ジルコニアセラミックスの特性に及ぼす焼結の影響

ジルコニアセラミックスの特性に及ぼす焼結の影響

ジルコニアはセラミック材料の一種として、高強度、高硬度、優れた耐摩耗性、耐酸性・耐アルカリ性、耐高温性など、優れた特性を備えています。工業分野で広く利用されているだけでなく、近年の義歯産業の急速な発展に伴い、ジルコニアセラミックスは最も有望な義歯材料として、多くの研究者の注目を集めています。

ジルコニアセラミックスの性能は多くの要因によって影響を受けますが、今回は焼結がジルコニアセラミックスのいくつかの特性に与える影響についてお話しします。

焼結方法

従来の焼結法では、熱放射、熱伝導、熱対流によってジルコニアを加熱し、熱をジルコニアの表面から内部へと伝達しますが、ジルコニアの熱伝導率はアルミナなどのセラミック材料に比べて劣ります。熱応力による亀裂を防ぐため、従来の加熱速度は遅く、加熱時間も長いため、ジルコニアの製造サイクルが長くなり、製造コストも高くなります。近年、ジルコニアの加工技術の向上、加工時間の短縮、製造コストの削減、高性能な歯科用ジルコニアセラミック材料の提供が研究の焦点となっており、マイクロ波焼結は間違いなく有望な焼結法です。

マイクロ波焼結と大気圧焼結は、半透性および耐摩耗性への影響において有意な差がないことがわかった。その理由は、マイクロ波焼結によって得られるジルコニアの密度は従来の焼結によるものと類似しており、どちらも高密度焼結であるが、マイクロ波焼結の利点は焼結温度が低く、速度が速く、焼結時間が短いことである。一方、大気圧焼結の温度上昇速度は遅く、焼結時間が長く、全体の焼結時間は約6〜11時間である。通常の圧力焼結と比較すると、マイクロ波焼結は焼結時間が短く、効率が高く、省エネルギーで、セラミックスの微細構造を改善できるという利点を持つ新しい焼結方法である。

また、一部の研究者は、マイクロ波焼結後のジルコニアはより多くの準安定なテトラクアト相を維持できると考えている。これはおそらく、マイクロ波の急速加熱によってより低い温度で材料の急速な緻密化が達成され、通常の圧力焼結よりも粒径が小さく均一になり、t-ZrO2の臨界相転移サイズよりも小さくなるため、室温で準安定状態をできるだけ維持しやすくなり、セラミック材料の強度と靭性が向上するためであると考えられる。

二重焼結プロセス

緻密焼結ジルコニアセラミックスは、硬度と強度が高いため、エメリー切削工具でしか加工できず、加工コストが高く、時間も長くなります。これらの問題を解決するために、ジルコニアセラミックスは二段階焼結工程を用いることがあります。セラミック体の形成と初期焼結の後、CAD/CAMによる拡大加工で所望の形状に仕上げ、最終焼結温度まで焼結することで、材料を完全に緻密化します。

2回の焼結プロセスによってジルコニアセラミックスの焼結速度が変化し、焼結密度、機械的特性、微細構造に一定の影響があることがわかった。1回焼結した加工可能なジルコニアセラミックスの機械的特性は、2回焼結したものよりも優れている。1回焼結した加工可能なジルコニアセラミックスの二軸曲げ強度と破壊靭性は、2回焼結したものよりも高い。一次焼結ジルコニアセラミックスの破壊モードは粒内/粒界破壊であり、亀裂の走向は比較的直線的である。2回焼結ジルコニアセラミックスの破壊モードは主に粒界破壊であり、亀裂の傾向はより曲がりくねっている。複合破壊モードの特性は、単純な粒界破壊モードよりも優れている。

焼結真空

ジルコニアは真空環境下で焼結する必要があり、焼結工程では多数の気泡が発生する。真空環境下では、気泡は溶融状態の磁器本体から容易に排出され、ジルコニアの密度が向上し、それによってジルコニアの半透性および機械的特性が向上する。

加熱速度

ジルコニアの焼結プロセスでは、良好な性能と期待される結果を得るために、低い加熱速度を採用する必要があります。加熱速度が速いと、最終焼結温度に達したときにジルコニアの内部温度が不均一になり、亀裂の発生や気孔の形成につながります。結果によると、加熱速度の増加に伴い、ジルコニア結晶の結晶化時間が短縮され、結晶間のガスが排出されず、ジルコニア結晶内部の気孔率がわずかに増加します。加熱速度の増加に伴い、ジルコニアの正方晶相に少量の単斜晶相が存在し始め、これが機械的特性に影響を与えます。同時に、加熱速度の増加に伴い、結晶粒が分極し、つまり、大小の結晶粒が共存しやすくなります。加熱速度が遅いほど、より均一な結晶粒の形成に有利であり、ジルコニアの半透性が向上します。