Właściwości materiałów ceramicznych

25 września 2017, Adam Dederko

Właściwości chemiczne i biologiczne

Materiały ceramiczne należą do surowców niesłychanie mocnych i trwałych, a także nie poddających się wpływowi środków chemicznych. Tylko kwas fluowodorowy jest związkiem, który wchodzi w reakcję z tworzywem ceramicznym. Ceramika uzewnętrznia zupełną niewrażliwość chemiczną w stosunku do całego szeregu agresywnych środowisk, a w szczególności wytrzymałość na utlenianie, na działanie związków siarki oraz alkalicznych soli zawartych w atmosferze. Przykładowo, membrany powstałe z tlenku glinu są niewrażliwe na działanie środowiska w ramach pH od 2 do 13, podczas gdy membrany wykonane z dwutlenku cyrkonu są obojętne w całym zakresie pH. Dodatkowo nieobecność reaktywności oraz stabilności chemicznej materiałów ceramicznych, wywiera duże znaczenie na jego pierwszorzędne parametry biologiczne. Niektóre materiały ceramiczne charakteryzowane są w literaturze jako biomateriały. Najważniejszą własnością tych materiałów jest biozgodność, a więc umiejętność realizowania sprecyzowanego celu, jak również funkcji biologicznej. Ceramikę wyróżnia biokompatybilność, a przejawem tego jest fakt, że tkanki organizmu znakomicie tolerują ją przez długi okres czasu. Oprócz tego nie ujawnia ona działania toksycznego i drażniącego, a także nie zawiera cech mutagennych, kancerogennych oraz alergizujących. Materiały ceramiczne o charakterze biozgodności winny wyróżniać się czystością składu fazowego, trwałością fizyczną, chemiczną oraz biologiczną, jak również stałością w czasie. Poza tym, pośród wielu rodzajów biomateriałów są także biomateriały ceramiczne, do których zalicza się ceramika korundowa tudzież cyrkonowa, ceramika powstała w oparciu o fosforany wapnia, arganity, a także kompozyty ceramiczne. Biomateriały ceramiczne pogrupować można także na gęste i porowate; na obojętne, na przykład ceramika korundowa i cyrkonowa; powierzchniowo czynne ( hydroksyapatyt, bioszkła) poza tym resorbowalne. Mając na uwadze zastosowanie jej parametrów biologicznych, należy wyszczególnić jej rolę, którą odgrywa w medycynie przy realizacji, na przykład implantów kości, zębów, stawów oraz ucha wewnętrznego. Jednakże materiał, z którego korzysta się w tej dziedzinie medycyny powinien charakteryzować się biozgodnością, ale także wartościami mechanicznymi porównywalnymi z właściwościami naturalnej kości.

Ortodoncja Wrocław

Właściwości mechaniczne

Materiały ceramiczne różnią się swoimi parametrami mechanicznymi od metali, co odgrywa ogromną rolę podczas projektowania oraz wykonywania konstrukcji z tych materiałów. Gros ceramik to ceramiki twarde, ale jednak z kruchymi ciałami stałymi, natomiast ich specyfika zależy od większego rozrzutu wartości niż w przypadku metali (rozkład Weibulla). Materiały ceramiczne przez oddziaływanie zewnętrznego obciążenia ulegają deformacjom, co jest połączone ze zmianą ich ukształtowania bądź też dekohezją, jak również w efekcie tego następuje ich fragmentacja na dwie lub więcej części. Zmiany kształtu w materiale mogą pojawiać się na sposób możliwy do cofnięcia, a zatem jako zmiany sprężyste oraz trwałe plastycznie, które nie ustępują po zniknięciu obciążenia. Niniejszy sposób deformacji określa się za pomocą modułu Younga. Kompozycje ceramiczne dysponują niezmiennym, niebudzącym wątpliwości modułem sprężystości Younga. Ceramiki na ogół posiadają większy moduł Younga aniżeli metale, co jest efektem dużej wytrzymałości wiązań jonowych w prostych tlenkach oraz kowalencyjnych wiązań w krzemianach. W skutek tego materiały ceramiczne w czasie obciążania poddają się w wyższym stopniu dekohezji aniżeli odkształceniom sprężystym, które są typowe dla metali. Jednakże w trakcie dużego obciążenia materiał wykazuje zmniejszenie koherentności oraz dzieli się. Stopień naprężenia, w czasie którego materiał poddaje się dekohezji zwany jest jego wytrzymałością mechaniczną. W sytuacji, gdy pod uwagę brany jest metal, do jego dekohezji prowadzi proces odkształcania sprężystego i plastycznego, natomiast w materiale ceramicznym pojawia się kruche pękanie. Dochodzi także do zmniejszenia nierozerwalności przy niewielkim odkształceniu sprężystym, w granicy 0,1%.

