噴砂對牙科氧化鋯陶瓷材料彎曲強度和疲勞性能的影響

王梁，龔旭，吳偉，陳吉俊，吳冰，李幼華

噴砂對牙科氧化鋯陶瓷材料彎曲強度和疲勞性能的影響

王梁1，龔旭2，吳偉1，陳吉俊1，吳冰3，李幼華1

（1.寧波市第二醫院 口腔科，浙江 寧波 315010；2.軍事口腔醫學國家重點實驗室，國家口腔疾病臨床醫學研究中心，第四軍醫大學口腔醫學院 口腔材料學教研室，陜西 西安 710032；3.軍事口腔醫學國家 重點實驗室，國家口腔疾病臨床醫學研究中心，第四軍醫大學口腔醫學院 口腔修復工藝科，陜西 西安 710032）

目的：探討噴砂對氧化鋯陶瓷材料三點彎曲強度和疲勞性能的影響。方法：按照隨機數字表，將60個氧化鋯陶瓷試樣隨機分成噴砂組和對照組，每組30個試樣。噴砂組表面拋光后再進行噴砂處理，對照組表面進行拋光。對噴砂組和對照組進行三點彎曲強度測試，使用Weibull函數分析噴砂對HT鋯瓷彎曲強度可靠性的影響，并采用成組t檢驗分析三點彎曲強度測試結果。對噴砂組和對照組進行疲勞實驗，試樣在循環載荷作用下的裂紋擴展情況用裂紋擴展速率曲線描述。結果：噴砂組和對照組的m-ZrO2相對含量分別為11.10%和6.24%。噴砂組和對照組三點彎曲強度測試結果分別為（1 228.36±137.33）MPa和（1 200.50± 114.74）MPa，差異有統計學意義（P＜0.05）；Weibull模數分別為13.52、12.03；應力腐蝕指數分別為35.80、32.87；發生裂紋擴展時的應力強度因子△K僅相當于其斷裂韌性的51.90%和50.90%。結論：經過本研究 所述方法噴砂處理后的HT鋯瓷的三點彎曲強度升高，抵抗裂紋擴展的能力增強。

牙科氧化鋯陶瓷；噴砂；Weibull分析；彎曲強度；循環疲勞；疲勞性能

相比于二硅酸鋰、氧化鋁基玻璃滲透全瓷等其他牙科陶瓷材料，氧化鋯陶瓷因其優異的機械性能及良好的切削加工特性而廣泛應用于臨床[1-2]。然而，由于鋯瓷自身的化學惰性，其粘接性能相較硅酸鹽類陶瓷差[3]，采用氧化鋁顆粒對其表面進行噴砂處理，使其組織面獲得一定的粗糙度以利于粘接固位，是臨床常用的鋯瓷修復體表面處理的方法之一[4]。鋯瓷修復體在噴砂的過程中，由于受到砂粒的撞擊，在其組織面會發生t-m相變（四方相向單斜相的轉變）[5]。目前，t-m相變對氧化鋯瓷力學性能的影響仍然存在爭議：PEREIRA等[6-8]研究表明，對鋯瓷試件組織面進行噴砂，能夠提高其彎曲強度；KOSMAC等[9]研究顯示，噴砂后鋯瓷試件的彎曲強度降低、Weibull模數下降。鋯瓷修復體在口內的疲勞斷裂，是長期受到口內復雜環境（溫度、唾液腐蝕、咀嚼力等）作用的結果，因此考察噴砂對鋯瓷材料使用壽命的影響，應該綜合考慮彎曲強度和疲勞性能兩方面的因素。但關于噴砂對鋯瓷修復體疲勞性能的影響，目前相關的報道較少。本研究通過分析噴砂處理前后牙科鋯瓷試樣彎曲強度、表面單斜晶型氧化鋯相對含量和裂紋擴展速率的變化，探討噴砂處理對牙科氧化鋯陶瓷材料彎曲強度和疲勞性能的影響。

