氧化鋯添加劑對牙科用氧化鋁玻璃復(fù)合體性能的影響
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37c醫(yī)學(xué)網(wǎng)
作者：李江 王忠義 張云龍 田杰謨
單位：李江 王忠義(西安第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院修復(fù)科 710032)‘張云龍 田杰謨(清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
關(guān)鍵詞：氧化鋁；鋯；玻璃滲透；牙科材料
實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志000301〔摘要〕 目的：從而探討 氧化鋯添 加劑對氧化鋁燒結(jié)體及其玻璃復(fù)合體性能的影響。方法：加入50 g/ L部分穩(wěn)定氧化鋯及不 加氧化鋯的精細(xì)微米α-氧化鋁粉經(jīng)250 MPa冷等靜壓成型，分別在1 400 ℃和1 450 ℃下 燒結(jié)， 制成可供口腔CAD/CAM加工的可切削氧化鋁，再通過1 250 ℃ 4 h玻璃滲透，最終形成氧化 鋁玻 璃復(fù)合體，并測試各組氧化鋁及復(fù)合體的力學(xué)性能，觀察其微觀結(jié)構(gòu)的差異。結(jié) 果：添加氧 化鋯可明顯提高部分燒結(jié)氧化鋁的強(qiáng)度和韌性，但對氧化鋁玻璃復(fù)合體的力學(xué)性能無明顯改 變。結(jié)論：添加氧化鋯是提高可切削氧化鋁燒結(jié)體性能的有效增韌 方法。
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中圖分類號：R783.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1001-3733(2000)03-0171-04
The effects of zirconia additive upon properties
of the dental alumina-glas s-composite
Li Jiang, Wang Zhongyi, Zhang Yunlong, et al.
(Stomatological College , Fourth Military Medical University ,Xi'an 710032)
〔Abstract〕Objective: To study the effects of zirconia additive on the properties the of alumina-glass-composi tes. Method: Fine micron-size d aluminum oxide powder with or without partially-steadied zirconia was compacted via 250 MPa isos tatic-pressing and then sintered at 1400 ℃ or 1 450 ℃ respectively. The alumi na- glass composites were prepared finally via infiltrating the sintered machinable alumina with special glass at 1 250 ℃ for 4h. The mechanical properties and the microstructure were studied. Result: The zirconia additiv e could enhance strength (MPa,76±21.77 vs 41±4.42 at 1 400 ℃,143±22.25 vs 10 5 ±7.87 at 1 450 ℃,respectively; P<0.01) and toughness (MPam 1/2,1.60 ±0.24 vs 0. 58±0.10 at 1 400 ℃,1.77±0.18 vs 1.25±0.17at 1 450 ℃,respectively;P<0.01 ) of the porous alumina obviously, but have no effect on mechanical properties of the alumina-glass-composite (352±36.36 vs 341±34.43 at 1 400 ℃ ,401±29.26 vs 416±62.6 at 1 450 ℃ for strength;4.11±0.31 vs 3.91±0.39 at 1 4 00 ℃ 4.44±0.40 vs 4.3±0.30 for toughness,respectively; P>0.05). Conclusion: Add ing zirconia is an effective method to reinforce strength and toughness of the s intered machinable alumina.
