Charakterystyka dentystycznych materiałów ceramicznych

22 września 2017, Adam Dederko

Tworzywami ceramicznymi określa się materiały znajdujące się w stałym stanie skupienia, uzyskiwane z substancji nieorganiczno-niemetalicznych o sporej wytrzymałości termicznej. Materiały ceramiczne sklasyfikować można generalnie na pięć grup, a zatem szkła; cementy i betony; skały i minerały; klasyczne tworzywa wielofazowe; progresywne ceramiki konstrukcyjne. Aktualnie najważniejsze są dwie ostatnie grupy wyszczególnionych materiałów, gdyż są one wykorzystywane w protetyce stomatologicznej. Ceramiki wielofazowe są tworzywem o dużej zawartości procentowej fazy szklistej. Produkty ceramiczne tego rodzaju powstają podczas cyklu składającego się z formowania, suszenia oraz wypalania w podwyższonej temperaturze. Po zakończeniu procesu wypalania materiał składa się ze stałej fazy krystalicznej obejmującej krzemiany, połączonej fazą szklistą w formie krzemionki. Podczas chłodzenia szkło ulega stwardnieniu, utrzymując formę amorficzną, co określa odporność materiału. Nadmierna obecność fazy szklistej prowadzi jednak do deformacji lub stopienia materiału. Po wypaleniu ceramika ma chropowatą powierzchnię dzięki czemu poddaje się procesowi szkliwienia. Natomiast materiał do szkliwienia tworzy sproszkowane szkło o niższej temperaturze wypalania. Do najważniejszych rodzajów tradycyjnych ceramik wielofazowych zaliczyć można cegły i dachówki, ceramikę kordierytową, ceramiczne materiały kwasoodporne, ceramikę sanitarną, fajans, ceramikę płytkową oraz porcelanę. Termin porcelana wywodzi się z języka francuskiego, w którym słowo porcelaine (od łacińskiego porselle), oznacza masę perłową, jak również wytwarzane z niej produkty. Porcelana to wysokogatunkowy towar. Masa ceramiczna zawiera 50% kaolinu, 25% kwarcu oraz 25% skalenia. Wyodrębnić można oprócz tego porcelanę techniczną w skład, której wchodzi 37% kaolinu, 25% skalenia, a także 37,5% kwarcu i niewielkich ilości tlenku glinu. Do tej grupy materiałów można włączyć ponadto porcelanę dentystyczną, która kontrastuje z tradycyjnymi tworzywami ceramicznymi pod względem składu jak i właściwości.

