喷砂对牙科氧化锆陶瓷材料弯曲强度和疲劳性能的影响

王梁，龚旭，吴伟，陈吉俊，吴冰，李幼华

喷砂对牙科氧化锆陶瓷材料弯曲强度和疲劳性能的影响

王梁1，龚旭2，吴伟1，陈吉俊1，吴冰3，李幼华1

（1.宁波市第二医院 口腔科，浙江 宁波 315010；2.军事口腔医学国家重点实验室，国家口腔疾病临床医学研究中心，第四军医大学口腔医学院 口腔材料学教研室，陕西 西安 710032；3.军事口腔医学国家 重点实验室，国家口腔疾病临床医学研究中心，第四军医大学口腔医学院 口腔修复工艺科，陕西 西安 710032）

目的：探讨喷砂对氧化锆陶瓷材料三点弯曲强度和疲劳性能的影响。方法：按照随机数字表，将60个氧化锆陶瓷试样随机分成喷砂组和对照组，每组30个试样。喷砂组表面抛光后再进行喷砂处理，对照组表面进行抛光。对喷砂组和对照组进行三点弯曲强度测试，使用Weibull函数分析喷砂对HT锆瓷弯曲强度可靠性的影响，并采用成组t检验分析三点弯曲强度测试结果。对喷砂组和对照组进行疲劳实验，试样在循环载荷作用下的裂纹扩展情况用裂纹扩展速率曲线描述。结果：喷砂组和对照组的m-ZrO2相对含量分别为11.10%和6.24%。喷砂组和对照组三点弯曲强度测试结果分别为（1 228.36±137.33）MPa和（1 200.50± 114.74）MPa，差异有统计学意义（P＜0.05）；Weibull模数分别为13.52、12.03；应力腐蚀指数分别为35.80、32.87；发生裂纹扩展时的应力强度因子△K仅相当于其断裂韧性的51.90%和50.90%。结论：经过本研究 所述方法喷砂处理后的HT锆瓷的三点弯曲强度升高，抵抗裂纹扩展的能力增强。

牙科氧化锆陶瓷；喷砂；Weibull分析；弯曲强度；循环疲劳；疲劳性能

相比于二硅酸锂、氧化铝基玻璃渗透全瓷等其他牙科陶瓷材料，氧化锆陶瓷因其优异的机械性能及良好的切削加工特性而广泛应用于临床[1-2]。然而，由于锆瓷自身的化学惰性，其粘接性能相较硅酸盐类陶瓷差[3]，采用氧化铝颗粒对其表面进行喷砂处理，使其组织面获得一定的粗糙度以利于粘接固位，是临床常用的锆瓷修复体表面处理的方法之一[4]。锆瓷修复体在喷砂的过程中，由于受到砂粒的撞击，在其组织面会发生t-m相变（四方相向单斜相的转变）[5]。目前，t-m相变对氧化锆瓷力学性能的影响仍然存在争议：PEREIRA等[6-8]研究表明，对锆瓷试件组织面进行喷砂，能够提高其弯曲强度；KOSMAC等[9]研究显示，喷砂后锆瓷试件的弯曲强度降低、Weibull模数下降。锆瓷修复体在口内的疲劳断裂，是长期受到口内复杂环境（温度、唾液腐蚀、咀嚼力等）作用的结果，因此考察喷砂对锆瓷材料使用寿命的影响，应该综合考虑弯曲强度和疲劳性能两方面的因素。但关于喷砂对锆瓷修复体疲劳性能的影响，目前相关的报道较少。本研究通过分析喷砂处理前后牙科锆瓷试样弯曲强度、表面单斜晶型氧化锆相对含量和裂纹扩展速率的变化，探讨喷砂处理对牙科氧化锆陶瓷材料弯曲强度和疲劳性能的影响。

1 材料和方法

1.1 材料和设备 Upcera HT氧化锆陶瓷（以下简称HT锆瓷，深圳Upcera公司）。MP-1型金相抛磨机（上海金相机械设备有限公司）；Basic master大师级精密喷砂机（德国Renfert公司）；PS50三维形貌扫描仪（美国NANOVEA公司）；AGS-10KG万能材料试验机（日本岛津公司）；MUF-1050微型轴向疲劳试验机（天津奈曼旗凯尔测控有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 试样制备：采用ISO6872-2015标准制作试 样[10]。取HT锆瓷（规格均为AW98 mm×14 mm）瓷盘2块，按相应的放大率切割烧结后逐级抛光、倒角，确保试样尺寸为22 mm×4 mm×1.2 mm（±0.1 mm），使用PS50三维形貌扫描仪测试试样喷砂前的表面粗糙度，要求表面粗糙度值（Ra）＜0.6 μm。经测定HT锆瓷试样抛光后的Ra为（0.048±0.004）μm，符合ISO6872-2015标准。将上述符合要求的试样置于体 视镜下观察，从中选取表面无明显缺陷的试样60个， 烘干箱干燥后，将试样按照随机数字表分为喷砂组和对照组，每组30个试样。使用Basic master大师级精密喷砂机对喷砂组试样表面进行喷砂处理。喷砂操作：砂粒为Al2O3颗粒，直径为30～50 μm，砂束与待处理表面呈45°夹角，喷口与待处理表面相距8 mm，均匀喷射，时间为20 s。将喷砂后的试样进行超声清洗，烘干后进行下一步实验。