, 百拇醫(yī)藥
Key Words Aluminum oxide; Zirconium; Glass infiltration; Dental materials▲
由于現(xiàn)有的口腔修復(fù)全瓷材料存在著強(qiáng)度差、韌性低的致命弱點(diǎn)，材料學(xué)家對各種全瓷 材料 做了大量的研究，同時做了許多增強(qiáng)增韌的嘗試，諸如改變工藝條件以及添加特殊成分等。 其中對氧化鋁陶瓷的研究經(jīng)歷了幾個階段：首先是完全燒結(jié)氧化鋁，如Hi-Ceram，其強(qiáng)度 還 不能令人滿意；隨后出現(xiàn)了通過玻璃滲透部分燒結(jié)的多孔氧化鋁骨架而形成的氧化鋁玻璃復(fù) 合體，即In-Ceram，其強(qiáng)度和韌性已明顯高于其他全瓷材料。在此基礎(chǔ)上，Rinke〔1 〕研制和 應(yīng)用了可用于口腔修復(fù)體CAD/CAM的可切削氧化鋁，在機(jī)加工成型后通過玻璃滲透使其力學(xué) 性能達(dá)到與In-Ceram瓷基本相近。為進(jìn)一步改善多孔氧化鋁及其玻璃復(fù)合體(alumina glas s composite,AGC)的力學(xué)性能， 本實(shí)驗(yàn)在氧化鋁中添加了ω(ZrO2)=5%作為增韌劑，試圖尋求一種有效的增強(qiáng)增韌新 方法。
, 百拇醫(yī)藥
1 材料與方法
1.1 氧化鋁燒結(jié)體的制備
1.1.1 將氧化鋁粉(α-氧化鋁含量>99.5%，平均粒徑約4 μm)球磨至平均粉體粒徑為3. 32 μm，經(jīng)冷等靜壓成型為40 mm×40 mm×4 mm的坯體，等靜壓壓力為250 MPa，保壓時間 為15 min。將成型后的坯體置程控高溫電爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為1 400 ℃和1450 ℃， 保溫2 h。用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量坯體燒結(jié)后的線收縮，用重量體積法測出坯體燒 結(jié)前后的密度，采用壓汞法測量坯體燒結(jié)后的孔徑分布情況。
1.1.2 在上述氧化鋁粉中加入ω(ZrO2)=5%作為添加劑。氧化鋯為采用x(Y2O3)= 1.5%和 x(CeO2)=4%作為穩(wěn)定劑經(jīng)1 520 ℃燒結(jié)2 h的部分穩(wěn)定氧化鋯〔2〕。重復(fù)1.1. 1中的各步驟。
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1.2 滲透用玻璃粉的制備
參照Tyszblat〔3〕專利，將ω(La2O3)=40%、ω(Al2O3)=16% 、ω(SiO2)=17%、ω(B2O3)=15%及其 他原料按1∶2∶1的粉∶球∶無水酒精比放入瑪瑙球磨罐中，球磨10 h混勻。原料烘干后放 入氧化鋁坩堝，在1 250 ℃下熔融2 h，然后將熔融的玻璃倒入水中淬冷。收集淬冷后的玻 璃屑球磨4 h，過100目篩制成玻璃粉備用。
1.3 氧化鋁玻璃復(fù)合體的制備
秤取6 g玻璃粉，用去離子水配成漿料，均勻涂覆于部分燒結(jié)氧化鋁的上表面，在70 ℃烘箱 中干燥15 min，然后在1 250 ℃滲透，保溫4 h后爐冷至室溫，制備成致密的氧化鋁玻璃AGC 。
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1.4 力學(xué)性能測試
1.4.1 三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測試 制備3 mm×2 mm×30 mm規(guī)格的部分燒結(jié)氧化鋁及AGC試件，表面磨光、拋光并倒角，每組試 樣 數(shù)量10個。用Shimadzu DSS-25 T拉伸試驗(yàn)機(jī)測試三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，跨距20 mm，氧化鋁試件 加載 載荷5 kg，AGC試件加載載荷20 kg，加載速度0.5 mm/min，彎曲強(qiáng)度由σ=3PL/2 bh2公 式計算，其中σ為三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，P為斷裂載荷，L為跨距，b為試件寬度 ，h為試件厚度。
1.4.2 斷裂韌性測試 斷裂韌性采用單邊切口梁法測試。制備規(guī)格為4 mm×2 mm×25 mm的 部分燒結(jié)氧化鋁及AGC試 件 ，表面磨光、拋光并倒角，中央切口寬度為0.2 mm，切口深度為2 mm，每組試樣數(shù)量8個。 采 用1.4.1中的設(shè)備進(jìn)行測試，試件跨距為16 mm，氧化鋁試件加載載荷為5 kg，AGC加載載荷 為10 kg，加載速度為0.05 mm/min，斷裂韌性由公式
計算，其中a為切口深度，P、L、b、h與1.4.1彎曲 強(qiáng)度公式中相同。