1 材料和方法

1.1 材料和設備 Upcera HT氧化鋯陶瓷（以下簡稱HT鋯瓷，深圳Upcera公司）。MP-1型金相拋磨機（上海金相機械設備有限公司）；Basic master大師級精密噴砂機（德國Renfert公司）；PS50三維形貌掃描儀（美國NANOVEA公司）；AGS-10KG萬能材料試驗機（日本島津公司）；MUF-1050微型軸向疲勞試驗機（天津奈曼旗凱爾測控有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 試樣制備：采用ISO6872-2015標準制作試 樣[10]。取HT鋯瓷（規格均為AW98 mm×14 mm）瓷盤2塊，按相應的放大率切割燒結后逐級拋光、倒角，確保試樣尺寸為22 mm×4 mm×1.2 mm（±0.1 mm），使用PS50三維形貌掃描儀測試試樣噴砂前的表面粗糙度，要求表面粗糙度值（Ra）＜0.6 μm。經測定HT鋯瓷試樣拋光后的Ra為（0.048±0.004）μm，符合ISO6872-2015標準。將上述符合要求的試樣置于體 視鏡下觀察，從中選取表面無明顯缺陷的試樣60個， 烘干箱干燥后，將試樣按照隨機數字表分為噴砂組和對照組，每組30個試樣。使用Basic master大師級精密噴砂機對噴砂組試樣表面進行噴砂處理。噴砂操作：砂粒為Al2O3顆粒，直徑為30～50 μm，砂束與待處理表面呈45°夾角，噴口與待處理表面相距8 mm，均勻噴射，時間為20 s。將噴砂后的試樣進行超聲清洗，烘干后進行下一步實驗。

1.2.2 X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析：按照隨機數字表在噴砂組和對照組中各取1個試樣，然后進行XRD分析，參數為銅靶，掃描步長0.02°，掃描速度0.1 s/步，衍射角掃描范圍25°～35°。計算m-ZrO2的相對含量[11]：

ΙM(111)、ΙM(111-)、ΙT(111-)分別對應M相晶面指數 (111-)、(111)及T相晶面指數(111)的衍射強度。

1.2.3 循環加載測試：每組取15個試件，在萬能材料試驗機上測試三點彎曲強度。壓頭直徑4 mm，跨距20 mm，加載速度0.5 mm/min[10]，直至試件斷裂，記錄最大載荷，即彎曲強度（σ）。

利用公式（2）計算噴砂組、對照組試樣的三點彎曲強度。

式中P為斷裂負荷（N）；L為跨距（mm）；w為試樣寬度（mm）；b為試樣厚度（mm）。

為了實現適用于長期觀察活體細胞且無需人工參與的自動相位像差補償，本文提出了一種結合劃線擬合和神經網絡的自動相位像差補償方法.首先在全息面提取中心十字線上再現物光場的相位值，擬合構建包含系統主要相位像差的數字相位透鏡進行初步二次補償；然后在成像面運用卷積神經網絡自動識別背景區域并構建包含殘余相位像差的數字透鏡進行精確補償；最終得到無相位像差的物體再現相位像.搭建數字全息顯微系統并應用該方法對宮頸癌細胞、子宮內膜癌細胞和小鼠骨細胞等具有不同形態特征的活體樣本進行相襯顯微成像實驗，進一步開展子宮內膜癌細胞的動態定量觀察實驗，以驗證該方法的正確性及可行性.

1.2.4 循環疲勞實驗：在室溫為25 ℃的干燥環境下，采用MUF-1050微型軸向疲勞試驗機對噴砂組和對照組試樣進行疲勞實驗，采用循環載荷，波形為正弦波，頻率為8 Hz，加載載荷為試樣斷裂強度平均值的60%[12]，直至試樣斷裂，并記錄試樣斷裂時的循環加載次數（Nf）。

1.2.5 彎曲強度可靠性分析：使用Weibull分布函數對噴砂組和對照組的HT的彎曲強度（σ）可靠性和循環次數（Nf）進行分析。彎曲強度的Weibull分布函數如下：

式中P為試樣在外加強度σx作用下發生斷裂的概率，σ為彎曲強度，σ0為斷裂概率為63.21%時的特征斷裂強度，m為Weibull模數[13]，令P=（i-0.5）/N，i=1, 2, 3…N, N=15。計算lnln[1/（1-P）]，并對ln（σ/σ0）作圖，可得彎曲強度的Weibull模量m，特征斷裂強度σ0。

