况下，快速得到致密陶瓷；
2，能够快速实现晶相与非晶相的转化；
3，在高温阶段有等离子活化作用，可使材料的力学性能得到提高。
二．实验过程及结果分析
本文采用的原料主成分为钾长石，各主要氧化物含量为：SiO2>66 %；Al2O3>18%；K2O>8～12%; Na2O<2～5%； Fe2O3<0.11%； TiO2<0.02%。采用石墨模具装粉，放入放电等离子烧结炉中，抽真空，加压力，然后大电流、低电压进行加热，观察记录辅助计算机所反映的烧结过程的各个工艺参数。
不同升温速度的试验表明，升温速度保持100℃/ min时，烧结现象出现的温度是1040℃；升温速度为50℃/min时，烧结现象出现的温度是1140℃。快速升温可以降低出现烧结的温度，两次的烧结温度都远低于原料的融化温度。
相同的升温速度（100℃/ min）下，原料颗粒的大小对烧结现象出现的温度无显著差异，均在1020℃～1040℃，烧结结束温度为1120℃。
SPS烧结过程非常快，基本不需要保温时间，随着温度升高，烧结进一步进行。压力采用30MPa，从升温阶段一直保持到降温结束。在高温烧结过程中适当控制压力的增减有利于烧结完成。
烧结样品密度随着烧结温度的升高迅速增大，如图1所示。烧结温度在1100℃～1200℃时，烧结样品密度可以达到2.4～2.5g/cm3，高于普通无压烧结（1250℃）样品密度（2.1～2.3g/cm3）。烧结的样品显微硬度在6300～6440MPa，具有很好的一致性。较Vita Mark II硬度偏高，与普通玻璃陶瓷硬度相当，满足牙科应用
SEM断口形貌显示烧结致密而且没有玻璃的断裂条纹，断口均匀，没有裂纹，如图2所示。样品的XRD分析表明， 1120℃烧结的样品，其内部仍然含有未转变的晶相，但定性认为非晶相增多。该样品透明度较好。1300℃烧结的样品基本没有晶相，实现了完全烧结，得到了透明的烧结块。由于钾长石的晶型转变应该在熔化过程中，因此，可以认为烧结过程是液相烧结与固相烧结同时存在。这是SPS制备技术的突出优势。放电等离子烧结能够很好的实现牙科长石瓷的制备，具有快速、简便，烧结致密等优势，是生物陶瓷的一种极具前景的制备技术。
三．结论
SPS技术能够在较短的时间内快速烧结得到致密的长石质陶瓷，是牙科全瓷材料发展的一种极具前景的制备技术
参考文献
1. ProbsterL, DiehlJ. Slip casting alumina ceramics for crown and bridge restorationns. Quintessence Int, 1992; 23(1): 25-31
2. Giordano R,Pelletier L, Campbell S, et al. Flexural strength of alumina and glass components of In-Ceram. J Dent Res, 1992, 71:253.
3.Koutayas So, Kern M. All-ceramic Post and Cores: The State of the Art. Quintessence Int. 1999, 30(6): 382-389
4.張海军, 李文超. 纳米陶瓷材料, 耐火材料, 1997; 31(4): 228-231
5.田明原, 施尔畏, 伸维卓等. 纳米陶瓷与纳米陶瓷粉末, 无机材料学报, 1998. 13(2): 129-137
6 张东明, 傅正义. 放电等离子加压烧结(SPS)技术特点及应用. 武汉工业大学学报. 1999, (12):15~17
关键词：放电等离子烧结 牙科陶瓷烧结温度
中图分类号：O463+.2 文献标识码：A 文章编号：
一．前言
作为牙科修复材料的重要组成部分，牙科陶瓷材料因其具有良好的生物相容性﹑优良的机械特性﹑高的化学稳定性以及逼真的颜色而成为目前新型牙科修复材料研究开发的热点。但是由于陶瓷材料的脆性及低强度制约了其在牙科修复中的进一步应用，所以牙科陶瓷材料的增强成为一个关键性的问题。
按照主要成分分类，牙科陶瓷材料主要包括羟基磷灰石、微晶玻璃、玻璃渗透陶瓷、长石质陶瓷等。
玻璃渗透陶瓷是近年来研制出的一种全瓷修复系统，目前主要的研究为粉浆涂塑铝瓷冠。它是用铝瓷粉浆直接涂塑于冠代型上，经高温烧结形成铝瓷核冠雏形，然后再用玻璃高温渗入雏冠中，形成高强度的铝瓷核冠再于核冠表面堆塑烧结面瓷而成[1]。其突出的特点为强度高，抗弯曲强度可达400MPa以上[2]，这主要依赖于玻璃料能够很好的渗透、充满铝瓷核冠雏形[3]。其不仅可以用于制作全瓷冠，还可以制作全瓷桥[4]。
长石瓷是K2O-Na2O-Al2O3-SiO2四元系统陶瓷，长石瓷主要以长石晶相与玻璃相混合存在，玻璃中含有分散的结晶成分（如霞石、正长石、钠长石等晶体）[5]。晶相成分一方面可以提高玻璃强度，另一方面，还可以调整玻璃的热膨胀系数，使之接近于牙体组织。