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1.4.3 微觀結(jié)構(gòu)分析 采用掃描電鏡進(jìn)行微米級和納米級氧化鋁燒結(jié)體及對應(yīng)AGC的微觀結(jié) 構(gòu)分析。
2 結(jié) 果
實(shí)驗(yàn)測得添加氧化鋯和不添加氧化鋯的氧化鋁坯體密度分別為2.58 g/cm3和2.40 g/cm3 。其他測試結(jié)果見表1和表2。
表1 兩種溫度燒結(jié)的添加和不添加氧化鋯的氧化鋁及AGC相關(guān)物理性能
氧化鋁燒結(jié)體
AGC
收縮率%
平均孔徑(mm)
密度(g/cm3)
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密度(g/cm3)
1 400 ℃添加氧化浩
2.9
369
2.80
3.97
不加氧化鋯
3.1
375
2.65
3.93
1 450 ℃添加氧化浩
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4.6
331
2.95
3.96
不加氧化鋯
4.5
325
2.76
3.89
表2 兩種溫度燒結(jié)的添加和不添加氧化鋯的氧化鋁及AGC力學(xué)性能測試(
±s)
氧化鋁燒結(jié)體
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AGC
彎曲強(qiáng)度MPa
斷裂韌性MPam1/2
彎曲強(qiáng)度MPa
斷裂韌性MP am1/2
1 400 ℃ 添加氧化浩
76±21.77①
1.60±0.24①
352±36.36
4.11±0 .31
不加氧化鋯
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41±4.42
0.58±0.10
341±34.42
3.91±0.39
1 450 ℃ 添加氧化浩
143±22.25①
1.77±0.18①
401±29.26
4.44± 0.40
不加氧化鋯
105±7.87
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1.25±0.17
416±62.16
4.37±0.30
①P<0.01
從表1可以看出，同溫度下添加氧化鋯與不添加氧化鋯，其燒結(jié)收縮率、孔徑無明顯差 別，加入氧化鋯可使氧化鋁燒結(jié)體及AGC的密度略有增加，但增加的幅度并不大。表2結(jié)果顯 示同溫度下添加氧化鋯可顯著提高氧化鋁燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，但對AGC的兩項指 標(biāo)無明顯影響。
圖1 氧化鋁燒結(jié)體的斷口掃描電鏡照片(×5 000)
從圖1中可以看到，氧化鋯的加入對氧化鋁燒結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)沒有很大的影響。圖2是一 張同 樣材料經(jīng)1 400 ℃燒結(jié)后的放大照片，其中箭頭示氧化鋯顆粒分布情況。可以看出氧化鋯粒 徑 比氧化鋁晶粒要小得多，通常只有0.3～0.5 μm，而且主要分布在氧化鋁晶粒周圍并且與氧化鋁晶粒接觸。從圖3可以看出，氧化鋯的加入使得AGC中斷口中穿晶斷裂的比例明顯增加。
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圖2 氧化鋯在氧化鋁中的分布(經(jīng)1 400 ℃燒結(jié))
圖3 AGC斷口掃描電鏡照片(×5 000)
3 討 論
添加增韌劑是陶瓷增韌的一種常用的方法，在其他陶瓷研究中已有過嘗試。氧化鋯因其具有 高強(qiáng)度和高韌性，成為陶瓷增韌添加劑的首選成分。本文試圖通過添加部分穩(wěn)定的氧化鋯達(dá) 到提高部分燒結(jié)氧化鋁及其AGC力學(xué)性能的目的。
一般來講，無任何添加劑的氧化鋁的完全燒結(jié)溫度應(yīng)在1 600～1 700 ℃。在1 400～1 450 ℃ 燒結(jié)的 氧化鋁其密度僅為理論密度的68%～71%，為不完全燒結(jié)，但其仍具有一定的強(qiáng)度。這是由于 表 面擴(kuò)散造成顆粒間接觸面積的擴(kuò)大。不過由于此時氧化鋁的晶界和晶粒尚未完全形成，晶界 斷裂能明顯低于晶粒斷裂能，因而強(qiáng)度十分有限，其斷裂方式基本為沿晶斷裂。部分穩(wěn)定的 氧化鋯具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性〔4〕，它們分散在氧化鋁的晶界處，可明顯增加晶 界斷裂能并在斷裂時引起裂紋的偏轉(zhuǎn)和橋接，從而提高材料的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地證明了 這一點(diǎn)。
