ANALIZA TRWAŁOŚCI I WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZENIA KLEJONEGO ZĄB - DWUTLENEK CYRKONU

Transkrypt

1 UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO PRZYRODNICZY IM. J. I J. ŚNIADECKICH W BYDGOSZCZY WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ Praca doktorska pt.: ANALIZA TRWAŁOŚCI I WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZENIA KLEJONEGO ZĄB - DWUTLENEK CYRKONU mgr inż. Mateusz Wirwicki Promotor: prof. dr hab. inż. Tomasz Topoliński Bydgoszcz 2016

2 SPIS TREŚCI 1. Wstęp Wprowadzenie Hipoteza pracy Cel pracy Zakres pracy Przegląd piśmiennictwa naukowego Prace naukowe Problemy materiałowe w stomatologii Pojawienie się dwutlenku cyrkonu Analiza wytrzymałości materiału Analiza wytrzymałości połączeń klejonych Badania kliniczne uszkodzeń mostów, protez, koron wykonanych z dwutlenku cyrkonu Normy Podsumowanie przeglądu piśmiennictwa naukowego Plan badań Badania własne Opis wykorzystywanych stanowisk badawczych Maszyna wytrzymałościowa INSTRON Przyrząd do trzy- i czteropunktowego zginania Urządzenie do klejenia próbek ze stałą siłą docisku Urządzenie do badań wytrzymałości na ścinanie Narzędzia statystyczne Ogólna analiza statystyczna Dwuparametryczna analiza rozkładu Weibulla Opis przygotowania i analiza własności materiału do badań Próbki wykorzystane do badań Klej stomatologiczny wykorzystany do badań Badanie chropowatości próbek wykorzystanych do badań statycznych i zmęczeniowych Badania mikrotwardości Vickersa Badanie fraktograficzne i analiza chemiczna dwutlenku cyrkonu Badania termograwimetryczne Dyfraktometria RTG Badania derywatograficzne Analiza spektralna próbek cyrkonowych Badanie skaningowym mikroskopem elektronowym Badanie komputerowej mikrotomografii rentgenowskiej zęba naturalnego z doklejoną koroną pełnoceramiczną... 85

3 5.6. Badania wytrzymałościowe dwutlenku cyrkonu Badanie wytrzymałości na ściskanie Analiza wyboczenia próbek poddawanych badaniu wytrzymałości na ściskanie Badanie dwutlenku cyrkonu przy 3-punktowym zginaniu dla monotonicznego przyrostu obciążenia Zmęczeniowe badanie trzypunktowego zginania Analiza kumulacji uszkodzeń P-M badania ze stopniowo narastającą siłą zmienną Statyczne badania wytrzymałości na rozciąganie-ścinanie połączenia klejowego stal - cyrkon - stal (S-C-S) Analiza wyników badań wytrzymałości połączenia klejowego na monotoniczne ścinanie z rozciąganiem Statyczne badania wytrzymałości, na ścinanie techniczne, połączenia klejowego między beleczkami z dwutlenku cyrkonu (C-C) Badania zmęczeniowe wytrzymałości, na ścinanie techniczne, połączenia klejowego beleczek z dwutlenku cyrkonu (C-C) Badania statyczne, wytrzymałości na ścinanie, techniczne połączenia klejowego ząb naturalny dwutlenek cyrkonu Badanie złożonego elementu konstrukcyjnego ząb dwutlenek cyrkonu Badanie monotoniczne wytrzymałości ząb naturalny dwutlenek cyrkonu dla normatywnego obciążenia Analiza złożonego modelu ząb dwutlenek cyrkonu za pomocą metody elementów skończonych Weryfikacja wyników badań na tle problematyki badawczej Podsumowanie badań własnych Wnioski końcowe Bibliografia

4 1. WSTĘP 1.1. WPROWADZENIE Stomatologia jest działem medycyny, który zajmuje się leczeniem: zębów, przyzębia, języka, błony śluzowej oraz różnego rodzaju patologiami związanymi z jamą ustną. Podczas zabiegów stomatologicznych, lekarze stomatolodzy korzystają z szerokiej gamy przyrządów oraz materiałów stomatologicznych. Dobór ich podyktowany jest stanem klinicznym oraz możliwościami finansowymi pacjenta. Rynek materiałów stomatologicznych jest jednym z najprężniej rozwijających się działalności handlowych na świecie. Materiały wykorzystywane w protetyce jamy ustnej pacjenta muszą cechować się wysoką biozgodnością, odpowiednią estetyką i wytrzymałością. Rozwój materiałów pociąga za sobą poprawę takich cech, jak m.in. przezierność (rozproszenie się światła w materiale), czy odporność na starzenie się materiału, pogarszającą się wraz z przenoszeniem obciążenia cyklicznego. Ograniczeniem rozwoju materiałów stomatologicznych jest brak rzetelnej analizy własności mechanicznych koron, mostów i połączeń klejonych. Współcześnie wykorzystywanymi materiałami do produkcji elementów protetycznych są dwutlenek cyrkonu (ZrO 2 ) i skaleń. W wielu ośrodkach na całym świecie prowadzone są badania wytrzymałości mechanicznej materiałów stomatologicznych oraz połączeń klejowych. Przeprowadzony przegląd literaturowy wskazuje na różnorodność technik badań wytrzymałości i trwałości dla samego materiału oraz połączeń klejowych. Najszerszy rozwój badań zaobserwowano dla klejów stomatologicznych oraz materiałów wykorzystywanych do wytwarzania koron zębowych. Prezentowana praca doktorska realizowana była przy współpracy kliniki stomatologicznej DENmed w Bydgoszczy i Toruniu. Jednym z najczęściej wykonywanych zabiegów w tej klinice, podobnie jak w innych w kraju i na świecie, jest zastępowanie ubytków w łukach zębowych koronami, mostami lub łukami pełnoceramicznymi. Podczas tych zabiegów lekarz stomatolog dokleja, do wcześniej przygotowanego zęba lub łącznika implantu, koronę pełnoceramiczną. Występują przypadki, gdy korona doklejana jest do wypełnienia kompozytowego lub do zęba leczonego endodontycznie. Schemat procesu doklejenia przedstawiono na rys. 1. We wszystkich prezentowanych powyżej przypadkach, przy tak złożonym układzie, połączenie klejowe musi zachować jak najwyższe właściwości mechaniczne wytrzymałość i trwałość. 4

5 Rys. 1. Schematyczne przedstawienie zęba w przekroju, a) z doklejoną koroną cyrkonową, b) z wypełnieniem ubytków, c) po leczeniu kanałowym Wyniki dotychczas prowadzonych badań w zakresie analizy właściwości mechanicznych są wykorzystywane w praktyce stomatologicznej, poprawiając jakość tych usług. Ze względu na pojawianie się nowych generacji klejów i materiałów stomatologicznych, konieczna jest częsta aktualizacja wyników badań w tym zakresie. Przegląd badań klinicznych wykazał, że analiza połączenia klejowego ząb dwutlenek cyrkonu jest jednym z ważniejszych problemów w stomatologii. Badania te prowadzone były najczęściej w warunkach in vivo dla pełnoceramicznych koron, koron z podbudową z metalu oraz mostów. Przedstawiona literatura opisuje badania wyżej wymienionych konstrukcji z uwzględnieniem upływu czasu od ich wykonania. Wyniki tych badań wskazują, że oprócz uszkodzeń estetycznych, najczęściej korona odkleja się oraz może wystąpić jej odłamanie. Przegląd literatury unaocznił problem braku normalizacji badań, próbek oraz urządzeń związanych z przeprowadzeniem doświadczeń. Stąd zaobserwowano znaczną różnorodność technik badawczych związanych z wyznaczaniem własności mechanicznych materiałów stomatologicznych. W przytaczanych pracach prowadzono próby statyczne i zmęczeniowe, pozwalające wyznaczyć wartości naprężeń statycznych i cyklicznych występujących w materiale. Eksperymenty udowadniają, że ogromny wpływ na ostateczną wytrzymałość badanych elementów konstrukcyjnych ma proces poprzedzający badania wytrzymałości. Decydującym etapem determinującym wytrzymałość materiału jest jego obróbka: piaskowanie, silanizacja czy obróbka papierem ściernym o różnej granulacji. W dysertacji doktorskiej zaproponowano podział prowadzonych eksperymentów na badania związane ze ściskaniem, ścinaniem, rozciąganiem oraz szeroko pojętym zginaniem. Badania opisane w literaturze prowadzono w środowisku suchym i ciekłym (odzwierciedlając środowisko jamy ustnej), ponadto wskazano istotny wpływ pierwiastków uszlachetniających dwutlenek cyrkonu, z którego wykonywane są korony stomatologiczne, na ich właściwości użytkowo-wytrzymałościowe. 5

6 Opierając się na dokonanym przeglądzie literaturowym zaproponowano własną geometrię próbek wykonanych z dwutlenku cyrkonu. Powstałe w ten sposób próbki można zakwalifikować do grupy minipróbek. Do realizacji badań własnych wykorzystano urządzenia, które zostały zaprojektowane i wykonane przez autora pracy. Do badań zastosowano następujące materiały: dwutlenek cyrkonu (Lava, Cercon, ZirconZahn) oraz kleje stomatologiczne (3M ESPE, KERR). Wybór wymienionych materiałów był podyktowany ich współcześnie najczęstszym wykorzystywaniem we współpracującej klinice stomatologicznej. Pierwszym etapem badań było określenie wytrzymałości wybranych materiałów cyrkonowych do produkcji pełnoceramicznych koron stomatologicznych. Przeprowadzono następujące próby: statycznego ściskania, trzypunktowego zginania (statycznego i zmęczeniowego) oraz analizę kumulacji uszkodzeń ze stopniowo narastającym obciążeniem. Wykonano analizę składu pierwiastkowego i zdjęcia faktograficzne przełomów badanego materiału. Drugim etapem było określenie wytrzymałości połączenia klejowego dla dwóch różnych substancji klejowych. Do tego celu wykorzystano wcześniej zaprojektowane i wykonane urządzenie do ścinania dla prób wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej. Ostatnim etapem badań była analiza numeryczna i badania rzeczywistego układu ząb naturalny doklejona korona pełnoceramiczna. Badania przeprowadzone w ramach niniejszej pracy dają jasne i rzetelne spojrzenie na wytrzymałość materiału, połączenia klejowego oraz na obiekt, jakim jest korona pełnoceramiczna doklejona do wcześniej przygotowanego zęba naturalnego. Problematyka pracy związana jest z praktycznymi problemami, z którymi lekarz stomatolog spotyka się w pracy. Materiały stomatologiczne, badane w niniejszej pracy, są wykorzystywane w wielu klinikach stomatologicznych. Otrzymane wyniki badań były konsultowane i analizowane z lekarzami stomatologami. Przełożenie wyników badań do praktyki stomatologicznej pozwoliło w realny sposób poprawić jakość usług wykonywanych w tych klinikach HIPOTEZA PRACY Podstawową hipotezą badawczą sformułowaną w ramach przedstawionego problemu badawczego jest następujące przypuszczenie: jakość odbudowy zęba z zastosowaniem korony jest powiązana ze zdolnością przeniesienia przez ząb obciążenia związanego z rozdrobnieniem pokarmu o czym decydują cechy konstrukcyjne układu ząb klej dwutlenek cyrkonu. Ponadto sformułowano trzy poniżej przedstawione hipotezy robocze: 6

7 że istnieje możliwość określenia własności fizykochemicznych wytrzymałości dwutlenku cyrkonu pod obciążeniem poprzez badania próbek w warunkach trzypunktowego zginania, że kleje o takiej samej klasyfikacji oraz generacji, ale bardzo dużej rozbieżności cenowej posiadają zbliżone własności mechaniczne przy połączeniu cyrkon cyrkon, że materiały różnych producentów o podobnych składach chemicznych wykazują porównywalną wytrzymałość mechaniczną CEL PRACY Celem głównym pracy jest określenie trwałości i wytrzymałości materiału pełnoceramicznego oraz określenie własności mechanicznych połączenia materiału z zębem naturalnym. Realizacja celu podstawowego związana jest z następującymi celami dodatkowymi: przeprowadzenie krytycznej analizy stanu wiedzy dotyczącej materiałów pełnoceramicznych wykorzystywanych w stomatologii i ich połączenia klejowego, przeprowadzenie analizy stanu wiedzy odnoszącej się do normalizacji badań materiałów stomatologicznych, zaprojektowanie i wykonanie urządzeń pozwalających na przeprowadzenie badań wytrzymałościowych, przeprowadzenie analizy fizykochemicznej badanego materiału, badanie wytrzymałości wybranych klejów stomatologicznych, ocena cech wytrzymałościowych i trwałościowych dwutlenku cyrkonu wybranych producentów, najczęściej wykorzystywanych w klinikach stomatologicznych ZAKRES PRACY W rozdziale pierwszym przedstawiono ogólny zarys problemu badawczego, a także hipotezę i cel pracy oraz jej zakres. W rozdziale drugim przedstawiono problemy związane z materiałem wykorzystywanym przez lekarzy stomatologów w leczeniu jamy ustnej. Opisano historię powstania w dalszym ciągu nowego materiału pełnoceramicznego, jakim jest dwutlenek cyrkonu. Przedstawiono również analizę stanu wiedzy związaną z badaniami statycznymi i zmęczeniowymi, określającymi wytrzymałość mechaniczną ceramik stomatologicznych oraz wytrzymałość klejów znajdujących zastosowanie w stomatologii. Dokonano podziału na badania statyczne i zmęczeniowe oraz na poszczególne metody badawcze, pozwalające wyznaczyć wytrzymałość materiałów wykorzystywanych w stomatologii. Opisano normy związane z określeniem 7

8 charakterystyki materiałowej oraz sposobem prowadzenia badań materiałów stomatologicznych. W rozdziale trzecim podsumowano przegląd piśmiennictwa naukowego, a także określono wstępny plan badań naukowych, związany z problematyką połączenia klejowego. W rozdziale czwartym przedstawiono schematyczny plan badań. W rozdziale piątym przedstawiono badania własne. Opisano zaprojektowane i wykonane przyrządy wspomagające i umożliwiające realizację badań statycznych i zmęczeniowych oraz maszyny będące na wyposażeniu jednostki badawczej. Opisano procedurę wykonania minipróbek z dwutlenku cyrkonu i badania ich twardości metodą Vickersa. Następnie przedstawiono badania wytrzymałości na ściskanie, trzypunktowe zginanie, badania cykliczne ze stopniowo narastającym obciążeniem, rozciąganie ze ścinaniem i techniczne ścinanie. Przeanalizowano geometrię wykorzystanych do badań próbek z dwutlenku cyrkonu. Przedstawiono analizę wyników badania jakościowego i ilościowego odniesioną do składu chemicznego substancji, z których wyprodukowano dwutlenek cyrkonu. Poddano analizie uzyskane wyniki badań statycznych i zmęczeniowych z wykorzystaniem rozkładu Weibulla. Przeanalizowano zdjęcia przełomów wykonane z wykorzystaniem mikroskopu elektronowego. W rozdziale szóstym podsumowano wyniki badań oraz przeprowadzono dyskusję porównującą niniejsze wyniki z wynikami zaprezentowanymi w piśmiennictwie naukowym. Rozdział siódmy stanowi wnioski z pracy podzielone na: wnioski ogólne, dotyczące przeprowadzonych badań wytrzymałościowych materiałów stomatologicznych oraz wnioski szczegółowe, dotyczące poszczególnych badań wraz z przyszłymi założeniami badawczymi. 8

9 2. PRZEGLĄD PIŚMIENNICTWA NAUKOWEGO 2.1. PRACE NAUKOWE Analiza dostępnych artykułów naukowych z podjętego zakresu tematycznego pozwoliła na wyróżnienie trzech obszarów zainteresowania: 1) problemów materiałowych w stomatologii: przezierność koron stomatologicznych [1, 2, 3], utwardzanie ceramiki [4, 5, 6, 7, 8, 9], zwiększania/zmniejszania wytrzymałości na tle obróbki materiału: piaskowanie [10, 11, 12], szlifowanie [13], dobór odpowiednich kompozytów i procedury fotopolimeryzacji utwardzania [14, 15], środowisko pracy materiału - ciekłe/suche [10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23], starzenie materiału organicznego i połączenia adhezyjnego [24, 25, 26]; 2) chronologii i historii powstania uzupełnień ceramicznych i pełnoceramicznych [1, 2, 3, 6, 9, 8, 16, 17, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33]; 3) badań wytrzymałościowych, które można podzielić na dwie podgrupy: a) obiekty badań: zębów naturalnych [29, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43], w tym badania: siekaczy [37, 44, 39], zębów przedtrzonowych [29] i trzonowych [34], zębów sztucznych [31, 45, 46], zębów bydlęcych [47, 48], materiałów dentystycznych w tym, np. żywic polimerowych [49, 50, 51, 52, 53], klejów stomatologicznych cementów [12, 13, 15, 21, 22, 35, 49, 44, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68], dwutlenku cyrkonu [10, 11, 16, 17, 18, 19, 20, 27, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82], b) metody badawcze: monotoniczne [31, 34, 41, 46, 47, 48, 49, 51], w tym: rozciąganie [15, 21, 22, 54, 55, 62, 65, 66, 67, 68, 83, 84,], zginanie [11, 17, 20, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 82], ściskanie [12, 58, 59] i ścinanie [13, 44, 55, 56, 60, 64, 66], dynamiczne [29, 31, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 42, 43, 45, 46, 50, 51] w tym: rozciąganie [22], zginanie [10, 11, 16, 17, 18, 19, 20, 52, 73, 79, 85] i ściskanie [12]. 9

10 Problemy materiałowe w stomatologii Stomatologia jest działem medycyny zajmującym się fizjologicznymi i patologicznymi stanami wszystkich elementów znajdujących się w jamie ustnej. W stomatologii wyróżnić można m.in. stomatologię estetyczną i stomatologię zachowawczą. Wśród zabiegów wykonywanych w ramach stomatologii estetycznej znajdują się: aplikacja licówek, koron, mostów porcelanowych, wybielanie zębów. Natomiast zabiegami wykonywanymi w ramach stomatologii zachowawczej są: aplikacja wypełnień (potocznie nazywanych plombami), rekonstrukcja zębów, usuwanie przebarwień, leczenie kanałowe endodoncja. Problemy materiałowe można podzielić podobnie, tj. związane ze stomatologią: estetyczną i zachowawczą. W pierwszym przypadku najistotniejsze problemy, dla których przeprowadzono badania literaturowe, związane są z: materiałem, pod względem jego przezierności - rozproszeniem światła w ceramice, jego twardością. W stomatologii zachowawczej przeanalizowano ceramikę pod względem: zwiększenia/zmniejszenia zawartości odpowiednich związków chemicznych, środowiska ciekłego/suchego, temperatury utwardzania przy synteryzacji materiału, zwiększenia/obniżenia wytrzymałości na tle obróbki materiału, wytrzymałości mechanicznej przez naświetlanie UV światoutwardzalnego kleju, rodzaju użytego kleju, starzenia się materiału organicznego i połączenia adhezyjnego, wytrzymałości na ściskanie, trzy- i czteropunktowe zginanie, ścinanie połączenia klejowego. Analizę dostępnej wiedzy ważnej z punktu widzenia problemów materiałowych przedstawiono w artykule [1]. Opisano w nim badania jednego materiału ceramiki, pochodzącej od trzech rożnych producentów. Określono, że materiał imitujący ząb naturalny, tj. ceramika, powinien charakteryzować się wysokim współczynnikiem odbijania światła, porównywalnym z naturalnym zębem. Ponadto posiadać naturalny kształt, wielkość oraz odpowiednią teksturę powierzchni i przezierność. Uzyskanie odpowiedniego kształtu zęba następuje po pobraniu przez lekarza stomatologa wycisku łuku zębowego, następnie stworzeniu odlewu, a później skanowaniu trójwymiarowemu (3D). Wprowadzone dane ze skanera 3D pozwalają odtworzyć opracowywany ząb i za pomocą techniki CAD/CAM wyfrezować go w materiale. W artykule [1] zaprezentowano wyniki dla materiału ceramicznego: IPS e.max Press, In Ceram YZ, ICE Zirkon, Katana; cementów podkładów firm: IPS e.max Ceram, 10

11 VM9, ICE Ceramic, Cerabien ZR; sztucznego szkliwa firm: Essence, Akzent Glaze, Stainm Colour Glaze Plus, Cerabien Glaze. Badania rozproszenia światła prowadzone były dla każdego materiału przy pomocy spektrofotometru. Eksperyment wykazał, że firmą której ceramika najlepiej rozprasza światło w połączeniu klejonym i dla sztucznego szkliwa jest: IPS e.max Press. Podobne badania związane z techniką pomiaru przezierności wykorzystującymi spektrofotometr przedstawiono w artykule [2]. Próbki wykonane z materiału Zirconia NobelProcera podzielono na 3 grupy, ze względu na cieniowanie od słabego do intensywnego. Przed pomiarem próbki wyczyszczono za pomocą myjki ultradźwiękowej w wodzie destylowanej przez 10 minut, następnie osuszono sprężonym powietrzem. Analiza wyników wykazała, że dla przezierności nie ma znaczenia odcień, tj. kolor materiału, z którego wykonuje się korony ceramiczne, w stosunku do odcienia koloru zęba naturalnego. Inne podejście badawcze zaprezentowano w artykule [3]. Do badań zgromadzono ludzkie i wołowe siekacze oraz implanty wykonane z ceramiki IPS e.max ZirCAD w kolorze neutralnym (białym) oraz ceramikę w kolorach zębów naturalnych znajdujących się w jamie ustnej. Badania wykazały brak różnicy w przezierności między zębami ludzkimi, a wołowymi oraz ceramiką w kolorze neutralnym. Nieznaczne wahania zanotowano w badaniu ceramiki w odcieniach ciemniejszych od białego. Jednym z problemów w stomatologii zachowawczej jest ustabilizowanie struktury w fazie synteryzacji, tj. utwardzania materiału. W tym procesie bardzo ważny jest odpowiedni dobór składu chemicznego ceramiki. W artykułach [4, 5, 6, 7, 8, 9] autorzy opisują jak ważną role odgrywają związki chemiczne, takie jak: CaO (tlenek wapnia), MgO (tlenek magnezu II), Y 2 O 3 (tlenek itru III) CeO 2 (tlenek ceru IV), Yb 2 O 3 (tlenek iterbu III), SiO 2 (tlenek krzemu) oraz SrO (tlenek strontu). Dzięki własnościom tych substancji, w ceramice nie powstają naprężenia krytyczne powodujące pękanie jej zewnętrznej warstwy podczas synteryzacji. Oprócz rodzaju dodatku, kluczową rolę odgrywa ilość procentowa zawartych w niej związków, mieszcząca się w granicach od 3% do 10%. Analiza literatury wykazała, że najczęściej wykorzystywanym związkiem do stabilizacji jest Y 2 O 3, w ilości nie przekraczającej 10%. W ceramice stomatologicznej coraz częściej wykorzystuje się, jako materiał podstawowy, dwutlenek cyrkonu. Ceramika ta pod względem chemicznym składa się z 97% - ZrO 2 i 3% - Y 2 O 3. Kryształy ZrO 2 tworzą małe ziarna o przeciętnej wielkości 0,5-1 µm. Materiał ten charakteryzuje się strukturą polikrystaliczną i polimorficzną, która występuje w następujących odmianach alotropowych: monocyklicznej (jednoskośnej), tetragonalnej i cylindrycznej. Wymienione struktury charakteryzuje wysoka stabilność w różnych temperaturach. Faza najbardziej wytrzymała tetragonalna może być stabilna w temperaturze pokojowej tylko i wyłącznie poprzez dodanie odpowiednich pierwiastków. Stabilność dwutlenku cyrkonu w każdym zakresie temperatury zapewnia wzbogacenie go, np. Y 2 O 3 (tlenkami itru). Ziarna 11

