ผลกระทบของการเผาผนึกต่อคุณสมบัติของเซรามิกเซอร์โคเนีย

เซอร์โคเนียมเป็นวัสดุเซรามิกชนิดหนึ่งที่มีความแข็งแรงสูง ความแข็งสูง ทนต่อการสึกหรอ ทนต่อกรดและด่าง ทนต่ออุณหภูมิสูง และคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ นอกจากจะถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรมแล้ว ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมฟันปลอมในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซรามิกเซอร์โคเนียมจึงกลายเป็นวัสดุฟันปลอมที่มีศักยภาพมากที่สุดและดึงดูดความสนใจของนักวิจัยจำนวนมาก

วิธีการเผาผนึก

วิธีการเผาผนึกแบบดั้งเดิมคือการให้ความร้อนแก่ชิ้นงานผ่านการแผ่รังสีความร้อน การนำความร้อน และการพาความร้อน เพื่อให้ความร้อนจากพื้นผิวของเซอร์โคเนียเข้าไปภายใน แต่ค่าการนำความร้อนของเซอร์โคเนียนั้นต่ำกว่าอะลูมินาและวัสดุเซรามิกอื่นๆ เพื่อป้องกันการแตกร้าวที่เกิดจากความเครียดจากความร้อน การให้ความร้อนแบบดั้งเดิมจึงช้าและใช้เวลานาน ซึ่งทำให้วงจรการผลิตเซอร์โคเนียยาวนานและต้นทุนการผลิตสูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การพัฒนาเทคโนโลยีการแปรรูปเซอร์โคเนีย การลดระยะเวลาการแปรรูป ลดต้นทุนการผลิต และการจัดหาวัสดุเซรามิกเซอร์โคเนียสำหรับทันตกรรมที่มีประสิทธิภาพสูง ได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัย และการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟก็เป็นวิธีการเผาผนึกที่น่าสนใจอย่างยิ่ง

จากการศึกษาพบว่า การเผาผนึกด้วยไมโครเวฟและการเผาผนึกด้วยความดันบรรยากาศไม่มีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในด้านอิทธิพลต่อค่าการซึมผ่านและความต้านทานการสึกหรอ เหตุผลก็คือ ความหนาแน่นของเซอร์โคเนียที่ได้จากการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟนั้นใกล้เคียงกับความหนาแน่นที่ได้จากการเผาผนึกแบบดั้งเดิม และทั้งสองวิธีเป็นการเผาผนึกที่มีความหนาแน่นสูง แต่ข้อดีของการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟคือ อุณหภูมิการเผาผนึกต่ำ ความเร็วสูง และระยะเวลาการเผาผนึกสั้น ในขณะที่อัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในการเผาผนึกด้วยความดันบรรยากาศนั้นช้า ระยะเวลาการเผาผนึกนานกว่า และระยะเวลาการเผาผนึกทั้งหมดโดยประมาณคือ 6-11 ชั่วโมง เมื่อเปรียบเทียบกับการเผาผนึกด้วยความดันปกติ การเผาผนึกด้วยไมโครเวฟเป็นวิธีการเผาผนึกแบบใหม่ที่มีข้อดีคือ ระยะเวลาการเผาผนึกสั้น ประสิทธิภาพสูง ประหยัดพลังงาน และสามารถปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของเซรามิกได้

นักวิชาการบางท่านเชื่อว่าเซอร์โคเนียที่ผ่านการเผาผนึกด้วยไมโครเวฟสามารถรักษาสภาพเฟสเทควอเต็ตที่ไม่เสถียรได้ดีกว่า อาจเป็นเพราะการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วด้วยไมโครเวฟสามารถทำให้วัสดุมีความหนาแน่นสูงขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิต่ำกว่า ขนาดของเกรนจึงเล็กลงและสม่ำเสมอกว่าการเผาผนึกด้วยแรงดันปกติ และมีขนาดเล็กกว่าขนาดการเปลี่ยนแปลงเฟสวิกฤตของ t-ZrO2 ซึ่งเอื้อต่อการรักษาสภาพที่ไม่เสถียรให้ได้มากที่สุดที่อุณหภูมิห้อง ส่งผลให้ความแข็งแรงและความเหนียวของวัสดุเซรามิกดีขึ้น