1.2.2 X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析：按照随机数字表在喷砂组和对照组中各取1个试样，然后进行XRD分析，参数为铜靶，扫描步长0.02°，扫描速度0.1 s/步，衍射角扫描范围25°～35°。计算m-ZrO2的相对含量[11]：

ΙM(111)、ΙM(111-)、ΙT(111-)分别对应M相晶面指数 (111-)、(111)及T相晶面指数(111)的衍射强度。

1.2.3 循环加载测试：每组取15个试件，在万能材料试验机上测试三点弯曲强度。压头直径4 mm，跨距20 mm，加载速度0.5 mm/min[10]，直至试件断裂，记录最大载荷，即弯曲强度（σ）。

利用公式（2）计算喷砂组、对照组试样的三点弯曲强度。

式中P为断裂负荷（N）；L为跨距（mm）；w为试样宽度（mm）；b为试样厚度（mm）。

为了实现适用于长期观察活体细胞且无需人工参与的自动相位像差补偿，本文提出了一种结合划线拟合和神经网络的自动相位像差补偿方法.首先在全息面提取中心十字线上再现物光场的相位值，拟合构建包含系统主要相位像差的数字相位透镜进行初步二次补偿；然后在成像面运用卷积神经网络自动识别背景区域并构建包含残余相位像差的数字透镜进行精确补偿；最终得到无相位像差的物体再现相位像.搭建数字全息显微系统并应用该方法对宫颈癌细胞、子宫内膜癌细胞和小鼠骨细胞等具有不同形态特征的活体样本进行相衬显微成像实验，进一步开展子宫内膜癌细胞的动态定量观察实验，以验证该方法的正确性及可行性.

1.2.4 循环疲劳实验：在室温为25 ℃的干燥环境下，采用MUF-1050微型轴向疲劳试验机对喷砂组和对照组试样进行疲劳实验，采用循环载荷，波形为正弦波，频率为8 Hz，加载载荷为试样断裂强度平均值的60%[12]，直至试样断裂，并记录试样断裂时的循环加载次数（Nf）。

1.2.5 弯曲强度可靠性分析：使用Weibull分布函数对喷砂组和对照组的HT的弯曲强度（σ）可靠性和循环次数（Nf）进行分析。弯曲强度的Weibull分布函数如下：

式中P为试样在外加强度σx作用下发生断裂的概率，σ为弯曲强度，σ0为断裂概率为63.21%时的特征断裂强度，m为Weibull模数[13]，令P=（i-0.5）/N，i=1, 2, 3…N, N=15。计算lnln[1/（1-P）]，并对ln（σ/σ0）作图，可得弯曲强度的Weibull模量m，特征断裂强度σ0。

同理，计算循环次数的Weibull分布函数：

式中P’为试样在大小为试样断裂强度平均值60%的循环载荷作用下发生断裂的概率，Nf为断裂时的循环周次，Nf，0为断裂概率为63.21%时的特征断裂周次[12]，m*为疲劳循环Weibull模数，令P=（i-0.5）/N，i=1，2，3…N，N=15。计算lnln[1/（1-P）]，并对ln（Nf/Nf，0）作图，可得断裂周次的Weibull模量m*，特征断裂周次Nf，0。

1.2.6 裂纹扩展速率曲线：陶瓷脆性材料的疲劳裂纹扩展的特征可用帕里斯定律（Paris Law）[14]描述，裂纹每周的扩展速率N与应力强度因子范围ΔK= Kmax-Kmin有关，Kmax和Kmin分别是循环疲劳加载过程中K的最大值和最小值。对于恒幅疲劳载荷来说：