korony ceramiczne
Korony ceramiczne

Kolejną ciekawą grupą materiałów są wzmiankowane powyżej nowoczesne ceramiki konstrukcyjne, które kontrastują z tradycyjnymi materiałami kilkoma czynnikami. Materiały te otrzymuje się z naturalnych, tudzież syntetycznych surowców o wysokiej i kontrolowanej czystości. Zawierają one w swoim składzie nie tylko krzemiany, lecz również tlenki, węgliki, azotki oraz borki. Powyższe związki chemiczne otrzymywane są dzięki wykorzystaniu specjalistycznych procesów syntezy, jednakże to implikuje wysoki koszt uzyskania tych materiałów. Przez wzgląd na te specyficzne właściwości, wykorzystanie tych materiałów stało się możliwe w całym szeregu różnych działów. Między zaawansowanymi materiałami ceramicznymi wyodrębnić można materiały konstrukcyjne oraz funkcjonalne. Do materiałów konstrukcyjnych natomiast zaliczyć można materiały azotkowe, z dwutlenku cyrkonu, z multanu, z tlenku glinu, jak też z węglika krzemu. Zaś materiały z dwutlenku cyrkonu oraz tlenku glinu są wykorzystywane podczas realizacji uzupełnień protetycznych jednolicie ceramicznych przez wzgląd na ich wytrzymałości na kruche pękanie, trwałość oraz dużą twardość. Tymczasem materiały z tlenku glinu uzyskiwane są przez spiekanie proszków złożonych przede wszystkim z a-Al2O3. Spiekanie to, stanowi najważniejszy etap procedury produkcji ceramiki, w trakcie którego dochodzi do procesu zagęszczania ziaren korundu. Korund otrzymuje się w głównej mierze ze skaleni, gliny, kaoliny oraz łupków. Główną rudą glinu jest boksyt, z którego natomiast produkuje się techniczny tlenek glinu. Aktualnie wśród sposobów generowania korundu wyszczególnić można proces Bayera, a także proces Bretsznajdera. Zaś do produkcji tlenku glinu o niezwykle wysokiej czystości wykorzystuje się jedyne w swoim rodzaju procesy technologiczne korzystające z metalicznego aluminium. Obecnie występuje cały szereg rodzajów krystalicznych tlenku glinu, niemniej jednak najważniejszym z nich jest odmiana romboedryczna. Cechuje ją wyjątkowa czystość chemiczna ( mniej więcej 99,995%), zanikająca porowatość (około 0,05%) jak również średnia wielkość ziaren. Produkty wykonane z tlenku glinu charakteryzują się prawidłową opornością na wpływ wysokiej temperatury, dużą wytrzymałością na ściskanie, jak również trwałością chemiczną. Gęsta ceramika korundowa wyróżnia się ponadto nieprawdopodobną twardością.

Zestaw ludzkich zębów
Ludzkie zęby

Najważniejszym elementem materiałów cyrkonowych jest dwutlenek cyrkonu (ZrO2), w formie jednoskośnej bądź też tetragonalnej. Dwutlenek cyrkonu należy do materiałów jednofazowych i ma w swoim składzie wyłącznie czyste kryształki. Materiał ten wyróżnia spora niewrażliwość na kruche pękanie, jak również ogromna odporność na wysokie temperatury z niskim przewodnictwem cieplnym. ZrO2 jest aktualnie aplikowany w większości przypadków realizowanych uzupełnień protetycznych, a otrzymuje się go ze złóż krzemianu cyrkonu (ZrSiO4). Pojawia się w trzech rodzajach polimorficznych, po pierwsze regularnej (cubic), która jest niezmienna i stała w temperaturze 2370-2680 stopni Celsjusza; po drugie tetragonalnej (tetragonal), która jest stabilna w temperaturze 1170-2370 stopni Celsjusza; po trzecie jednoskośnej (monoclinic), która jest stała w temperaturze do 1170 stopni Celsjusza. Jednakże odmiana jednoskośna w temperaturze pokojowej ujawnia niedostateczną trwałość i łatwo ulega pęknięciom. Aby skorygować cechy mechaniczne tego materiału, ZrO2 uzupełniane jest tlenkami stabilizującymi, takimi jak na przykład tlenek itru (Y2O3), tlenek ceru (CeO2), tlenek magnezu (MgO), tlenek wapnia (CaO). Tlenki te generują z dwutlenkiem cyrkonu związki stałe. Natomiast przez wzgląd na wyżej wymienione dodatki, można dokonać podziału tych związków na całkowicie stabilizowane, regularne związki oparte o tlenek cyrkonu; do pewnego stopnia stabilizowany regularny tlenek cyrkonu PSZ (partially stabilized zirconia); tetragonalne polikryształy tlenku cyrkonu TZP (tetragonal zirconia policrystals).