12 dwutlenku cyrkonu, połączone łańcuchem tetragonalnym z tlenkami itru pozostają w stanie metatrwałym. Sprawia to, że każde naruszenie struktury materiału, np. poprzez propagację pęknięcia, wywołuje niewielkie odkształcenie materiału, co doprowadza do lokalnej przemiany niestabilnych ziaren tetragonalnych w jednoskośne. Zjawisko opisane powyżej powoduje wzrost objętości ziaren sięgające nawet 3-5%, które w pobliżu pęknięcia zatrzymują dalszą jego propagację. W tabeli 1. przedstawiono właściwości mechaniczne ceramik cyrkonowych z różnymi substancjami chemicznymi. Tabela 1. Właściwości mechaniczne ceramik cyrkonowych [30] Ceramika z dodatkiem Wytrzymałość na zginanie [MPa] Twardość Vickersa [GPa] Gęstość [g/cm 3 ] miki ,72-4,46 2,56 leucytu ,57-6,67 2,50 dwukrzemianu litu ,3 2,47 trójtlenku aluminium ,47 dwutlenku cyrkonu ,17-13,70 5,56-6,1 W artykule [10] autorzy przed badaniami wykonali obróbkę materiału ceramicznego cyrkonowego, używając piaskowania granulatem krzemionki powlekanej tlenkiem glinu o wielkości ziarna 30 µm. Próbki podzielono na 8 grup, z czego 4 z nich były piaskowane, a 4 nie zostały poddane żadnemu procesowi obróbczemu. Przeprowadzone badania cykliczne wykazały, że próbki synteryzowane i poddane obróbce piaskowania charakteryzują się wyższą wytrzymałością. Dla próbek z dwutlenku cyrkonu firmy Lava bez obróbki wykazano średnią wytrzymałość rzędu 720 MPa, a dla próbek tego samego producenta po obróbce powierzchniowej średnia wytrzymałość sięgała 840 MPa. Podobną metodykę badań zaprezentowano w artykule [11]. Przygotowane próbki zostały poddane procesowi piaskowania, gdzie wielkość ziarna krzemionki powlekanej tlenkiem glinu wynosiła 110 µm. Wyniki badania wytrzymałości na trzypunktowe zginanie próbek piaskowanych były wyższe tylko o ok. 3% w stosunku do próbek bez obróbki powierzchni. Uzyskane wyniki średnie wynosiły odpowiednio 614,97 MPa oraz 597,26 MPa. W pracach [10, 11] analizowano wyłącznie próbki w postaci beleczek. W artykule [12] przedstawiono badania związane z koronami pełnoceramicznymi. Obiekty te zostały poddane procesowi piaskowania 12

13 jak poprzednio, ale o innej wielkości ziaren, równej 50 µm. Wykonana korona w technice CAD/CAM poddana została obciążeniu ściskającemu w osi zęba. Badania statyczne, jak i zmęczeniowe wykazały, że dla gotowego elementu zęba o niejednakowej powierzchni, obróbka piaskowaniem istotnie wpływa na zmniejszenie własności wytrzymałościowych. Oprócz analiz wpływu procesu piaskowania próbki na jej wytrzymałość, można wskazać grupę artykułów analizujących wpływ obróbki papierem ściernym. Jedną z takich prac jest artykuł [13], w którym autorzy zastosowali papier ścierny o granulacji 600. Badano połączenie klejowe ceramika-ceramika, gdzie miejscem klejenia były powierzchnie szlifowane. Badanie polegało na wyznaczeniu wytrzymałości na ścinanie tego połączenia. Rezultaty okazały się zaskakujące, ponieważ dla powierzchni klejonych obrabianych papierem ściernym wartość wytrzymałość połączenia była mniejsza niż dla próbek bez obróbki. Kolejnymi ważnymi zagadnieniami są problemy doboru odpowiednich kompozytów do połączeń klejowych, wraz z aspektami związanymi z procedurami fotopolimeryzacji, czyli utwardzania kleju [14, 15]. W pracy [14] wykorzystano cztery różne kompozyty (Filtek Silorane, Gradia Direct Ant, Gradia Direct Post, Herculite XRV) o podobnych właściwościach adhezyjnych. Jako źródło światła w procesie fotopolimeryzacji użyto dwie lampy o zbliżonych mocach, ale innym źródle światła (dioda LED oraz halogen). Ponadto do badań przyjęto różne wartości czasu naświetlania kompozytów. Przeprowadzone próby wykazały istotne różnice w wytrzymałości mechanicznej próbek uzyskanych różną technologią dla wszystkich czterech kompozytów w badaniu trzypunktowego zginania. Największą wytrzymałość uzyskały próbki, które poddawane były naświetlaniu halogenowemu o najdłuższym czasie naświetlania, a najniższą, próbki poddawane naświetlaniu ledowemu z najdłuższym czasem naświetlania. Dobór odpowiedniego kleju stomatologicznego do łączonych materiałów jest bardzo ważny. Badania tego typu opisane zostały w artykule [15], w którym autorzy zwracają szczególną uwagę na rodzaje klejów stomatologicznych wykorzystywanych do połączeń ceramika-ceramika oraz ceramika-zębina. W pracy [15] dostępne kleje stomatologiczne podzielono na trzy rodzaje, pod względem wykonywanych czynności przygotowujących klej do aplikacji: 1) klej 3-fazowy, w którym osobno wykonuje się: wytrawianie, spłukanie, klejenie, 2) klej 2-fazowy, w którym należy: nałożyć wytrawiacz, umieścić substancję klejącą samotrawiącą, 3) klej, nazywany glasjonomerem, dla którego wykonuje się jedną czynność: 13

14 nakładanie substancji, która penetruje powierzchnię i pozwala uzyskać stałe połączenie klejowe. Przeprowadzone badania wykazały, że nawet najdokładniej przygotowana powierzchnia klejona klejem 3-fazowym (pierwszy rodzaj) charakteryzuje się dużym spadkiem wartość wytrzymałości. Na podobnym poziomie wytrzymałości znajdowały się próbki klejone klejem samotrawiącym i glasjonomerem. Kolejnym aspektem odnoszącym się do stomatologii zachowawczej jest zmiana warunków fizykochemicznych w jamie ustnej. Dotyczy to wystąpienia szeregu problemów związanych z badaniem takiego połączenia [10, 16]: temperatury, składu chemicznego śliny ludzkiej, ph jamy ustnej oraz czynników środowiskowych i osobniczych (zmienność genetyczna). W związku z powyższym, podczas badań dokonuje się szeregu uproszczeń, jak np. w artykule [10]. Do przeprowadzonej analizy wytrzymałości na trzypunktowe zginanie został zaprojektowany i wykonany specjalny przyrząd pozwalający na prowadzenie badań w środowisku ciekłym. Również w artykule [16] badania zmęczeniowe prowadzone zostały w środowisku ciekłym. W tym celu autorzy artykułu wykonali urządzenie, dzięki któremu można badać próbki pod kątem badań statycznych i zmęczeniowych. Nie mniej jednak w obu artykułach autorzy nie podają składu chemicznego substancji ciekłej, zmienności temperatury i sposobu jej stabilizacji. W pracach [17, 18, 19, 20, 21] przedstawiono badania prowadzone w wodzie destylowanej o temperaturze dostosowanej do temperatury ciała ludzkiego wynoszącej 37 C. Badania statyczne i zmęczeniowe prowadzone były w specjalnie przygotowanych przyrządach lub komorach pozwalających na utrzymanie założonych warunków badań. W artykułach tych autorzy porównują wyniki badań prowadzonych w środowisku ciekłym oraz suchym. Wykazując, że materiały ceramiczne ulegają szybszemu starzeniu, co przekłada się na spadek wytrzymałości mechanicznej materiału. Nowatorskie podejście do przygotowania materiału przed badaniami przedstawiono w artykule [22]. Autorzy tej pracy przechowywali materiał ceramiczny przez około miesiąc w temperaturze 4 C w chloraminie o stężeniu 0,5%. Wykorzystana substancja chemiczna jest bardzo dobrym środkiem odkażającym [23], który nie powoduje niepożądanych reakcji ze związkami organicznymi oraz nie tworzy szkodliwych i niszczących związków chemicznych dla ludzi. Użycie tej substancji do hibernacji tkanki zębowej, spowodowane jest wykorzystaniem ludzkich zębów (trzonowce i przedtrzonowce). Wyniki wykazały, że chloramina zabija bakterie powodujące starzenie się naturalnego materiału w postaci zęba ludzkiego. Innym problemem współczesnej protetyki jest zjawisko starzenia się materiałów stomatologicznych w jamie ustnej. Zęby są eksploatowane mechanicznie każdego dnia przy zmieniających się warunkach fizykochemicznych (w tym zmiany temperatury i ph). W takich warunkach zęby mogą tracić naturalny kolor, uszkadzać szkliwo oraz osłabiać swoją 14

15 budowę i starzeć się. Chcąc zminimalizować wyżej wymienione czynniki niszczące, autorzy artykułu [24] przedstawiają procesy regeneracji zęba naturalnego. Używanie fosforokrzemianów wapniowo-sodowych powoduje wytwarzanie kryształów hydroksyapatytu. Pozwala to na wytworzenie warstwy szkliwa na zębinie, a zatem podniesienie wytrzymałości i trwałości zębów. Podobny problem związany ze starzeniem się opisano w artykule [25]. Z wyników badań przedstawionych w tym artykule można dowiedzieć się, że podczas eksploatacji połączenia klejowego dwutlenku cyrkonu z zębem następuje skurcz korony cyrkonowej. Powstaje on w przypadku klejów, które swoją polimeryzację uzyskują poprzez naświetlanie światłem UV. Autorzy po okresie sześciomiesięcznego przechowywania próbek w wodzie poddali je badaniom. Z analizy prób wynika, że kleje z wytrawiaczem wykazują bardzo małą wartość trwałości zmęczeniowej. Wykazano, że kleje dwu- i trzyfazowe, są o wiele bardziej trwałe od klejów jednofazowych. W powyższym artykule podkreślono, że kleje jednoskładnikowe wymagają odpowiedniego przygotowania podłoża, np. wytrawiania. Badania wpływu wysokiej temperatury na połączenie klejowe zaprezentowano w pracy [86]. Wyniki dotyczyły wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego z podbudową z korony ceramicznej. Materiał został podzielony na cztery grupy, po 5 próbek na grupę: pierwsza grupa kontrolna, druga próbki podgrzewano i oziębiano przez 500 termocykli w temperaturze 5-55 C, trzecia próbki podgrzewano i oziębiano do 5000 termocykli w takim samym zakresie temperaturowym, co druga grupa, czwarta - próbki starzono w roztworze wodorotlenku sodu (NaOH). Uznano, że po tygodniowym oddziaływaniu termocykli i środowiska przyspieszającego starzenie, próbki zastaną poddane badaniu wytrzymałości na statyczne rozciąganie. Jednakże materiał, który poddano procesowi starzenia w wodorotlenku sodu, uległ w tym czasie zniszczeniu (rozkleił się). Wartości wytrzymałości na rozciąganie dla pozostałych grup były następujące: dla grupy pierwszej wynosił 54,2 ± 7,34 MPa, dla grupy drugiej 44,17 ± 8,61 MPa, dla grupy trzeciej 20,32 ± 7,91 MPa. Powyżej przedstawione wyniki wskazują na znaczny wpływ temperatury na wytrzymałość połączenia klejowego oraz na niszczące właściwości działania substancji żrących typu NaOH. Inne podejście do badań zaprezentowano w artykule [26]. Autorzy porównali w nim przezierność akrylowych licówek po wieloletnim spożywaniu czerwonego wina i kawy oraz starzenia się materiału. Wyniki badań wskazują, że zarówno różnego rodzaju napoje, jak i starzenie się powodują istotne zmniejszenie przezierności. 15

16 Analizując aktualną literaturę naukową można zauważyć bardzo duży wzrost zainteresowania materiałem, jakim jest dwutlenek cyrkonu. Autorzy artykułów prowadzą badania związane z analizą materiałową i wytrzymałościową dwutlenku cyrkonu. Dodatkowym bodźcem związanym z podjęciem się badań wytrzymałości dwutlenku cyrkonu jest stosowanie tego materiału w klinikach stomatologicznych podczas wykonywania zabiegów protetycznych. Stąd podjęto decyzję o przedstawieniu historii powstania, rozwoju tego materiału Pojawienie się dwutlenku cyrkonu Przedstawienie historii powstania dwutlenku cyrkonu jest ważną informacją pozwalającą uświadomić sobie etapy odkrywania jego właściwości i zastosowań. Materiał ten jest biozgodny, wysoce estetyczny oraz posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną, co przekłada się na jego zastosowanie w stomatologii. Literatura z pozycji [6], wskazuje, że pierwsze wzmianki o cyrkonii pochodzą ze starożytnych czasów. Arabowie nazywali go Zargon co oznaczało w złotym kolorze, a starożytni Europejczycy uważali go za klejnot. Po raz pierwszy w Europie został użyty w 1789 roku przez niemieckiego chemika Martina Heinricha Klaprotha, który połączył cyrkon z tlenkami, jako pigment dla ceramiki. Jednakże osiemnastowieczna mieszanka pierwiastków nie odzwierciedlała współczesnych właściwości materiałowych. Otrzymany materiał wykorzystywano w środowiskach ekstremalnych ze względu na jego dużą wytrzymałość mechaniczną, fizyczną oraz chemiczną. Autorzy w artykule [6] opisują współczesny cyrkon jako materiał stabilnie chemiczny. Wykazuje on brak zmiany wymiaru nominalnego, wysoką wytrzymałość, twardość, biozgodność i biotolerancję. Materiał ten może konkurować z właściwościami stali implantacyjnej oraz jej różnych stopów, co powodowało zainteresowanie wykorzystania cyrkonu jako biomateriału. Ponadto autorzy artykułu [6] przedstawiają, że w 1969 roku Helmer i Driskell po raz pierwszy opublikowali artykuł mówiący o zastosowaniu cyrkonu jako główki endoprotez. Pierwsze badania związane z biozgodnością opublikował Christell w 1988 roku. W pierwszych latach prowadzenia badań nad dodatkami do cyrkonu dodawano takie związki jak: MgO, CaO, Y 2 O 3. Prace te skupiły się na dodatku itru, którego ziarna były tej samej wielkości co cyrkonu, a związek ten został nazwany Tetragonalne Polikryształy Cyrkonu (TPC). W artykule [6] podano, że związek TPC wykorzystywany jest w implantach zgodnie z normą ISO i wykonano już ponad endoprotez stawu biodrowego z główką pokrytą dwutlenkiem cyrkonu. Dwie z nich podczas eksploatacji w ludzkim organizmie uległo zniszczeniu. 16

17 Analizując przegląd literatury pod względem historii powstania ceramiki stomatologicznej można zauważyć podział na dwa okresy. Zostały one przedstawione w artykule [27]: okres, gdzie ceramika wytwarzana była na bazie tlenku krzemu i tlenku glinu, okres, gdzie ceramika wytwarzana była na bazie dwutlenku cyrkonu. W pierwszym okresie autorzy opisują jak ważną rolą w stomatologii, odgrywa estetyka, naturalny kolor, wysokie własności mechaniczne, wysoka wytrzymałość na rozciąganie czy ściskanie, twardość, ograniczona propagacja pęknięcia, trwałość zmęczeniowa. Autorzy tego artykułu opisują wykorzystanie skalenu jako materiału na podbudowy ceramiczne. Materiał ten posiada bardzo dobrą estetykę podobną do zęba naturalnego oraz wysoką biozgodność. Odnosząc się do własności mechanicznych, skaleń posiada wysoką odporność na naprężenia ściskające. Problemem materiału jest niska wytrzymałość na naprężenia ścinające oraz rozciągające. W latach 60-tych McLean i Hughes [28] wykonali pierwsze badania określające właściwości mechaniczne skalenu z tlenkiem glinu. Spowodowało to wzrost o 50% własności mechanicznych. Odnosząc się do badań [1, 2, 3] można zauważyć, że w dzisiejszych czasach większy nacisk jest kładziony na materiały, spełniające wysokie walory estetyczne takie jak: rozchodzenie się światła, wysoka przezierność, koloryt, możliwość uzyskania różnych odcieni. Materiałem, który posiada wszystkie wyżej wymienione cechy jest leucyt, wzmocniony szkłem ceramicznym o nazwie handlowej IPS Empress. Jest to materiał ponadczasowy, który w użyciu stomatologicznym występuje od 20 lat. Podczas analizy badań in vivo wykazano, że wypełnienia oraz jednopunktowe korony stomatologiczne utrzymują swoją trwałość przez 11 lat. W latach 90. dzięki systemom obróbczym CAD/CAM duże uznanie zyskał tlenek glinu o wysokiej czystości [16, 17, 29]. Technika otrzymywania żądanego kształtu była podobna do dzisiejszych: skanowano lub wyciskano łuk zębowy i na zasadzie negatywu odtwarzano kształt korony ceramicznej. Cały proces kończył etap wypalania w piecu, inaczej nazywany synteryzacją. Materiał ten podczas wypalania uzyskiwał pełne wartości mechaniczne. W drugim okresie rozwoju materiałów stomatologicznych, związanych z koronami stomatologicznymi, stosowano dwutlenek cyrkonu. Materiał ten zrewolucjonizował, podejście do uzupełnień protetycznych. Posiada bardzo dobre własności mechaniczne, naturalny wygląd w porównaniu do ceramiki napawanej na metal. Dwutlenek cyrkonu stabilizowany był różnymi związkami chemicznymi. W jednym z rozdziałów artykułu [17] autorzy opisują jego stabilizację magnezem w zakresie 8-10% wartości. Pierwiastek ten posiadał bardzo duże ziarna (30-60 µm), małą stabilność podczas utwardzania synteryzacji oraz niskie parametry wytrzymałościowe. Porównując go do wartości wytrzymałości dwutlenku cyrkonu stabilizowanego itrem, materiał ten we wszystkich parametrach właściwości mechanicznych przewyższa materiały ogólnie dostępne na rynku 17

18 stomatologicznym. Badania ściskania in vitro wykazują, że naprężenia niszczące mieszczą się pomiędzy 379 MPa, a 501 MPa, co jest wartością wyższą od średniego naprężenia zgryzu człowieka. Inne zastosowanie w jamie ustnej miało szkło. W artykule [30] autorzy piszą o jego zastosowaniu po raz pierwszy do wypełnień ubytków w zębach, w roku 1837 przez Murphiego. W 1887 roku Land opracował technikę, która pozwalała na wypalanie porcelany na foli platynowej. W tamtych latach wytwarzane były również korony, licówki jacketowe (feltszpatowe). Charakteryzowały się one bardzo wysokimi walorami estetycznymi, ale były podatne na pękanie pod wpływem naprężenia ściskającego. Przez cały czas dążono do poprawy wytrzymałości mechanicznej koron ceramicznych. W roku 1956 Donowan i Proce wg [30] opublikowali innowacyjną, jak na tamte czasy, metodę napalania ceramiki na rdzeń metalowy. Taki element powodował odwrotne skutki. Posiadał bardzo dużą wytrzymałość, ale nie spełniał walorów estetycznych, co w stomatologii jest bardzo ważnym elementem. Początek lat 80. zaowocował wytwarzaniem uzupełnień pełnoceramicznych, dzięki temu skupiono się na wzmocnieniu samej struktury ceramiki. W artykule [30] autorzy przedstawiają zarys historyczny dla materiałów ceramik wykorzystywanych do mostów, koron, uzupełnień, nawiązując m.in. do: porcelany skaleniowej, ceramiki wzmacnianej miką, ceramiki wzmacnianej leucytem, ceramiki wzmacnianej dwukrzemianem litu, ceramiki z trójtlenkiem aluminium, ceramiki wzmacnianej dwutlenkiem cyrkonu. Analizując historię porcelany skaleniowej, można zauważyć, że jej skład chemiczny to mieszanka kwarcu SiO 2 skaleni, czyli krzemianów glinowo - potasowych (K 2 Al 2 Si 6 O 16 ) i gliniano - sodowych (Na 2 Al 2 Si 6 O 16 ) oraz tlenków metali. Wytrzymałość na zginanie porcelany skaleniowej wynosi MPa. Wykazano, że istnieje możliwość zwiększenia odporności wielofazowych ceramik, poprzez modyfikację ich wewnętrznych struktur. Drugim rozwiązaniem jest stworzenie rdzenia wewnątrz porcelany skaleniowej z materiałów spiekanych, czyli dwutlenku cyrkonu lub trójtlenku aluminium. Ceramika, wzmacniania miką została stworzona w roku 1984 przez Adaira i Grossmoanna. Składa się z 55% fazy krystalicznej i 45% fazy szklanej. Swoim kształtem przypominała prostokąt o grubości 0,1-4 µm. Do zastosowań stomatologicznych trzeba było połączyć materiał na zasadzie domku z kart. Taka zasada łączenia miała swoje zalety poszczególne warstwy zmniejszały przemieszczenie pęknięcia i tym samym powodowały wzrost wytrzymałości mechanicznej. Jej wytrzymałość na zginanie wynosiła MPa. Od roku 1984 materiał ten wykorzystywany był do wkładów, nakładek koronowych, licówek oraz jednopunktowych koron w odcinku przednim i bocznym. 18

19 W roku 1986 Wohlwend [28] opracował ceramikę leucytową (wzmacnianą leucytem), którą wykorzystywano do uzupełnień pełnoceramicznych. Materiał ten nazwano wówczas IPS Empress. Składał się z 63% SiO 2, 17% Al 2 O 3, 5% Na 2 O, 10% K 2 O oraz 5% CeO 2. Leucyt charakteryzuje się dwoma przemianami strukturalnymi zależnymi od temperatury otoczenia. Podczas chłodzenia przechodzi transformację struktury kubicznej w tetragonalną. Podczas tej reakcji następuje skurcz materiału wynoszący 1,2%. Samo zjawisko powoduje wydłużenie drogi dla mikropęknięć i tym samym wymuszenie wzrostu energii potrzebnej do zniszczenia elementu. Ceramika wzmacniania leucytem charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na zginanie wynoszącą MPa. Tego typu ceramika posiada bardzo dobrą przezierność i jest bardzo estetyczna. Stosuje się ją do licówek, wkładów koronowych oraz koron pełnoceramicznych. W roku 1965 McLean i Hughes [28] dodali do porcelany 50% kryształów trójtlenku glinu. Przemieszczenie tego związku po całej strukturze porcelany spowodowało dwukrotny wzrost wytrzymałości mechanicznej w stosunku do porcelany skaleniowej. W roku 1993 Andersson i Oden stworzyli oraz zaprezentowali technologię uzupełnień opartych na ceramice ze spieku czystego trójtlenku glinu, która zyskała nazwę handlową Procera AllCream. Uzyskana tą metodą ceramika charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na zginanie, wynoszącą MPa. Opisywane właściwości mechaniczne wskazują na możliwość jej wykorzystania do wykonania rdzeni koron 3- i 4-punktowych mostów. Ostatnim materiałem wykorzystywanym do dnia dzisiejszego, i zyskującym coraz więcej pozytywnych opinii jest dwutlenek cyrkonu. Pierwsze opracowania badań związanych z tego typu ceramiką pojawiały się od początku lat 90-tych [6, 9]. Pod koniec lat 90-tych [8, 29, 31] opracowano technologię pozwalającą wykonywać indywidualne kształty uzupełnień protetycznych. Opisywana ceramika posiada wysoką wytrzymałość na zginanie osiągającą MPa. Zastosowaniem tego typu ceramiki jest wykonanie wkładów koronowo-korzeniowych, szkieletów częściowych stałych uzupełnień oraz łączników implantów. Kolejnym artykułem nawiązującym do historii ceramiki stomatologicznej jest pozycja [32], w której autorzy opisują ceramikę, perspektywy i problemy opisywane oraz zgłaszane przez lekarzy stomatologów. W ostatnich latach szczególny nacisk kładzie się na wygląd naturalny, ale i trwałość chemiczną oraz mechaniczną. Ważnym elementem jest również opracowanie zęba naturalnego w jamie ustnej pacjenta oraz dopasowanie do niego korony pełnoceramicznej. Takie spostrzeżenia lekarzy stomatologów wpłynęły znacząco na rozwój wprowadzanych na rynek materiałów ceramicznych i systemów pozwalających na lepsze i łatwiejsze wytwarzanie uzupełnień w pracowniach protetycznych. Trzeba podkreślić, że badania kliniczne określające mechanizmy uszkodzeń i analizy propagacji pęknięcia mają kluczowe znaczenie. Dostarczają istotnych danych, dzięki którym można wprowadzić udoskonalenia w technologii oraz składzie chemicznym materiału. 19