同理，計算循環次數的Weibull分布函數：

式中P’為試樣在大小為試樣斷裂強度平均值60%的循環載荷作用下發生斷裂的概率，Nf為斷裂時的循環周次，Nf，0為斷裂概率為63.21%時的特征斷裂周次[12]，m*為疲勞循環Weibull模數，令P=（i-0.5）/N，i=1，2，3…N，N=15。計算lnln[1/（1-P）]，并對ln（Nf/Nf，0）作圖，可得斷裂周次的Weibull模量m*，特征斷裂周次Nf，0。

1.2.6 裂紋擴展速率曲線：陶瓷脆性材料的疲勞裂紋擴展的特征可用帕里斯定律（Paris Law）[14]描述，裂紋每周的擴展速率N與應力強度因子范圍ΔK= Kmax-Kmin有關，Kmax和Kmin分別是循環疲勞加載過程中K的最大值和最小值。對于恒幅疲勞載荷來說：

HT鋯瓷的應力腐蝕指數n和裂紋擴展速率曲線的參數A可由方程（4）、（5）[10-12]計算出：

式中KIC為材料的斷裂韌性，Y=為幾何參數，在表面裂紋中Y=1.3[14]。

將（6）、（7）、（8）式中計算出的ΔK、n、A代入 （5）式可以求出v，對（5）式兩邊求對數，作圖得到HT鋯瓷的裂紋擴展速率曲線。

1.3 統計學處理方法 使用SPSS13.0軟件進行統計分析。噴砂組和對照組HT鋯瓷的三點彎曲強度值采用成組t檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 XRD分析結果 采用Jade5.0對XRD結果進行分析，結果見圖1。

圖1 噴砂組和對照組的XRD分析結果

XRD結果表明，本研究所述的噴砂工藝能夠使HT鋯瓷試樣表面發生t-m相變。由（1）式可知，噴砂組和對照組的m-ZrO2的相對含量分別為11.1%和6.24%。

2.2 三點彎曲強度的Weibull分析 利用Eviews 6.0軟件作圖得到噴砂組和對照組HT鋯瓷彎曲強度的Weibull分布，結果表明，噴砂組的三點彎曲強度 Weibull模數大于對照組（見圖2）。噴砂組和對照組鋯瓷的σ0、σc和m分別為1 254.5MPa和1 229.5 MPa， （1 228.36±137.33）MPa和（1 200.55±114.74）MPa， 13.52和12.03。斷裂韌性KIC由HT鋯瓷的產品說明書可知。噴砂組HT鋯瓷的三點彎曲強度顯著高于對照組（P＜0.05）。

圖2 噴砂組和對照組的HT鋯瓷彎曲強度Weibull分布圖

2.3 裂紋擴展速率曲線分析 HT鋯瓷噴砂組和對照組的循環疲勞實驗Weibull模數m*分別為0.40和0.39，循環疲勞次數的特征值Nf，0分別為：Nf，0（噴 砂）=9 707次、Nf，0（對照）=5 701次。通過（6）式，計算出噴砂組和對照組HT鋯瓷的應力腐蝕指數n。通過（7）式，可以求得SCG曲線的參數A。噴砂組和對照組HT鋯瓷的應力腐蝕指數n和SCG曲線的參數A分別為35.80和32.87，1.41×10-28和4.68×10-27。

將以上所求得n、A、ΔK代入（5）式求出v，并對（5）式兩邊求自然對數，可得噴砂組和對照組HT鋯瓷在循環載荷作用下的裂紋擴展速率曲線，如圖3所示：

圖3 噴砂組和對照組HT鋯瓷的疲勞裂紋擴展速率曲線

如圖3所示，噴砂組和對照組HT鋯瓷在動態疲勞失效過程中存都在亞臨界裂紋擴展（SCG），最低疲勞裂紋生長速率v噴砂組=7.6×10-13m/cycle、v對照組= 6.7×10-13m/cycle，與此對應的應力強度因子ΔK分別為2.75 MPa·m1/2、2.7 MPa·m1/2。

