تأثير التلبيد على خصائص سيراميك الزركونيا

يتميز الزركونيوم، كنوع من المواد الخزفية، بقوة وصلابة عاليتين، ومقاومة جيدة للتآكل، ومقاومة للأحماض والقلويات، ومقاومة لدرجات الحرارة العالية، وغيرها من الخصائص الممتازة. وبالإضافة إلى استخدامه الواسع في المجال الصناعي، ومع التطور الكبير الذي شهده قطاع صناعة أطقم الأسنان في السنوات الأخيرة، أصبح سيراميك الزركونيا من أكثر المواد الواعدة في هذا المجال، مما جعله محط اهتمام العديد من الباحثين.

طريقة التلبيد

تعتمد طريقة التلبيد التقليدية على تسخين الزركونيا عبر الإشعاع الحراري والتوصيل الحراري والحمل الحراري، بحيث تنتقل الحرارة من سطحها إلى داخلها. إلا أن الموصلية الحرارية للزركونيا أقل من الألومينا وغيرها من المواد الخزفية. ولمنع التشققات الناتجة عن الإجهاد الحراري، تكون سرعة التسخين التقليدية بطيئة ومدة التسخين طويلة، مما يُطيل دورة إنتاج الزركونيا ويرفع تكلفتها. في السنوات الأخيرة، أصبح تحسين تقنية معالجة الزركونيا، وتقصير مدة المعالجة، وخفض تكلفة الإنتاج، وتوفير مواد خزفية عالية الأداء من الزركونيا لأسنان الأسنان، محورًا رئيسيًا للبحث، ولا شك أن التلبيد بالميكروويف يُعدّ طريقة تلبيد واعدة.

تبين أن التلبيد بالميكروويف والتلبيد بالضغط الجوي لا يختلفان اختلافًا كبيرًا في تأثيرهما على النفاذية النصفية ومقاومة التآكل. ويعود السبب إلى أن كثافة الزركونيا المُحَصَّلة بالتلبيد بالميكروويف مماثلة لتلك المُحَصَّلة بالتلبيد التقليدي، وكلاهما يُنتجان تلبيدًا كثيفًا، إلا أن مزايا التلبيد بالميكروويف تتمثل في انخفاض درجة حرارة التلبيد وسرعته وقصر مدته. في المقابل، يكون معدل ارتفاع درجة الحرارة في التلبيد بالضغط الجوي بطيئًا، ومدة التلبيد أطول، حيث تتراوح مدة التلبيد الإجمالية بين 6 و11 ساعة تقريبًا. وبالمقارنة مع التلبيد بالضغط العادي، يُعد التلبيد بالميكروويف طريقة تلبيد حديثة، تتميز بقصر مدة التلبيد وكفاءتها العالية وتوفيرها للطاقة، كما أنها تُحسِّن البنية المجهرية للخزف.

يعتقد بعض العلماء أيضًا أن الزركونيا بعد التلبيد بالميكروويف يمكن أن تحافظ على طور رباعي غير مستقر بشكل أكبر، ربما لأن التسخين السريع بالميكروويف يمكن أن يحقق تكثيفًا سريعًا للمادة عند درجة حرارة منخفضة، وحجم الحبيبات أصغر وأكثر تجانسًا من حجمها في التلبيد بالضغط العادي، وأقل من حجم التحول الطوري الحرج لـ t-ZrO2، مما يساعد على الحفاظ على أكبر قدر ممكن في حالة غير مستقرة عند درجة حرارة الغرفة، مما يحسن من قوة ومتانة المواد الخزفية.

عملية التلبيد المزدوج

نظرًا لصلابتها وقوتها العالية، لا يمكن معالجة سيراميك الزركونيا المتلبد المضغوط إلا باستخدام أدوات القطع المصنوعة من ورق الصنفرة، مما يجعل عملية المعالجة مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً. ولحل هذه المشكلات، يُلجأ أحيانًا إلى استخدام عملية تلبيد مزدوجة لسيراميك الزركونيا؛ فبعد تشكيل جسم السيراميك والتلبيد الأولي، يتم استخدام تقنية CAD/CAM لتوسيع نطاق التشكيل إلى الشكل المطلوب، ثم يُعاد تلبيده إلى درجة حرارة التلبيد النهائية لضمان كثافة المادة بشكل كامل.

وُجد أن عمليتي تلبيد تُغيران حركية تلبيد سيراميك الزركونيا، وتؤثران على كثافة التلبيد والخواص الميكانيكية والبنية المجهرية. تتميز سيراميك الزركونيا القابلة للتشكيل، والمُلبدة مرة واحدة بكثافة عالية، بخواص ميكانيكية أفضل من تلك المُلبدة مرتين. كما أن مقاومة الانحناء ثنائي المحور وصلابة الكسر لسيراميك الزركونيا القابل للتشكيل، والمُلبدة مرة واحدة بكثافة عالية، أعلى من تلك المُلبدة مرتين. يكون نمط الكسر في سيراميك الزركونيا المُلبدة أوليًا عبر الحبيبات/بين الحبيبات، ويكون اتجاه الشق مستقيمًا نسبيًا. أما نمط الكسر في سيراميك الزركونيا المُلبدة مرتين، فهو في الغالب كسر بين الحبيبات، ويكون اتجاه الشق أكثر تعرجًا. وتكون خواص نمط الكسر المركب أفضل من نمط الكسر بين الحبيبات البسيط.

فراغ التلبيد

يجب تلبيد الزركونيا في بيئة مفرغة من الهواء، حيث ينتج عن عملية التلبيد عدد كبير من الفقاعات، وفي بيئة مفرغة من الهواء، يسهل إخراج الفقاعات من الحالة المنصهرة لجسم البورسلين، مما يحسن كثافة الزركونيا، وبالتالي يزيد من شبه النفاذية والخواص الميكانيكية للزركونيا.

معدل التسخين

في عملية تلبيد الزركونيا، وللحصول على أداء جيد ونتائج مُرضية، يُنصح باستخدام معدل تسخين منخفض. يؤدي معدل التسخين المرتفع إلى عدم تجانس درجة الحرارة الداخلية للزركونيا عند الوصول إلى درجة حرارة التلبيد النهائية، مما يُسبب ظهور تشققات وتكوّن مسامات. تُظهر النتائج أنه مع زيادة معدل التسخين، يقل زمن تبلور بلورات الزركونيا، ولا يُمكن تصريف الغاز الموجود بين البلورات، وتزداد المسامية داخل بلورات الزركونيا بشكل طفيف. كما يُؤدي ارتفاع معدل التسخين إلى ظهور كمية صغيرة من الطور البلوري أحادي الميل في الطور الرباعي للزركونيا، مما يُؤثر على الخواص الميكانيكية. في الوقت نفسه، مع زيادة معدل التسخين، تستقطب الحبيبات، أي يسهل تعايش الحبيبات الكبيرة والصغيرة. يُساعد معدل التسخين المنخفض على تكوين حبيبات أكثر تجانسًا، مما يزيد من نفاذية الزركونيا.