20 Oprócz historii powstania samego materiału, należy zwrócić szczególną uwagę na historię badań wytrzymałościowych opisanych w artykule [33]. Autorzy tego artykułu przedstawiają, że pionierska praca związana z badaniami nad połączeniami klejowymi rozpoczęła się już w 1955 roku przez Buonocore. Bardzo pomocne w standaryzacji badań wytrzymałości na ścinanie okazały się również analizy Bowen a z 1965 r. oraz Kempera i Kiliana z roku 1976 czy Watanabe 1987 r. i Retiefa 1991 r. W artykule [31] autorzy podzielili historię badań wytrzymałości na ścinanie połączenia klejowego na kilka działów, a wśród nich: obróbki próbek użytych do badań, metody klejenia próbek, metody elementów skończonych, analizy fraktograficznej, metody badań połączeń klejowych. W rozdziale artykułu [31] poświęconemu obróbce użytych próbek do badań, autorzy opisują sposób polerowania oraz wykańczania powierzchni badanego materiału ceramiki. Do tego celu w laboratoriach używano tlenku glinu lub węgliku krzemu o gramaturze od 320 do 1200, co opisane zostało przez Tagami w roku Mowery w 1987 roku porusza temat wykańczania ceramiki i zależności pomiędzy zwiększoną chropowatością, a poprawieniem własności adhezyjnych. W roku 1988 Finger i 1990 McInnes zauważył nieznaczną zmianę własności mechanicznych pomiędzy połączeniem klejowym różnych dostępnych w tamtych czasach systemów klejących, a chropowatością. W kolejnym rozdziale artykułu [33] autorzy skupili uwagę na metodach klejenia próbek. W tym dziale Øilo w roku 1987 przedstawił możliwość analizy jakości połączenia lub mechanizmu pęknięcia połączenia. Dlatego badania połączenia klejowego muszą przejść proces standaryzacji i możliwość łatwego przedstawienia wyników w postaci wartości np. rozciągania, ścinania, skręcania czy czteropunktowego zginania. Kolejny rozdział mówi o analizie elementów skończonych, dla badań wytrzymałości na ścinanie połączenia klejowego. Takie badanie zostało opisane już w roku 1989 i 1991 przez Vana Noorta. Pozwalało przewidzieć i w sposób uproszczony przedstawić rozkłady sił w materiale badanym. Analiza elementów skończonych stanowi ważne i nowe spojrzenie na połączenie klejowe podczas cyklicznych obciążeń, czy wzroście temperatury otoczenia. W latach 80. ubiegłego wieku lekarze stomatolodzy zmagali się z połączeniami klejowymi zębina korona ceramiczna. Spowodowane to było nakładaniem się warstwy kleju na zębinę. Dzięki badaniom faktograficznym takiego połączenia naukowcy i lekarze praktycy dowiedzieli się, że problem nie leży tylko po stronie adhezji, a samo zniszczenie połączenia spowodowane jest siłami kohezji. Ostatni rozdział opisywanego artykułu przedstawia opis metod badawczych. W rozdziale tym dowiadujemy się, że w roku 1991 Rueggeberg 20

21 przeanalizował zapisy odnoszące się do badań połączenia klejowego. Jego wniosek był krótki brak jednoznacznej standaryzacji wyznaczania wytrzymałości dla tego typu badań. W roku 1989 Erickson zaprezentował badania wytrzymałości połączenia klejowego tworzywa PMMA i zęba bydlęcego. Przedstawione badania polegały na zastosowaniu trzech metod określania wytrzymałości na ścinanie. W pierwszym przpadku wykorzystywano urządzenie do którego przymocowano próbkę, a pętla z drutu ścinała próbkę. Druga metoda polegała na ścinaniu ostrzem noża unieruchomionej próbki. Natomiast w trzeciej metodzie próbkę ścinano bloczkiem metalu. Erickson porównał wszystkie prezentowane metody, a z analizy wynikało, że najbardziej dokładną metodą, w której podczas badań uzyskano największą wartość siły ścinającej była metoda pierwsza. W tamtych czasach do badań wytrzymałościowych przygotowywano tylko i wyłącznie próbki o dużej powierzchni klejenia. W roku 1994 Sano [33] aktywnie rozwijał metodę badań wytrzymałości na ścinanie nazywając ją mikrorozciąganiem. Dzięki takiej prezentacji metody badawczej można było z jednego materiału badawczego zębów ludzkich i bydlęcych uzyskać bardzo dużą ilość próbek o zmniejszonej geometrii. Standaryzacja badań poprawiła jakość wykonywanych badań dla małych i dużych powierzchni klejonych. Korzystając z metody mikrorozciągania firmy produkujące kleje stomatologiczne zaczęły dążyć do poprawienia własności mechanicznych klejów Analiza wytrzymałości materiału Przegląd literatury naukowej pozwala wyszczególnić cztery podstawowe metody badawcze dwutlenku cyrkonu z innymi materiałami dentystycznymi lub zębami naturalnymi. Metodami tymi są badania wytrzymałości na: zginanie, rozciąganie, ścinanie, ściskanie. Badania wytrzymałości na zginanie prowadzone są dla wszystkich materiałów stomatologicznych w celu poznania i analizy ich podstawowych właściwości mechanicznych. W artykule [10] opisane są badania wytrzymałości monotonicznej i cyklicznej na zginanie prowadzone dla czterech grup próbek wykonanych z ceramiki ZrO 2 : Lava, Lava colored, Everest ZS, Zeno Zr. Próbki zostały docięte do wymiarów 40 mm x 3 mm x 5 mm oraz wypalone (synteryzowane) w temperaturach, kolejno: 930 C, 900 C, 890 C, 880 C (zgodnie z zaleceniami producenta). W dalszych czynnościach określono parametry charakteryzujące materiał, czyli zbadano współczynnik chropowatości za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego oraz elektro-mechanicznego profilografometru. Określono także gęstość metodą Archimedesa (do badań wykorzystano 5 próbek, po 3 pomiary na próbkę). Do badań wytrzymałości statycznej i cyklicznej na trzypunktowe zginanie wykonano 66 próbek. Połowa z nich została poddana piaskowaniu. Ścierniwem użytym do piaskowania były krzemionkowe cząsteczki powlekane tlenkiem glinu o wielkości granulatu wynoszącej 30 µm. Przed badaniem cyklicznym 21

22 wszystkie próbki zostały umyte w ultradźwiękowej myjce w roztworze czystego etanolu przez 10 min. Badania cykliczne prowadzone były w środowisku ciekłym na serwohydraulicznej maszynie wytrzymałościowej, przy wykorzystaniu uchwytu własnej konstrukcji do trzypunktowego zginania. Odległość dolnych podpór uchwytu wynosiła 30 mm. Badanie prowadzone było dla cyklu sinusoidalnego, przy częstotliwości 10 Hz i współczynniku asymetrii cyklu wynoszącym R = 0,1. Badania zmęczeniowe przeprowadzono do uzyskania trwałości wynoszącej 10 6 cykli, po czym badanie przerywano. Na rys. 2. przedstawiono wykresy zmęczeniowe dla prowadzonych badań. Wartości graniczne naprężenia dla 10 6 cykli kształtowały się następująco: a) dla próbek nie poddawanych procesowi piaskowania: Lava 720 MPa, Lava colored 600 MPa, Everest ZS 560 MPa, Zeno Zr 470 MPa, b) dla próbek poddawanych procesowi piaskowania: Lava 840 MPa, Lava colored 749 MPa, Everest ZS 776 MPa, Zeno Zr 742 MPa. Dla wszystkich badanych ceramik zaproponowane piaskowanie ceramiki powodowało zwiększenie wartość granicznej wytrzymałości o 15-31%. Zniszczone próbki poddano także obserwacji z wykorzystaniem mikroskopu stereoskopowego i mikroskopu elektronowego. Z przeprowadzonej analizy przełomów wynika, że próbki posiadały skazy w swojej strukturze. Spowodowane były one wcześniejszymi pęknięciami w materiale, co należy wiązać z przeprowadzonym procesem piaskowania oraz wtrąceniami szkła w strukturze badanego dwutlenku cyrkonu. Na wykresie kolorami oznaczono poszczególne materiały: niebieski Lava, zielony Lava colored, czerwony Everest ZS, czarny Zeno Zr. 22

23 Rys. 2. Wykres przedstawiający krzywą zmęczeniową [10] Kolejne badania wytrzymałości na czteropunktowe zginanie opisano w artykule [20]. Analizie poddano wyniki badania wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej dla ceramiki ProtMat. Z bloczków ceramicznych o wymiarach nominalnych 55 mm x 15 mm x 15 mm wycięto 75 próbek o wymiarach nominalnych 3 mm x 4 mm x 45 mm, które synteryzowano w temperaturze 1600 C przez 2 h. Tak przygotowane próbki z artykułu [20] poddano polerowaniu za pomocą pasty polerskiej ogramaturze 15 µm, 9 µm, 6 µm, 3 µm oraz 1 µm. Do badań statycznego czteropunktowego zginania użyto 21 próbek, a badanie przeprowadzono na serwohydraulicznej maszynie wytrzymałościowej MTS model M. Prędkość aktuatora wynosiła 0,5 mm/min. Część próbek wykorzystano do określenia podstawowych własności materiałowych i wytrzymałościowych. Otrzymano następujące wyniki: gęstość względna 99,7% ± 0,2%, twardość Vickersa 1326 HV, 23

24 odporność na pękanie 8,15 ± 0,25 MPa/m, statyczna wytrzymałość na czteropunktowe zginanie 880 ± 35 MPa. Badania pozwalające wyznaczyć granicę zmęczenia prowadzone były na sześciu poziomach naprężeń i przy wykorzystaniu próbek łącznie na poziomach 570 MPa, 610 MPa, 650 MPa, natomiast na niższych poziomach 500 MPa, 530 MPa użyto po 3 próbki, a na poziomie 540 MPa użyto jednej próbki. Badania prowadzone były do 10 6 cykli. Jeżeli próbki nie uległy zniszczeniu po uzyskaniu wskazanej trwałości, badanie przerywano. Rys. 3 przedstawia wyniki badań dla wszystkich przyjętych poziomów obciążenia. Rys. 3. Wyniki badań trwałości wraz z zaznaczonymi poziomami naprężeń [20] Szacowana wartość granicy zmęczenia wynosiła 550 MPa. Natomiast analiza Weibulla pozwoliła uzyskać bardzo niski współczynnik modułu m, co wynika ze znacznego rozproszenia się wyników badań. Podobne badania na zginanie zostały opisane w artykule [19]. Autorzy dla trzech różnych materiałów pełnoceramicznych, wykorzystywanych do wytwarzania mostów stomatologicznych określili m.in. ich trwałości. Eksperymenty przeprowadzono w warunkach ciekłych przy cyklicznych obciążeniach, odzwierciedlając warunki występujące w jamie ustnej. Do przeprowadzenia badania przygotowano po 30 próbek z każdego materiału o wymiarach nominalnych 4 mm x 5 mm x 50 mm. Materiałami wykorzystanymi do badań były: Inc VM7 (o wzorze chemicznym Al 2 O 3 -ZrO 2 ), Emp2 Eris (o wzorze chemicznym Li 2 O 2 SiO 2 ), 24

25 TZP-CerS (o wzorze chemicznym ZrO 2 stabilizowane 3Y-TZP). Badania prowadzono dla cyklu sinusoidalnego o współczynniku asymetrii cyklu wynoszącym R = -1 i częstotliwości 10 Hz. Wykres dystrybuanty rozkładu Weibulla trwałości dla wybranych wyników zniszczenia w środowisku ciekłym przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Dystrybuanta rozkładu Weibulla trwałości w środowisku ciekłym [19] Analiza wyników badań przedstawiona przez autorów artykułu wskazuje na mniejszą odporność na pękanie w środowisku ciekłym. Badania zaprezentowane w pracach [19, 10] wykazują, że jednym z najlepszych materiałów jest dwutlenek cyrkonu stabilizowany itrem, charakteryzujący się największą wytrzymałością mechaniczną. Do analizy zastosowano dwuparametryczny rozkład Weibulla, pozwalający na oszacowanie prawdopodobieństwa zniszczenia materiału. W opinii autorów artykułu projektowanie mostów składających się tylko z 3 punktów (z 3 koron w łuku) powinno odbywać się z pierwszych 2 materiałów, a łuki składające się z 4 i więcej z dwutlenku cyrkonu. Ma to związek z właściwościami fizykochemicznymi dwutlenku cyrkonu zmianami faz w temperaturze pokojowej. Odpowiadają one za zwiększenie objętości ziaren, a tym samym zmniejszeniem szczelin pęknięcia i energii powodującej pęknięcie. Podobne badania opisano w pracy [11] dla najczęściej wykorzystywanego w gabinetach stomatologicznych materiału: Lava firmy 3M ESPE, stabilizowanego tlenkiem itru. Przeprowadzono statyczne i zmęczeniowe badania wytrzymałości na trzypunktowe zginanie. Niesynteryzowane bloczki dwutlenku cyrkonu zostały docięte do wymiarów nominalnych 25

26 25 mm x 20 mm x 1,5 mm, w wyniku czego otrzymano 105 próbek do badań wytrzymałościowych. Próbki zostały wypalone (synteryzowane) zgodnie z zaleceniami producenta. Na skutek wypalania dochodzi do skurczu technologicznego, dzięki czemu uzyskuje się próbki o wartości nominalnej 19,3 mm x 14,5 mm x 1,3 mm. Następnie próbki zostały podzielone na 7 grup, w każdej po 15 próbek. Grupa oznaczona literą A nie została poddana dodatkowym procesom obróbczym, w wyniku czego stanowiła grupę kontrolną. Kolejne grupy (B1, B2, B3) zostały poddane piaskowaniu materiałem o wielkości ścierniwa 110 µm. Piaskowanie grupy B1 następowało przy ciśnieniu 200 kpa, B2 przy 400 kpa, B3 przy 600 kpa. Grupa C została poddana badaniu zmęczeniowemu na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej, przy sinusoidalnie zmiennym obciążeniu wynoszącym 200 N przez cykli przy 10 Hz. Grupa D została umieszczona w autoklawie i podgrzana do 134 o C przez 5 godzin. Grupa E została zamoczona w 4% kwasie octowym. Wszystkie wyżej opisane grupy próbek zostały statycznie przebadane na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej, przy prędkości aktuatora wynoszącej 0,5 mm/min. Urządzenie do trzypunktowego zginania zostało specjalnie zaprojektowane i wykonane na potrzeby prowadzonych badań. W tabeli 2 przedstawiono wyniki z monotonicznego badania wytrzymałości na trzypunktowe zginanie wraz z dwuparametryczną analizą Weibulla. Tabela 2. Wyniki badań statycznego trzypunktowego zginania dla poszczególnych grup próbek [11] Grupa próbek Średnia wartość naprężenia niszczącego wraz z odchyleniem odchyleniem standardowym [MPa] Naprężenia charakterystyczne dla rozkładu Weibulla σ o [MPa] Moduł Weibulla m A 597,26 ± 95,83 638,42 6,04 B1 538,85 ± 116,07 581,67 6,29 B2 625,86 ± 123,57 671,35 6,92 B3 614,97 ± , 75 7,46 C 525,70 ± 113,60 570,08 5,05 D 578,11 ± 79,72 612,55 7,70 E 466, 56 ± 91,49 506,80 5,28 Analiza wyników badań pozwala zauważyć, że najmniejszą wartość wytrzymałości uzyskały próbki z grupy E. Materiał ten został umieszczony w kwasie octowym, co wskazuje, na spadek wytrzymałość w środowisku kwaśnym. Dwutlenek cyrkonu jest podatnym materiałem na takiego typu substancje. Technologia obróbki próbek B2, B3, zwiększyła wytrzymałość dwutlenku cyrkonu. Próbki z grupy D zdaniem autorów artykułu [11] wykazywały największą przemianę struktury z tetragonalnej na monocykliczną, co wskazuje na zmniejszenie wartość modułu Weibulla m. 26

27 W artykule [75] autorzy wykonali badania trzypunktowego zginania dla dziewięciu materiałów ceramicznych wykorzystywanych w stomatologii. Materiałami wykorzystywanymi do badań statycznego trzypunktowego zginania były: IPSEmpress (E1), Empress 2 (E2), nowy materiał ceramiczny (EC), DC-Zirkon (DZ), In-Ceram Alumina tłoczona na sucho (IA dry-pressed), In-Ceram Alumnia splip (IA slip), In-Ceram Zirconia tłoczony na sucho (IZ dry-pressed), In-Ceram Zirconia slip (IZ slip), dwutlenek cyrkonu stabilizowany 3 molami Y 2 O 3 (YZ). Wykonano po 20 próbek z każdego materiału, stosując się do technologii obróbczej ceramiki każdego z producentów. Materiały poddano wypalaniu (synteryzacji) osiągając wymiary nominalne próbek: 20 mm x 3 mm x 4 mm. Badania prowadzone były na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej (Shimadzu Ag-50 KNE), na trzypunktowym uchwycie, zgodnie z normą ISO Wyniki przeprowadzonych badań wraz z modułami sprężystości, twardościami i odpornościami na pękanie przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Wyniki badania wytrzymałości na trzypunktowe zginanie [75] Materiał Wytrzymałość na trzypunktowe zginanie [MPa] Odporność na pękanie [MPa/m] Moduł sprężystości [GPa] Twardość [GPa] E ,2 65 6,5 EC 303 3,0 90 5,5 E , ,3 IA dry-pressed 440 3, IŻ dry-pressed 476 4, IA slip 594 4, IA slip 630 4, ,5 YZ 680 5, DZ 840 7, Analiza przedstawionych wyników badań wykazała szeroki zakres zmienności badanych wskaźników wartości wytrzymałości i odporności na pękanie. Przeprowadzona analiza mikroskopowa wykazała, że wyniki te są funkcją wielkości ziarna, jego kształtu oraz porowatości. Materiały, które formowane były przez tłoczenie na zimno wykazywały niższą wytrzymałość. Autorzy artykułu [75] podkreślają również zalety wpływu obróbki materiału (polerowanie, szlifowanie, specjalna procedura synteryzacji), a oczekiwanym wartościom wytrzymałości (np. Lava 720 MPa, Lava colored 600 MPa, Everest ZS 560 MPa, Zeno Zr 470 MPa). Kolejnym artykułem nawiązującym do badań ceramiki tym razem bez dodatku tlenku itru jest [82], w którym przedstawiono statyczne badania czteropunktowego zginania zgodne z normą DIN EN Przygotowano 8 grup po 30 próbek każda o wymiarach nominalnych: 1,7 mm x 3,2 mm x 30 mm. Materiałami użytymi do badań były: Cerec Mark II 27

28 (CM), Dicor (D), In-Cream Alumina (ICA), IPS Empress (IE), Vitadur Alpha Core (VAC), Vitadur Alpha Dentin (VAD), Vita VMK 68 (VMK), Zirconia- TZP (Z). Wszystkie próbki polerowane były papierem ściernym o gramaturze: 320, 600, 1200, Po polerowaniu próbki uzyskały wymiary nominalne: 1,5 mm x 3 mm x 30 mm. W tabeli 4 przedstawiono wyniki badania wytrzymałości na czteropunktowe zginanie. Tabela 4. Wyniki badania wytrzymałości na czteropunktowe zginanie [82] Materiał Liczba próbek Średnia wytrzymałość Odchylenie [MPa] standardowe [MPa] CM 30 86,3 4,3 D 30 70,3 12,2 ICA ,3 87,2 IE 30 83,9 11,3 VAC ,0 9,5 VAD 30 60,7 6,8 VMK 30 82,7 10,0 Z ,0 50,2 Otrzymane wyniki poddane statystycznej analizie przy wykorzystaniu dwuparametrycznego rozkładu Weibulla. Otrzymane rezultaty zestawiono w tabeli 5. Tabela 5. Analiza wyników badań trzypunktowego zginania dwuparametrycznym rozkładem Weibulla [82] Materiał Naprężenia charakterystyczne σ o dla Moduł Weibulla rozkładu Weibulla [MPa] m CM 88,2 23,6 D 75,5 5,5 ICA 463,8 5,7 IE 88,7 8,6 VAC 135,5 13,0 VAD 63,6 10,0 VMK 87,0 8,9 Z 936,7 18,4 Wyniki badań wskazują na to, iż większość materiałów charakteryzuje się modułem Weibulla m w zakresie Dwa materiały: Cerec Mark II oraz Zirconia-TZP wykazują większy moduł Weibulla m, odpowiednio 23,6 i 18,4. Wykorzystywanie materiałów charakteryzujących się większym modułem Weibulla i wyższą wytrzymałością będzie skutkowało zwiększeniem niezawodności koron oraz mostów łuków stomatologicznych. Badania wykazały zatem wyraźną przewagę ceramiki cyrkonowej, nad innymi materiałami. 28

29 Do materiału badanego w artykule [79], tj. dwutlenku cyrkonu o nazwie handlowej Everest ZS, napalono warstwę sztucznego szkliwa. Do testu użyto 50 próbek, kształtem przypominających cylindryczne korony stomatologiczne o wymiarach: wysokość 7 mm, średnicy u podstawy 8 mm. Próbki zaprojektowano i wytworzono w programie CAD/CAM Kavo Everest, zgodnie z zaleceniami producenta. Wszystkie wykonane próbki synteryzowano w piecu Kavo Everest Term, w temperaturze nieprzekraczającej 1500 o C. Wypalone próbki podzielono na dwie grupy po 25 próbek. Na próbki znajdujące się w poszczególnych grupach nałożono sztuczne szkliwo, z uwzględnieniem dwóch technologii nakładania. Próbki pierwszej grupy wkładane były do specjalnego wosku składającego się z 200 g pudru IPS Press Vest Speed powder, 32 ml roztworu IPS Press Vest Speed liquid oraz 22 ml wody destylowanej. Następnym krokiem było wypalanie w specjalnym piecu w temperaturze 850 o C przez 1 godzinę. Na próbki drugiej grupy nakładano specjalną mieszaninę z IPS Ceram Dentin/Body i płyn Ceram Build up Liquid w stosunku 91 g do 0,33 ml. Materiał dla grupy 2 nakładany był szczoteczką na wcześniej synteryzowane pełnoceramiczne korony, a następnie wypalony w piecu w temperaturze 910 o C przez 30 minut. Tak przygotowane próbki obu grup poddano wstępnym badaniom zmęczeniowym na serwohydraulicznej maszynie wytrzymałościowej Dartec HC10. Każda z próbek została umieszczona w przyrządzie do badań wytrzymałość na ściskanie w wodzie destylowanej o temperaturze 37 o C. Zakres obciążeń mieścił się pomiędzy 20 N a 200 N przy częstotliwości 1 Hz. Badania prowadzono do uzyskania cykli. Po osiągnięciu założonej trwałości badanie zmęczeniowe kończono i próbki statycznie dołamywano przy prędkości aktuatora wynoszącej 1 mm/min. W tabeli 6. przedstawiono wyniki badań przy obciążeniu zmiennym wraz z statycznym dołamaniem po cykli. Tabela 6. Wyniki badania zmęczeniowego z statycznym dołamaniem [79] Grupa Liczba próbek Średnia wartość Odchylenie standardowe dołamania [N] [N] Grupa ,6 330,1 Grupa ,9 317,6 Otrzymane wyniki badania wytrzymałości na ściskanie materiału pełnoceramicznego poddane zostały dwuparametrycznej analizie statystycznej, przy wykorzystaniu rozkładu Weibulla. Wyniki analizy Weibulla przedstawiono w tabeli 7. Tabela 7. Wyniki analizy badań zmęczeniowych dwuparametrycznym rozkładem Weibulla [79] Grupa Naprężenia charakterystyczne σ o [N] R 2 Moduł Weibulla m Grupa ,7 0,94 7,1 Grupa ,9 0,98 7,7 29