กระบวนการเผาผนึกสองครั้ง

เซรามิกเซอร์โคเนียเผาผนึกแบบหนาแน่นนั้นสามารถแปรรูปได้ด้วยเครื่องมือตัดแบบขัดละเอียดเท่านั้น เนื่องจากมีความแข็งและความแข็งแรงสูง และต้นทุนการแปรรูปสูงและใช้เวลานาน เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว บางครั้งจึงใช้กระบวนการเผาผนึกสองครั้งกับเซรามิกเซอร์โคเนีย หลังจากขึ้นรูปเนื้อเซรามิกและเผาผนึกครั้งแรกแล้ว จะใช้การขยายภาพด้วย CAD/CAM เพื่อขึ้นรูปให้ได้รูปทรงที่ต้องการ จากนั้นจึงเผาผนึกอีกครั้งที่อุณหภูมิสุดท้ายเพื่อให้วัสดุมีความหนาแน่นสมบูรณ์

พบว่ากระบวนการเผาผนึกสองครั้งจะเปลี่ยนแปลงจลนศาสตร์การเผาผนึกของเซรามิกเซอร์โคเนีย และจะมีผลต่อความหนาแน่นของการเผาผนึก คุณสมบัติทางกล และโครงสร้างจุลภาคของเซรามิกเซอร์โคเนีย คุณสมบัติทางกลของเซรามิกเซอร์โคเนียที่สามารถขึ้นรูปได้ซึ่งเผาผนึกครั้งเดียวอย่างหนาแน่นนั้นดีกว่าเซรามิกที่เผาผนึกสองครั้ง ความแข็งแรงดัดแบบสองแกนและความเหนียวแตกหักของเซรามิกเซอร์โคเนียที่สามารถขึ้นรูปได้ซึ่งเผาผนึกครั้งเดียวอย่างหนาแน่นนั้นสูงกว่าเซรามิกที่เผาผนึกสองครั้ง รูปแบบการแตกหักของเซรามิกเซอร์โคเนียที่เผาผนึกครั้งแรกคือการแตกหักแบบทะลุผ่าน/ระหว่างเกรน และรอยแตกค่อนข้างตรง รูปแบบการแตกหักของเซรามิกเซอร์โคเนียที่เผาผนึกสองครั้งส่วนใหญ่เป็นการแตกหักระหว่างเกรน และแนวโน้มของรอยแตกคดเคี้ยวมากกว่า คุณสมบัติของรูปแบบการแตกหักแบบผสมนั้นดีกว่ารูปแบบการแตกหักระหว่างเกรนแบบธรรมดา

การเผาผนึกในสุญญากาศ

ต้องทำการเผาผนึกเซอร์โคเนียในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ซึ่งในกระบวนการเผาผนึกจะเกิดฟองอากาศจำนวนมาก และในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ฟองอากาศจะถูกระบายออกจากเนื้อเซรามิกที่หลอมเหลวได้ง่าย ทำให้ความหนาแน่นของเซอร์โคเนียดีขึ้น ส่งผลให้ค่าการซึมผ่านและคุณสมบัติทางกลของเซอร์โคเนียเพิ่มขึ้นด้วย

อัตราการทำความร้อน

ในกระบวนการเผาผนึกเซอร์โคเนีย เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีและผลลัพธ์ที่คาดหวัง ควรใช้อัตราการให้ความร้อนที่ต่ำกว่า อัตราการให้ความร้อนที่สูงจะทำให้อุณหภูมิภายในของเซอร์โคเนียไม่สม่ำเสมอเมื่อถึงอุณหภูมิการเผาผนึกขั้นสุดท้าย ส่งผลให้เกิดรอยแตกและรูพรุน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า เมื่ออัตราการให้ความร้อนเพิ่มขึ้น เวลาในการตกผลึกของผลึกเซอร์โคเนียจะสั้นลง ก๊าซระหว่างผลึกไม่สามารถระบายออกได้ และความพรุนภายในผลึกเซอร์โคเนียจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เมื่ออัตราการให้ความร้อนเพิ่มขึ้น ผลึกโมโนคลินิกจำนวนเล็กน้อยจะเริ่มปรากฏในเฟสเตตระโกนัลของเซอร์โคเนีย ซึ่งจะส่งผลต่อคุณสมบัติทางกล ในขณะเดียวกัน เมื่ออัตราการให้ความร้อนเพิ่มขึ้น เม็ดผลึกจะเกิดการแบ่งขั้ว กล่าวคือ การอยู่ร่วมกันของเม็ดผลึกขนาดใหญ่และขนาดเล็กเกิดขึ้นได้ง่าย อัตราการให้ความร้อนที่ช้าลงจะเอื้อต่อการเกิดเม็ดผลึกที่สม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งจะเพิ่มค่าการซึมผ่านได้ของเซอร์โคเนีย