GI-II型渗透陶瓷代型材料与氧化铝烧结初期热膨胀性能匹配性的研究

     〔摘要〕　目的：测试GI-II型铝瓷专用代型材料烧结过程中的线膨胀性能， 了解其在低温阶段烧结时与氧化铝底层材料的线膨胀匹配性。方法：应用DuPont 943热机械仪、DuPont 2000热分析仪测试记录GI-II型代型材料从室 温到700 ℃的热膨胀变化曲线，计算20 ～200 ℃低温范围代型材料的线膨胀率并和氧化铝 作对比。结果：GI-II型铝瓷专用代型材料表现出低温阶段（120 ℃以下）的膨胀，膨胀量大于氧化铝底层，之后持续收缩的变化规律。结论： 氧化铝底层在烧结初期阶段受到张应力作用，烧结初期应缓慢升温让代型材料充 分脱水。烧结后的代型材料有很大的体积收缩，可与铝瓷底层冠轻易分离。
      关键词　代型材料；渗透陶瓷；石膏；线膨胀率

　　渗透陶瓷是一种新型的全瓷冠桥修复材料。20世纪90年代初由Vita公司推出，其商品名 为In-Ceram。其制作方法是用特制的氧化铝与调拌液制成粉浆，然后涂塑在耐火代型上， 形成底层冠雏形，在1　120 ℃预烧结2 h，然后再用特殊的玻璃料在1　100 ℃ 熔融渗透而成。这种氧化铝与玻璃的复合材料具有高强度和韧性高、透光性好、低收缩的特 点〔1〕。临床上用于制作单冠和前牙桥，取得了良好的效果〔2〕。依据渗透 的方法，1994年由华西医科大学研制出了GI-I型渗透陶瓷，材料的强度达到206 MPa〔 3〕。1997年又推出了GI-II型渗透陶瓷，强度达到370～410 MPa〔4〕。渗透陶瓷 渗透前的氧化铝底层冠是在代型上塑形烧成的。在以往的研究中发现，氧化铝底层的预烧结 后底层冠经常会出现裂纹，从而导致修复体失败。Vita In-Ceram材料也存在同样的问题， 其原因可能是因为氧化铝和代型材料烧结过程中的膨胀量存在差异。代型材料的膨胀量大于 氧化铝，则在氧化铝底层内将产生压应力，从而导致氧化铝底层被撑破。临床上我们希望代 型材料的膨胀量略小于氧化铝，以使氧化铝底层与代型分离。本实验旨在对GI-II型渗透陶 瓷专用代型材料烧结过程中的热膨胀性能进行测试，并与氧化铝的膨胀性作比较，为改善代 型材料性能，优化渗透陶瓷的烧结工艺提供理论基础。

      1　材料和方法

      1.1　材料
　　自制GI-II型粉浆涂塑铝瓷底冠用代型材料
　　DuPont 943热机械分析仪，DuPont 2000热分析仪
　　分析天平（精确度0.0001 g）
　　移液管（精确度0.05 ml）、煤油温度计、干湿温度计、空调器等
      1.2　方法
      1.2.1　代型材料的调拌条件　水粉比例（L/P）0.35，调拌时间0.5 min，调拌速度120次/ min，室内干温(20±1) ℃，湿温(16±2) ℃，调拌液温度(19±1) ℃。
      1.2.2　代型材料试件的制备　均匀调拌代型材料灌注于铜圈（内径6 mm，高9 mm）中，振 荡排除气泡，抹平面，待试件凝固后取出，修整，静置24 h。
      1.2.3　代型材料热膨胀性能测试　将准备好的代型试件放于DuPont 943热机械分析仪测试 台上，测试出代型材料从室温到700 ℃的热膨胀变化，同时绘出热膨胀变化曲线图。测试采 用等速升温方式，程式温速度为 10 ℃/min。计算不同温度范围的线性膨胀率l1，计 算公式：l1=ΔL/L×100%，其中ΔL为指定温度范围内试件的长度变化量，L为试 件的初始长度。
      1.2.4　氧化铝热膨胀量的计算　用氧化铝的热膨胀系数计算指定温度范围的线形性膨胀率 l2,l2=α×ΔT，其中α=7.8×10-6/℃〔5〕为氧 化铝的热膨胀系数（20 ～525 ℃），ΔT为指定温度范围。