HT锆瓷的应力腐蚀指数n和裂纹扩展速率曲线的参数A可由方程（4）、（5）[10-12]计算出：

式中KIC为材料的断裂韧性，Y=为几何参数，在表面裂纹中Y=1.3[14]。

将（6）、（7）、（8）式中计算出的ΔK、n、A代入 （5）式可以求出v，对（5）式两边求对数，作图得到HT锆瓷的裂纹扩展速率曲线。

1.3 统计学处理方法 使用SPSS13.0软件进行统计分析。喷砂组和对照组HT锆瓷的三点弯曲强度值采用成组t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 XRD分析结果 采用Jade5.0对XRD结果进行分析，结果见图1。

图1 喷砂组和对照组的XRD分析结果

XRD结果表明，本研究所述的喷砂工艺能够使HT锆瓷试样表面发生t-m相变。由（1）式可知，喷砂组和对照组的m-ZrO2的相对含量分别为11.1%和6.24%。

2.2 三点弯曲强度的Weibull分析 利用Eviews 6.0软件作图得到喷砂组和对照组HT锆瓷弯曲强度的Weibull分布，结果表明，喷砂组的三点弯曲强度 Weibull模数大于对照组（见图2）。喷砂组和对照组锆瓷的σ0、σc和m分别为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。断裂韧性KIC由HT锆瓷的产品说明书可知。喷砂组HT锆瓷的三点弯曲强度显著高于对照组（P＜0.05）。

图2 喷砂组和对照组的HT锆瓷弯曲强度Weibull分布图

2.3 裂纹扩展速率曲线分析 HT锆瓷喷砂组和对照组的循环疲劳实验Weibull模数m*分别为0.40和0.39，循环疲劳次数的特征值Nf，0分别为：Nf，0（喷 砂）=9 707次、Nf，0（对照）=5 701次。通过（6）式，计算出喷砂组和对照组HT锆瓷的应力腐蚀指数n。通过（7）式，可以求得SCG曲线的参数A。喷砂组和对照组HT锆瓷的应力腐蚀指数n和SCG曲线的参数A分别为35.80和32.87，1.41×10-28和4.68×10-27。

将以上所求得n、A、ΔK代入（5）式求出v，并对（5）式两边求自然对数，可得喷砂组和对照组HT锆瓷在循环载荷作用下的裂纹扩展速率曲线，如图3所示：

图3 喷砂组和对照组HT锆瓷的疲劳裂纹扩展速率曲线

如图3所示，喷砂组和对照组HT锆瓷在动态疲劳失效过程中存都在亚临界裂纹扩展（SCG），最低疲劳裂纹生长速率v喷砂组=7.6×10-13m/cycle、v对照组= 6.7×10-13m/cycle，与此对应的应力强度因子ΔK分别为2.75 MPa·m1/2、2.7 MPa·m1/2。

3 讨论

3.1 喷砂处理对牙科锆瓷材料弯曲强度的影响 在 断裂力学领域，通常列出的耐久极限值或疲劳强度是由多次实验得出的算术平均值[16]。然而，在诸如陶瓷和聚合物之类的脆性固体中，由于微观裂纹尺寸有很大的分散性，疲劳数据的分散程度很大，因此，同一种材料的不同实验组次可能给出临界强度参数的不同算术平均[14]。为了描述这一问题，WEIBULL提出了给定失效强度σf的失效概率P的概念，认为脆性材料的断裂失稳是一个概率问题[13]。基于失效概率P，WEIBULL还首次提出使用Weibull模数m来表示脆性材料的弯曲强度可靠性，m越大，表明材料的可靠性越好，材料的均一性越好[13]，ISO关于牙科陶瓷的标准也要求对弯曲实验样本数在15个以上的结果进行Weibull分析[10]。Weibull分析结果显示喷砂组和喷砂组的锆瓷材料的m分别为12.03、13.52，因此，可以得知喷砂组的试样经过上述的表面喷砂工艺处理，材料的弯曲强度可靠性提高。

3.2 喷砂对牙科锆瓷材料弯曲强度的影响 研究证实，喷射压力、颗粒材质、粒径以及喷砂时间和距离等，是影响锆瓷材料喷砂效果的重要因素[4-9]。 PEREIRA等[6-8]近年来对经过不同喷射角度、不同喷射压力、不同喷砂时间处理后的牙科锆瓷进行三点弯曲强度测试，测试结果表明对牙科锆瓷材料表面进行喷砂，能够提高材料的弯曲强度。KOSMAC等[9]对经过打磨和喷砂处理后的牙科锆瓷试样进行三点弯曲强度实验，结果显示喷砂后的锆瓷试件的弯曲强度降低、m下降。WANG等[17]使用粒径为120 μm的Al2O3颗粒对热处理前、后的牙科锆瓷进行喷砂，也得到了相似的实验结果。本研究结果表明，与对照组相比，经过本研究所述的喷砂工艺处理后的HT锆瓷材料三点弯曲强度更高，差异有统计学意义。结合本研究XRD结果分析，可能是由于经过上述工艺处理的锆瓷组织面出现了相变增韧现象，即锆瓷材料表面在砂粒的“撞击”下诱发了t-m相变，相变产生的压应力作用于裂纹尖端，在裂纹扩展时能够起到阻碍作用，同时，t-m相变诱发的体积膨胀，弥合了打磨抛光和喷砂过程中产生的表面裂纹[16]，裂纹顶端的相变使相变区的体积净增加，当相变区内膨胀出来的材料滞留在扩展疲劳裂纹顶端后部时，就会引起裂纹张开位移的净减小，从而提高了锆瓷的弯曲强度。