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對AGC而言，情況則不一樣。它的強(qiáng)度和韌性很大程度上有賴于玻璃滲透的完 全程度。玻璃填充了氧化鋁的孔隙，從而形成了氧化鋁-玻璃界面，而不只是氧化鋁中依靠 表面擴(kuò)散形成的頸部。另外，由于氧化鋁晶界，即玻璃中存在著應(yīng)力，從而提高了氧化鋁晶 界的斷裂能。因此，在滲透之后的冷卻過程中勢必會造成殘余應(yīng)力，即氧化鋁中的拉應(yīng)力和 玻璃中的壓應(yīng)力。這樣就使得氧化鋁的晶粒斷裂能與晶界斷裂能大致相當(dāng)。從圖3(a)和(b) 可見到斷口中同時存在著沿晶斷裂和穿晶斷裂兩種方式。
加入氧化鋯之后，氧化鋯彌散于氧化鋁晶界處，提高了晶界斷裂能，使得材料中穿晶斷裂的 比例增加。但由于晶粒斷裂能未有提高，而材料斷裂時總會尋求最低的能量，因此，加入氧 化鋯只是提高了材料的晶界斷裂能但仍然不足以提高材料強(qiáng)度和韌性。另外從表1和圖2可以 看出添加氧化鋯并未影響燒結(jié)體的氣孔孔徑和微觀形貌，因而與不加氧化鋯的氧化鋁燒結(jié)體 相比，亦無助于改善玻璃滲透的完全程度。故而氧化鋯的添加對氧化鋁晶界斷裂能有所提高 ，但還不足以對AGC的性能產(chǎn)生很大影響。
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盡管如此，氧化鋯添加劑對多孔氧化鋁及其AGC的臨床應(yīng)用還是有所幫助的，因?yàn)樽鳛榭汕?削材料的多孔氧化鋁來講，增加強(qiáng)度和韌性對改善其切削性能、防止機(jī)械加工和后期玻璃滲 透時的形變將大有好處，可以說添加氧化鋯增韌氧化鋁是一種十分有益的嘗試。如何尋找可 以增加氧化鋁晶粒強(qiáng)度的增韌方法還有待于進(jìn)一步研究。■
本研究為國家重點(diǎn)科技項目九五攻關(guān)計劃的子課題內(nèi)容 項目編號：96-A10-01-1 0-01
參考文獻(xiàn)
[1]Rinke S, Huls A. Copy-milling aluminous core ceramic crown: A clinical report. J Prosthet Dent, 1996, 76(4): 343
[2]Tsukuma K, Shimada M. Strength, fracture toughness and Vicker's hardness of C eO2-stabilized tetragonal ZrO2 polycrystals (Ce-TZP). J Mater Sci,1985,2 0: 1178
, 百拇醫(yī)藥
[3]Tyszblat M. Process for the preparation of a dental prosthesis by slight soli d phase fritting of a metal oxide based infrastructure. U S Pat 4 772 436, 1987
[4]Masaki T. Mechanical properties of toughed ZrO2-Y2O3 ceramics. J Am. Ceram Soc, 1986, 69(8): 638
收稿日期：1999-11-24, http://www.www.srpcoatings.com
單位：李江 王忠義(西安第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院修復(fù)科 710032)‘張云龍 田杰謨(清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
關(guān)鍵詞：氧化鋁；鋯；玻璃滲透；牙科材料
實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志000301〔摘要〕 目的：從而探討 氧化鋯添 加劑對氧化鋁燒結(jié)體及其玻璃復(fù)合體性能的影響。方法：加入50 g/ L部分穩(wěn)定氧化鋯及不 加氧化鋯的精細(xì)微米α-氧化鋁粉經(jīng)250 MPa冷等靜壓成型，分別在1 400 ℃和1 450 ℃下 燒結(jié)， 制成可供口腔CAD/CAM加工的可切削氧化鋁，再通過1 250 ℃ 4 h玻璃滲透，最終形成氧化 鋁玻 璃復(fù)合體，并測試各組氧化鋁及復(fù)合體的力學(xué)性能，觀察其微觀結(jié)構(gòu)的差異。結(jié) 果：添加氧 化鋯可明顯提高部分燒結(jié)氧化鋁的強(qiáng)度和韌性，但對氧化鋁玻璃復(fù)合體的力學(xué)性能無明顯改 變。結(jié)論：添加氧化鋯是提高可切削氧化鋁燒結(jié)體性能的有效增韌 方法。
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中圖分類號：R783.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1001-3733(2000)03-0171-04
The effects of zirconia additive upon properties
of the dental alumina-glas s-composite
Li Jiang, Wang Zhongyi, Zhang Yunlong, et al.