3 討論

3.1 噴砂處理對牙科鋯瓷材料彎曲強度的影響 在 斷裂力學領域，通常列出的耐久極限值或疲勞強度是由多次實驗得出的算術平均值[16]。然而，在諸如陶瓷和聚合物之類的脆性固體中，由于微觀裂紋尺寸有很大的分散性，疲勞數據的分散程度很大，因此，同一種材料的不同實驗組次可能給出臨界強度參數的不同算術平均[14]。為了描述這一問題，WEIBULL提出了給定失效強度σf的失效概率P的概念，認為脆性材料的斷裂失穩是一個概率問題[13]?；谑Ц怕蔖，WEIBULL還首次提出使用Weibull模數m來表示脆性材料的彎曲強度可靠性，m越大，表明材料的可靠性越好，材料的均一性越好[13]，ISO關于牙科陶瓷的標準也要求對彎曲實驗樣本數在15個以上的結果進行Weibull分析[10]。Weibull分析結果顯示噴砂組和噴砂組的鋯瓷材料的m分別為12.03、13.52，因此，可以得知噴砂組的試樣經過上述的表面噴砂工藝處理，材料的彎曲強度可靠性提高。

3.2 噴砂對牙科鋯瓷材料彎曲強度的影響 研究證實，噴射壓力、顆粒材質、粒徑以及噴砂時間和距離等，是影響鋯瓷材料噴砂效果的重要因素[4-9]。 PEREIRA等[6-8]近年來對經過不同噴射角度、不同噴射壓力、不同噴砂時間處理后的牙科鋯瓷進行三點彎曲強度測試，測試結果表明對牙科鋯瓷材料表面進行噴砂，能夠提高材料的彎曲強度。KOSMAC等[9]對經過打磨和噴砂處理后的牙科鋯瓷試樣進行三點彎曲強度實驗，結果顯示噴砂后的鋯瓷試件的彎曲強度降低、m下降。WANG等[17]使用粒徑為120 μm的Al2O3顆粒對熱處理前、后的牙科鋯瓷進行噴砂，也得到了相似的實驗結果。本研究結果表明，與對照組相比，經過本研究所述的噴砂工藝處理后的HT鋯瓷材料三點彎曲強度更高，差異有統計學意義。結合本研究XRD結果分析，可能是由于經過上述工藝處理的鋯瓷組織面出現了相變增韌現象，即鋯瓷材料表面在砂粒的“撞擊”下誘發了t-m相變，相變產生的壓應力作用于裂紋尖端，在裂紋擴展時能夠起到阻礙作用，同時，t-m相變誘發的體積膨脹，彌合了打磨拋光和噴砂過程中產生的表面裂紋[16]，裂紋頂端的相變使相變區的體積凈增加，當相變區內膨脹出來的材料滯留在擴展疲勞裂紋頂端后部時，就會引起裂紋張開位移的凈減小，從而提高了鋯瓷的彎曲強度。