30 Na rys. 5 prawdopodobieństwo zniszczenia dla grupy 1 przedstawiono kolorem niebieskim, a grupy 2 - czerwonym. Rys. 5. Dwuparametryczny rozkład prawdopodobieństwa zniszczenia Weibulla wyników z pracy [79] Przeprowadzone badania wyraźnie wskazują, że techniki nakładania sztucznego szkliwa na pełnoceramiczne korony stomatologiczne nie wpływają istotnie na wytrzymałość materiału. Przedstawiona analiza statystyczna rozkładu Weibulla, moduł m i siła charakterystyczna P o dla grupy 1 (m = 7,1, P o = 2276,7 N), grupy 2 (m = 7,7, P o = 2325,9 N) wykazała, brak różnicy istotnej statystycznie. Kolejnym artykułem przedstawiającym badania wytrzymałości ceramiki cyrkonowej z sztucznym szkliwem jest pozycja [76]. Przedstawiono w niej statyczne badania cyrkonu w warunkach trzypunktowego zginania. Do badań użyto ceramiki Lava, na którą w odpowiednich 8 różnych konfiguracjach zostało nałożone szkliwo Lava Ceram Veneer Ceramic. Przygotowane próbki zostały wypolerowane papierem ściernym o granulacji 800, każda grupa liczyła po 10 próbek o wymiarach nominalnych 44 mm x 4 mm x 4 mm. Statyczne badanie wytrzymałości na trzypunktowe zginanie wykonane zostało na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Instron 1122, przy prędkości aktuatora wynoszącej 0,25 mm/min. Na rys. 6 przedstawiono rozmieszczenie podpór dla trzypunktowego zginania oraz poszczególne grupy próbek przyjętych do badań: kolorem czarnym zaznaczono sztuczne szkliwo, a kolorem białym ceramikę. Ponadto zaprezentowano również charakter uszkodzenia próbek wykorzystanych do badań. 30

31 Rys. 6. Z lewej: schemat połączenia ceramiki z sztucznym szkliwem i rozmieszczenie podpór trzypunktowego zginania, z prawej: zdjęcie uszkodzonych próbek podczas badania [76] Na rys. 7 przedstawiono wykres słupkowy wyników badań wytrzymałości na trzypunktowe zginanie. Rys. 7. Wykres naprężenia wytrzymałości na trzypunktowe zginanie [76] W wyniku przeprowadzonych analiz wyników badań oraz miejsc zniszczenia próbek, stwierdzono, że próbki, które posiadały warstwę szkliwa rozwarstwiały się, a charakter pęknięcia warstw był odmienny niż w próbkach jednolitych. 31

32 Na rys. 6 kolorem czarnym przedstawiono sposób oraz wielkość (grubość) doklejanego szkliwa. Porównując te wielkości z wynikami badania przedstawionego na rys. 7 można wywnioskować, że w próbkach, gdzie grubość szkliwa była większa uzyskano mniejszą wytrzymałość (77-85 MPa). Dla próbek, w których dominowało więcej materiału ceramicznego wytrzymałość jest większa i wynosi MPa. Badania związane z wpływem temperatury na badania wytrzymałości na ściskanie przedstawiono w artykule [87]. Do badań użyto czteropunktowe mosty wykonane z materiału Cercon base, za pomocą techniki CAD/CAM na urządzeniu Cercon brain, które zostały wypalone (synteryzowane) w urządzeniu Cercon heat zgodnie z zaleceniami producenta. Na czteropunktowe mosty zostało nałożone sztuczne szkliwo. Autorzy wykonali 60 próbek, które zostały podzielone na 6 grup po 10 próbek. Dwie grupy próbek (Cer I, II) umieszczono w wodzie destylowanej o temperaturze 37 o C przez 200 dni. Trzy następne (Cer III, IV, V) zostały poddane dynamicznemu wygrzewaniu w piecu o zakresie zmian temperatury 5-55 o C przez cykli termicznych. Następnie wszystkie grupy próbek, oprócz Cer VI, zostały poddane cyklicznemu obciążeniu 100 N przy częstotliwości 2,5 Hz przez 1 x 10 6 cykli. Ostatnią grupę próbek (Cer VI) obciążano siłą 200 N. Na rys. 8 przedstawiono schemat obciążania próbki. Rys. 8. Schemat obciążenia próbki [87] 32

33 Badania prowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej UTS Testsysteme Typ 20K, przy prędkości górnego aktuatora 1 mm/min. Do badań użyto kulki o średnicy 6 mm. Otrzymane wyniki przeanalizowano dwuparametrycznym rozkładem Weibulla, co przedstawiono w tabeli 8. Tabela 8. Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie wraz z analizą rozkładu Weibulla [87] Grupa Średnia wartość siły ściskającej [N] Wartość siły charakterystycznej Weibull σ o [N] Moduł Weibulla m Cer I 1525 ± 76,5 1625,8 7,2 Cer II 1334,7 ± 89,4 1445,9 5,4 Cer III 903,7 ± 40,8 958,6 8,0 Cer IV 921,1 ± 55,6 990,6 6,2 Cer V 923,5 ± 40,3 976,3 8,6 Cer VI 952,4 ± 51,4 1015,8 7,2 Grupy próbek Cer I-II przedstawione w tabeli 8 dotyczą wyników badań tylko wytrzymałości na cykliczne ściskanie. W przypadkach grup Cer III-V zaprezentowano wyniki dla próbek poddanych cyklicznemu wygrzewaniu oraz cyklicznemu obciążaniu, przy obciążeniu wynoszącym 100 N. Ostatnia grupa Cer VI dotyczy próbek poddawanych większym wartościom cyklicznego obciążania ściskającego, wynoszącym 200 N. Wyniki wskazują, że materiał poddawany cyklicznemu wyżarzaniu i cyklicznemu obciążaniu dla 100 N i 200 N nie wykazuje większych różnic w wytrzymałości końcowej. Analizowany materiał był natomiast wrażliwy na proces wyżarzania. Świadczy o tym zmniejszenie wartości wytrzymałości, podczas badania monotonicznego dołamywania próbek wyżarzanych, w porównaniu do materiału, który nie był poddany żadnemu procesowi. W artykule [88] przedstawiono badania wytrzymałości na trzypunktowe zginanie innej handlowej odmiany dwutlenku cyrkonu. Do pierwszego badania użyto 80 próbek podzielonych na 4 grupy po 20 próbek obrabianych z wykorzystaniem urządzenia i oprogramowania CAD/CAM. Materiałem użytym do badań był Kavo Everest Bio ZS Blank. Autorzy artykułu skupili się na badaniu wytrzymałości na trzypunktowe zginanie. Pierwsza grupa (A) próbek była wypalona (synteryzowana) według zaleceń producenta, druga grupa (B) była zabarwiona i synteryzowana, trzecia (C) była synteryzowana i wypolerowana, a kolejna (D) była zabarwiona, synteryzowana oraz wypolerowana. Próbki użyte do badań posiadały wymiary nominalne: 2,2 mm x 5 mm x 25 mm. Badania prowadzone były na maszynie wytrzymałościowej Instron 8500 przy prędkości aktuatora wynoszącej 1 mm/min. Wyniki wraz z dwuparametryczną analizą rozkładu Weibulla zostały przedstawione w tabeli 9. Na rys. 9 przedstawiono wykresy statycznego rozciągania oraz najczęstsze przypadki zniszczeń próbek.δ 33

34 a) b) c) Rys. 9. Wykresy najczęstszych zniszczeń próbek ceramicznych pokrytych warstwą szkliwa: a) dwa materiały sklejone ze sobą pod wpływem monotonicznej siły pękają tak samo, b) do pęknięcia materiału nie doszło dwa materiały rozkleiły się, c) zniszczeniu uległa tylko warstwa sztucznego szkliwa [88] Tabela 9. Wyniki i analiza badań wytrzymałości na trzypunktowe zginanie [88] Grupa Chropowatość powierzchni Ra [µm] Średnia wartość naprężenia [MPa] Naprężenie charakterystyczne rozkładu Weibulla σ o [MPa] Moduł m Weibulla A 1,75 ± 0, ± B 1,27 ± 0, ± C 0,13 ± 0, ± D 0,12 ± 0, ±

35 Wyniki te wskazują na bardzo duży wpływ na wytrzymałość materiałów ceramicznych procedur przygotowania dwutlenku cyrkonu. Proces zabarwiania materiału nie ma większego znaczenia. W drugiej grupie badań analizowano wytrzymałości na zginanie próbek z grupy D pokrytych warstwą sztucznego szkliwa. Do badań użyto 10 próbek pokrytych warstwą sztucznego szkliwa, wg zaleceń producenta. Na rys. 9 przedstawiono wykresy statycznego rozciągania oraz najczęstsze przypadki zniszczeń próbek Analiza wytrzymałości połączeń klejonych Kolejnymi badaniami istotnymi z punktu widzenia protetyki stomatologicznej, występującymi w literaturze, są badania połączenia klejonego, w którym jednym z materiałów klejonych jest ceramika stomatologiczna. Metody badawcze obejmują ścinanie, zginanie, rozciąganie i ściskanie połączeń klejowych. Wyniki badań pozwalają na określenie właściwości mechanicznych połączenia klejowego oraz sklasyfikować klej, a tym samym zapewnić lekarzom stomatologom możliwość lepszego i bardziej efektywnego sposobu doboru odpowiedniego rodzaju kleju. W artykule [56] przedstawiono wyniki monotonicznych badań wytrzymałości na ścinanie połączenia klejowego, z wykorzystaniem klejów stomatologicznych przeznaczonych do dwutlenku cyrkonu. W czasie klejenia użyto półfabrykatów z żywicy Tetric EvoCeram uformowanych jako walcowe próbki do badań o średnicy 2,5 mm i wysokości 3 mm. Materiałem, do którego doklejono krążki z żywicy był dwutlenek cyrkonu (DiaZir), z którego uformowano płytki o wymiarach nominalnych 10 mm x 10 mm x 4 mm. Płytki docięto piłą tarczową ISOMET 1000 z tarczą diamentową. Następnym krokiem było wykończenie próbek z wykorzystaniem papieru ściernego o gramaturze 240. Synteryzację ceramiki prowadzono w temperaturze 1500 C przez 7 h. Materiał badawczy został podzielony na dwie grupy po 30 próbek. Pierwsza grupa została sklejona klejem SpeedCem, a druga klejem Unicem. Do utwardzenia każdego z klejów została użyta lampa UV (Bluephase G2) o mocy 1200 mw/cm 2. Każdą grupę podzielono na podgrupy różniące się od siebie sposobem polimeryzacji połączenia klejowego. W "IM" próbki zostały polimeryzowane przez 20 sekund, a następnie poddane badaniu. W podgrupie "24h" próbki polimeryzowano przez 20 sekund, a następnie przechowywano w inkubatorze nagrzanym do temperatury 37 C, przy 100% wilgotności, przez okres 24 godzin. W podgrupie "TC" próbki polimeryzowano przez 20 sekund, po czym inkubowano w temperaturze 37 C, przy 100% wilgotności, przez okres 30 dni. Po okresie inkubacji próbki poddano cyklicznemu wyżarzaniu w temperaturze 5 C-55 C, przez cykli. Statyczne badania wytrzymałości na ścinanie prowadzone były na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Instron 33R4204, przy prędkości aktuatora równej 1 mm/min. Wszystkie próbki przed przeprowadzonymi badaniami zostały 35

36 poddane analizie mikroskopowej z wykorzystaniem mikroskopu Olimpus SZX12, przy powiększeniu 40x. W tabeli 10 przedstawiono wyniki badań wraz z dwuparametryczną analizą rozkładu Weibulla. Tabela 10. Wyniki statycznej wytrzymałości na ścinane wraz z dwuparametryczną analizą rozkładu Weibulla [56] Klej Procedura obróbki Naprężenia ścinające [MPa] Naprężenia charakterystyczne rozkładu Weibulla σ o [MPa] Parametr m rozkładu Weibulla SpeedCem IM 20,8 ± 2,1 21,7 11,7 Unicem IM 16,8 ± 3,1 16,8 12,2 SpeedCem 24h 30,3 ± 6,6 32,9 5,4 Unicem 24h 31,9 ± 4,6 34,0 7,4 SpeedCem TC 25,6 ± 2,9 26,8 10,2 Unicem TC 22,8 ± 3,5 24,2 7,6 Analizując otrzymane wyniki wytrzymałości na ścinanie połączenia klejowego, można zauważyć duży wpływ metody polimeryzacji. Podczas polimeryzacji szybkiej i natychmiastowemu badaniu połączenia klejowego, połączenie to wykazuje najmniejszą wytrzymałość. Natomiast jeżeli próbki były przechowywane przez 24 h w inkubatorze w temperaturze 37 C i wilgotności 100%, to wykazały największą wytrzymałość. Podobną metodologię badań odnoszącą się do statycznych badań wytrzymałości na ścinanie połączenia klejowego przedstawiono w artykule [13]. Do badań wykorzystano 48 próbek o wymiarach nominalnych 10 mm x 10 mm x 20 mm. Użyto dwutlenku cyrkonu YTZ o składzie chemicznym 5,03% Y 2 O 3 i 94,67% ZrO 2. Materiał pokryto dwoma warstwami tzw. sztucznego szkliwa producentów NZR (NobelRondo Zirconia Dentin) oraz ES (Estena C&B). Próbki sklejone zostały klejem stomatologicznym S3 Bond Kuraray Medical. Różna wytrzymałość związana była z dwoma czynnikami wpływającymi na wytrzymałość: różną warstwą szkliwa oraz metodą wykańczającą dwutlenek cyrkonu. Przed nałożeniem warstwy szkliwa dwutlenek cyrkonu poddawano procesowi wykańczającemu powierzchnie. W pierwszej grupie powierzchnie wypolerowano papierem ściernym o gramaturze 600, następnie próbki wyczyszczono myjką ultradźwiękową w roztworze acetonu i wody destylowanej przez 15 minut. Drugą grupę liczącą 24 próbki poddano mikromechanicznemu i chemicznemu piaskowaniu, przy ciśnieniu 0,28 MPa, w odległości 10 mm od próbek (Rocatec Junior), używając jako ścierniwa tlenku glinu o grubości ziarna 110 µm. Próbki podzielono na dwie grupy pod względem obróbki oraz pokrycia dwutlenkiem cyrkonu. Przeprowadzono badanie wytrzymałości na ścinanie na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Servo Pulser, przy prędkości górnego aktuatora 0,5 mm/min. Na rys. 10 przedstawiono stanowisko badawcze wykorzystywane w trakcie badań. 36

37 Rys. 10. Stanowisko badawcze wytrzymałości na ścinanie: a) zdjęcie rzeczywiste urządzenia do ścinania, b) schemat wraz z wymiarami [13] Na rys. 11 w postaci wykresu słupkowego przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań dwutlenku cyrkonu na ścinanie dla 4 analizowanych grup. Pierwszy słupek przedstawia wyniki badania dla próbek cyrkonowych, których powierzchnia została obrobiona papierem ściernym 600 i pokryta warstwą NZR, drugi słupek - wyniki dla próbek cyrkonowych obrobionych papierem ściernym 600, ale pokrytych warstwą ES. Kolejne dwa słupki różnią się od pozostałych procesem wykańczającym ceramikę, które realizowane były piaskowaniem tlenkiem glinu. 37

38 Rys. 11. Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie [13] Można zauważyć, że uzyskane wyniki różnią się w zależności od rodzaju obróbki. Próbki poddane piaskowaniu uzyskały większą wytrzymałość, niż próbki poddane procesowi ścierania powierzchni papierem ściernym. Badania opisane w [56, 13] nawiązywały do analizy połączenia klejowego między materiałami stomatologicznymi. Badania w pracy [60] przedstawiają statyczną analizę wytrzymałości na ścinanie. Do badań użyto 63 zęby ludzkie trzonowce, dla których kryterium doboru był podobny kształt i wielkość. Półfabrykat w postaci naturalnych zębów przechowywano w wodzie w temperaturze pokojowej, który podzielono na 9 grup po 14 półfabrykatów. Półfabrykat pocięto piłą z posypem diamentowym, a kość zębowa została wytrawiona 37% kwasem fosforowym w postaci żelu. Do klejenia użyto popularnych klejów stomatologicznych: Optibond FL, Optibond Solo Plus, Scotchbond Multi-Purpose Plus, Single Bond, All Bond 2, One Step, Clearfil SE Bond, Amalgambond Plus, Tenure with Bond Enhancer. Wszystkie wymienione kleje zostały przypisane kolejnym grupom próbek, a następnie nałożone na ich powierzchnie i sklejone. Do polimeryzacji kleju stomatologicznego użyto lampy UV firmy Kerr Dental. Polimeryzacja prowadzono przez 20 sekund, światłem o mocy 730 mw/cm 2. Utworzone próbki inkubowano w wodzie o temperaturze 37 C przez jeden tydzień, następnie poddawano je cyklicznemu wygrzewaniu w temperaturze 5 C-55 C. Po tym procesie próbki umieszczono w wodzie i przechowywano przez jedną noc. Badania przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Instron 5566, przy prędkości aktuatora wynoszącej 1 mm/min, aż do pełnego zniszczenia połączenia klejowego w statycznym badaniu wytrzymałości na ścinanie. Na rys. 12 przedstawiono uzyskane wyniki badań. 38

39 Rys. 12. Mediana wytrzymałości na ścinanie dla 9 systemów łączących na podstawie [56] Analiza uzyskanych wyników pozwala stwierdzić dla grupy próbek SBMP, Tenure, Optibond Solo niemalże zerową wytrzymałość na ścinanie. Wynika to ze zniszczenia połączenia klejowego, następującego podczas cyklicznego wygrzewania. Można zauważyć, że kleje Am Bond, Clearfill SE, All Bond 2 wykazują podobną wytrzymałość na ścinanie wynoszącą odpowiednio 14,11 MPa, 14,89 MPa, 16,44 MPa. Zauważa się, że badania przeprowadzone przez autorów mogą nie mieć odniesienia do innych klejów stomatologicznych o takim samym składzie chemicznym. Wytrzymałość połączenia klejowego jest zależna od zróżnicowanych warunków otoczenia, co została przeanalizowane w artykule [44], w którym przedstawiono statyczne badania wytrzymałości na ścinanie. Do badań użyto dwutlenku cyrkonu stabilizowanego itrem o nazwie handlowej Aadva Zirconia. Z materiału wykonano cylindryczne półfabrykaty o wymiarach 6 mm średnicy i 8 mm długości. Próbki poddano synteryzcji, a miejsca, w których umieszczono klej obrobiono papierem ściernym o gramaturze 320 oraz piaskowano granulatem o gramaturze 50 µm przez 10 sekund przy ciśnieniu 0,344 MPa. Półfabrykaty sklejono 7 klejami stomatologicznymi: GCem Automix, MaxCem Elite, Multilink, Multilink Zirconia Primer, Panavia F2.0, Oxyguard oraz RelyX Unicem. Wszystkie sklejone próbki umieszczono w inkubatorze o 100% wilgotności przez 1 h. Następnym krokiem było ich zamoczenie w wodzie przez 23 h. Po tych zabiegach próbki poddano cyklicznemu wyżarzaniu w temperaturze 5 C-55 C. Utworzono odpowiednie grupy, w zależności od liczby cykli: 0 cykli, 1 cykl, 10 cykli, 100 cykli, 1000 cykli oraz cykli. Do badań użyto 252 próbki, ponieważ na każdą z grup klejów przypadało po 6 próbek, 7 klejów stomatologicznych oraz 6 procesów cyklicznego wyżarzania. Próbki zostały przebadane na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Instron 1122, o prędkości 39

40 aktuatora 0,1 cal/min. Badania prowadzone były do zniszczenia połączenia klejowego, następnie próbki poddano obserwacji pod mikroskopem przy powiększeniu 400x. W tabeli 11 przedstawiono wyniki badań statycznych wytrzymałości na ścinanie. Tabela 11. Wyniki statycznych badań wytrzymałości na ścinanie (jednostka MPa) [44] Klej 0 cykli wygrzania 1 cykl wygrzania 10 cykli wygrzania 100 cykli wygrzania 1000 cykli wygrzania cykli wygrzania Multilink Primer 18 ± 5 13 ± 5 15 ± 3 10 ± 2 0,8 ± 2 0 Multilink 20 ± 3 17 ± 4 26 ± 4 23 ± 5 18 ± 4 8 ± 4 MaxCem 28 ± 3 28 ± 2 31 ± 2 42 ± 5 17 ± 6 0,1 ± 0,1 RelyX 24 ± 4 29 ± 4 31 ± 3 40 ± 4 31 ± 3 9 ± 5 GCem 36 ± 9 34 ± 4 34 ± 6 42 ± 8 32 ± 7 16 ± 7 Panavia F2.0 Oxyguard 32 ± 8 28 ± 3 34 ± 8 33 ± 4 18 ± 7 4 ± 5 Panavia F ± 2 32 ± 3 37 ± 5 40 ± 9 43 ± 5 26 ± 9 Uzyskane wyniki świadczą o wysokiej wrażliwości na klej stomatologiczny oraz na zmieniające się warunki temperaturowe. Większa ilość cykli wygrzania powoduje spadek wytrzymałości na ścinanie oraz znaczny rozrzut wyników. Każdy klej inaczej reaguje na zmienne warunki panujące podczas badań statycznych. Dobra znajomość temperaturowej charakterystyki kleju stwarza większe możliwość implementacyjne. W artykule [66] przedstawiono badania wytrzymałości połączenia klejowego. Autorzy artykułu zaproponowali trzy metody takiego badania. Pierwszą z nich jest doklejenie bloczku z dwutlenku cyrkonu do zęba i następnie docięcie na pile tarczowej całego układu do postaci beleczek. Uzyskane w ten sposób beleczki z doklejonymi doczołowo kawałkami zęba są rozciągane. Drugą metodą jest rozciąganie całego elementu (do zęba doklejono bloczek z dwutlenku cyrkonu). Trzecią metodą jest badanie wytrzymałości na ścinanie, w którym do zęba naturalnego został doklejony bloczek z dwutlenku cyrkonu. W trakcie badań użyto następujących klejów: Single Bond, Scotchbond Multi Purpose Plus, Etch&Prime. Do stworzenia próbek wykorzystano 30 ludzkich trzonowców, które zostały zatopione w akrylu i pocięte piłą tarczową, tak aby uzyskać dwie równe powierzchnie. Otrzymane powierzchnie zostały poddane obróbce papierem ściernym o gramaturze 200 i 600 µm. W celu stworzenia próbki do badań wytworzono formę silikonową i używając kompozytu stomatologicznego Z100 odlano drugą część próbki, którą doklejano do obrobionej powierzchni zęba wyżej wymienionymi klejami. Podczas sklejania dwóch półfabrykatów użyto lampy UV o natężeniu 450 mw/cm, przez 40 s. Wykonano trzy najpopularniejsze badania charakteryzujące wytrzymałość połączenia klejowego: ścinanie, rozciąganie i mikrorozciąganie. Badania wykonano na uniwersalnej maszynie 40

41 wytrzymałościowej Otto Wolpert-Wercke, przy prędkości aktuatora wynoszącej 0,5 mm/min. Na rys. 13 schematycznie przedstawiono badaną próbkę. Rys. 13. Schemat próbki wykorzystywanej do badań wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie [66] Na rys. 14 przedstawiono schemat pozyskania próbek do badań (proces wycinania piłą tarczową z posypem diamentowym) oraz schemat próbki wykorzystanej do badań mikrorozciągania. Rys. 14. Technika pozyskania próbek do badań [66] Uzyskane wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie, mikrorozciąganie i ścinanie zestawiono w tabeli 12. Tabela 12. Wartości średnie wyników badań wytrzymałości na rozciąganie, ścinanie, mikrorozciąganie [66] Klej stomatologiczny Mikrorozciąganie [MPa] Ścinanie [MPa] Rozciąganie [MPa] Single Bond 34,60 ± 10,88 12,96 ± 5,37 9,34 ± 4,33 Scotchbond MP 32,74 ± 12,52 9,65 ± 4,78 6,49 ± 2,85 Etch&Prime ,77 ± 7,88 6,43 ± 2,81 4,18 ± 2,09 41