(Stomatological College , Fourth Military Medical University ,Xi'an 710032)
〔Abstract〕Objective: To study the effects of zirconia additive on the properties the of alumina-glass-composi tes. Method: Fine micron-size d aluminum oxide powder with or without partially-steadied zirconia was compacted via 250 MPa isos tatic-pressing and then sintered at 1400 ℃ or 1 450 ℃ respectively. The alumi na- glass composites were prepared finally via infiltrating the sintered machinable alumina with special glass at 1 250 ℃ for 4h. The mechanical properties and the microstructure were studied. Result: The zirconia additiv e could enhance strength (MPa,76±21.77 vs 41±4.42 at 1 400 ℃,143±22.25 vs 10 5 ±7.87 at 1 450 ℃,respectively; P<0.01) and toughness (MPam 1/2,1.60 ±0.24 vs 0. 58±0.10 at 1 400 ℃,1.77±0.18 vs 1.25±0.17at 1 450 ℃,respectively;P<0.01 ) of the porous alumina obviously, but have no effect on mechanical properties of the alumina-glass-composite (352±36.36 vs 341±34.43 at 1 400 ℃ ,401±29.26 vs 416±62.6 at 1 450 ℃ for strength;4.11±0.31 vs 3.91±0.39 at 1 4 00 ℃ 4.44±0.40 vs 4.3±0.30 for toughness,respectively; P>0.05). Conclusion: Add ing zirconia is an effective method to reinforce strength and toughness of the s intered machinable alumina.
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Key Words Aluminum oxide; Zirconium; Glass infiltration; Dental materials▲
由于現(xiàn)有的口腔修復(fù)全瓷材料存在著強(qiáng)度差、韌性低的致命弱點(diǎn)，材料學(xué)家對各種全瓷 材料 做了大量的研究，同時做了許多增強(qiáng)增韌的嘗試，諸如改變工藝條件以及添加特殊成分等。 其中對氧化鋁陶瓷的研究經(jīng)歷了幾個階段：首先是完全燒結(jié)氧化鋁，如Hi-Ceram，其強(qiáng)度 還 不能令人滿意；隨后出現(xiàn)了通過玻璃滲透部分燒結(jié)的多孔氧化鋁骨架而形成的氧化鋁玻璃復(fù) 合體，即In-Ceram，其強(qiáng)度和韌性已明顯高于其他全瓷材料。在此基礎(chǔ)上，Rinke〔1 〕研制和 應(yīng)用了可用于口腔修復(fù)體CAD/CAM的可切削氧化鋁，在機(jī)加工成型后通過玻璃滲透使其力學(xué) 性能達(dá)到與In-Ceram瓷基本相近。為進(jìn)一步改善多孔氧化鋁及其玻璃復(fù)合體(alumina glas s composite,AGC)的力學(xué)性能， 本實(shí)驗(yàn)在氧化鋁中添加了ω(ZrO2)=5%作為增韌劑，試圖尋求一種有效的增強(qiáng)增韌新 方法。
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1 材料與方法
1.1 氧化鋁燒結(jié)體的制備
1.1.1 將氧化鋁粉(α-氧化鋁含量>99.5%，平均粒徑約4 μm)球磨至平均粉體粒徑為3. 32 μm，經(jīng)冷等靜壓成型為40 mm×40 mm×4 mm的坯體，等靜壓壓力為250 MPa，保壓時間 為15 min。將成型后的坯體置程控高溫電爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為1 400 ℃和1450 ℃， 保溫2 h。用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量坯體燒結(jié)后的線收縮，用重量體積法測出坯體燒 結(jié)前后的密度，采用壓汞法測量坯體燒結(jié)后的孔徑分布情況。