Materiały ceramiczne w ortodoncji

Pękanie inicjują przeróżne nieciągłości materiału, na przykład lokalne pęknięcia oraz rysy. Wytrzymałość na pękanie materiału ceramicznego jest zatem wielkością największego oporu jaki demonstruje ceramika w trakcie oddziaływania naprężenia rozciągającego na wierzchołek napięcia, nie powodując oprócz tego dalszego pękania. Innymi słowy, im większy wzrost oporności materiału na tworzenie się rys, tym znacząco wydłużone jest w czasie jego pęknięcie. Natomiast dokonać sprawdzenia pomiaru współczynnika siły naprężeń, inaczej mówiąc wytrzymałości na kruche pękanie można przeprowadzić metodą Vickersa. I tak, wgłębnik diamentowy wtyka się pionowo w próbkę siłą obciążającą F, przyłożoną przez ogólnie sprecyzowany czas. Po odciążeniu robi się pomiar długości przekątnych d1 oraz d2 odcisku uformowanego na płaszczyźnie próbki, jak również długości pęknięć rozszerzających swój zasięg od narożnika odcisku. Ze zmianą kształtu połączone jest także tworzenie naprężeń wewnętrznych, które powodowane są przez ściskanie, rozciąganie bądź też ścinanie materiału. W materiałach ceramicznych specyfika tychże zjawisk jest dość skomplikowana. Wygląd odkształcenia ma związek z rodzajem materiału poddanego działaniu siły i prezentuje się niejednakowo w przypadku metali, ceramiki lub polimeru. Gęstość materiałów ceramicznych jest niewielka, bowiem ich kompozycja to w dużym procencie lekkie atomy, zaś ich ułożenie nie jest ciasno stłoczone. Jednakże tworzywa ceramiczne należą do najtwardszych ciał stałych, a ich twardość jest tak duża za sprawą wiązań jonowych albo kowalencyjnych sieci krystalicznej, która stawia czoło dyslokacjom. Materiały ceramiczne są również niewrażliwe na ścieranie w trakcie kontaktu z twardymi przedmiotami, a wytrzymałość ta jest rezultatem dużej twardości ceramik.