42 Według danych z tabeli 12. największą wytrzymałość uzyskał klej Single Bond dla wszystkich badań wytrzymałości. Najmniejszą klej Etch&Prime 3.0. Jednym z najczęściej wykonywanych badań pozwalających wyznaczyć wytrzymałość połączenia klejowego jest rozciąganie. Eksperyment tego typu wykonali autorzy w artykule [54] dla beleczek z dwutlenku cyrkonu, sklejonych doczołowo 3 popularnymi klejami stosowanymi do pełnoceramicznych koron stomatologicznych. Do badań, jako półfabrykatu użyto 3 cylindrycznych dysków o średnicy 12 mm i grubości 2 mm, wykonanych z dwutlenku cyrkonu w postaci pyłu i stabilizowanych itrem (Tosoh Corporation). Synteryzację prowadzono w specjalnym piecu (SJG-16, Sichuan) w temperaturze 1450 C przez 2 h. Każda powierzchnia została piaskowana z odległości 10 mm przez 15 s ścierniwem tlenku glinu o 50 µm granulacie, przy ciśnieniu 0,25 MPa. Następnie każda próbka została wyczyszczona myjką ultradźwiękową w wodzie destylowanej przez 5 min. Obrobione dyski zostały ponownie umieszczone w piecu i wypalone w 1000 C przez 15 min. Zabieg ten miał na celu wyeliminowanie zmiany transformacji atomów dwutlenku cyrkonu związanych z piaskowaniem. Jedna powierzchnia dysków została wytrawiona (IPS Ceramic Etching Gel) przez 2 min, a następnie substancję usunięto z powierzchni ceramiki. Do klejenia użyto trzech klejów stomatologicznych: Multilink N, Panavia F, RelyX Unicerm. Grubość kleju pomiędzy półfabrykatami wynosiła 100 µm, wypływka kleju została usunięta skrobakiem, w sposób nienaruszający powierzchni próbek. Klej został utwardzony lampą UV o mocy 700 mw/cm 2, przez 60 s. Wszystkie sklejone dyski po 24 h zostały podzielone na próbki o wymiarach nominalnych: 5,1 mm x 1 mm x 1 mm. Połączenie klejowe próbek poddano analizie z wykorzystaniem stereoskopowego mikroskopu KH-1000 Hirox. Próbki zostały podzielone na 3 grupy ze względu na system wiążący, w każdej grupie znajdowało się po 15 próbek. W tabeli 13 zestawiono uzyskane wyniki badań. Tabela 13. Wyniki wytrzymałości na rozciąganie poszczególnych systemów wiążących [54] Materiał Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Multilink N 20,85 ± 4,81 Panavia F 37,94 ± 4,54 RelyX Unicerm 25,70 ± 4,92 Na rys. 15 przedstawiono wygląd rzeczywisty próbek wykorzystanych do badań wytrzymałości na rozciąganie. 42

43 Rys. 15. Zdjęcie próbek do badań wytrzymałości na rozciąganie [54] Analizując wyniki badań można zauważyć duży wpływ odpowiednio dobranego systemu wiążącego dwutlenek cyrkonu, stabilizowanego itrem. Klej Panavia F ma znacznie większą wartość wytrzymałości, w porównaniu do Multilink N czy RelyX Unicerm. Spowodowane może to być innym składem chemicznym Panavia F (dodatkiem monomeru 10-MDP). Podobne badania nawiązujące do pracy [54] wykonali autorzy pracy [55], gdzie przeprowadzono badania wytrzymałości na rozciąganie i ścinanie. Materiałem wykorzystywanym do badań był dwutlenek cyrkonu o nazwie handlowej Ceramco II. Wykonano 72 krążki o wymiarach nominalnych: 4 mm wysokość i 10 mm średnica. Materiał został wypalony wg zaleceń producenta, a powierzchnię klejoną wypolerowano papierem ściernym o gramaturze 600, z wykorzystaniem urządzenia Buehler Ecomet V. Do badań wytrzymałości na rozciąganie utworzono 8 grup, ze względu na rodzaj obróbki powierzchni klejonej: grupa 1 (control) brak obróbki powierzchni, grupa 2 (ME) mikropiaskowanie za pomocą urządzenia Miniblaster, przy ciśnieniu 5,51 bar i wielkości granulatu ścierniwa wynoszącej 50 µm, grupa 3 (S) nałożenie roztworu silanu i pozostawienie go do wyschnięcia w temperaturze pokojowej, grupa 4 (ME+S) połączenie obróbki powierzchni z grupy 2 i grupy 3, grupa 5 (HF) powierzchnia wytrawiana 8% kwasem fluorowodorowym przez 5 min, grupa 6 (HF+S) obróbka powierzchni zgodna z grupą 5 i 3, grupa 7 (Adhesive) nałożenie cienkiej warstwy lepiku Optibond solo plus i polimeryzowanie jej przez 20 s urządzeniem Translux CL, grupa 8 powierzchnia ceramiki wytrawiona jak w grupie 5 i pokrycie lepikiem, jak w grupie 7. Przygotowane dyski zostały doklejone do 72 zębów ludzkich trzonowych następującymi klejami: Panavia 21, Nexus pojedynczo polimeryzujący oraz Nexus podwójnie polimeryzujący. Próbki badane były na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Hounsfield, przy prędkości aktuatora wnoszącej 1 mm/min. Wyniki przeprowadzonych badań zestawiono w tabeli

44 Tabela 14. Wyniki wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego dwutlenek cyrkonu ząb naturalny [55] Klej stomatologiczny Nexus podwójnie polimeryzowany Nexus pojedynczo polimeryzowany Panavia 21 Wartość średnia Rodzaj obróbki wytrzymałości na rozciąganie z odchyleniem standardowym [MPa] Control 9,0 ± 3,1 ME 12,3 ± 4,2 S 10,2 ± 5,2 ME+S 12,4 ± 6,0 HF 13,6 ± 5,7 HF+S 15,7 ± 6,9 Adhesive 13,7 ± 3,1 HF+S+Adhesive 17,8 ± 7,1 Control 9,0 ± 3,1 ME 14,5 ± 4,8 S 11,8 ± 6,3 ME+S 15,9 ± 6,9 HF 16,8 ± 6,0 HF+S 17,5 ± 7,3 Adhesive 15,4 ± 3,3 HF+S+Adhesive 19,1 ± 7,6 Control 9,1 ± 3,1 ME 17,9 ± 6,9 S 12,7 ± 4,8 ME+S 21,6 ± 7,0 HF 19,7 ± 5,1 HF+S 26,1 ± 7,8 Adhesive 18,3 ± 3,8 HF+S+Adhesive 29,3 ± 8,2 Próbki, których powierzchnia nie została obrobiona poddano również statycznemu badaniu wytrzymałości na ścinanie. Badania prowadzone były na identycznej maszynie i przy takich samych nastawach, co badanie wytrzymałości na rozciąganie. W tabeli 15 przedstawiono uzyskane wyniki. Tabela 15. Wyniki statycznego badania wytrzymałości na ścinanie [55] Klej stomatologiczny Średnie naprężenia ścinające [MPa] Nexus podwójnie polimeryzowany 13,08 ± 5,1 Nexus pojedynczo polimeryzowany 15,00 ± 5,0 Panavia 21 19,33 ± 7,1 Najlepszym wykończeniem powierzchni okazało się przygotowanie próbek, które znajdowały się w grupie 8 (powierzchnia wytrawiona 8% kwasem fluorowodorowym wraz z nałożoną cienką warstwą lepiku Optibond solo plus 44

45 i polimeryzowaniem jej przez 20 s urządzeniem Translux CL. Największą wytrzymałość dla przedstawionych 3 systemów wiążących dwutlenek cyrkonu uzyskano dla Panavia 21. Jednym z bardziej interesujących artykułów przeglądu literaturowego jest artykuł [15], w którym przedstawiono trzy grupy systemów wiążących: wytrawianie i płukanie (etch-and-rinse adhesives) kleje, które w jednym użyciu posiadają w swoim składzie wytrawiacz powierzchni, substancję spłukującą i klej stomatologiczny, samowytrawiacz (self-etch adhesives) kleje, w przypadku których dzięki zastosowaniu najnowszych monomerów, można pominąć proces spłukiwania; system niezwłocznie po jej nałożeniu wytrawia i cementuje połączenie, kleje posiadające jonomery krzemionki, które dzięki dodatku krzemionki mają podobne działanie, co kleje opisane powyżej. W artykule [55] również opisano przygotowanie próbek do najczęściej wykonywanych badań wytrzymałości na rozciąganie. Na rys. 16 przedstawiono schemat pozyskania próbek do badań. Rys. 16. Schemat pozyskania próbek do badań wytrzymałości na rozciąganie [15] Podobną tematykę badań, przedstawioną w artykule [15], podjęli autorzy artykułu [22], w którym analizowano badania statycznej wytrzymałości na rozciąganie oraz badania zmęczeniowe. Do badań użyto zęby ludzkie po ekstrakcji trzonowce. Zęby zostały zatopione w gipsie, a górna ich część - korona została odcięta piłą tarczową z posypem diamentowym firmy Buehler Isomet Do zębów został doklejony kompozyt przypominający koronę wykonaną z mikro-hybrydowego kompozytu Z100, o wysokości 5-6 mm. Kompozyt do trzonowca naturalnego został doklejony z wykorzystaniem 45

46 3 klejów stomatologicznych: OptiBond FL, Clearfil SE, G-Bond. Sklejone zęby zostały podzielone na grupy ze względu na system wiążący. Do polimeryzacji kleju stomatologicznego została użyta lampa UV Optilux 500 o mocy 550 mw/cm 2. Powierzchnia klejenia naświetlana była stosunkowo długo, przez 40 s. Półfabrykaty zostały włożone do 0,5% roztworu chloraminy o temperaturze 37 C przez 7 dni. Po tym czasie z zębów, z doklejonym kompozytem wycięto próbki o przekroju 1 mm x 1 mm. Pierwszym badaniem była statyczna próba wytrzymałości na rozciąganie, którą wykonano na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Instron 5848, wykorzystując głowicę pomiarową o zakresie ± 500 N. Prędkość aktuatora wynosiła 1 mm/min. Kolejne próbki poddano badaniu zmęczeniowego rozciągania. Badanie to charakteryzowało się cyklicznymi obciążeniami o częstotliwości 2 Hz i 10 Hz, badanie prowadzono do zniszczenia lub uzyskania 10 4 cykli. Próbki podzielono na podgrupy, przy częstotliwości 10 Hz badania prowadzono bezpośrednio po sklejeniu, a dla częstotliwości 2 Hz po sklejeniu i przechowywaniu w środowisku ciekłym przez 3 miesiące. Wartość 10 4 cykl to, według autorów artykułu, do 3 miesięcy żucia pokarmów przez człowieka. Schemat pozyskania próbek wraz z charakterystyką badań zmęczeniowych i statycznych przedstawiono na rys. 17. Rys. 17. Schemat pozyskania próbek wraz z charakterystyką badań zmęczeniowych i statycznych [22] W tabeli 16 zestawiono wartości średnie wyników dla badania monotonicznego i zmęczeniowego wytrzymałości na rozciąganie. 46

47 Tabela 16. Wartości wyników dla statycznego i zmęczeniowego badania wytrzymałości na rozciąganie [22] Klej Statyczne rozciąganie [MPa] Cykliczne rozciąganie 2 Hz [MPa] Cykliczne rozciąganie 2 Hz środowisko wodne 3 miesiące [MPa] Cykliczne rozciąganie 10 Hz [MPa] Optibond FL 51 ± 17,6 17,4 25,2 16,6 22,9 16,0 25,1 Clearfil SE 43,7 ± 14,3 17,0 22,1 9,2 19,1 14,4 22,4 G-Bond 28,0 ± 15,3 12,5 17,6 6,4 10,5 9,6 13,8 Na rys. 18 przedstawiono rozkład naprężenia dla 3 materiałów z podziałem na analizę: częstotliwości i przechowywania materiału do badań. Rys. 18. Na rysunku przedstawiono 3 materiały oraz ich rozkłady naprężenia, dla różnych częstotliwości i warunków przechowania materiału badanego [22] 47

48 Ponadto przedstawiono rozkład naprężeń dla 3 materiałów OptiBond FL, Clearfil SE, G-Bond. Dla każdego wykresu zaprezentowano trzy krzywe odnoszące się do badań zmęczeniowych prowadzonych dla różnych okresów przechowywania próbek w środowisku ciekłym oraz częstotliwości prowadzonych badań zmęczeniowych. W gabinetach stomatologicznych można rozróżnić kilka procesów przygotowujących powierzchnię do klejenia. Analizę wytrzymałości dla powierzchni przygotowanej podobnie jak w gabinetach stomatologicznych, przedstawiono w artykule [67]. Autorzy zestawili w nim statyczne badania wytrzymałości na rozciąganie dla połączenia klejowego dwutlenek cyrkonu kompozyt. Do badań wykorzystano 18 bloczków synteryzowanego dwutlenku cyrkonu o nazwie handlowej ICE Zirkonia firmy ZirkonZahn i wymiarach nominalnych 5 mm x 5 mm x 4 mm. Doklejanym do dwutlenku cyrkonu materiałem był kompozyt o nazwie President. Przed badaniami bloczki z ceramiki zostały podzielone na 3 grupy, uwzględniając sposób obróbki powierzchni. Grupa 1 (AA) to próbki piaskowane z użyciem tlenku glinu jako ścierniwa, przy ciśnieniu 0,28 MPa, przez 13 s z odległości 10 mm. Grupa 2 (SC) silanizacja powierzchni o takich samych parametrach jak proces piaskowania, grupa 3 (SCSI) silanizacja oraz nałożenie kwasu przez 5 min na powierzchnię. Każdy półfabrykat po obróbce został sklejony 3 klejami o podobnych właściwościach, były to kleje: Ketac Cem Plus (GI), RelyX Unicem Aplicap (UN), Miltilink Automix (ML). Kombinacja 3 różnych technik obróbki powierzchni i 3 klejów wykorzystywanych w stomatologii daje możliwość określenia następujących grup (grupy opisane w połączeniu skrótów): GIAA, GISC, GISCSI, UNAA, UNSC, UNSCSI, MLAA, MLSC, MLSCSI. Część próbek, z wcześniej opisanych kombinacji, była przechowywana przez 1 tydzień w wodzie, natomiast w przypadku drugiej części okres przechowywania wydłużono do 1 miesiąca, a następnie poddano cyklicznemu wyżarzaniu. Proces cyklicznego wyżarzania polegał na utrzymywaniu przez 1 minutę próbki w temperaturze 5 C i dalej przez 1 min w temperaturze 55 C. Każdą z próbek poddawano 7500 termocykom. Badanie statycznego rozciągania przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Typ 500 Lloyd Instrument, o prędkości górnego aktuatora wynoszącej 1 mm/min. Na rys. 19 przedstawiono uchwyt do badania wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego. 48

49 Rys. 19. Uchwyt do badań wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego [67] Wyniki badania wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego z podziałem na stworzone grupy zostały przedstawione w tabeli 17. Tabela 17. Wyniki badania rozciągania połączenia klejowego z podziałem na grupy [67] Symbol grupy Wielkości średnie naprężenia rozciągające próbki 1 tydzień w środowisku ciekłym wraz z odchyleniem standardowym [MPa] Wielkości średnie naprężenia rozciągające próbki 1 miesiąc w środowisku ciekłym + termocykle wraz z odchyleniem standardowym [MPa] GIAA 18 ± 4,3 7,3 ± 3,5 GISC 17,3 ± 3,9 0 GISCI 16,8 ± 3,7 0 MLAA 18,7 ± 2,5 10,0 ± 2,4 MLSC 20,4 ± 2,2 9,7 ± 3 MLSCSI 31,8 ± 3,4 15,4 ± 2,8 UNAA 19,1 ± 4,4 9,2 ± 3,9 UNSC 21,6 ± 3,3 13,1 ± 3,8 UNSCSI 28,6 ± 6,2 16,4 ± 4,2 Próbki o symbolu GISC, GISCI uległy zniszczeniu poprzez rozdzielenie jeszcze przed badaniem. Największą wytrzymałość uzyskały próbki o symbolu MLSCSI podczas przechowywania przez 1 tydzień w środowisku ciekłym. Natomiast próbki o symbolu UNSCSI uzyskały największą wytrzymałość po procesie wyżarzania oraz przechowywaniu w środowisku wodnym przez 1 miesiąc. Przeprowadzone badania wykazały jak ważną rolę odgrywa dobieranie poszczególnych klejów razem z procesem obróbczym powierzchni klejonej. 49

50 Badania kliniczne uszkodzeń mostów, protez, koron wykonanych z dwutlenku cyrkonu Badania kliniczne są najważniejszą częścią weryfikacji wykorzystanego materiału stomatologicznego w jamie ustnej pacjenta. Lekarz stomatolog prowadząc badania kliniczne związane z ustaleniem poprawności wykonanego połączenia i zastosowania odpowiedniej metody wykonania podbudowy stomatologicznej jest w stanie zagwarantować najwyższą trwałość i wytrzymałość aplikowanych materiałów. Analiza przeglądu literaturowego pozwoliła wykazać, że tematyka badań klinicznych jest aktualna, co natomiast jest spowodowane ciągłym ulepszaniem materiałów stomatologicznych. W tabeli 18 zestawiono 12 artykułów podejmujących tematykę badań związanych z uszkodzeniami połączenia klejowego oraz powierzchni pełnoceramicznych koron stomatologicznych. Wytworzone korony wraz z sztucznym szkliwem były doklejone samoadhezyjnym klejem stomatologicznym. Tabela 18. Zestawienie przeglądu literatury badań klinicznych związanych z uszkodzeniami koron pełnoceramicznych na podstawie [89] Autor artykułu Raigrodski (2006) [89] Sailer (2007) [90] Edelhoff (2008) [91] Molin i Karlsson (2008) [92] Tinschert (2008) [93] Beuer (2009) [94] Sailer (2009) [95] Schmitt (2009) [96] Schmitter (2009) [97] Wolfart (2009) [98] Zastosowana ceramika / sztuczne szkliwo Cyrkon Lava / Lava Cream Cyrkon Cercon / prototyp Cyrkon DigiZon / Initial Zr Keramik Cyrkon Denzir / Vita D Cyrkon DC- Zircon / Vita D Cyrkon Cercon / Cercon Cream Express Cyrkon Cercon / Cercon CreamS Cyrkon Lava / Lava Cream Cyrkon Cercon / Cercon CeramS Cyrkon Ceron / Cercon Ceram Express Liczba próbek Czas obserwacji 31,2 miesięcy 54,3± 13 miesięcy 39,1 miesięcy Liczba próbek zniszczonych Wskaźnik niezawodności [%] ,9 3 90, miesięcy ,5 miesięcy miesięcy 2 90, ,3 ± 2,8 miesięcy 34,2 miesięcy miesiąca 5 96, ± 7 miesięcy

51 Tabela 18. c.d. Beuer (2010) [99] Roediger (2010) [100] Cyrkon IPS max ZirCAD / IPS max Ceram Cyrkon Cercon / Cercon CeramS ± 14 miesięcy 8 88, miesięcy Do wykonania zostały przyjęte następujące kryteria: okres czasu obserwacji oraz odklejenie się korony od zęba naturalnego. Do powyższej analizy nie zostały przyjęte prace związane z uszkodzeniami powłoki sztucznego szkliwa, które także występowały podczas wyznaczonego okresu badań klinicznych. W tabeli 19 zestawiono szczegółowo zniszczenia koron pełnoceramicznych zaobserwowane po okresie badania klinicznego. Tabela 19. Przedstawienie najczęściej występujących uszkodzeń korony pełnoceramicznej podczas badań klinicznych [89] Autor artykułu Raigrodski (2006) [89] Sailer (2007) [90] Edelhoff (2008) [91] Molin i Karlsson (2008) [92] Tinschert (2008) [93] Beuer (2009) [94] Sailer (2009) [95] Schmitt (2009) [96] Schmitter (2009) [97] Wolfart (2009) [98] Beuer (2010) [99] Rodzaj uszkodzenia korony pełnoceramicznej - leczenie kanałowe zęba naturalnego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - uszkodzenie korony pełnoceramicznej - utrata retencji połączenia klejowego - złamanie zęba naturalnego - próchnica wtórna odklejenie korony - ukruszenie się sztucznego szkliwa - leczenie kanałowe zęba naturalnego - utrata retencji połączenia klejowego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - leczenie kanałowe zęba naturalnego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - leczenie kanałowe zęba naturalnego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - pęknięcie korony ceramicznej - utrata retencji połączenia klejowego - leczenie kanałowe zęba naturalnego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - leczenie kanałowe zęba naturalnego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - leczenie kanałowe zęba naturalnego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - utrata retencji połączenia klejowego - leczenie kanałowe zęba naturalnego - utrata retencji połączenia klejowego - ukruszenie się sztucznego szkliwa - ekstrakcja martwego zęba - utrata retencji połączenia klejowego 51

52 Tabela 19. c.d. Roediger (2010) [100] - leczenie kanałowe zęba naturalnego - utrata retencji połączenia klejowego - próchnica wtórna odklejenie korony Analiza wyników przedstawionych w tabeli 19 wskazuje, że najczęstszym uszkodzeniem korony pełnoceramicznej, jest ukruszenie się sztucznego szkliwa, którym jest pokryta pełnoceramiczna korona. Kolejnym problemem jest brak retencji (utrzymania się protezy zębowej, wypełnienia korony) pomiędzy opiłowanym zębem naturalnym, a koroną stomatologiczną. W tabeli 20 przedstawiono zestawienie przeglądu literaturowego nawiązującego wyłącznie do połączenia klejowego pomiędzy zębem naturalnym, a koroną ceramiczną. Tabela 20. Zestawienie badań klinicznych związanych z połączeniem klejowym ząb naturalny korona pełnoceramiczna na podstawie [89] Autor Cehreli (2009) [101] Ortorp (2009) [102] Beuer (2010) [103] Schmitt (2010) [104] Zastosowana ceramika cyrkon Cercon cyrkon NobelProcera cyrkon IPS max ZirCAD Liczba próbek Czas obserwacji [miesiące] cyrkon Lava 19 39,2 Prawdopodobieństwo Typ kleju braku uszkodzenia stomatologicznego [%] klej glasjonomerowy klej samoadhezyjny klej glasjonomerowy klej glasjonomerowy W tabeli 20 zestawiono przegląd literaturowy badań klinicznych dla czterech firm produkujących korony pełnoceramiczne. Korony te zostały doklejone dwoma rodzajami kleju stomatologicznego. Wskaźnik przeżycia dla cyrkon IPS max ZirCAD i cyrkon Lava wynosił 100% przy użyciu kleju glasjonomerowego, a dla kleju samoadhezyjnego i materiału cyrkon NobelProcera wskaźnik ten był niższy (92,7%). Może to wynikać z utraty retencji pomiędzy zębem naturalnym, a koroną. Należy zauważyć, że badania kliniczne przedstawione w tabeli 20 prowadzone były na grupie osób o różnym wieku (25-89 lat) oraz różnych przyzwyczajeniach żywieniowych. Na rynku stomatologicznym dostępne są również korony stomatologiczne na podbudowie metalowej. Dla takiego typu korony stomatologicznej również prowadzone są badania wytrzymałościowe i kliniczne. Zestawienie badań klinicznych przedstawiono w tabeli ,

53 Tabela 21. Zestawienie wyników badań klinicznych połączenia ząb korona na podbudowie metalowej na podstawie [89] Autor artykułu Cheung (1991) [105] Palmqvist and Swartz (1993) [106] Nilson (1994) [107] Kaus (1996) [108] Martin and Bader (1997) [109] Smales and Hawthome (1997) [110] Walton (1999) [111] Lovgren (2000) [112] Marklund (2003) [113] Backer (2006) [114] Reitemeier (2006) [115] Eliasson (2007) [116] Napankangas and Raustia (2008) [117] Zastosowany materiał podstawy korony brak informacji brak informacji Liczba próbek Czas obserwacji [miesiące] Prawdopodobieństwo braku Typ kleju stomatologicznego uszkodzenia [%] 48 3 brak informacji 85, brak informacji 100 tytan brak informacji 95,7 tytan brak informacji 85 stop złota brak informacji 84 brak informacji stop metalu brak informacji 70 tytan stop złota, tytan stop złota klej z dodatkiem cynku klej glasjonomerowy, klej z dodatkiem cynku 97 99, brak informacji 92 klej z dodatkiem cynku stop metalu brak informacji 92,4 stop kobaltowo chromowy brak informacji klej glasjonomerowy, klej z dodatkiem cynku brak informacji 78 53