1.1.2 在上述氧化鋁粉中加入ω(ZrO2)=5%作為添加劑。氧化鋯為采用x(Y2O3)= 1.5%和 x(CeO2)=4%作為穩(wěn)定劑經(jīng)1 520 ℃燒結(jié)2 h的部分穩(wěn)定氧化鋯〔2〕。重復(fù)1.1. 1中的各步驟。
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1.2 滲透用玻璃粉的制備
參照Tyszblat〔3〕專利，將ω(La2O3)=40%、ω(Al2O3)=16% 、ω(SiO2)=17%、ω(B2O3)=15%及其 他原料按1∶2∶1的粉∶球∶無水酒精比放入瑪瑙球磨罐中，球磨10 h混勻。原料烘干后放 入氧化鋁坩堝，在1 250 ℃下熔融2 h，然后將熔融的玻璃倒入水中淬冷。收集淬冷后的玻 璃屑球磨4 h，過100目篩制成玻璃粉備用。
1.3 氧化鋁玻璃復(fù)合體的制備
秤取6 g玻璃粉，用去離子水配成漿料，均勻涂覆于部分燒結(jié)氧化鋁的上表面，在70 ℃烘箱 中干燥15 min，然后在1 250 ℃滲透，保溫4 h后爐冷至室溫，制備成致密的氧化鋁玻璃AGC 。
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1.4 力學(xué)性能測試
1.4.1 三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測試 制備3 mm×2 mm×30 mm規(guī)格的部分燒結(jié)氧化鋁及AGC試件，表面磨光、拋光并倒角，每組試 樣 數(shù)量10個。用Shimadzu DSS-25 T拉伸試驗(yàn)機(jī)測試三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，跨距20 mm，氧化鋁試件 加載 載荷5 kg，AGC試件加載載荷20 kg，加載速度0.5 mm/min，彎曲強(qiáng)度由σ=3PL/2 bh2公 式計算，其中σ為三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，P為斷裂載荷，L為跨距，b為試件寬度 ，h為試件厚度。
1.4.2 斷裂韌性測試 斷裂韌性采用單邊切口梁法測試。制備規(guī)格為4 mm×2 mm×25 mm的 部分燒結(jié)氧化鋁及AGC試 件 ，表面磨光、拋光并倒角，中央切口寬度為0.2 mm，切口深度為2 mm，每組試樣數(shù)量8個。 采 用1.4.1中的設(shè)備進(jìn)行測試，試件跨距為16 mm，氧化鋁試件加載載荷為5 kg，AGC加載載荷 為10 kg，加載速度為0.05 mm/min，斷裂韌性由公式
計算，其中a為切口深度，P、L、b、h與1.4.1彎曲 強(qiáng)度公式中相同。, 百拇醫(yī)藥
1.4.3 微觀結(jié)構(gòu)分析 采用掃描電鏡進(jìn)行微米級和納米級氧化鋁燒結(jié)體及對應(yīng)AGC的微觀結(jié) 構(gòu)分析。
2 結(jié) 果
實(shí)驗(yàn)測得添加氧化鋯和不添加氧化鋯的氧化鋁坯體密度分別為2.58 g/cm3和2.40 g/cm3 。其他測試結(jié)果見表1和表2。
表1 兩種溫度燒結(jié)的添加和不添加氧化鋯的氧化鋁及AGC相關(guān)物理性能
氧化鋁燒結(jié)體
AGC
收縮率%
平均孔徑(mm)
密度(g/cm3)
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密度(g/cm3)
1 400 ℃添加氧化浩
2.9
369
2.80
3.97
不加氧化鋯
3.1
375
2.65
3.93
1 450 ℃添加氧化浩
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331
2.95
3.96
不加氧化鋯
4.5
325
2.76
3.89
表2 兩種溫度燒結(jié)的添加和不添加氧化鋯的氧化鋁及AGC力學(xué)性能測試(
±s)氧化鋁燒結(jié)體
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AGC
彎曲強(qiáng)度MPa
斷裂韌性MPam1/2
彎曲強(qiáng)度MPa
斷裂韌性MP am1/2
1 400 ℃ 添加氧化浩
76±21.77①
1.60±0.24①
352±36.36
4.11±0 .31
不加氧化鋯
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41±4.42
0.58±0.10
341±34.42
3.91±0.39
1 450 ℃ 添加氧化浩
143±22.25①
1.77±0.18①