长石瓷具有良好的生物相容性，而且其颜色与牙体的颜色最为接近，其作为牙科修复材料已经有200多年的历史。但是其本身所固有的强度不足等缺陷大大的限制了传统长石质全瓷修复体的应用，直到上个世纪50年代研制出瓷熔附金属修复体后，很好的解决了强度问题，但是金属基底及金属核降低了瓷对光线的穿透性，还容易形成金属离子变色，且边缘密合度差，容易发青，发灰，如果瓷粉和合金选择不当，还容易崩瓷[6]。另外某些患者对不同的金属会有不同程度的过敏反应。
为了扩大陶瓷在口腔修复中的应用，人们通过各种方式使陶瓷增强，增强方法主要为陶瓷材料的晶粒细化。
对陶瓷材料颗粒的细化是指陶瓷粉体纳米化。随着纳米材料科学研究的深入，科学家预言纳米陶瓷是未来克服陶瓷脆性的根本途径。纳米陶瓷粉体具有独特的体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，已在很多方面得到广泛的应用。但是纳米陶瓷的制备中最棘手的问题就是纳米粉体的团聚，随着颗粒尺寸的减小，颗粒间的静电吸引力，范德华力、毛细管作用等较弱的相互作用会显得越来越突出，形成所谓德“软团聚”；另一方面，颗粒的比表面积增加，水蒸气在颗粒间的凝结的趋势增加，在颗粒间形成化学键，加剧团聚，形成由于吸附许多水分子而造成的“架桥反应”。由于粉体中的团聚体的存在会导致坯体堆积密度低和形态的不均匀，会使所需烧结温度提高，使强度、韧性及可靠性降低。
SPS在烧结牙科陶瓷中的突出优势：
1，能够在压力烧结的情况下，快速得到致密陶瓷；
2，能够快速实现晶相与非晶相的转化；
3，在高温阶段有等离子活化作用，可使材料的力学性能得到提高。
二．实验过程及结果分析
本文采用的原料主成分为钾长石，各主要氧化物含量为：SiO2>66 %；Al2O3>18%；K2O>8～12%; Na2O<2～5%； Fe2O3<0.11%； TiO2<0.02%。采用石墨模具装粉，放入放电等离子烧结炉中，抽真空，加压力，然后大电流、低电压进行加热，观察记录辅助计算机所反映的烧结过程的各个工艺参数。
不同升温速度的试验表明，升温速度保持100℃/ min时，烧结现象出现的温度是1040℃；升温速度为50℃/min时，烧结现象出现的温度是1140℃。快速升温可以降低出现烧结的温度，两次的烧结温度都远低于原料的融化温度。
相同的升温速度（100℃/ min）下，原料颗粒的大小对烧结现象出现的温度无显著差异，均在1020℃～1040℃，烧结结束温度为1120℃。
SPS烧结过程非常快，基本不需要保温时间，随着温度升高，烧结进一步进行。压力采用30MPa，从升温阶段一直保持到降温结束。在高温烧结过程中适当控制压力的增减有利于烧结完成。
烧结样品密度随着烧结温度的升高迅速增大，如图1所示。烧结温度在1100℃～1200℃时，烧结样品密度可以达到2.4～2.5g/cm3，高于普通无压烧结（1250℃）样品密度（2.1～2.3g/cm3）。烧结的样品显微硬度在6300～6440MPa，具有很好的一致性。较Vita Mark II硬度偏高，与普通玻璃陶瓷硬度相当，满足牙科应用
SEM断口形貌显示烧结致密而且没有玻璃的断裂条纹，断口均匀，没有裂纹，如图2所示。样品的XRD分析表明， 1120℃烧结的样品，其内部仍然含有未转变的晶相，但定性认为非晶相增多。该样品透明度较好。1300℃烧结的样品基本没有晶相，实现了完全烧结，得到了透明的烧结块。由于钾长石的晶型转变应该在熔化过程中，因此，可以认为烧结过程是液相烧结与固相烧结同时存在。这是SPS制备技术的突出优势。放电等离子烧结能够很好的实现牙科长石瓷的制备，具有快速、简便，烧结致密等优势，是生物陶瓷的一种极具前景的制备技术。
三．结论
SPS技术能够在较短的时间内快速烧结得到致密的长石质陶瓷，是牙科全瓷材料发展的一种极具前景的制备技术
参考文献
1. ProbsterL, DiehlJ. Slip casting alumina ceramics for crown and bridge restorationns. Quintessence Int, 1992; 23(1): 25-31
2. Giordano R,Pelletier L, Campbell S, et al. Flexural strength of alumina and glass components of In-Ceram. J Dent Res, 1992, 71:253.
3.Koutayas So, Kern M. All-ceramic Post and Cores: The State of the Art. Quintessence Int. 1999, 30(6): 382-389
4.張海军, 李文超. 纳米陶瓷材料, 耐火材料, 1997; 31(4): 228-231
5.田明原, 施尔畏, 伸维卓等. 纳米陶瓷与纳米陶瓷粉末, 无机材料学报, 1998. 13(2): 129-137
6 张东明, 傅正义. 放电等离子加压烧结(SPS)技术特点及应用. 武汉工业大学学报. 1999, (12):15~17