3.3 喷砂处理对牙科锆瓷材料疲劳性能的影响 许多学者对陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率进行了研究[11，13-16，18-19]。研究结果表明，在循环载荷或静载荷下，陶瓷材料的裂纹扩展速率曲线包含三个区：即近门槛值区，中等扩展速率区（或Pairs区）和高速率扩展区。学者们普遍认为：当ΔK低于该门槛值时，裂纹或者完全不扩展，或者以无法检测到的速率扩展；当ΔK高于该门槛值时，da/dN随着的增加而急剧上升。分析陶瓷材料的裂纹扩展速率曲线可知[13-16，18-19]，裂纹扩展速率曲线的下边界是门槛值Kth，上边界是断裂韧性KIC。进一步研究[14]表明，在循环载荷作用下，当ΔK＜Kth时，裂纹不扩展；当Kth＜ΔK＜KIC时裂纹开始扩展，一旦开始扩展，裂纹扩展速率dv＞1×10-9m/cycle；当ΔK=KIC时，裂纹失稳扩展，其速率呈指数级增长，会在短时间内造成陶瓷修复体的断裂。因此，有学者[15，19]认为，降低陶瓷材料裂纹扩展速率的主要措施是提高断裂韧性。然而近年来有学者发现，存在于近门槛区以内的亚临界裂纹扩展，已经成为导致陶瓷材料疲劳失效的重要原因之一[16]。图3结果证实，喷砂组和对照组的HT锆瓷在循环载荷的作用下都存在亚临界裂纹扩展（SCG，v≤10-11m/cycle）。在循环加载过程中，喷砂组和对照组的最低疲劳裂纹生长速率分别为7.6×10-13、6.7×10-13m/cycle，此时的应力强度因子ΔK分别为2.75、2.7 MPa·m1/2，该值仅为各自断裂韧性KIC的51.9%（2.75/5.3）和50.9%（2.7/5.3）。通过本研究所述的喷砂工艺处理之后，HT锆瓷抵抗SCG裂纹扩展的门槛值Kth由喷砂之前的2.7 MPa·m1/2提高到喷砂后的2.75 MPa·m1/2， 最低疲劳裂纹生长速率由6.7×10-13m/cycle提高到7.6×10-13m/cycle。由图4可知，在2.7 MPa·m1/2的应力强度因子的作用下，喷砂后的HT锆瓷中没有裂纹扩展，而未喷砂的HT锆瓷中的裂纹以6.7× 10-13m/cycle的速率扩展；在2.75 MPa·m1/2的应力强度因子的作用下，喷砂后的HT锆瓷中的裂纹以7.6×10-13m/cycle的速率扩展，而未喷砂的HT锆瓷中的裂纹以1.35×10-12m/cycle的速率扩展，约为喷砂后HT锆瓷中裂纹扩展速率的1.8倍。由此可知，经过本研究所述的喷砂工艺处理后，HT锆瓷修复体抵抗裂纹扩展的能力增强。结合本研究XRD分析结果可知，可能是由于表面喷砂时砂粒对锆瓷表面的冲击作用，使得锆瓷表面的ZrO2由介稳四方相转变为单斜相，发生相变，相变产生的体积膨胀导致锆瓷表面层形成压应力，压应力作用于裂纹尖端，使其在表面层中不易形成和扩散以增韧，产生了表面增韧现象，从而提高了锆瓷的疲劳性能。

综上可知，经过本文所述的方法喷砂处理后的HT锆瓷的m-ZrO2相对含量增加，三点弯曲强度升高，弯曲强度可靠性提高，疲劳性能增强。

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（本文编辑：丁敏娇）

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

宁波市自然科学基金资助项目（2016A610147）。

王梁（1979-），男，山东莱芜人，副主任医师，硕士。

李幼华，主任医师，Email：37895047@qq.com。