作者：温宁， 伊元夫，王忠义，张少锋，田杰谟，周丽红
【关键词】 烧结温度
【Abstract】 AIM: To study the effects of presintering temperature and the temperature elevation speed on the physical and mechanical properties of aluminaglasscomposites (AGC). METHODS： The aluminaglasscomposite was prepared respectively at 1400℃ and 1450℃ by fast or slow temperature elevation speed. The properties were measured， including density， thermal expansion coefficient， threepoint bending strength， fracture toughness， modulus of elasticity and Vickers hardness of AGC. RESULTS： With the increasing of presintering temperature and the temperature elevation speed， the density of AGC decreased while the bending strength， fracture toughness and modulus of elasticity increased markedly. There was no significant difference between the threepoint bending strength and fracture toughness of AGC at 1450℃ by fast or slow temperature elevation speed， while the threepoint bending strength and fracture toughness of AGC at 1400℃ by slow temperature elevation speed were significant lower than those in the other three groups. The bending strength of AGC at 1400℃ by slower temperature elevation speed was the lowest. The Vickers hardness of the 1450℃ groups was higher than that of the 1400℃ groups. CONCLUSION： Both presintering temperature and the temperature elevation speed influence the properties of AGC. Of the two， the presintering temperature has the greater effect.
【Keywords】 sintering temperature; aluminum oxide; glass; dental materials
【摘 要】目的: 探讨预烧结温度及升温速率对氧化铝玻璃复合体的物理及力学性能的影响.方法: 采用高速率升温至1400℃、1450℃，低速率升温至1400℃、1450℃ 4种方法烧结制备氧化铝玻璃复合体，对比测定AGC的密度、热膨胀系数、三点弯曲强度、断裂韧性、弹性模量和维氏硬度.结果: 随着预烧结温度和升温速率的升高，其密度略有降低，三点弯曲强度、断裂韧性及弹性模量明显增加，高速率升温至1450℃与低速率升温至1450℃制备的AGC的三点弯曲强度及断裂韧性无显著差异.低速率升温至1400℃制备的AGC的三点弯曲强度显著低于其他三组的三点弯曲强度.在1450℃升温组中的维氏硬度高于1400℃升温组的维氏硬度.结论: 多孔氧化铝的预烧结温度、升温速率均会对AGC的各项性能造成很大影响，但预烧结温度对AGC的各项性能起主要作用.
【关键词】 烧结温度；氧化铝；玻璃；牙科材料
0 引言
InCream 玻璃渗透氧化铝陶瓷（Vita公司）作为全瓷基底冠已经成功的应用于临床［1，2］，最初采用粉浆涂塑（slipcasting）技术制备，弯曲强度高达400 MPa以上，远远高于其他全瓷修复系统［3，4］.近年来，结合先进的CAD/CAM技术，从工业预成氧化铝块磨削成冠桥修复体，既简化了常规粉浆涂塑操作技术的复杂性，同时获得了良好的临床效果［5］.玻璃渗透氧化铝陶瓷的多孔预烧体对于复合材料的制备成功起着关键的作用.其烧结工艺中，烧结温度、升温速率和保温时间等都是陶瓷烧成制度的重要环节.我们以前的研究表明，不同的预烧结温度和升温速率对氧化铝块性能有很大的影响［6］，本研究进一步探讨预烧结温度和升温速率对氧化铝玻璃复合体性能的影响.
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 多孔氧化铝基体的制备 微米α氧化铝粉末作为原料（α氧化铝含量&>99.5%，平均粒径约4 μm），经球磨，干燥，用冷等静压成型，等静压压力为250 MPa，保压时间为15 min.将制备的氧化铝坯体分成4组进行烧结：① 高速率升温至1400℃.② 高速率升温至1450℃.③ 低速率升温至1400℃.④ 低速率升温至1450℃.分别烧结2 h.高速率升温是低温段约5℃・min-1，高温段约10℃・min-1；低速率升温是低温段约1℃・min-1，高温段约3℃・min-1，高温段从300℃开始.