      2　结　果

      2.1　代型材料的热膨胀曲线

图1　GI-II型代型材料的热膨胀曲线

　　代型材料的热膨胀曲线（如图1所示）。由图中看出，在刚升温时，代型材料有轻度的 膨胀，最高达0.191%，出现于130 ℃左右，之后又逐渐收缩。在200 ℃到370 ℃之间为 较缓慢的收缩，在370 ℃至700 ℃区段，代型材料出现了大幅度的收缩。不同温度点的线性 膨胀率如表1所示。

表1　烧结初期不同温度点代型材料和氧化铝的线膨胀率

      2.2　氧化铝的热膨胀率
　　不同温度点氧化铝的线性膨胀率如表1所示。由计算结果可知，在145 ℃以前，代型材料的 线性膨胀率比氧化铝高，且二者差异逐渐增大，120 ℃时二者的差异达到最大。以后线膨胀 差逐渐减小，大约145 ℃时两条曲线相交，膨胀率达到一致，145 ℃后代型材料的线膨胀量 低于氧化铝（如图2所示）。说明在150 ℃以前，氧化铝中一直存在张应力。145 ℃以后， 应力消除，代型和氧化铝底层开始分离。

图2　代型材料和氧化铝在烧结初期的线膨胀率

      3　讨　论

　　GI-II型铝瓷专用代型材料为石膏类材料。在烧结初期，试件受热膨胀。温度升至130 ℃以 上时二水硫酸钙失去了部分结晶水，转化成半水硫酸钙。继续加热的过程中，半水硫酸钙失 去全部结晶水，成为无水硫酸钙，导致体积剧烈收缩。继续升温过程中，无水硫酸钙由γ相 转化为β相，引起体积的进一步收缩。随温度继续升高，石膏成分发生分解，当达到700 ℃ 以上时发生烧结反应，体积收缩剧烈〔6～8〕，试件的线收缩率已达7%。其它类似实 验结果显示，石膏类代型材料的热膨胀曲线均表现为开始轻微膨胀，之后持续收缩的变化规 律，本实验研究结果与之是相符的〔9，10〕。
　　粉浆涂塑渗透陶瓷之所以采用石膏类材料作为代型材料,主要有两方面的原因:①作为成型模 具，利用代型中的孔隙的毛细管作用吸去氧化铝粉浆中的液体；②作为载体，使底冠成型， 利用石膏代型的烧结收缩，与氧化铝分开。烧结完成以后容易从代型上取下底冠，避免喷砂 造成底冠损坏。
　　本研究发现，在145 ℃以前，代型材料的线性膨胀率大于氧化铝底层的膨胀率。因此所受的 为张应力。而氧化铝在预烧结前的强度很低（本实验未作测试，但1 120 ℃烧结2 h后的强 度也仅为18 MPa〔11〕），在此张应力作用下容易发生折裂。145 ℃以后此张应力解 除，代型与氧化铝底层分离，此后氧化铝底层发生折裂的可能性消除。因此，临床上氧化铝 的折裂应发生在145 ℃以前的烧结过程中。此温度前的烧结过程也就显得尤为关键，Vita的 In-ceram也要求120 ℃以前的低温范围内的烧结必须升温极为缓慢且保持足够的时间（6 h 从35 ℃升至120 ℃）。
　　代型材料在较低温度阶段即表现出失水收缩，这也提示，在进行 底层冠烧结时，应当在低温阶段保持相当长的一段时间，以利于代型充分缓慢脱水收缩，从 而部分抵消代型材料的温度膨胀率，使之与氧化铝的线膨胀率差异减小，减少氧化铝底层折 裂的危险。本研究的结果也提示，以后渗透陶瓷代型材料性能改进的研究，须着力于降低烧 结初期代型材料的线膨胀率。
　　GI-II型铝瓷专用代型材料在烧结后有较大的体积收缩，700 ℃时已达到7%。虽然700～1[ KG*2 120 ℃代型材料的线性变化未作测定，但氧化铝底层在1　120 ℃烧结2 h 的线性收缩率仅为0.21%～0.28%〔12〕，所以烧结结束可以和铝瓷底层轻易的分开， 避免取下底层冠操作过程中对底层冠不必要的破坏。

四川省卫生厅科学研究基金资助项目970106
作者单位：巢永烈（华西医科大学口腔医学院修复科　610041）
孟辉（华西医科大学口腔医学院修复科　610041）
万乾炳（华西医科大学口腔医学院修复科　610041）
孟玉坤（华西医科大学口腔医学院修复科　610041）

参考文献

      1，Levy H ,Daniel X.Working with the In-Ceram porcelain system.Prosthese Dentaie N, 1990,44～45:1
      2，Probster L,Dienl J.Slip-casting alumina ceramics for crown and bridge restora tions.Quintessence Inter, 1992,23(1):25