Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 6, стр. 58-61

ВВЕДЕНИЕ

Керамические материалы являются хорошей альтернативой металлам и сплавам [1]. Их механические свойства, биосовместимость, химическая инертность обусловливают широкое применение в качестве узлов различных механизмов в технике и биоимплантов в медицине [2, 3]. Среди керамических материалов особое место занимает композиционная керамика на основе диоксида циркония [4–6]. Эта керамика применяется для изготовления газовых сенсоров, элементов катализа, инструментальной и функциональной керамики, имплантов в биомедицине и так далее. В связи с высокой эстетикой изделий циркониевую керамику широко используют в стоматологии [7, 8]. При выполнении несъемной протезной реставрации диоксид циркония закрепляют путем склеивания полимерным цементом [9]. Прочность склеивания определяется, кроме качества цемента, состоянием поверхности диоксида циркония. На практике перед нанесением клея ее подвергают аэродинамической абразивной обработке [10, 11]. В качестве абразива используют частицы корунда размером в 40–50 мкм. Хорошо известно, что керамика на основе диоксида циркония обладает полиморфизмом [12, 13]. Он проявляется в том, что в зависимости от температуры обработки, наличия стабилизирующих добавок в циркониевой керамике можно наблюдать три фазовых состояния – моноклинную (м-фаза), тетрагональную (т-фаза) и кубическую (с-фаза) фазы. Циркониевая керамика может быть в одной из этих фаз или в комбинации с определенной пропорцией. Для получения устойчивой т-фазы в диоксид циркония вводят стабилизирующую добавку, например, оксид иттрия в количестве 3 моль %. Такая циркониевая керамика называется частично стабилизированной. Именно она широко применяется в стоматологии [13]. В виду разных свойств каждой из возможных фаз диоксида циркония свойства керамики могут сильно изменяться, что влияет на ее прочность, устойчивость к термоциклированию и воздействию влаги. Все это имеет большое значение при изготовлении зубных протезов из керамики. Одним из факторов, ухудшающих качество склеивания элемента восстановленного зуба, может быть изменение фазового состояния приповерхностного слоя частично стабилизированного диоксида циркония под действием абразивной обработки. Как правило, эту возможную трансформацию не принимают во внимание при подготовке поверхности циркониевой керамики к склеиванию. Согласно [14] абразивная обработка частично стабилизированного диоксида циркония в виде шлифовки может привести к наведению в тонком приповерхностном слое моноклинной фазы. Ее присутствие на границе склеивания в виду разности коэффициентов линейного расширения м-фазы и т-фазы может сильно ухудшить качество склеивания. Таким образом, актуальным становится вопрос сохранения в приповерхностном слое изделия из циркониевой керамики исходной т-фазы при проведении абразивной обработки.

Цель настоящей работы заключалась в установлении влияния аэродинамической абразивной обработки на фазовое состояние приповерхностного слоя керамики частично стабилизированного диоксида циркония, а также в разработке способа устранения наведенных новых фаз.

МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Образцы циркониевой керамики состава (моль %) 97ZrO₂–3Y₂O₃ были изготовлены из коммерческого нанопорошка TZ-3Y-E (TOSOH, Япония). Порошковые компакты получали методом одноосного прессования с помощью лабораторного пресса ПГр-10. Давление прессования было 130 МПа. Спекание проводили в печи СНОЛ при температуре 1500°С в течение 2 ч. Спеченные образцы имели вид таблеток диаметром 9 мм и толщиной 4 мм. Пикнометрическую плотность ρ образцов определяли методом гидростатического взвешивания. Для экспериментального исследования были отобраны образцы с ρ = 5.95–6.0 г/см³. Аэродинамическую абразивную обработку поверхности керамических образцов проводили микропорошком корунда со средним размером частиц 50 мкм в течение 30 с при давлении воздуха 4.5 бар. Шероховатость поверхности керамических образцов измеряли Профилометром 296. Стандартное отклонение составляло менее 10% от среднего значения шероховатости. Исследование фазового состава проводили методом рентгенофазового анализа (РФА). Измерения осуществляли на порошковом дифpaктoметpе ARL X’TRA c полупроводниковым детектором Si(Li) Пельтье c использованием монохроматического излучения CuK_α в геометрии Бpэггa–Бpентaнo на отражение. Расшифровку дифpaктoгpaмм проводили с использованием программного кoмплекca Powder Cell 2.4. Поверхность керамики исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с помощью микроскопа Hitachi TM-1000.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлена дифрактограмма образца керамики частично стабилизированного диоксида циркония после спекания. Поверхность предварительно была подвергнута тонкой полировке с использованием алмазных паст. Из рисунка следует, что спеченная циркониевая керамика содержит только т-фазу. Исследования фазового состава по глубине показали, что в глубинных слоях имеется только одна тетрагональная фаза. После аэродинамической абразивной обработки средняя шероховатость поверхности диоксида циркония составляла 0.55 мкм. На рис. 2 представлена дифрактограмма образца, подвергнутого аэродинамической абразивной обработке. Видно, что на дифрактограмме присутствуют характерные для моноклинной фазы пики. Установлено, что эти пики исчезают, если образец подвергают дополнительно тонкой полировке с использованием алмазной пасты или без полировки отжигают при температуре 1000°С и более. То есть, в процессе аэродинамической абразивной обработки в приповерхностном слое циркониевой керамики наводится моноклинная фаза, избавиться от которой можно только, если провести указанные выше действия. Полученный результат в целом совпадает с результатами, представленными в [14] для случая, когда циркониевую керамику подвергают механической шлифовке при помощи влажного абразивного порошка.

Рис. 1.

Дифрактограмма образца керамики частично стабилизированного диоксида циркония после спекания.

Рис. 2.

Дифрактограмма образца керамики частично стабилизированного диоксида циркония после аэродинамической абразивной обработки.

Поскольку фазовый состав изменяется только в тонком приповерхностном слое керамики в результате аэродинамической абразивной обработки, логично было предположить, что для устранения наведенной моноклинной фазы в этом слое достаточно подвергнуть его локальному перегреву при температуре выше 1000°С. Это может быть электронный или лазерный нагрев. Справедливость данного утверждения была проверена путем обработки циркониевой керамики сильноточным импульсным пучком низкоэнергетических электронов (СИПНЭ). Методология и техника данного вида обработки подробно описана в [15, 16].

РЭМ-изображение поверхности керамики после обработки СИПНЭ при ускоряющем напряжении U = 15 кВ, токе пучка J = 100 А, длительности импульса t = 50 мкс представлено на рис. 3. На ней видны характерные для данного вида воздействия следы оплавления и растрескивания. Согласно [15] эти дефекты обусловлены воздействием высокой температуры и возникновением больших температурных градиентов во время импульсной радиационной обработки. РФА образца со стороны воздействия СИПНЭ показал наличие только одной тетрагональной фазы. Перед обработкой кроме т-фазы в приповерхностном слое наблюдалась м-фаза, наведенная аэродинамической абразивной обработкой. Полученные данные говорят о том, что в качестве альтернативы абразивной обработке можно использовать мощное импульсное радиационное воздействие. Такое воздействие приводит к образованию развитого микрорельефа, наличие которого даст возможность повысить прочность склеивания при использовании полимерного цемента.

Рис. 3.

РЭМ-изображение поверхности образца керамики частично стабилизированного диоксида циркония после обработки сильноточным импульсным пучком низкоэнергетических электронов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведены исследования влияния аэродинамической абразивной обработки на фазовый состав приповерхностных слоев изделий из циркониевой керамики стоматологического назначения. Установлено, что поверхностная абразивная обработка приводит к появлению в приповерхностном слое м-фазы. Удаление этой фазы без нарушения микрорельефа возможно при проведении отжига образцов при температуре не ниже 1000°С.

Воздействие СИПНЭ на поверхность циркониевой керамики, содержащую м-фазу, приводит к исчезновению этой фазы вследствие локального импульсного нагрева. Обработка СИПНЭ может быть рекомендована для подготовки изделий стоматологического назначения для склеивания полимерным цементом. Такая обработка придает керамической поверхности, развитый микрорельеф и гарантирует отсутствие новых наведенных фаз.