1.1.2 氧化铝玻璃复合材料（AluminaGlass Composites，简称AGC）的制备 将制备的四组多孔氧化铝加工成40 mm×40 mm×4 mm的试件，再将已制备的渗透用镧硼硅玻璃粉用去离子水配成浆料，放量涂塑在氧化铝试件的上表面，干燥后放入炉中升温至1250℃，保温4 h后炉冷至室温，磨除表面残余玻璃.将AGC也相应分成4组，每组20个试件：① 高速率升温至1400℃烧结的氧化铝制备的AGC；② 高速率升温至1450℃烧结的氧化铝制备的AGC；③ 低速率升温至1400℃烧结的氧化铝制备的AGC；④ 低速率升温至1450℃烧结的氧化铝制备的AGC.
1.2 方法
1.2.1 AGC物理性能测试 将AGC加工成30 mm×30 mm×4 mm的试件，用重量─体积法测定玻璃密度.将高速率升温至1450℃烧结的氧化铝制备的AGC加工成φ8 mm×6 mm的试件，用SetaramTMA92型热综合分析仪测定其热膨胀系数，升温速率为5℃/min.试件的热膨胀系数由下述公式算出：α=I L0・ΔL ΔT(1) 其中：α为热膨胀系数，L0为室温下试样长度，ΔL为试样长度变化值.
1.2.2 AGC力学性能测试 弯曲强度采用三点弯曲法测试.试样加工成3 mm×2 mm×30 mm的规格，表面抛光并倒角，试件数量每组10个.用Shimadzu DSS25T拉伸试验机测试其三点弯曲强度，试样跨距20 mm，加载载荷20 kg，加载速率05 mm・min-1.弯曲强度由σ＝3PL/2bh3公式计算.σ=3PL 2bh3(2) 其中：σ为三点弯曲强度(MPa)，P为断裂载荷(N)，L为跨距(mm)，b为试样宽度(mm)，h为试样高度(mm)
断裂韧性采用单边切口梁法(Simple Edge Notched Beam)，试件尺寸为4 mm×2 mm×25 mm，切口宽度为02 mm，切口深度约为2 mm(保证切口深度与试件高度的比例在04~06之间)，跨距为16 mm，采用同样的设备进行测试，加载载荷为10 kg，加载速度为005 mm・min-1，试件个数大于5个，断裂韧性KIC采用下列公式计算：KIC=PL bh・f(a h)(3) 其中：P为断裂载荷(N)，L为试件跨距(mm)，b为试件宽度(mm)，h为试样高度(mm)，a为切口深度(mm)， f(a h)为几何因子，由下式给出：f(a h)=2.9(a h)-4.6(a h)+21.8(a h)-
37.6(a h)+38.7(a h)(4) 弹性模量的测定.按弯曲强度的测试方法测试，h测试时同时记录下试样的挠度，加载载荷为20 kg，弹性模量E(MPa)按下式给出：E=PL3 4wbh3(5) 其中：P为断裂载荷(N)，L为跨距(mm)，w为断裂时的挠度(mm)，b为试件宽度(mm)，h为试样高度(mm)
维氏硬度的测定.采用Frank显微硬度仪（Frank公司，德国）测量氧化铝玻璃复合体表面的显微硬度，加载载荷为98 N.维氏硬度Hv采用如下公式计算：H=181544P d2(6) 其中：P为加载载荷(N)，d为压痕两对角线平均值(mm)
统计学处理：采用SPSS110软件作方差分析，多组均数间的比较采用最小显著差法.
2 结果
Fig 1给出了高速率升温至1450℃烧结的氧化铝制备的AGC的热膨胀曲线.
图1 AGC在200~700℃的温度区间的热膨胀曲线（略）
Fig 1 Thermal extensional curve of aluminaglass composite at 5℃・min-1 under air atmosphere between 200~700℃（略）
AGC的各项物理及力学性能值见Tab 1.A，B，C，D分别为高速率升温至1400℃及1450℃和低速率升温至1400℃及1450℃烧结的氧化铝制备的AGC.