54 Tabela 21. c.d Boeckler (2009) [118] Abou Tara (2011) [119] tytan stop kobaltowo chromowy klej z dodatkiem cynku klej glasjonomerowy 94,9 98,3 Badania kliniczne zestawione w tabeli 21 przedstawiają bardzo zróżnicowaną wartość przetrwania połączenia klejowego pomiędzy zębem naturalnym, a koroną z podbudową metalową. Przypadki zniszczeń połączeń klejowych mogą być spowodowane niedokładnym pokryciem klejem na zębie naturalnym czy pozostawieniem otwartych kanalików zęba naturalnego (niejednorodnością powłoki klejenia) NORMY Przeprowadzono przegląd literaturowy odnoszący się do norm związanych z badaniami wytrzymałościowymi ceramiki i połączeń klejowych, analizy materiałowej oraz analizy wyników badań. Normy, które wykorzystano podczas realizacji tematu pracy doktorskiej to: PN-EN 658-2: Techniczna ceramika zaawansowana: Mechaniczne właściwości kompozytów ceramicznych w temperaturze pokojowej. Część 2: Oznaczanie właściwości przy ściskaniu w normie tej zawarte są informacje odnośnie aparatury, wykorzystywanej do badań, konfiguracji maszyny wytrzymałościowej. Określono w niej również geometrię próbek wykorzystywanych do badań wytrzymałości na ściskanie, podano wzory pozwalające sprawdzić czy próbki podczas badań nie ulegają wyboczeniu. W normie przedstawiono technikę wykonywania badań oraz wzory pomocne przy obliczaniu wyników wytrzymałość na ściskanie. PN-EN 843-1: Techniczna ceramika zaawansowana: Właściwości mechaniczne ceramiki monolitycznej w temperaturze pokojowej. Część 1: Oznaczanie wytrzymałości na zginanie w normie tej przedstawiono aparaturę i szczegółowo opisano założenia do budowy uchwytu do trzy- i czteropunktowego zginania, pokazano wymiary i tolerancje odległości między podporami. Przedstawiono geometrię próbek do badań, ich wymiary i tolerancje. Analizie poddano wykończenia powierzchni oraz fazowania. Opisano ilość badanych próbek, sposób wykonania badania oraz obliczenia. Przedstawiono typowe modele pęknięć w badanych próbkach ceramicznych. PN-EN 843-5: Techniczna ceramika zaawansowana: Właściwości mechaniczne ceramiki monolitycznej w temperaturze pokojowej. Część 5: Analiza statystyczna w normie przedstawiono zasady 54

55 obliczeń dla rozkładów Weibulla, metody największego prawdopodobieństwa przedziałowi ufności. Przedstawiono również sposób postępowania do graficznego przedstawienia danych, wyznaczania parametrów Weibulla metodą największego prawdopodobieństwa oraz wyznaczania granic przedziału ufności. PN-EN 843-8: Techniczna ceramika zaawansowana: Właściwości mechaniczne ceramiki monolitycznej w temperaturze pokojowej. Część 8: Wytyczne do przeprowadzenia wytrzymałościowych badań kwalifikacyjnych w normie przedstawiono trzy wytyczne pozwalające kwalifikować badania wytrzymałościowe. PN-EN 843-4: Techniczna ceramika zaawansowana: Właściwości mechaniczne ceramiki nonolitycznej w temperaturze pokojowej. Część 4: Twardość powierzchniowa według Vickersa, Knoopa i Rockwella w normie przedstawiono wytyczne prowadzenia badania pomiaru twardości trzema dostępnymi metodami. Dla każdej z wymienionych metod opisano zasadę prowadzenia badań, wzorcowania urządzenia, dokładności i niepewności. Opisano interpretację otrzymanych wyników, skupiając się na: czynnikach mikrostrukturalnych i interpretacji wyników. PN-EN 623-4: Techniczna ceramika zaawansowana: Ceramika monolityczna właściwości ogólne i teksturalne. Część 4: Oznaczenie chropowatości powierzchni w normie przedstawiono zasady konwencjonalnego pomiaru tekstury powierzchni, czynników wpływających na oznaczanie struktury powierzchni ceramiki oraz sposobu wykonania badania. Przedstawiono parametry nastawienia maszyny i wymagania dotyczące badania. Przeanalizowano również pomiar próbki do badań. PN-EN 623-2: Techniczna ceramika zaawansowana: Ceramika monolityczna: Właściwości ogólne i strukturalne. Część 2: Oznaczanie gęstości i porowatości - w normie przedstawiono wymagania odnoszące się do dokładności pomiaru. Zaprezentowano dwie metody pomiaru: metodę nasycenia w próżni oraz pomiar gęstości przez oznaczanie wymiarów liniowych i masy (geometryczna gęstość pozorna). PN-EN 843-6: Techniczna ceramika zaawansowana: Właściwości mechaniczne ceramiki monilitycznej w temperaturze pokojowej, Cześć 6: Wskazówki dotyczące badań fraktograficznych w normie przedstawiono aparaturę potrzebną do prowadzenia badań. Opisano przygotowanie próbki jej oczyszczenie i polerowanie. Określono procedurę badania fraktograficznego. W załączniku do normy przedstawiono przykładowe zdjęcia, celem lepszego zobrazowania analizy i oceny przełomu badanego materiału. 55

56 56 PN-EN ISO 6872: Ceramika dentystyczna w normie przedstawiono rodzaje, klasy i identyfikacje ceramiki dentystycznej. Opisano wymagania jakie stawia się ceramice dentystycznej odnoszące się do: jednorodności, braku materiałów obcych, właściwości dotyczących mieszania i zagęszczania ceramiki, właściwości fizycznych, chemicznych oraz biozgodności. W powyższej normie określono również metody badań i przygotowanie próbek do badań wytrzymałościowych. Ponadto przedstawiono schemat uchwytu wykorzystywany w badaniach wytrzymałości na zginanie. PN-EN ISO 29022: Stomatologia, Adhezja: Badanie za pomocą krawędzi z wycięciem wytrzymałości na ścinanie połączenia w normie przedstawiono przechowywanie materiałów ceramicznych i biologicznych (zębów naturalnych), metodę obrobienia powierzchni ceramiki i zęba naturalnego, geometrię badanego połączenia oraz przyrząd wykorzystywany do badań wytrzymałości na ścinanie. PN-EN ISO Kleje: Oznaczanie wytrzymałości na ścinanie połączeń klejowych pomiędzy sztywnymi podłożami metodą ścinania próbki blokowej w normie opisano zasadę przeprowadzenia badań wytrzymałości na ścinanie. Ponadto przedstawiono aparaturę wraz z podstawowymi założeniami geometrycznymi, pozwalającymi zaprojektować układ do badań. Opisano geometrię próbek do badań, procedurę badawczą oraz interpretację wyników badania. PN-EN ISO 9653: Kleje: Metoda badania wytrzymałości na ścinanie udarowe połączeń klejowych w normie opisano aparaturę badawczą wraz z podstawowymi wymiarami pozwalającymi na zaprojektowanie urządzenia. Określono geometrię próbek oraz sposób ich sklejenia, ilość próbek do celów obróbki statystycznej, warunki klejenia. Ponadto przedstawiono procedurę badań wytrzymałości na ścinanie.

57 3. PODSUMOWANIE PRZEGLĄDU PIŚMIENNICTWA NAUKOWEGO Przeprowadzona analiza literatury umożliwiła sprecyzowanie podziału dostępnych badań w zakresie analizy materiału stosowanego w stomatologii, jak również zestawienie norm najczęściej stosowanych w metodyce badań wytrzymałościowych i ich interpretacji. Przegląd piśmiennictwa naukowego określa istotny etap, jakim jest proces obróbki materiału dwutlenku cyrkonu. Jej dokładność wykonania, wykorzystywane narzędzia i sposób obróbki powodują wzrost lub spadek wytrzymałości ceramiki. Kolejnym bardzo ważnym elementem jest sposób utwardzania dwutlenku cyrkonu. Podczas tego procesu następuje zmiana fazy jednoskośnej na tetragonalną łańcuchów ceramiki. Proces zmiany jest także jednym z ważniejszych, ponieważ rzutuje on na późniejszą wytrzymałość oraz koloryt dwutlenku cyrkonu. W artykułach udowodniono, że materiał ulega starzeniu się więc plan badań musi być dobrany w taki sposób, aby próbki nie miały możliwości degradacji. Jednym z czynników powodujących zmniejszenie wytrzymałości i degradację materiału jest sposób przechowywania materiału w środowisku ciekłym i suchym. Wszystkie opisane wyżej czynniki odgrywają istotną rolę w przeprowadzaniu badań wytrzymałościowych. Zaniedbanie jednego z nich podczas badań, może wpłynąć na nieprawidłową interpretację procesu zachodzącego w materiale i tym samym na obniżenie lub zwiększenie wytrzymałości dwutlenku cyrkonu. Przegląd literaturowy wskazuje, że dwutlenek cyrkonu jest materiałem bardzo wymagającym. Jednakże, przy odpowiednim zaplanowaniu metodyki badawczej, charakteryzuje się wysoką biozgodnością, wytrzymałością oraz wysokimi walorami estetycznymi. W przeglądzie literatury można ponadto zauważyć analizę poszczególnych elementów, np. ząb z doklejoną koroną z dwutlenku cyrkonu. Również z takiego elementu pobierane są próbki o przekrojach tak małych, że badania kategoryzuje się w skali "mikro". Elementy klejone poddawane są takim badaniom jak: ścinanie, rozciąganie, zginanie. Można zauważyć, że przyjęta metodyka badawcza opisana w literaturze naukowej przedstawia wytrzymałość połączenia klejowego i zjawisk zachodzącym w takim połączeniu. Wszystkie przedstawione wyniki charakteryzują się wysoką wartością rozrzutu. Rynek produktów stomatologicznych jest bardzo dynamiczny, firmy starają się oferować coraz to nowsze, bardziej wytrzymałe materiały. Badania w zakresie wytrzymałości i trwałości muszą być prowadzone dla nowo powstałych materiałów, celem poszerzenia wiedzy lekarzy stomatologów w niniejszym zakresie. Przegląd literatury w znacznym stopniu determinuje przebieg realizacji badań własnych. Współpraca z kliniką stomatologiczną DENmed w Bydgoszczy pozwoliła na obserwację zabiegu implantologicznego koron pełnoceramicznych w zastosowaniu klinicznym. Lekarze stomatolodzy z wielką 57

58 chęcią definiowali trudności, jakie powstają podczas realizacji usługi. Jednym z problemów była niska trwałość i wytrzymałość połączenia klejowego ząb dwutlenek cyrkonu. Problem ten został przeanalizowany również podczas analizy przeglądu literatury. Badania nowych materiałów stomatologicznych oraz całych elementów, znajdujących się w jamie ustnej, takich jak ząb z doklejoną koroną z dwutlenku cyrkonu, pozwalają na poprawę jakości usług w gabinetach stomatologicznych. Dzięki przedstawionemu przeglądowi literaturowemu zaproponowano program badań własnych. Ponadto wykonano badania wytrzymałości i trwałości materiału oraz połączenia klejowego między materiałami, jak również w elemencie jakim był ząb z doklejoną pełnoceramiczną koroną. W tabeli 22 zestawiono najważniejsze artykuły omawiające różne metody badawcze dla materiału dwutlenku cyrkonu oraz połączenia klejowego. Literą M oznaczono badania materiału, a literą K oznaczono badania nawiązującego do połączenia klejowego. Przedstawione wartości zostaną wykorzystane w dyskusji uzyskanych wyników własnych. Tabela. 22. Zestawienie najważniejszych artykułów przeglądu literatury. Artykuł Rodzaj badań Liczba badanych próbek Klej Materiał Materiał Wartość wytrzymałości/si ła ROZCIĄGANIE [31] Badania wytrzymałości na ściskanie zęba naturalnego z doklejoną koroną pełnoceramiczną 10 Vita Mark II (M) 1272 ± 109 N 10 In-Ceram YZ (M) 1459 ± 492 N [34] Badanie inicjacji pęknięcia szkliwa zębowego z pomocą badania zmęczeniowego 8 Szkliwo zębowe o wymiarach 2x2x2 mm (M) 723 ± 49 N 15 Clearfil S Bond (K) 26,1 ± 2,4 MPa [21] Badania wytrzymałości na rozciąganie połączenia ceramiki ze sztucznym szkliwem 15 G bond (K) 23,4 ± 1,9 MPa 15 Danvile Experimental (K) 18,8 ± 4,6 MPa 15 Prelude Total Etch (K) 18,7 ± 2,9 MPa 15 Prelude D/SC Link (K) 45,9 ± 2,4 58

59 Tabela 22. c.d. [22] [22] [54] [55] [65] Badanie statyczne wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego ząb dwutelenk cyrkonu Badanie zmęczeniowe wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego ząb dwutelenk cyrkonu (10 Hz) Badanie statyczne wytrzymałości na rozciąganie połączenia klejowego cyrkon - cyrkon Badanie statyczne połączenia klejowego między dwoma ceramikami stomatologicznymi Badanie statyczne rozciągania połączenia klejowego między dwoma ceramikami stomatologicznymi 49 3-E&Ra (K) 51 ± 17,6 MPa 75 2-Sea (K) 43,7 ± 14,3 MPa 58 1-Sea (K) 28 ± 15,3 MPa 50 3-E&Ra (K) 20,5 ± 16 MPa 44 2-Sea (K) 18,4 ± 14,4 MPa 41 1-Sea (K) 11,7 ± 9,6 MPa 15 Multilink (K) 20,85 ± 4,81 MPa 15 Panavia F (K) 25,7 ± 4,92 MPa 15 RelyX Unicem (K) 37,94 ± 4,54 MPa 30 Nexus (DP) (K) 9,0 ± 3,1 MPa 30 Nexus (LP) (K) 9,0 ± 3,1 MPa 30 Panavia 21 (K) 12,7 ± 4,8 MPa 41 RelyX UniCem (U40NTC) (K) 11,34 ± 3,14 MPa 45 Panavia F 2.0 (P40NTC) (K) 15,10 ± 3,86 MPa 44 RelyX UniCem(160NTC) (K) 13,09 ± 3,56 MPa 43 Panavia F 2.0 (P160NTC) (K) 16,22 ± 4,52 MPa 41 RelyX UniCem (U40NTC TC) (K) 5,40 ± 2,25 MPa 41 Panavia F 2.0 (P40NTC TC) (K) 10,36 ± 2,52 MPa [67] Badanie statyczne mikrorozciągania połączenia klejowego między dwoma ceramikami stomatologicznymi 44 RelyX UniCem(U160NTC TC) (K) 5,65 ± 2,06 MPa 42 Panavia F 2.0 (P160NTC TC) (K) 12,68 ± 2,85 MPa 6 Ketac Cem Plus (K) 18 ± 4,3 MPa 6 RelyX Unicem Aplicap (K) 18,7 ± 2,5 MPa 6 MultiLink Automix (K) 19,1 ± 4,4 MPa 59

60 Tabela 22. c.d. Badanie statyczne mikrorozciągania połączenia klejowego między dwoma ceramikami stomatologicznymi 30 Single Bond (K) 30 Scotchbond MP (K) 34,60 ± 10,88 MPa 32,74 ± 12,52 MPa 30 Etch&Prime 3.0 (K) 27,77 ± 7,88 MPa 30 Single Bond (K) 12,96 ± 5,37 MPa [66] Badanie statyczne ścinania połączenia klejowego między dwoma ceramikami stomatologicznymi 30 Scotchbond MP (K) 9,65 ± 4,78 MPa 30 Etch&Prime 3.0 (K) 6,43 ± 2,81 MPa Badanie statyczne rozciągania połączenia klejowego między dwoma ceramikami stomatologicznymi 30 Single Bond (K) 9,34 ± 4,33 MPa 30 Scotchbond MP (K) 6,49 ± 2,85 MPa 30 Etch&Prime 3.0 (K) 4,18 ± 2,09 MPa ZGINANIE [11] Statyczne badanie wytrzymałości na zginanie dwutlenku cyrkonu 15 Lava Frame Y-TPZ 3M ESPE (M) 597,266 ± 95,831 N [17] [20] [82] Statyczne badanie wytrzymałości na zginanie dwutlenku cyrkonu Badania statyczne trzypunktowego zginania dwutlenku cyrkonu Badania zmęczeniowe trzypunktowego zginania dwutlenku cyrkonu Badania statyczne trzypunktowego zginania dwutlenku cyrkonu 45 In-Cream Alumina (M) 264 MPa 45 In-Cream Zirconia (M) 316 MPa 21 ProtMat Materials (M) 880 ± 35 MPa ProtMat Materials (M) 500 MPa, 530 MPa, 570 MPa, 610 MPa, 650 MPa. 30 Multimat MCII (M) 131,0 ± 9,5 MPa 60

61 Tabela 22. c.d. [79] Badania statyczne trzypunktowego zginania dwutlenku cyrkonu Kavo Everest ZSblanks (M) Kavo Everest ZSblanks (M) 2135,6 ± 330,1 MPa 2189,9 ± 317,6 MPa [10] Badanie zmęczeniowe trzypunktowego zginania w środowisku ciekłym po obróbce piaskowania dwutlenku cyrkonu 30 Lava (M) 30 Lava Colored (M) 30 Everest (M) Granica zmęczenia MPa Granica zmęczenia MPa Granica zmęczenia MPa 30 Zeno Zr (M) Granica zmęczenia MPa 15 - grupa kontrolna 597,26 ± 95,83 MPa 15 - piaskowanie 200 kpa 538,88 ± 116,07 MPa Al 2O piaskowanie 400 kpa 625,86 ± 123,57 MPa [11] Badanie statyczne trzypunktowego zginania dwutlenku cyrkonu poddanego różnym metodom obróbki oraz obciążenia Al 2O piaskowanie 600 kpa Al 2O poddane 2000 cyklicznemu obciążeniu 15 - umieszczone w autoklawie 15 - umieszczone w kwasie octowym Lava Y-TPZ ceramic (M) 614,97 ± 97,01 MPa 525,70 ± 113,60 MPa 578,11 ± 79,72 MPa 466,56 ± 91,49 MPa 61

62 Tabela 22. c.d ŚCISKANIE [12] Statyczne i zmęczeniowe badania wytrzymałości na ściskanie korony pełnoceramicznej 10 - zwiększona chropowatość 10 - piaskowanie Al 2O silinizacja Multilink automix (K) Vita (M) Multilink automix (K) Vita (M) Multilink automix (K) Vita (M) 624,2 ± 38 N 711,5 ± 15,5 N 788,7 ± 18,1 N 10 - grupa kontrolna Multilink automix (K) Vita (M) 950,4 ± 62,6 N Statyczne badania wytrzymałości na ściskanie korony pełnoceramicznej 6 - grubość korony 0,5 mm 6 - grubość korony 1 mm RelyX Unicem (K) Prettau zirkon (M) 2359,31 N 3216,58 N [58] 6 - grubość korony 1,5 mm 6 - grubość korony 2 mm 3898,96 N b/d [59] Badanie zmęczeniowe wytrzymałości na ściskanie korony pełnoceramicznej 6 - grubość korony 2,5 mm 25 - sztuczne szkliwo wypalane w piecu w temp. 850 ᵒC przez 1h 25 - sztuczne szkliwo nakładane w temperaturze pokojowej PhosphaCEM IC (K) Kavo Everest ZSblanks (M) PhosphaCEM IC (K) Kavo Everest ZSblanks (M) b/d 2135,6 N 2189,9 N 62

63 4. PLAN BADAŃ Przegląd piśmiennictwa naukowego literatury oraz norm, pozwolił na poszerzenie wiedzy związanej z historią, problemami i badaniami wytrzymałościowymi dla materiału, jakim jest dwutlenek cyrkonu, a także całego elementu klejonego (ząb naturalny i korona pełnoceramiczna). Następnym etapem pracy są badania własne, które powinny zostać zaplanowane tak, aby ich przebieg był uporządkowany i dążył do jak najlepszego osiągnięcia rezultatu, jakim jest analiza trwałości i wytrzymałości połączenia klejowego ząb dwutlenek cyrkonu. Analiza i wnioski z przeprowadzonego przeglądu literatury wraz z przyjętymi celami podstawowymi i szczegółowymi pozwoliły na określenie planu badań własnych. Jego trzon przedstawiono na rys. 20a-c. Plan badań własnych został podzielony na trzy główne obszary, którym odpowiadają kolejno właściwe rysunki: przegląd piśmiennictwa naukowego wraz z podziałem na geometrię próbek (rys. 20a), zrealizowany w rozdziale 3, analiza własności materiałowych (rys. 20b), analiza wytrzymałości materiału oraz wnioski końcowe (rys. 20c). a) Przegląd piśmiennictwa wraz z podziałem na geometrię próbek 63

64 b) Analiza własności materiałowych 64

65 c) Rys. 20. Plan badań własnych: a) przegląd piśmiennictwa wraz z podziałem na geometrię próbek, b) analiza własności materiałowych, c) analiza wytrzymałości materiału oraz wnioski końcowe W tabeli 23 przedstawiono analizę materiału oraz badania wytrzymałości dla odpowiedniej geometrii. Znakiem "+" zaznaczono eksperyment wykonany dla odpowiedniej geometrii. Materiał podzielono na dwie grupy P1 (próbki o takim samym przekroju poprzecznym, ale różnych długościach) oraz P2 (próbki o wymiarach normatywnych). Przyjęto następujące wymiary nominalne próbek (rys. 20a): geometria P1/1: 1,5 mm x 1,5 mm x 4 mm, geometria P1/2: 1,5 mm x 1,5 mm x 6 mm, geometria P1/3: 1,5 mm x 1,5 mm x 8 mm, geometria P1/4: 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm, geometria P2: 2 mm x 2,5 mm x 25 mm. 65

66 Tabela 23. Zestawienie wykorzystanej geometrii do rodzaju badania Oznaczenie geometrii P1/1 P1/2 P1/3 P1/4 P2 Rodzaj badania Technologia wykonania próbek Rozkład geometrii Twardość + Struktura + + Chropowatość + Badania statycznego ściskania + + Badania statycznego 3-punktowego zginania + + Badania zmęczeniowe 3-punktowe zginanie + Badania analizy kumulacji uszkodzeń 3-punktowe zginanie + Badania statycznego rozciąganie połączenia klejowego + + Statycznego badania wytrzymałości na ścinanie cyrkon - cyrkon + Zmęczeniowe badanie wytrzymałości na ścinanie cyrkon - cyrkon + + Statyczne badanie wytrzymałości na ścinanie ząb naturalny - cyrkon + Analiza całego układu korona pełnoceramiczna doklejona do zęba naturalnego Do wcześniej opracowanego zęba naturalnego zostanie doklejona korona pełnoceramiczna wykonana w technologii CAD/CAM 66

67 5. BADANIA WŁASNE Realizacja, przyjętych w planie, badań eksperymentalnych wymaga odpowiednich stanowisk badawczych. Część z nich znajduje się w laboratorium Zakładu Inżynierii Biomedycznej na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy. Pozostałą część wykonano we własnym zakresie, wg projektu autora, co zostało opisane w rozdziale poniżej OPIS WYKORZYSTYWANYCH STANOWISK BADAWCZYCH Maszyna wytrzymałościowa INSTRON 8874 Podczas realizacji badań wykorzystywano serwohydrauliczną maszynę wytrzymałościową Instron 8874 o sile i momencie, odpowiednio: ± 25 kn, ± 100 Nm. Wysokość próbki max. 100 mm oraz kąt obrotu 130. Jej część wykonawczą przedstawiono na rys. 21. Rys. 20. Serwohydrauliczna maszyna wytrzymałościowa Instron 8874 Laboratorium Zakładu Inżynierii Biomedycznej Przyrząd do trzy- i czteropunktowego zginania Przyrząd do trzy- i czteropunktowego zginania zaprojektowany i wykonany został zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 843-1: Techniczna ceramika zaawansowana: Właściwości mechaniczne ceramiki monolitycznej 67

