Vpliv sintranja na lastnosti cirkonijeve keramike

Vpliv sintranja na lastnosti cirkonijeve keramike

Kot keramični material ima cirkonij visoko trdnost, visoko trdoto, dobro odpornost proti obrabi, odpornost na kisline in alkalije, odpornost na visoke temperature in druge odlične lastnosti. Poleg široke uporabe v industriji je cirkonijeva keramika z živahnim razvojem industrije protez v zadnjih letih postala najbolj perspektiven material za proteze in je pritegnila pozornost številnih raziskovalcev.

Na delovanje cirkonijeve keramike bo vplivalo veliko dejavnikov, danes pa govorimo o vplivu sintranja na nekatere lastnosti cirkonijeve keramike.

Metoda sintranja

Tradicionalna metoda sintranja je segrevanje telesa s toplotnim sevanjem, toplotno prevodnostjo in toplotno konvekcijo, tako da se toplota prenaša s površine cirkonija v notranjost, vendar je toplotna prevodnost cirkonija slabša kot pri aluminijevem oksidu in drugih keramičnih materialih. Da bi preprečili razpoke zaradi toplotnih obremenitev, je tradicionalna hitrost segrevanja počasna in čas dolg, zaradi česar je proizvodni cikel cirkonija dolg, proizvodni stroški pa visoki. V zadnjih letih so raziskave postale v središču pozornosti izboljšanje tehnologije predelave cirkonija, skrajšanje časa predelave, zmanjšanje proizvodnih stroškov in zagotavljanje visokozmogljivih zobnih keramičnih materialov iz cirkonija, mikrovalovno sintranje pa je nedvomno obetavna metoda sintranja.

Ugotovljeno je bilo, da se mikrovalovno sintranje in sintranje pri atmosferskem tlaku bistveno ne razlikujeta glede vpliva polprepustnosti in odpornosti proti obrabi. Razlog za to je, da je gostota cirkonija, pridobljenega z mikrovalovnim sintranjem, podobna gostoti konvencionalnega sintranja, zato gre pri obeh za gosto sintranje, vendar so prednosti mikrovalovnega sintranja nizka temperatura sintranja, visoka hitrost in kratek čas sintranja. Vendar pa je stopnja dviga temperature pri sintranju pri atmosferskem tlaku počasna, čas sintranja je daljši in celoten čas sintranja je približno 6–11 ur. V primerjavi s sintranjem pri normalnem tlaku je mikrovalovno sintranje nova metoda sintranja, ki ima prednosti kratkega časa sintranja, visoke učinkovitosti in varčevanja z energijo ter lahko izboljša mikrostrukturo keramike.

Nekateri znanstveniki menijo tudi, da lahko cirkonijev dioksid po mikrovalovnem sintranju ohrani bolj metastabilno tekvartetno fazo, verjetno zato, ker lahko hitro segrevanje v mikrovalovni pečici doseže hitro zgoščevanje materiala pri nižji temperaturi, velikost zrn pa je manjša in bolj enakomerna kot pri sintranju pod normalnim tlakom, nižja od kritične velikosti fazne transformacije t-ZrO2, kar prispeva k ohranjanju čim večjega števila metastabilnih snovi pri sobni temperaturi, s čimer se izboljša trdnost in žilavost keramičnih materialov.

Postopek dvojnega sintranja

Kompaktno sintrano cirkonijevo keramiko je mogoče obdelovati le z brusnim orodjem zaradi visoke trdote in trdnosti, stroški obdelave pa so visoki in čas obdelave dolg. Za rešitev zgoraj omenjenih težav se cirkonijeva keramika včasih sintra dvakrat: po oblikovanju keramičnega telesa in začetnem sintranju se s CAD/CAM obdelavo do želene oblike in nato sintranjem do končne temperature sintranja doseže popolno gostoto materiala.

Ugotovljeno je bilo, da dva postopka sintranja spremenita kinetiko sintranja cirkonijeve keramike in imata določene učinke na gostoto sintranja, mehanske lastnosti in mikrostrukturo cirkonijeve keramike. Mehanske lastnosti obdelovalne cirkonijeve keramike, sintrane enkrat gosto, so boljše od tistih, sintranih dvakrat. Dvoosna upogibna trdnost in lomna žilavost obdelovalne cirkonijeve keramike, sintrane enkrat kompaktno, sta višji od tistih, sintranih dvakrat. Način loma primarne sintrane cirkonijeve keramike je transgranularni/intergranularni, razpoka pa je relativno ravna. Način loma dvakrat sintrane cirkonijeve keramike je večinoma intergranularni lom, trend razpoke pa je bolj vijugast. Lastnosti kompozitnega načina loma so boljše od preprostega intergranularnega načina loma.

Sintranje vakuuma

Cirkonij je treba sintrati v vakuumskem okolju, saj bo v procesu sintranja nastalo veliko število mehurčkov, v vakuumskem okolju pa se mehurčki zlahka izločijo iz staljenega stanja porcelanskega telesa, kar izboljša gostoto cirkonija in s tem poveča polprepustnost in mehanske lastnosti cirkonija.

Stopnja segrevanja

Pri sintranju cirkonija je treba za doseganje dobrih lastnosti in pričakovanih rezultatov uporabiti nižjo hitrost segrevanja. Visoka hitrost segrevanja povzroči neenakomerno notranjo temperaturo cirkonija pri doseganju končne temperature sintranja, kar vodi do pojava razpok in nastanka por. Rezultati kažejo, da se s povečanjem hitrosti segrevanja čas kristalizacije cirkonijevih kristalov skrajša, plin med kristali se ne more sprostiti, poroznost znotraj cirkonijevih kristalov pa se nekoliko poveča. S povečanjem hitrosti segrevanja se v tetragonalni fazi cirkonija začne pojavljati majhna količina monoklinične kristalne faze, kar vpliva na mehanske lastnosti. Hkrati se s povečanjem hitrosti segrevanja zrna polarizirajo, kar pomeni, da je sobivanje večjih in manjših zrn lažje. Počasnejša hitrost segrevanja prispeva k nastanku bolj enakomernih zrn, kar poveča polprepustnost cirkonija.