Licówki ceramiczne
Licówki ceramiczne

Przez wzgląd na ogromną wytrzymałość na kruche pękanie, jak również trwałość na zginanie (700-1400 MPa) najszersze wykorzystanie znalazł TZP z domieszką tlenku itru bądź też dwutlenku ceru w stężeniu od 2 do 4% objętości wagowej. Materiał ten wyróżnia się drobnokrystalicznością, a także 100% ilością fazy tertragonalnej. Natomiast kryształy, jeśli chodzi o kształt i wielkość, są jednorodne. Jednakże wartości wytrzymałościowe obniżają się równocześnie ze zwiększeniem ilości tlenku stabilizującego. Do decydujących procesów wywołujących tak duży wzrost cech wytrzymałościowych materiału zalicza się jego modyfikację fazową, a ponadto inicjację mikropęknięć. Przemiana fazowa tlenku cyrkonu z fazy tetragonalnej w jednoskośną podczas wystąpienia obciążenia pojawia się w obszarze wierzchołkowym pęknięcia. Razem z tym przekształceniem występuje 5% powiększenie objętości materiału. Jako, że otoczenie blokuje przyrost objętości, na powierzchni przemiany pojawiają się naprężenia ściskające, które minimalizują rozprzestrzenianie się pęknięć. Powoduje to bezwzględną potrzebę dołożenia większego obciążenia, ażeby spowodować rozwinięcie pęknięcia. Ta metoda postępowania, która nie dochodzi do skutku w innym materiale ceramicznym, powoduje pokaźny wzrost współczynnika intensywności naprężeń KIC. Innym mechanizmem czyniącym mocniejszą ceramikę cyrkonową, jest mechanizm mikropęknięć tworzący się w tym materiale. W trakcie spiekania materiału powyższej temperatury przemiany cząstki tetragonalne pozostają zablokowane przez okalającą osnowę. Zaś w czasie schładzania do temperatury pokojowej, dookoła tych ziaren wytwarzają się napięcia ściskające, które opierają się na dążności tych cząstek do przeistoczenia się w fazę jednoskośną. I tak, ze wszystkich stron tworzy się obszar pęknięć, co sprawia, że materiał jest niewrażliwy na pękanie materiału. Kolejną ciekawą odmianą materiałów powstałych w oparciu o tworzywa ceramiczne, są kompozyty ceramiczne. Ich godne podziwu cechy w formie sztywności oraz twardości wiąże się własnością plastycznego odkształcania pod wpływem obciążeń dynamicznych metali, bądź też polimerów. Za wzór takich materiałów można podać polimery umacniane włóknami szklanymi lub węglowymi, ponadto cermetale. Zaś jako przykład naturalnego kompozytu ceramicznego można podać kość, w której cząstki hydroksyapatytu są połączone włóknami kolagenowymi.

Specyfika jednofazowych materiałów ceramicznych nie spełnia wszystkich kryteriów jakie określane są dla materiałów konstrukcyjnych, uzasadnione jest zatem produkowanie materiałów o wieloelementowej formie. W standardowych materiałach ceramicznych sporadycznie dostrzec można ich dużą homogenność. Ewidentnie zmniejsza to szansę na sporządzenie ogromnej liczby stopów, które umożliwiają na prawidłowe do zastosowań zaadaptowanie ich właściwości, jak to się zdarza w metalach. Sposobu na rozwiązanie tych trudności szuka się więc przez wzmocnienie kompozytów. Jedynym w swoim rodzaju cechom materiałów ceramicznych, takim jak na przykład trwałość ceramiczna oraz chemiczna, mała gęstość, twardość, sztywność, odporność na zużycie jak też dobra wytrzymałość mechaniczna, towarzyszy jednak względnie duża zawodność tych materiałów i znaczna ich kruchość. Kompozyt ceramiczny tym samym, jest materiałem wypracowanym w ustalony geometrycznie sposób, z różnych pod względem właściwości komponentów (składników, faz), ażeby wygenerować oczekiwane skutki fizyczne oraz ekonomiczne. Może on obejmować w swoim składzie komponenty metaliczne, ceramiczne oraz polimerowe, a ponadto swoje własne fazy tworzące się in situ. Najważniejszymi czynnikami oddziałującymi na parametry kompozytu są właściwości komponentów, ich geometria, sposób ułożenia ich w kompozycie poza tym poprawność połączenia komponentów, to znaczy tak zwana struktura kompozytu.