68 w temperaturze pokojowej. Część 1: Oznaczanie wytrzymałości na zginanie. Rysunek poglądowy i widok przyrządu został przedstawiony na rys. 22. Wg normy rolki, na których opiera się badana próbka i którymi zadawane jest obciążenie powinny być wykonane z utwardzonej stali o twardości powyżej 40 HRC. Ich średnica powinna wynosić w przybliżeniu 1,6x grubości próbki, co daje zalecany zakres pomiędzy 2,2-2,5 mm. Dla badanych próbek o wymiarach przekroju poprzecznego 1,5 mm x 1,5 mm przyjęto na potrzeby badań własnych średnicę 2,25 mm. Regulowane podpory na uchwycie pozwalają na badanie próbek o długości od 5 mm do 45 mm. Przy pomocy przyrządu można wykonywać badania trzypunktowego i czteropunktowego zginania. Przyrząd posiada trzpienie mocujące Ø12 mm, które można osiowo chwycić w szczękach maszyny wytrzymałościowej. a) b) Rys. 21. Uchwyt do trzy- i czteropunktowego zginania: a) schemat, b) zdjęcie dolnego uchwytu Urządzenie do klejenia próbek ze stałą siłą docisku Urządzenie do klejenia próbek ze stałą siłą docisku przedstawiono na rys. 23. W przyrządzie zastosowano połączenie śruba-nakrętka oraz sprężynę, która wywołuje stały nacisk na element w kształcie zderzaka. Próbki z warstwą kleju umieszcza się pomiędzy zderzakiem, a ścianką urządzenia. Odpowiednio dokręcając śrubę uzyskuje się sklejenie materiału. Przedstawione urządzenie zostało zgłoszone jako wzór użytkowy w celu uzyskania prawa ochronnego i zarejestrowane w UPRP pod numerem W w dniu r. 68

69 Rys. 22. Urządzenie do klejenia ze stałą siłą docisku Urządzenie do badań wytrzymałości na ścinanie Do realizacji badań wytrzymałości na ścinanie zaprojektowano oraz wykonano urządzenie do badań wytrzymałości na ścinanie według wytycznych z norm: PN-EN ISO i PN-EN ISO Przedstawiono w nich przykładową budowę urządzenia pomocnego podczas prowadzenia badań wytrzymałości na ścinanie wymienionej próby i procedurę ich przygotowania do badań. W w/w normach można znaleźć wskazówki ułatwiające przeprowadzenie badań wytrzymałości na ścinanie osiowych połączeń. Urządzenie zostało przedstawione na rys. 24. W skład urządzenia wchodzi: 1 podstawa urządzenia, 2 płyta ruchoma, 3 górna płyta, 4 słupy szlifowane pod łożyska liniowe, 5 łożyska liniowe, 6 nóż urządzenia przytwierdzony do ruchomej płyty, 2, 7 gniazdo z rowkiem do mocowania próbek przytwierdzone do podstawy urządzenia, 9,10 uchwyty do mocowania w szczękach maszyny wytrzymałościowej. Rys. 23. Schemat urządzenia do badania wytrzymałości na ścinanie 69

70 Urządzenie przedstawione na rys. 24 działa w następujący sposób: pręty (9) i (10) zaciskane są w szczękach maszyny wytrzymałościowej, między podstawą (1), a górną płytą wkręcone zostały słupy poprawiające sztywność całego urządzenia. Do podstawy wkręcono również szlifowane słupy (4), na których porusza się płyta ruchoma (2), z wkręconymi łożyskami liniowymi (5). Do płyty ruchomej dokręcono nóż urządzenia, a do podstawy (1) gniazdo z rowkiem do mocowania próbek. Gniazdo jest przymocowane kątownikiem (8). Przemieszczając prętem (9) przesuwamy płytę ruchomą (2) po prętach szlifowanych (4) i tym samym ścinamy materiał badany umieszczony pomiędzy gniazdem rowka a nożem. Przedstawione urządzenie zostało zgłoszone jako patent na wynalazek w celu uzyskania prawa ochronnego i zarejestrowane w UPRP pod numerem P w dniu r. W przedstawionym urządzeniu do badania wytrzymałości na ścinanie zastosowano łożyska liniowe w celu zminimalizowania sił tarcia, które mogłyby zakłócać zadawanie siły ścinającej. W urządzeniu wykonano specjalny rowek, który utrzymuje próbkę w osi, prostopadle do powierzchni noża, co przedstawiono na rys. 25. Rys. 24. Rowek na próbki klejone wraz z nożem 5.2. NARZĘDZIA STATYSTYCZNE Do analizy wyników otrzymanych w badaniach użyto oprogramowania z pakietu statystycznego Statistica 12 oraz pakietu Office Excel Ogólna analiza statystyczna Analiza statystyczna wyników została przeprowadzona przy użyciu narzędzi statystyki opisowej z podstawowymi wskaźnikami jakimi są średnia arytmetyczna oraz odchylenie standardowe. Do oceny rozkładu wyników analizowanych parametrów wykorzystano test Shapiro-Wilka dla porównań z rozkładem normalnym. 70

71 Testem statystycznym użytym do porównań między badanymi grupami był test t Studenta dla zmiennych niezależnych oraz test ANOVA dla zmiennych niezależnych do porównań między trzema grupami. Wartości krytyczne przyjęte za istotne statystyczne wynosiły p<α, gdzie wartość α = 0,05. Wzór na test normalności rozkładu Shapiro-Wilka ma postać: gdzie: W wynik testu Shapiro-Wilka, α i (n) poziom prawdopodobieństwa, od ilości liczebności, X n i+1 X i różnica pomiędzy skrajnymi obserwacjami, przy czym i = 1 różnica dla min i max; dla i = 2 różnica dla min+1 i max 1 itd., j kolejne obserwacje w próbie, i kolejne różnice między skrajnymi obserwacjami, średnia arytmetyczna Dwuparametryczna analiza rozkładu Weibulla Dla lepszego zobrazowania zniszczenia próbek wykonano dwuparametryczną analizę rozkładu Weibulla, co jak wynika z przeglądu literatury dla badań tego typu jest standardem. Analiza ta opisana została w normie związanej z analizą statystyczną ceramiki zaawansowanej. Analizę przeprowadzono dla wyników badań wytrzymałości na ściskanie dla geometrii próbki 1,5 mm x 1,5 mm x 4 mm według normy PN-EN 843-5:2007. W normie tej określono analizę statystyczną danych wytrzymałościowych materiałów ceramicznych, w postaci dwuparametrowego rozkładu Weibulla, z zastosowaniem techniki oszacowania maksymalnego prawdopodobieństwa zniszczenia. Do analizy użyto wzoru: gdzie: σ obciążenie niszczące, parametr skali, m parametr kształtu, parametr położenia, e stała (e = 2,718 ), prawdopodobieństwo zniszczenia. 71

72 5.3. OPIS PRZYGOTOWANIA I ANALIZA WŁASNOŚCI MATERIAŁU DO BADAŃ Próbki wykorzystane do badań Do badań statycznych i zmęczeniowych wykorzystano dwutlenek cyrkonu trzech producentów o nazwach: Cyrkon Lava firmy 3M ESPE, Prettau Zirkon firmy ZirkonZahn oraz Cercon firmy DeguDent. Powyższe materiały stosowane są między innymi do wytwarzania koron oraz mostów w technologii CAD/CAM. Środek ten jest obecnie jednym z najbardziej zaawansowanych generacyjnie materiałów wykorzystywanych do uzupełnień protetycznych oraz implantologicznych. Materiały dostarczone były przez producenta w różnej formie: dla materiału Cyrkon Lava były to bloczki o wymiarach 60 mm x 25 mm x 16 mm, dla Prettau to dyski o średnicy 95 mm x 16 mm oraz Cercon dyski o średnicy 105 mm x 20 mm. Materiał przed obróbką został podzielony na 2 grupy o wymiarach: P1/1 grupa: 1,5 mm x 1,5 mm x 4 mm, P1/2 grupa: 1,5 mm x 1,5 mm x 6 mm, P1/3 grupa: 1,5 mm x 1,5 mm x 8 mm, P1/4 grupa: 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm, P2 grupa: 2 mm x 2,5 mm x 25 mm. Dodatkowo w badaniach wykorzystano: oszlifowany ząb z doklejoną pełnoceramiczną koroną z dwutlenku cyrkonu firmy Lava. Próbki grupa P1 wykonane zostały z Cyrkonu Lava, a z pozostałego materiału (Prettau, Cercon oraz Cyrkon Lava) wykonano próbki dla grupy P2. Geometria próbek z grupy P1 została dobrana po analizie przeglądu literaturowego. Próbki P1/1 i P1/2 wykorzystywane były w badaniu wytrzymałości na ściskanie, a próbki P1/3 i P1/4 wykorzystywane do badania wytrzymałości na ścinanie oraz trzypunktowe zginanie. Geometria grupy P2 została dobrana zgodnie z normą PN-EN i wykorzystana do trzypunktowego zginania. Zastosowano dwie techniki obróbki materiału, aby uzyskać określony wymiar nominalny przekroju poprzecznego próbki. Dla próbek z grup P1 zastosowano obróbkę składającą się z trzech procesów: docięcie materiału, szlifowanie oraz wycinanie laserowe. Proces docięcia materiału odbywał się za pomocą piły tarczowej firmy Buehler ISOMET Przyrząd ten posiada specjalne mocowanie, dzięki któremu powierzchnia obrabiana jest równoległa do tarczy tnącej. Urządzenie to posiada również zaimplementowany program dostosowujący ilość chłodziwa, posuw i prędkość obrotową w zależności od obrabianego materiału. Urządzenie pozwala dostosować program do rodzaju materiału. Parametry jakie dobrała maszyna 72

73 były następujące: prędkość obrotu tarczy skrawającej 4950 obr/min, a posuw 19,0 mm/min. Urządzenie wraz z zamocowaną próbką przedstawiono na rys. 26. Przy takich nastawach urządzenia materiał został docięty na paski o grubości nominalnej 2 mm. Kolejną obróbką było szlifowanie powierzchni wodnym papierem ściernym. Obróbka ta pozwala precyzyjnie wygładzić powierzchnie po cięciu piłą tarczową. Do szlifowania używano papieru ściernego o grubości Rys. 25. Niesynteryzowany bloczek z dwutlenku cyrkonu docinany piłą tarczową Następnym procesem obróbczym było wycinanie laserowe, odbywające się na urządzeniu Alfalas WS. Ustawienia maszyny nie pozwalały przegrzać dwutlenku cyrkonu. Na rys. 27 przedstawiono schemat wycinania próbek z wcześniej dociętych bloczków. Rys. 26. Schematyczne przedstawienie sposobu wycinania laserowego półfabrykatu 73

74 Drugą techniką obróbczą było ponowne docięcie piłą tarczową i wyszlifowanie powierzchni. Końcową obróbkę wykonano za pomocą frezarki Mazak Vertical Center Smart 430A. Materiały ceramiczne wykorzystywane w stomatologii charakteryzują się znacznym skurczem podczas procesu utwardzania synteryzacji. Według producenta materiału Cyrkon Lava skurcz technologiczny wynosi 20%. Projektując cały proces obróbczy dla próbek z grupy P1 i P2 trzeba pamiętać, aby do wymiarów nominalnych dodać odpowiednią ilość materiału celem uwzględnienia skurczu technologicznego. Po obróbce materiału próbki zostały wysłane do certyfikowanego przez producenta laboratorium, w którym dokonywano ich synteryzacji (utwardzenia). Proces ten polegał na wypalaniu ich w specjalnym piecu w temperaturze 1410 C przez 8 h. Śnieżnobiały materiał po wypaleniu wykazuje wyraźny wzrost parametrów związanych z właściwościami mechanicznymi. Na rys. 28 przedstawiono przykładową geometrię badanych próbek po procesie synteryzacji, których średnie wymiary wynosiły około 1,5 mm x 1,5 mm x 8 mm. Rys. 27. Przykładowa geometria i wymiary badanych próbek z grupy P1/3 Przed przeprowadzeniem badań statycznych i zmęczeniowych, próbki zostały zmierzone suwmiarką Mitutoyo 150 mm AOS Absolute o rozdzielczości 0,01 mm i dokładności ± 0,02 mm. Do analizy uwzględniono dwa rodzaje przekrojów poprzecznych: próbki małe, o przekroju 1,5 mm x 1,5 mm (próbki z grupy P1) oraz próbki duże, o przekroju 2 mm x 2,5 mm (grupa P2). Do oceny użyto około 300 próbek z grupy P1, a dla grupy P2 około 270 próbek. Wyniki analizy geometrii zestawiono w tabeli 24. Długość próbki nie była objęta analizą metrologiczną ze względu na brak jej wpływu na prowadzone badania wytrzymałości. Tabela 24. Analiza geometrii badanych próbek z dwutlenku cyrkonu dla grupy P1 oraz P2 Nr grupy Wartość średnie Odchylenie Względne Przekroju szerokości standardowe odchylenie poprzecznego i wysokości [mm] [mm] standardowe [%] P1 1,5 mm x 1,5 mm 1,46 0,039 2,68 1,44 0,036 2,51 P2 2 mm x 2,5 mm 2,03 0,09 4,42 2,43 0,07 3,01 74

75 Wyniki przedstawione w tabeli 24 poddane zostały analizie, która wykazała, że dla przekroju poprzecznego 1,5 mm x 1,5 mm odchylenie standardowe dla x i y wynosi odpowiednio 0,039 mm oraz 0,036 mm, a względne odchylenie standardowe 2,68% oraz 2,51%. Dla drugiej grupy przekroju poprzecznego o wymiarach 2 mm x 2,5 mm odchylenie standardowe dla x i y wyniosło odpowiednio 0,09 mm i 0,07 mm, a względne odchylenie standardowe 4,42% oraz 3,01%. Powtarzalność w zakresie pola przekroju spowodowana jest: niską zmiennością uzyskanych parametrów geometrycznych (w zakresie x i y) i zmniejszeniem wpływu czynników zewnętrznych podczas obróbki materiału. Rozkład uzyskanych wyników przedstawiono na rys. 29, odnosząc się do grupy próbek P1 i rys. 30, odnosząc się do grupy próbek P2. Rys. 28. Wykres dystrybuanty rozkładu wyników względem normalnej dla próbek z grupy P1 Rys. 29. Wykres dystrybuanty rozkładu wyników względem normalnej dla próbek z grupy P2 75

76 Ostatnią grupą badawczą był naturalny element konstrukcyjny w postaci zęba naturalnego, do którego doklejono pełnoceramiczną koronę z dwutlenku cyrkonu. Korona wykonywana była w technologii CAD/CAM z niesynteryzowanego dwutlenku cyrkonu. W pierwszej kolejności lekarz stomatolog opracowuje (szlifuje) ząb naturalny, następnie pobierany jest wycisk, który skanuje się na skanerze 3D. Po tym procesie można wyfrezować koronę z dwutlenku cyrkonu i poddać ją synteryzacji (utwardzeniu). Grupa badawcza składała się z 7 zębów naturalnych z doklejonymi koronami pełnoceramicznymi (2 kły, 3 przedtrzonowce, 2 trzonowce). Zęby zostały wcześniej oszlifowane wysokoobrotową wiertarką, wykorzystując wiertło z diamentowym posypem. Procesowi towarzyszyło chłodzenie wodą. Etap obróbczy zębów wykonany był w Klinice Stomatologicznej Zagalak w Bydgoszczy. Przygotowane w ten sposób zęby naturalne zostały wysłane do Akredytowanego Laboratorium producenta Lava w Bielsko Białej, gdzie wyfrezowane zostały korony z dwutlenku cyrkonu. Na rys. 31 przedstawiono oszlifowany ząb. Rys. 30. Oszlifowany ząb naturalny Uzyskany element konstrukcyjny w postaci zęba naturalnego z doklejoną koroną z dwutlenku cyrkonu inkludowano w akrylu stomatologicznym Pattern Resin LS Klej stomatologiczny wykorzystany do badań Do badań użyto dwóch klejów: 3M ESPE RelyX U200 Automix oraz Kerr Maxcem Elite. 3M ESPE RelyX U200 to najnowsza generacja samo adhezyjnego cementu, dwuskładnikowego, w którym zastosowano łatwiejsze mieszanie, dzięki końcówce ze ślimakiem. Jest to klej jednoetapowy, który nie wymaga dodatkowych etapów przygotowania, takich jak: wytrawianie, kondycjonowanie i aplikacji systemu łączącego. Klej Kerr Maxcem Elite jest samotrawiącym, samo przylegającym cementem 76

77 kompozytowym o udoskonalonej prostocie stosowania, w którym również zastosowano specjalny dozownik ze ślimakiem. Materiał ten nie wymaga ręcznego mieszania i przechowywania w niskich temperaturach. Dla wyżej wymienionych klejów proces sklejenia (utwardzenia się kleju) pomiędzy dwoma powierzchniami wymagał zastosowania lampy emitującej energię UV. W badaniach wykorzystano lampę UV firmy Satelec Mini Led Black o parametrach: moc 1250 mw/cm 2, długość fali nm i czasie naświetlania 10 s Badanie chropowatości próbek wykorzystanych do badań statycznych i zmęczeniowych Wybrane próbki przebadano na urządzeniu do pomiaru chropowatości Mitutoyo SJ-500. Stanowiły je 42 próbki o nazwie Lava o długości 8 mm, z których 24 próbki z grupy badanej zostały wypolerowane papierem ściernym o granulacji Pozostała część próbek nie została poddana procesowi polerowania. Badania chropowatości przeprowadzono dla dwóch sąsiadujących i prostopadłych powierzchni. W tabeli 25 zestawiono średnie wyniki pomiarów próbek bez polerowania: R a1 = 2,59 µm, R a2 = 2,62 µm, R p1 = 9,21 µm, R p2 = 9,01 µm, R v1 = 7,81 µm, R v2 = 8,33 µm. Tabela 25. Wartości średnie parametrów pomiaru chropowatości Ra Rodzaj obróbki 1 Ra 2, Rp 1 Rp 2 Rv 1 Rv 2 [µm] [µm] [µm] [µm] [µm] [µm] Nie polerowane 2,59 2,62 9,21 9,01 7,81 8,33 W tabeli 25 przedstawiono średnie wyniki pomiarów chropowatości dla próbek, poddawanych procesowi polerowania oraz bez żadnego procesu wykańczającego. Uzyskane wyniki w jednoznaczny sposób wskazują na zmniejszenie parametru chropowatości dla każdej z próbek po podjętym procesie polerowania, w przypadku których parametr chropowatości średniej jest aż o 7,9 większy dla próbki niepolerowanej w porównaniu do próbki polerowanej, dla wyników z indeksem dolnym "1" i 8,5 razy większa dla wyników z indeksem dolnym "2" Badania mikrotwardości Vickersa Badania prowadzone były na losowo wybranych 30 próbkach Lava z grupy P2. Pomiary dokonywano w trzech miejscach. Powierzchnia badanych próbek została przeszlifowana na płycie żeliwnej przy użyciu pasty diamentowej o grubości ziarna 1 µm. Badania prowadzone były zgodnie z normą PN-EN oraz EN ISO :2005 na twardościomierzu uniwersalnym HPO 250 metodą Vikersa, przy użyciu czworobocznego foremnego ostrosłupa 77

78 diamentowego o kącie wierzchołkowym 136. Na rys. 32 przedstawione zostały miejsca dokonywania pomiaru twardości. Rys. 31. Miejsca pomiaru twardościomierzem HPO 250 Wyniki dla wszystkich 30 przebadanych próbek z dwutlenku cyrkonu przedstawiono w tabeli 26. Tabela 26. Wyniki pomiaru twardości metodą Vickersa Liczba próbek badanych 30 Miejsce pomiaru Średnia wartość twardości [HV] Odchylenie standardowe [HV] Względne odchylenie standardowe [%] A 1347,47 21,96 1,63 B 1343,63 20,40 1,52 C 1345,17 21,28 1,58 Analiza wskazuje na bardzo mały rozrzut wyników, dla których względne odchylenie standardowe wynosi około 1,6%. Wartość średnia dla każdego z trzech punktów jest do siebie bardzo zbliżona, a maksymalna różnica jest mniejsza od 40 HV. Na rys. 33 przedstawiono rozkład wyników w próbie twardości metodą Vickersa. Rys. 32. Graficzne przedstawienie rozkładu wyników w próbie twardości metodą Vickersa 78

79 5.4. BADANIE FRAKTOGRAFICZNE I ANALIZA CHEMICZNA DWUTLENKU CYRKONU Tlenek cyrkonu to twarda biała substancja o dobrych właściwościach mechanicznych, odporna na działanie kwasów i zasad. Jest substancją ogniotrwałą (temp. topnienia 2700 C). Istnieją dwie regularne odmiany ZrO 2 z ośmiokoordynacyjnym cyrkonem i jedna odmiana jednoskośna baddeleit. Tlenek cyrkonu ma trzy odmiany strukturalne: monocykliczną, tetragonalną i cylindryczną, które są stabilne w pewnych, ściśle określonych temperaturach. Tlenek cyrkonu w temperaturze pokojowej ma strukturę monocykliczną, stabilną do temperatury 1170 C. Powyżej tej temperatury następuje przejście do następnej struktury, tj. tetragonalnej, a następnie cylindrycznej. W przypadku chłodzenia zachodzi przemiana fazowa, a w jej konsekwencji zmiana objętości w granicach 3-4%. Towarzyszy temu generowanie pęknięć i uszkodzeń w samej strukturze. W celu przeciwdziałania temu niekorzystnemu zjawisku wprowadza się stabilizatory w postaci tlenków, np. CeO 2, CaO, MgO, Y 2 O 3. Ich obecność powoduje powstanie wielofazowych materiałów. Wszystkie badania analizy chemicznej oraz faktograficznej prowadzone były dla jednego typu dwutlenku cyrkonu o nazwie handlowej Lava Badania termograwimetryczne Analiza termiczna to zespół różnych metod laboratoryjnych, wykorzystywanych do badań zmian wpływu temperatury na właściwości fizyczne substancji. Analiza ta polega na pomiarze wybranej właściwości w funkcji czasu lub temperatury, przy czym temperatura zmienia się w ściśle określony sposób. Metody te znalazły zastosowanie m.in. do identyfikacji składu fazowego substancji, pomiarów entalpii różnych przemian, badań kinetyki i mechanizmu reakcji. Umożliwiają również analizę reaktywności ciał stałych i cieczy, a także badanie przebiegu ważnych procesów, jakim mogą podlegać podczas zmiany temperatury, tj. reakcji rozkładu, utleniania i redukcji, topnienia, krystalizacji oraz innych przemian fazowych. Analiza termiczna pozwala więc wyznaczyć trwałość termiczną materiałów oraz określić zmiany stanu badanej substancji. Badania te pozwalają określić szereg cech charakteryzujących dany materiał. Badania termograwimetryczne (TG) wykonano na urządzeniu TG 209F3 Tarsus firmy Netzsch w zakresie temperatur od 30 C do 900 C z przyrostem temperatury 30 C, co 10 min aż do uzyskania temperatury 900 C. Pomiar prowadzono w otwartych tyglach ceramicznych w atmosferze azotu. Dzięki przeprowadzonej analizie przebiegu badania stwierdzono, że próbka zachowywała się w sposób stabilny, bez jakiejkolwiek zmiany masy. Dowodzi to, na brak zmiany chemicznej badanej próbki podczas wygrzewania do temp. 79

80 900 C. W pomiarach zauważono stabilność termiczną badanego materiału w rozpatrywanym zakresie temperatur. Na rys. 34 przedstawiono wykres zależności zmiany masy próbki w odniesieniu do temperatury. Rys. 33. Wykres zależności zmiany masy próbki od temperatury Dyfraktometria RTG Skład fazowy badanych prób określono na podstawie badań rentgenograficznych, przeprowadzonych na dyfraktometrze rentgenowskim z goniometrem URD 6 firmy Seifert, stosując promieniowanie CuKα i filtr niklowy RTG. Na rys. 35 przedstawiono dyfraktogram badanych prób. Za podstawę interpretacji dyfraktogramu badanej próby przyjęto porównanie z dyfraktogramem substancji wzorcowych. Linia ciągła na wykresie określa dyfraktogram próbki. Punkty, określają położenie pików w dyfraktogramach wzorcowych. Rys. 34. Interpretacja dyfraktogramów rentgenowskich dla badanych prób; faza I- punkty czerwone, faza II-punkty granatowe 80