401±29.26
4.44± 0.40
不加氧化鋯
105±7.87
, 百拇醫(yī)藥
1.25±0.17
416±62.16
4.37±0.30
①P<0.01
從表1可以看出，同溫度下添加氧化鋯與不添加氧化鋯，其燒結(jié)收縮率、孔徑無明顯差 別，加入氧化鋯可使氧化鋁燒結(jié)體及AGC的密度略有增加，但增加的幅度并不大。表2結(jié)果顯 示同溫度下添加氧化鋯可顯著提高氧化鋁燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，但對AGC的兩項指 標(biāo)無明顯影響。
圖1 氧化鋁燒結(jié)體的斷口掃描電鏡照片(×5 000)
從圖1中可以看到，氧化鋯的加入對氧化鋁燒結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)沒有很大的影響。圖2是一 張同 樣材料經(jīng)1 400 ℃燒結(jié)后的放大照片，其中箭頭示氧化鋯顆粒分布情況。可以看出氧化鋯粒 徑 比氧化鋁晶粒要小得多，通常只有0.3～0.5 μm，而且主要分布在氧化鋁晶粒周圍并且與氧化鋁晶粒接觸。從圖3可以看出，氧化鋯的加入使得AGC中斷口中穿晶斷裂的比例明顯增加。
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圖2 氧化鋯在氧化鋁中的分布(經(jīng)1 400 ℃燒結(jié))
圖3 AGC斷口掃描電鏡照片(×5 000)
3 討 論
添加增韌劑是陶瓷增韌的一種常用的方法，在其他陶瓷研究中已有過嘗試。氧化鋯因其具有 高強(qiáng)度和高韌性，成為陶瓷增韌添加劑的首選成分。本文試圖通過添加部分穩(wěn)定的氧化鋯達(dá) 到提高部分燒結(jié)氧化鋁及其AGC力學(xué)性能的目的。
一般來講，無任何添加劑的氧化鋁的完全燒結(jié)溫度應(yīng)在1 600～1 700 ℃。在1 400～1 450 ℃ 燒結(jié)的 氧化鋁其密度僅為理論密度的68%～71%，為不完全燒結(jié)，但其仍具有一定的強(qiáng)度。這是由于 表 面擴(kuò)散造成顆粒間接觸面積的擴(kuò)大。不過由于此時氧化鋁的晶界和晶粒尚未完全形成，晶界 斷裂能明顯低于晶粒斷裂能，因而強(qiáng)度十分有限，其斷裂方式基本為沿晶斷裂。部分穩(wěn)定的 氧化鋯具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性〔4〕，它們分散在氧化鋁的晶界處，可明顯增加晶 界斷裂能并在斷裂時引起裂紋的偏轉(zhuǎn)和橋接，從而提高材料的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地證明了 這一點(diǎn)。
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對AGC而言，情況則不一樣。它的強(qiáng)度和韌性很大程度上有賴于玻璃滲透的完 全程度。玻璃填充了氧化鋁的孔隙，從而形成了氧化鋁-玻璃界面，而不只是氧化鋁中依靠 表面擴(kuò)散形成的頸部。另外，由于氧化鋁晶界，即玻璃中存在著應(yīng)力，從而提高了氧化鋁晶 界的斷裂能。因此，在滲透之后的冷卻過程中勢必會造成殘余應(yīng)力，即氧化鋁中的拉應(yīng)力和 玻璃中的壓應(yīng)力。這樣就使得氧化鋁的晶粒斷裂能與晶界斷裂能大致相當(dāng)。從圖3(a)和(b) 可見到斷口中同時存在著沿晶斷裂和穿晶斷裂兩種方式。
加入氧化鋯之后，氧化鋯彌散于氧化鋁晶界處，提高了晶界斷裂能，使得材料中穿晶斷裂的 比例增加。但由于晶粒斷裂能未有提高，而材料斷裂時總會尋求最低的能量，因此，加入氧 化鋯只是提高了材料的晶界斷裂能但仍然不足以提高材料強(qiáng)度和韌性。另外從表1和圖2可以 看出添加氧化鋯并未影響燒結(jié)體的氣孔孔徑和微觀形貌，因而與不加氧化鋯的氧化鋁燒結(jié)體 相比，亦無助于改善玻璃滲透的完全程度。故而氧化鋯的添加對氧化鋁晶界斷裂能有所提高 ，但還不足以對AGC的性能產(chǎn)生很大影響。
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盡管如此，氧化鋯添加劑對多孔氧化鋁及其AGC的臨床應(yīng)用還是有所幫助的，因?yàn)樽鳛榭汕?削材料的多孔氧化鋁來講，增加強(qiáng)度和韌性對改善其切削性能、防止機(jī)械加工和后期玻璃滲 透時的形變將大有好處，可以說添加氧化鋯增韌氧化鋁是一種十分有益的嘗試。如何尋找可 以增加氧化鋁晶粒強(qiáng)度的增韌方法還有待于進(jìn)一步研究。■
本研究為國家重點(diǎn)科技項目九五攻關(guān)計劃的子課題內(nèi)容 項目編號：96-A10-01-1 0-01
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收稿日期：1999-11-24, http://www.www.srpcoatings.com