Materiały ceramiczne w ortodoncji Wrocław

Przedstawione mankamenty budowy pojawiają się w materiale, jak również są umiejscowione w sposób będący dziełem przypadku. W konsekwencji tego, pojedyncze próbki materiału, wyróżniają się odmienną liczbą oraz rodzajem nieprawidłowości, a także mogą uzewnętrzniać dyspersję wartości odporności mechanicznej. Wahania wartości skutkują tym, że chcąc ocenić parametry wytrzymałości materiałów ceramicznych stosuje się wartości umowne. I tak, dla ceramiki można przeprowadzić trzy rodzaje prób wytrzymałościowych. Po pierwsze na rozciąganie, po drugie na zginanie oraz po trzecie na ściskanie. Mając na uwadze potencjał wykorzystania owych prób podczas badań stomatologicznych zdaje się , że przeprowadzanie prób wytrzymałościowych na zginanie oraz ściskanie jest zasadne. Obciążenia tego rodzaju pojawiają się w układzie stomatologicznym w zwarciu statycznym jak też dynamicznym. W równym stopniu tego typu obciążeniom ulegają uzupełnienia stałe w formie koron oraz mostów. Niepodatność na zginanie znana jest również jako wytrzymałość na obciążenie, które przybiera na sile, aż do chwili, gdy próbka materiału ulegnie złamaniu. Nie ma przeszkód, aby próbę zginania wykonać przy wykorzystaniu maszyny wytrzymałościowej w układzie zginania trójpunktowego dla próbek o profilu kołowym. Optymalne naprężenie rozciągające funkcjonujące w zewnętrznej powierzchni belki w razie jej pęknięcia wyrażane jest jako odporność na zginanie. Próbę statycznego ściskania można przeprowadzić przy użyciu maszyny wytrzymałościowej dla próbek o przekroju kołowym. Materiały ceramiczne manifestują niewielką umowną wytrzymałość na zginanie oraz możliwie dużą (mniej więcej 15 – krotnie większą) umowną wytrzymałość na ściskanie. Poziom na ściskanie jest taki pokaźny bowiem pęknięcia tworzące się w trakcie ściskania rozchodzą się w sposób równomierny, zastępując swoją wyjściową orientację na równoległą do osi ściskania. W największym stopniu bezstronnym, jak również dającym się względnie dobrze zestawiać parametrem opisującym cechy mechaniczne materiałów ceramicznych, jest odporność na kruche pękanie.

Ortodoncja

Właściwości optyczne

Parametry optyczne dotyczą odziaływania materiałów ceramicznych z falami elektromagnetycznymi z zakresu światła widzialnego, począwszy od nadfioletu do podczerwieni. Światło trafiające na płaszczyznę materiału może ulec odbiciu bądź załamaniu, a także wchłonięciu przenikając przez materiał. Również odbicie oraz załamanie promieni świetlnych, które stanowią fragment promieniowania elektomagnetycznego w zakresie widzialny, należą do znamiennych cech optycznych. Materiały przezroczyste posiadają predyspozycje do przepuszczania światła. W momencie jego przechodzenia dochodzi do załamania, a ponadto do częściowego odbicia. Zaś materiały matowe absorbują światło. Niemniej jednak, w wypadku materiałów ceramicznych, które posiadają strukturę wielofazową, dochodzi do rozproszenia światła, co wywołane jest obecnością różnego rodzaju cząstek o niejednakowym współczynniku załamania światła. I tak, szkła zaliczają się do materiałów transparentnych, podczas gdy ceramiki, z racji swojej wielofazowej budowy wyróżnia ich półprzezroczystość. Poziom pochłaniania promieni światła w materiałach ceramicznych jest podporządkowany stopniu skoncentrowania fazy krystalicznej. Bardziej natężona zawartość kryształów prowadzi do tego, że cechy matowości materiału są bardziej widoczne. Szczytowy punkt absorbcji światła osiągają jednakże materiały z grupy ceramik konstrukcyjnych, na przykład tlenek glinu bądź też tlenek cyrkonu. Natomiast wchłanianie energii biorących swój początek z zewnętrznych źródeł może wywołać wystąpienie, tak zwanych przejść optycznych. Wzniecone elektrony o wysokiej energii wysyłają tę energię w formie fotonów. Zjawisko to nosi miano luminescencji i jest znamienne dla naturalnych składników szkliwa, a także zębiny ludzkich zębów. Zasadniczo można skonstatować, że materiały ceramiczne wykorzystywane w protetyce stomatologicznej posiadają cechy optyczne w najwyższym stopniu podobne do specyfiki naturalnego szkliwa oraz zębiny. Za sprawą tych parametrów uzupełnienia protetyczne opierające się na materiałach ceramicznych odznaczają się znakomitą estetyką.