表1 AGC的性能值（略）
Tab 1 Physical and mechanical properties of AGC（略）
实验测得A，B，C，D组AGC的密度分别为390，387，393和389 g・cm2，B组的热膨胀系数为72×10-6/℃. Tab 1可见弯曲强度、断裂韧性、弹性模量、维氏硬度在四组之间有显著差异（P&<001）.C组的弯曲强度最低，B组的最高，B组与D组之间弯曲强度无显著差异.断裂韧性两两之间均有显著差异，B组最高，C组最低.C组弹性模量最低，A组与D组，B组与D组之间无显著差异.维氏硬度A组与C组，B组与D组之间有显著差异，C组最低.
从Tab 1可以看出随着升温速率和烧结温度的升高，AGC的密度反而降低.这是因为随着氧化铝升温速率、烧结温度的提高和氧化铝致密化过程的进行，氧化铝的相对密度提高，即气孔率下降，同时氧化铝孔隙的平均孔径下降，孔隙率的下降影响了玻璃渗透的进行，使得在经过玻璃渗透后的AGC中的闭孔数增多.
一个理想的牙科全瓷修复系统，核瓷与饰瓷的热膨胀系数在牙科烤瓷制作的温度范围必须匹配.在金属烤瓷系统中，要求金属与烤瓷的热膨胀系数相差在(05~15)×10-6/℃的范围内，而全瓷基底与饰瓷之间热膨胀系数匹配则没有明确的规定.Steiner［7］的研究表明，全瓷基底与饰瓷之间热膨胀系数＜10×10-6/℃有良好的匹配性，而＞(15~16)×10-6/℃则导致修复体出现裂纹.从Fig 1的AGC热膨胀曲线可以看出，在从室温到700℃这一段温度范围内，AGC基本属于线性膨胀，AGC在20~600℃温度区间内的平均热膨胀系数为72×10-6/℃，Vitadur Alpha饰瓷热膨胀系数为(62~67）×10-6/℃，两者的热膨胀系数相差较小，有良好的匹配性.
采用不同预烧结温度和升温速率烧结微米氧化铝对于最终AGC的三点弯曲强度及断裂韧性有很大影响.高速率升温至1400℃、1450℃较低速率升温至1400℃烧结的氧化铝制备的AGC的三点弯曲强度及断裂韧性值有明显增加，但高速率升温至1450℃与低速率升温至1450℃烧结的氧化铝制备的AGC的三点弯曲强度及断裂韧性无显著差异.由于氧化铝的预烧结温度和升温速率的提高，多孔氧化铝的力学性能得到提高，氧化铝的热膨胀系数（79×10-6/℃）高于玻璃（64×10-6/℃），二者经渗透形成的复合材料内部存在着内应力，材料的晶界强度也得到提高，使得氧化铝的晶粒断裂能与晶界断裂能大致相当，材料断裂时出现穿晶和沿晶断裂两种方式，同时微裂纹的偏转和桥接延长了其扩展的路径，使材料得到了增强和增韧［8，9］.Tab 1中可以看出，弹性模量随氧化铝烧结温度制度的变化趋势与弯曲强度相似， AGC的弹性模量值（230~260 GPa）远远高于一些常见的牙科陶瓷，比如［10，11］：长石瓷（70 GPa），矾土瓷（125 GPa），磷灰石瓷（80 GPa）和云母基玻璃陶瓷（70 GPa）.有关颗粒强化玻璃基复合材料的研究表明，材料弯曲强度与断裂韧性的提高与弹性模量的提高有很大关系，而提高颗粒相对于玻璃的体积分数则有利于提高材料的弹性模量.AGC的维氏硬度基本随着烧结温度的增加而增加，升温速率对其影响不大.这说明较高的预烧结温度对AGC的硬度起增大作用.
本研究制备的AGC热膨胀系数与Vitadur Alpha饰瓷有良好的匹配性.预烧结温度、升温速率及保温时间都会对AGC的各项性能造成很大影响，预烧结温度对AGC的各项性能起主要作用，升温速率的提高有助于提高AGC的物理及力学性能.
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