Mając na uwadze typ budowy kompozytów ceramicznych, można dokonać ich podziału. I tak, wyróżnić da się kompozyty włókniste produkowane dla osiągnięcia materiałów o niewielkiej kruchości. Włókna poli- oraz monokrystaliczne odpornych termicznie faz ceramicznych, na przykład węglik krzemu (SiC), tlenek glinu (Al2O3), węgiel albo szkło krzemionkowe, mają w swoim składzie nieco nieciągłości koncentrujących naprężenia, charakteryzują się zatem wysoką odpornością jak również względnie dużą zmianą kształtu w trakcie zniszczenia. Włókna rozmieszczane są w osnowie w taki sposób, ażeby ich długa oś była zbieżna z kierunkiem przyłożonych naprężeń głównych. W trakcie obciążenia pęknięcia ulegają odchyleniu bądź też fragmentacji na granicy włókno – osnowa. W następstwie tego, dokonuje się pochłanianie energii odkształcenia sprężystego pozbawionej dekohezji. Niemała jest także jego odporność oraz trwałość na pękanie. Także kompozyty cząstkowe, określane mianem kompozytów o osnowie ceramicznej bądź CMC (ceramic matrix composites) to kompozyty, w osnowach których rozprowadzone są cząstki kruchej (ceramicznej) czy też plastycznej (metalicznej) fazy, o wymiarach mikro a także nanometrycznych. Najczęściej kompozyty tego rodzaju produkowane są w oparciu o standardowe procedury ceramiczne. W ten sposób wytwarza się w nich intensyfikację wytrzymałości i/lub odporności na kruche pękanie. Wyróżnić można także kompozyty infiltrowane, które charakteryzują się chropowatymi szkieletami ceramicznymi infiltrowanymi polimerami ( procesy infiltracji następują po dokonaniu infiltracji w porach osnowy) oraz metalami. Generuje się je przede wszystkim by przeprowadzić zmiany właściwości mechanicznych oraz elektrycznych. Za sprawą procesu infiltracji można wytwarzać również kompozyty ceramika-polimer o bardzo dużym stopniu wypełnienia porów przez polimer. Rozpowszechnianie pęknięć w tym rodzaju materiałów jest raczej ograniczona, z powodu odchylenia oraz hamowania czoła pęknięcia przez obszary polimeru. Przyczynia się to do zintensyfikowania naprężeń przenoszonych przez kompozyt w porównaniu do osnowy ceramicznej. Oprócz tego, wyróżnić da się kompozyty warstwowe (laminaty), które zawierają w swoim składzie warstwy o różnej specyfice, będącej skutkiem różnego składu fazowego warstw. Jako składniki fazowe warstw mogą być wykorzystywane tworzywa ceramiczne metaliczne, jak również polimerowe. Warstwy te mogą posiadać grubość od nano do milimetrów. Uzyskiwane są one przy pomocy różnych technik, na przykład metody CVD oraz PVD, natrysku plazmowego, elektroferezy, spiekania proszków, odlewu z gęstwy. W tego rodzaju kompozytach osiąga się także zwiększenie wytrzymałości podczas zniszczenia, a także niepodatności na kruche pękanie. Do czołowych mechanizmów powodujących wzrost odporności na pękanie w kompozytach cząstkowych o osnowie ceramicznej zaliczyć można, na przykład mechanizmy dyslokacji, przemiany fazowej, rozwoju mikropęknięć, jak też mostkowania pęknięć. W analogiczny sposób jak z metali, także i z materiałów ceramicznych można produkować stopy, co prowadzi jednak do przekształcenia ich własności fizycznych jak i mechanicznych. Jako przykład takich związków można przytoczyć, na przykład multi bądź spinel, wykorzystywany podczas produkcji materiału In-Ceram Spinell.