Ortodonta

Właściwości termiczne

Parametry te głównie połączone są z alternacją ciepła między materiałem a środowiskiem. W czasie ogrzewania ceramiki ma miejsce zwiększenie energii wewnętrznej materiału, zawartość której uwzględnia energię kinetyczną oraz potencjalną atomów. Zapewnienie stosownej dawki energii wywołuje powstanie zmiany fazowej ciała stałego w ciecz, znane jako topnienie. Jednak do zerwania wiązań jonowych konieczne jest zapewnienie dużej dawki energii, co przyczynia się do tego, że ceramiki odznaczają się wyższymi temperaturami topnienia aniżeli metale. Za kolejną cechę termiczną można przyjąć fakt, że ceramika podczas wzrostu temperatury zmienia swoje wymiary. Własność tę, wyraża się jako współczynnik rozszerzalności cieplnej. I tak, wyodrębnić można rozszerzalność liniową jak też objętościową. Materiały ceramiczne mają to do siebie, że ich współczynnik rozszerzalności cieplnej jest bardzo niski w zestawieniu z metalami. Natomiast współczynnik rozszerzalności cieplnej jest niezwykle podobny do współczynnika rozszerzalności szkliwa, a także zębiny. Materiały ceramiczne należą do tworzyw przewodzących ciepło, zarówno dostarczanego do nich, jak również z nich odpływającego. Ceramiki wyróżnia także nieduży współczynnik przewodnictwa termicznego. Całość własności cieplnych jest niezmiernie ważna oraz pozytywnie oddziałująca na zachowanie się uzupełnień ceramicznych w niestałym temperaturowo środowisku jamy ustnej.

Ortodonta Wrocław

Odporność materiałów ceramicznych na zużycie

Ceramika w trakcie kontaktu czynnościowego z różnymi materiałami ulega sukcesywnemu zmniejszaniu ilości swojej masy. Wyeksploatowanie, w którym odbywa się migracja powierzchni materiału w stosunku do drugiego, twardszego, nazywa się zużyciem ściernym. Do innych odmian zużycia zaliczyć można erozję oraz korozję, które pojawiają się jako następstwo reakcji chemicznych. Jednakże głównym elementem używanym podczas ustalania cech ściernych materiału jest jego twardość. To określenie wskaźnika wytrzymałości materiału na odkształcenia plastyczne i jest ona ustalana przez obciążenie jakie zostawia odgniecenie w materiale. Zasadniczą wartość na rzecz badania twardości posiadają standardowe próby, które są zintegrowane z plastycznymi zmianami kształtu badanego materiału w trakcie oddziaływania typowego obciążenia. Myślą przewodnią testowania twardości jest wtłaczanie wgłębnika w analizowany materiał poza zasięg jego sprężystości, do wykształcenia się zniekształcenia trwałego. Podczas wykorzystania tego rodzaju technik, twardość da się nakreślić jako miarę wytrzymałości materiału na trwałe zmiany kształtu powstałe w następstwie wciskania wgłębnika. Znany jest cały szereg sposobów na branie wymiaru twardości statycznej, lecz za uniwersalną i zarazem najbardziej popularną metodę uznano sposób postępowania Vickersa. W trakcie tej procedury lekarz wtłacza diamentowy wgłębnik prostopadle w próbkę siłą obciążającą F, przytkniętą przez pewien czas. Po uwolnieniu materiału dokonuje pomiaru przekątnych d1 oraz d2 odgniecenia utworzonego na płaszczyźnie próbki. Twardość Vickersa przedstawia się stosunkiem siły F do powierzchni pobocznicy odcisku, liczonej ze średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych. Między mechanizmami ścierania wyodrębnia się proces ścinania, jak również żłobienia bruzd, łuszczenia i tworzenia pęknięć jako następstwa udaru. Jeżeli zaś chodzi o najtwardsze materiały dysponujące wysokim współczynnikiem odporności na kruche pękanie to dochodzi w nich najczęściej do mechanizmu ścinania. Materiały ceramiczne, które cechuje duża twardość są zazwyczaj wytrzymałe na zużycie ścierne, a mając na uwadze właśnie te parametry, wykorzystanie ich z naturalnym uzębieniem ,może prowadzić do szybszego zużycia zębów. Z tej przyczyny, w większości przypadków są wykorzystywane jako fragmenty konstrukcyjne, które nie mają bezpośredniej styczności z płaszczyzną zębów naturalnych.