3.3 噴砂處理對牙科鋯瓷材料疲勞性能的影響 許多學者對陶瓷材料的疲勞裂紋擴展速率進行了研究[11，13-16，18-19]。研究結果表明，在循環載荷或靜載荷下，陶瓷材料的裂紋擴展速率曲線包含三個區：即近門檻值區，中等擴展速率區（或Pairs區）和高速率擴展區。學者們普遍認為：當ΔK低于該門檻值時，裂紋或者完全不擴展，或者以無法檢測到的速率擴展；當ΔK高于該門檻值時，da/dN隨著的增加而急劇上升。分析陶瓷材料的裂紋擴展速率曲線可知[13-16，18-19]，裂紋擴展速率曲線的下邊界是門檻值Kth，上邊界是斷裂韌性KIC。進一步研究[14]表明，在循環載荷作用下，當ΔK＜Kth時，裂紋不擴展；當Kth＜ΔK＜KIC時裂紋開始擴展，一旦開始擴展，裂紋擴展速率dv＞1×10-9m/cycle；當ΔK=KIC時，裂紋失穩擴展，其速率呈指數級增長，會在短時間內造成陶瓷修復體的斷裂。因此，有學者[15，19]認為，降低陶瓷材料裂紋擴展速率的主要措施是提高斷裂韌性。然而近年來有學者發現，存在于近門檻區以內的亞臨界裂紋擴展，已經成為導致陶瓷材料疲勞失效的重要原因之一[16]。圖3結果證實，噴砂組和對照組的HT鋯瓷在循環載荷的作用下都存在亞臨界裂紋擴展（SCG，v≤10-11m/cycle）。在循環加載過程中，噴砂組和對照組的最低疲勞裂紋生長速率分別為7.6×10-13、6.7×10-13m/cycle，此時的應力強度因子ΔK分別為2.75、2.7 MPa·m1/2，該值僅為各自斷裂韌性KIC的51.9%（2.75/5.3）和50.9%（2.7/5.3）。通過本研究所述的噴砂工藝處理之后，HT鋯瓷抵抗SCG裂紋擴展的門檻值Kth由噴砂之前的2.7 MPa·m1/2提高到噴砂后的2.75 MPa·m1/2， 最低疲勞裂紋生長速率由6.7×10-13m/cycle提高到7.6×10-13m/cycle。由圖4可知，在2.7 MPa·m1/2的應力強度因子的作用下，噴砂后的HT鋯瓷中沒有裂紋擴展，而未噴砂的HT鋯瓷中的裂紋以6.7× 10-13m/cycle的速率擴展；在2.75 MPa·m1/2的應力強度因子的作用下，噴砂后的HT鋯瓷中的裂紋以7.6×10-13m/cycle的速率擴展，而未噴砂的HT鋯瓷中的裂紋以1.35×10-12m/cycle的速率擴展，約為噴砂后HT鋯瓷中裂紋擴展速率的1.8倍。由此可知，經過本研究所述的噴砂工藝處理后，HT鋯瓷修復體抵抗裂紋擴展的能力增強。結合本研究XRD分析結果可知，可能是由于表面噴砂時砂粒對鋯瓷表面的沖擊作用，使得鋯瓷表面的ZrO2由介穩四方相轉變為單斜相，發生相變，相變產生的體積膨脹導致鋯瓷表面層形成壓應力，壓應力作用于裂紋尖端，使其在表面層中不易形成和擴散以增韌，產生了表面增韌現象，從而提高了鋯瓷的疲勞性能。

綜上可知，經過本文所述的方法噴砂處理后的HT鋯瓷的m-ZrO2相對含量增加，三點彎曲強度升高，彎曲強度可靠性提高，疲勞性能增強。

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（本文編輯：丁敏嬌）

Effects of sandblasting on the flexural strength and fatigue property of the dental zirconia ceramics

WANG Liang1, GONG Xu2, WU Wei1, CHEN Jijun1, WU Bing3, LI Youhua1.
1.Department of Stomatology, Ningbo NO.2 Hospital, Ningbo, 315010; 2.State Key Laboratory of Military Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases, Department of Dental Materials, School of Stomatology, the Fourth Military Medical University, Xi’an, 710032; 3.State Key Laboratory of Military Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases, Department of Laboratory Center, School of Stomatology, the Fourth Military Medical University, Xi’an, 710032

Objective: To evaluate the effect of sandblasting on the flexural strength and fatigue property under cyclic loading of the dental zirconia ceramics. Methods: After polished, sixty bar-shaped specimens of HT were assigned to two groups (n=30) according to the random number table, one of which was sandblasted by alumina particles, the other was polished. The flexural strength of experimental group and control group was obtained from three-point flexural test, then examined by Weibull statistics and analyzed by the group t-test. The number of cycles to fracture was obtained from cyclic fatigue test. The fatigue crack growth rate curve based on Pairs law was used to describe the crack propagation. Results: The phase content of m-ZrO2experimental group and control group were 11.1% and 6.24%. The flexural strength of experimental group and control group were 1 228.36±137.33 MPa and 1 200.55±114.74 MPa (P＜0.05). The Weibull module of the two groups was 13.52 and 12.03. The stress corrosion cracking susceptive indexes were 35.80 and 32.87. The crack propagation occurred at the critical stress-intensity factor was as low as 51.9% and 50.9% of its fracture toughness. Conclusion: After dealing with the method described in this article, both the flexural strength and the crack growth resistance of the HT are increased. dental zirconia ceramics; sandblasting; Weibull statistics; flexural strength; cyclic fatigue; fatigue property

R783.1

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.08.008

2017-01-03

寧波市自然科學基金資助項目（2016A610147）。

王梁（1979-），男，山東萊蕪人，副主任醫師，碩士。

李幼華，主任醫師，Email：37895047@qq.com。