81 Na rys. 35 przedstawiono również dyfraktogram umożliwiający identyfikacje faz dominujących w analizowanej próbie. Do analizy wykorzystano karty z bazy danych JCPDS. Faza tlenkowa, której udział jest największy zaznaczono jako fazę I (czerwone punkty), faza II (granatowe punkty) również dominuje, ale jest jej znacznie mniej. Można przypuszczać, że w próbkach przyjętych do badań dominuje ZrO oraz ZrO 2. Niewykluczone, że występują także inne fazy, których wzorców laboratorium nie posiada. Mieszaniny tlenków cyrkonu tworzą szereg roztworów stałych krystalizujących w układzie tetragonalnym. Parametry sieci zależą od stosunku masowego składników mieszaniny. Na dyfraktogramie otrzymuje się charakterystyczne krzywe, odpowiadające poszczególnym refleksom Badania derywatograficzne Próbkę poddano badaniom derywatograficznym, podczas których z wykresów termograwimetrycznych otrzymuje się wartości temperatur poszczególnych przemian. Na ich podstawie można dokładnie oszacować zmianę masy próbki wyrażonych w procentach masowych, przy temperaturze początkowej, końcowej i maksymalnej. Na rys. 36 przedstawiono krzywe termograwimetryczne próbki badanego cyrkonu. Jak widać na wykresie masa próbki w badanym zakresie temperaturowym nie uległa zmianie. Badania przeprowadzono w atmosferze powietrza na urządzeniu o nazwie Derivatogramie Q 1500 D (MOM Budapest) 5 /min. Rys. 35. Krzywe termograwimetryczne próbki, jako zależność zmiany masy próbki (mg) od temperatury ( C) Na wykresie oznaczono następujące krzywe krzywe: krzywą temperatury (T), krzywą termicznej analizy różnicowej (DTA), krzywą termograwimetryczną (TG), pochodną krzywej termograwimetrycznej (DTG). Krzywa temperatury T pełni funkcję pomocniczą i służy tylko do wyznaczania 81

82 temperatury przemian. Krzywa termograwimetryczna (TG) przedstawia w sposób ilościowy zmiany masy próbki powstałe w wyniku ilościowego wzrostu temperatury. Krzywa DTG z matematycznego punktu widzenia jest pierwszą pochodną wartości odłożonych na krzywej TG względem temperatury T. Kształt tej krzywej zależy zatem od wielkości masy i szybkości tych zmian. Pozwala łatwiej rozróżnić procesy następujące bezpośrednio po sobie, niż krzywa TG. Krzywa termiczna różnicowa DTA rejestruje efekty energetyczne endo- i egzotermiczne występujące w badanym materiale podczas ogrzewania, którym odpowiadają wychylenia poniżej i powyżej linii podstawowej, a pole powierzchni takiego wychylenia jest miernikiem wielkości efektu Analiza spektralna próbek cyrkonowych W celu określenia składu chemicznego warstwy wierzchniej próbek poddano je analizie rentgenowskiej. Do badań posłużył przenośny spektrometr rentgenowski XRF Bruker, przeznaczony do szybkiej analizy pierwiastkowej (model S1 TITAN). Pierwiastki wchodzące w skład próbek w badanych obszarach były oceniane ilościowo. Na rys. 37 przedstawiono przełom próbki wraz z zaznaczeniem miejsc, w których dokonano analizy pierwiastkowej. Rys. 36. Przełom próbki o numerze 3.44 wraz z zaznaczonymi miejscami pomiaru analizy pierwiastkowej 82

83 Badane próby cechowały się wyjątkowo wysoką i stabilną zawartością cyrkonu na powierzchni. Bez względu na miejsce punktu pomiarowego, analiza statystyczna wskazuje na brak istotnej różnicy pomiędzy zawartością cyrkonu na powierzchni próbki. Graficznym przedstawieniem wyniku pomiaru jest widmo spektrometryczne. Dla przykładu, na rys zostało przedstawione widmo wygenerowane po analizie materiału stomatologicznego o mało zróżnicowanym składzie chemicznym. Głównym składnikiem jest cyrkon (Zr) o największej energii, pozostałe zaznaczone piki odpowiadają za udział procentowy wapnia (Ca), węgla (C) oraz tlenu (O). Każdy pierwiastek emituje charakterystyczną energię, a w zależności od jego udziału procentowego powstały na wykresie refleks przybiera inny kształt lub wysokość. Rys. 37. Przykładowe widmo spektrometryczne pomiaru XRF dla Zr, C, O, Ca w punkcie 1 Rys. 38. Przykładowe widmo spektrometryczne pomiaru XRF dla Zr-L, C-K, O-K, Ca- K w punkcie 2 83

84 Otrzymane wyniki zestawiono w formie tabelarycznej. Pierwiastki główne (najczęściej występujące w próbce) zapisywane są w postaci beztlenowej, a ich udział jest prezentowany w procentach. W tabeli 27 przedstawiono procentowy udział poszczególnych pierwiastków z analizy widma spektrometrycznego dla punktu 1 i 2. W tabeli w kolumnach 3-6 przy symbolu pierwiastka oznaczono nazwę powłoki, z której elektron został wybity. Tabela 27. Procentowy udział poszczególnych pierwiastków z analizy widma spektrometrycznego Nr próbki Nr miejsca pomiaru Grupa pierwiastków przedstawiony na rys. 36 C-K O-K Ca-K Zr-L ,6 24,4 2,0 69, ,1 25,4 0,7 71,9 Skład pierwiastków i ich stosunek we wszystkich próbkach jest do siebie zbliżony. W losowo wybranych punktach pomiaru stwierdzono 50-60% ilość cyrkonu. Charakterystyka zawartości cyrkonu względem innych pierwiastków we wszystkich punktach pomiarowych kształtuje się bardzo podobnie. Otrzymane wyniki badań i ich analiza statystyczna dowodzą, że stężenie cyrkonu jest największe. Obecność pozostałych pierwiastków i odpowiadające im wartości przypuszczalnie świadczą o występowaniu w próbce zanieczyszczeń w postaci węglanu wapnia (CaCO 3 ) Badanie skaningowym mikroskopem elektronowym Zdjęcia badanych próbek wykonano przy pomocy Skaningowego Mikroskopu Elektronowemu Hitachi SU3500. Na rys. 40 przedstawione zostały przykładowe zdjęcia struktury przełomów próbek wykonanych z dwutlenku cyrkonu. Badanie wykazało, że podczas trzypunktowego zginania beleczek cyrkonowych miejsce inicjacji pęknięcia charakteryzuje się podwyższoną chropowatością. 84

85 a) b) c) d) Rys. 39. Przykładowy obraz mikroskopowy próbki cyrkonowej w powiększeniu: a) 1 mm, b) 50 µm, c) 100 µm, d) 200 µm 5.5. BADANIE KOMPUTEROWEJ MIKROTOMOGRAFII RENTGENOWSKIEJ ZĘBA NATURALNEGO Z DOKLEJONĄ KORONĄ PEŁNOCERAMICZNĄ Badanie mikrotomografii rentgenowskiej wykonywano na wysokorozdzielczym skanerze rentgenowskim GE Sensing&Inspection Technologies Phoenix - x-ray, Wunstorf, Germany, w Wydziałowym Laboratorium Mikrotomografii Komputerowej Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Wykorzystano oprogramowanie, w którym na podstawie rekonstrukcji dwuwymiarowych projekcji rentgenowskich zarejestrowanych pod różnymi kątami opracowano trójwymiarowy obraz zęba. Modele wykonano w programie Drishti. Do badań komputerowej mikrotomografii rentgenowskiej wykorzystywano następujące parametry: napięcie 160 kv, natężenie 60 µa, taktowanie detektora 500 ms. Użyto filtr miedziany 0,5 mm oraz Voxel o wielkości 10 µm. 85

86 Na rys. 41 przedstawiono obraz z mikrotomografu zęba naturalnego, do którego została przyklejona klejem Kerr MaxCem Elite korona pełnoceramiczna wykonana z dwutlenku cyrkonu, firmy Lava. a) b) Rys. 40. Zdjęcia komputerowej mikrotomografii rentgenowskiej dla kła użytego do badań; a) przekrój poprzeczny badanej próbki, b) przekrój wzdłużny badanej próbki Przeprowadzona analiza zdjęć mikrotomografii rentgenowskiej pozwoliła na stwierdzenie, że użyty klej wytrawił powierzchnię zęba naturalnego, zwiększając swój stopień integracji i tym samym zwiększając powierzchnię połączenia klejowego, natomiast powierzchnia dwutlenku cyrkonu została nienaruszona. Klej stomatologiczny użyty do połączenia korony pełnoceramicznej z zębem naturalnym wykazał właściwości mikroporowatości, co może obniżać jego wytrzymałość. 86

87 5.6. BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE DWUTLENKU CYRKONU Badanie wytrzymałości na ściskanie Badanie wytrzymałości na ściskanie beleczek z dwutlenku cyrkonu przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Instron Do badań wykorzystano dwie grupy próbek P1/1 i P1/3. Badania przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN wykorzystując siłomierz firmy Instron o wartości maksymalnego obciążenia osiowego ±25kN. Badania wytrzymałości na ściskanie beleczek z dwutlenku cyrkonu przeprowadzono dla prędkości aktuatora maszyny wytrzymałościowej wynoszącej 1 mm/min. Na rys. 42 przedstawiono widok próbki poddawanej ściskaniu. Rys. 41. Próbka z dwutlenku cyrkonu poddawana ściskaniu na maszynie wytrzymałościowej Instron 8874 Wyniki badania wytrzymałości na ściskanie przedstawiono w tabeli 28. Do badań użyto po 30 próbek. Tabela 28. Wyniki wytrzymałości na ściskanie Geometria Średnia wartość wytrzymałości na ściskanie [MPa] Odchylenie standardowe [MPa] Względne odchylenie standardowe [%] P1/1 3567,82 331,54 9,29 P1/3 3249,23 751,62 23,13 87

88 Na rys. 43 przedstawiono uśredniony wykres wyników przebiegu badania wytrzymałości na ściskanie dla 30 próbek o długości 4 mm. Wykres kończy wartość średnia. Linią punktową zaznaczono odchylenie wyników od średniej dla wartości wytrzymałości odkształcenia (przemieszczenie aktuatora). Wyniki badań dla próbek o długości 8 mm charakteryzowały się dużym rozrzutem wyników oraz trudnościami z przeprowadzeniem badania, co uniemożliwiło przedstawienie wyników badań w postaci wykresu. Rys. 42. Wykres średniej wartości przebiegu naprężenia z zaznaczonym prostokątem odchylenia standardowego Beleczki z dwutlenku cyrkonu po zakończeniu badań nie mogły być poddane analizie mikroskopowej ze względu na całkowite zniszczenie Analiza wyboczenia próbek poddawanych badaniu wytrzymałości na ściskanie Przeprowadzone badania wytrzymałości na ściskanie dla próbek o długości 4 mm i 8 mm wykazały znaczące różnice wytrzymałości, dlatego zdecydowano się na kontrolne przeprowadzenie analizy wyboczenia próbek. W pierwszej kolejności wyznaczono smukłość: gdzie: S smukłość, l długość elementu [mm], µ współczynnik zależny od rodzaju mocowania elementu, najmniejszy promień bezwładności przekroju poprzecznego, [mm]. 88

89 Na rys. 44 przedstawiono wybrany rodzaj mocowania próbki do badań. Rys. 43. Mocowanie próbki wraz z współczynnikiem zależnym Wzór na najmniejszy promień bezwładności przekroju elementu jest następujący: gdzie: najmniejszy główny centralny moment bezwładności przekroju elementu [mm 3 ], A pole przekroju poprzecznego elementu [mm 2 ]. Podstawiając poszczególne wartości przekroju poprzecznego związane z geometrią tylko jednej grupy próbek 1,5 mm x 1,5 mm x 4 mm. Otrzymano wynik smukłości S = 9,501 dla warunku, gdzie S<40 nie zachodzi potrzeba sprawdzania elementu z warunku na wyboczenie Badanie dwutlenku cyrkonu przy 3-punktowym zginaniu dla monotonicznego przyrostu obciążenia Monotoniczne badanie trzypunktowego zginania zostało przeprowadzone na maszynie wytrzymałościowej Instron 8874, przy wykorzystaniu siłomierza tensometrycznego tej samej firmy, o zakresie obciążenia ± 5 kn. Badania prowadzone były na wcześniej zaprojektowanym i wykonanym uchwycie do trzy- i czteropunktowego zginania. Do badań prowadzonych zgodnie z normą PN-EN wykorzystano dwie grupy próbek o różnej geometrii: grupa P1/4 i P2. Pierwsza badana grupa miała wymiary 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm, drugą grupą były próbki o wymiarach 2 mm x 2,5 mm x 25 mm. Prędkość aktuatora maszyny wytrzymałościowej wynosiła 0,5 mm/min. Zgodnie z normą próbka obciążona powinna ulec zniszczeniu w przedziale czasowym 5-15 s. W normie zostało również zaznaczone, że promienie podpory stykającej się z próbką muszą wynosić 1,5x 89

90 grubości próbki. Przebadano 22 próbki dla grupy P1/4 i 30 próbek dla każdego materiału grupy P2. Na rys. 45 przedstawiono uchwyt do badań trzypunktowego zginania umieszczony w szczękach maszyny wytrzymałościowej Instron Rys. 44. Uchwyt do badania 3 punktowego zginania a) Grupa próbek P1 Wytrzymałość na trzypunktowe zginanie została obliczona z wzoru: gdzie: F maksymalna siła w momencie pęknięcia [N], b średnia z trzech oznaczeń szerokość próbki [mm], h średnia z trzech oznaczeń grubość próbki [mm], l odległość między środkami zewnętrznych rolek podpierających [mm]. W tabeli 29 przedstawiono wyniki monotonicznego trzypunktowego zginania dla zaproponowanej geometrii z grupy P1/4. Tabela 29. Wyniki monotonicznego trzypunktowego zginania dla materiału o nazwie Cyrkon Lava dla geometrii z grupy P1/4: 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm Materiał Średnia wytrzymałość na zginanie [MPa] Odchylenie standardowe [MPa] Względne odchylenie standardowe [%] 90

91 Lava 978,17 78,32 8,11 W tabeli 30 zestawiono wyniki analizy rozkładu Weibulla, przeprowadzonego dla badań statycznej wytrzymałości na ściskanie, dla próbek o geometrii 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm. Wyniki analizy rozkładu Weibulla dla badań trzypunktowego zginania zestawiono w tabeli 30 i przedstawiono na rys. 46 oraz rys. 47. W tabeli 30 przedstawiono analizę wyników dla grupy P1/4. Do badań i analizy wykorzystano N = 22 próbki, otrzymując wytrzymałość charakterystyczną σ 0 = 1026,7 MPa, współczynnik determinacji R 2 = 0,95 i moduł Weibulla m = 14. Tabela 30. Zestawienie wyników dla analizy Weibulla dla geometrii 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm Materiał N σ 0 [MPa] R 2 m Lava ,7 0,95 14 Na rys. 46 przedstawiono aproksymację rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na trzypunktowe zginanie, przedstawiono również współczynnik determinacji R 2. Rys. 45. Aproksymacja rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na trzypunktowe zginanie dwutlenku cyrkonu dla materiału: Lava o geometrii 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm 91

92 Na rys. 47 przedstawiono dystrybuantę rozkładu Weibulla dla materiału Lava o geometrii z grupy P1/4. Zaznaczono również charakterystyczną wartość 63,3%, dla której wytrzymałość według analizy wynosi σ 0 = 1026,7 MPa. Rys. 46. Dystrybuanta rozkład Weibulla dla dwutlenku cyrkonu ze względu na wytrzymałość na zginanie dla materiału: Lava o geometrii 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm b) Grupa próbek P2 W tabeli 31 przedstawiono wyniki monotonicznego trzypunktowego zginania dla materiałów Zirkonzahn, Cercon, Lava. Wyniki badania dla Zirconzahn są następujące: średnia wytrzymałość na zginanie 900,39 MPa, odchylenie standardowe 151,83 MPa oraz względne odchylenie standardowe 16,86%. Dla Cercon: średnia wytrzymałość na zginanie 802,18 MPa, odchylenie standardowe 186,33 MPa oraz względne odchylenie standardowe 23,22%. Dla Lavy: średnia wytrzymałość na zginanie 985,57 MPa, odchylenie standardowe 182,87 MPa oraz względne odchylenie standardowe 18,55%. Warto zwrócić uwagę, że badania te prowadzone dla próbek z grupy geometrii P2 prowadzone były przy współpracy z prof. dr hab. n. med. Wiesławem Hędzelkiem oraz lek. dent. Adamem Piosikiem z Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, Wydział Lekarski II, Klinika Protetyki. Współpraca w tematyce wymienionych materiałów pełnoceramicznych wciąż jest realizowana. Tematem badań jest chęć sprawdzenia jaki wpływ na wytrzymałość mają różne procesy wypalania synteryzowania dwutlenku cyrkonu różnych producentów. 92

93 Tabela 31. Wyniki monotonicznego trzypunktowego zginania dla materiałów o nazwie Zirconzahn, Cercon, Lava i geometrii z grupy P2: 2,5 mm x 2 mm x 25 mm Materiał Średnia wytrzymałość na zginanie [MPa] Odchylenie standardowe [MPa] Względne odchylenie standardowe [%] Zirkonzahn 900,39 151,83 16,86 Cercon 802,18 186,33 23,22 Lava 985,57 182,87 18,55 Wykonano również analizę wyników dla próbek normatywnych z grupy P2, którą przedstawiono w tabeli 32. Przedstawiono w niej liczebność próby N, wytrzymałość charakterystyczną σ 0, R 2 oraz moduł m. Tabela 32. Wyniki analizy rozkładu Weibulla dla geometrii 2,5 mm x 2 mm x 25 mm Materiał N σ 0 [MPa] R 2 m Cercon ,68 0,9754 7,3 Zirkonzahn ,96 0,969 8,4 Lava ,30 0,961 12,1 Na rys. 48 przedstawiono aproksymację rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na trzypunktowe zginanie dla trzech analizowanych materiałów wraz z wartościami współczynnika determinacji R 2 dla poszczególnych materiałów. Rys. 47. Aproksymacja rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na trzypunktowe zginanie dwutlenku cyrkonu dla trzech materiałów: Zirkonzahn, Cercon, Lava dla geometrii 2,5 mm x 2 mm x 25 mm Na rys. 49 przedstawiono dystrybuantę rozkładu Weibulla dla badanych materiałów. Zaznaczono również charakterystyczną wartość 93

94 63,3%, dla której wytrzymałość według analizy wynosi σ 0 = 1068,30 MPa dla Lavy, σ 0 = 888,68 MPa dla Cercon, σ 0 = 969,96 MPa dla Zirkonzahn. Rys. 48. Dystrybuanta rozkład Weibulla dla dwutlenku cyrkonu ze względu na wytrzymałość na zginanie dla trzech materiałów: Lava, Cercon, Zirkonzahn dla geometrii 2,5 mm x 2 mm x 25 mm. W tabeli 33 przedstawiono analizę statystyczną testem ANOVA badania trzypunktowego zginania dla trzech materiałów dwutlenków cyrkonu różnych producentów. Tabela 33. Analiza statystyczna testem ANOVA z analiza POST-HOC testem Scheffe naprężeń dla 3 punktowego zginania między badanymi materiałami tabela wartość p Typ próbki Zirkonzahn Lava Zirconzahn - - Lava 0, Cercon 0,1031 0,0005 Przeprowadzona analiza wykazała istotne statystyczne różnice między wartościami naprężeń dla próbek wykonanych z materiału firmy Lava, a próbkami wykonanymi, z firmy Cercon. Dla drugiej firmy uzyskano niższe wartości. Porównanie między firmą Zikonzahn, a Lava i Cercon nie wykazało istotnie statystycznych różnic pod względem wytrzymałości na trzypunktowe zginanie. Na rys. 50 wykresem pudełkowym przedstawiono wartość średnią wraz z rozrzutem wytrzymałość na trzypunktowe zginanie. 94

95 Rys. 49. Graficzne przedstawienie wyników wytrzymałości na trzypunktowe zginanie próbek cyrkonu pochodzących od trzech różnych producentów Zmęczeniowe badanie trzypunktowego zginania Eksperyment prowadzony był zgodnie z normą PN-EN Do badań wykorzystano grupę próbek P1/4 o wymiarach 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm. Użyto również siłomierza tensometrycznego o zakresie ± 5 kn, a badania prowadzone był przy cyklu sinusoidalnym jednostronnym ujemnym. Współczynnik asymetrii cyklu wynosił R=σ min /σ max = 0,1 częstotliwość zmiany obciążenia 5 Hz. Z badań statycznego trzypunktowego zginania przyjęto przedział zmienności naprężenia MPa. Do badań wykorzystano 30 próbek, prowadząc eksperyment do całkowitego zniszczenia. Na rys. 51 przedstawiono poszerzony wykres krzywej S-N otrzymany z badań. Warto zwrócić uwagę na znaczny rozrzut otrzymanych wyników przy zmienności naprężeń, co jest charakterystyczne dla badań cyrkonu [10, 19, 20]. 95

96 Rys. 50. Poszerzony wykres krzywej S-N z badań trzypunktowego zginania Na wykresie przyjęto jako początkowe wartości wykresu 1134 MPa, 986 MPa i 817 MPa, tj. odpowiednio wartość maksymalną, średnią i minimalną naprężenia niszczącego otrzymanego z badań monotonicznego trzypunktowego zginania. W konsekwencji uzyskano hipotetyczny maksymalny, średni i minimalny wykres zmęczeniowy, odpowiednio o wartościach współczynnika determinacji R 2 = 0,47, R 2 = 0,67, R 2 = 0,13. Wyniki badań stałoamplitudowych przedstawiono w tabeli 34 w postaci zakresu zmienności trwałości, jej wartości średniej i odchylenia standardowego. Tabela 34. Wyniki badań stałoamplitudowych Naprężenie [MPa] Liczba próbek Zakres trwałości Średnia trwałość w cyklach Odchylenie standardowe w cyklach , Jednocześnie wyniki te przedstawiono w postaci czerwonych punktów na rys. 53 wyników stałoamplitudowych zaczerpniętych z literatury dla tego samego dwutlenku cyrkonu. Wyniki badań zmęczeniowych literaturowych uzupełniono o wartości wytrzymałości statycznej minimalnej, średniej i maksymalnej oraz dla wszystkich tych danych wyniki zmęczeniowe oraz odpowiednie wartości wytrzymałości statycznej minimalnej, średniej i maksymalnej. Dla układu współrzędnych bilogarytmicznych obliczono linie regresji i wartości współczynnika determinacji R 2. Uzyskane wyniki obliczeń wprowadzono na rys. 52 jako linie regesji odpowiednio: niebieska (minimalna), 96

97 czarna (średnia) i czerwona (maksymalna), wraz ze stosownymi równaniami regresji i wartościami współczynnika determinacji. Rys. 51. Wykresy zmęczeniowe dla danych literaturowych wraz z liniami trendu. Punkty czerwone wyniki badań własnych pozostałe z pracy [10] Włączenie do zbioru danych z literatury oraz wyników badań własnych w nieznacznym stopniu zmieniło wyniki obliczeń, co przedstawiono na rys. 53. Rysunek ten został wykonany wg zasad przyjętych na rys. 52. Warto zwrócić uwagę, że wyniki obliczeń dla danych ze średnią wartością wytrzymałości statycznej (wyróżnione czerwoną czcionką) w zakresie liczb znaczących podanych na wykresie nie zmieniły się. Rys. 52. Wykresy zmęczeniowe dla danych literaturowych [10] i wyników badań własnych Analiza kumulacji uszkodzeń P-M badania ze stopniowo narastającą siłą zmienną W związku ze znacznym rozrzutem trwałości dla niewielkich zmian naprężenia maksymalnego w próbie ze stałą amplitudą obciążenia przeprowadzono badanie ze stopniowo narastającym obciążeniem. 97

98 Badanie ze stopniowo narastającą siłą przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Instron 8874 na próbkach z grupy P1/4 o wymiarach 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm poddanych trzypunktowemu zginaniu zgodnie z normą PN-EN 843-1:2006. Pierwszą grupę próbek obciążono naprężeniem wstępnym stałoamplitudowym ściskającym o wartości 700 MPa przez 5 x 10 4 cykli, a następnie wartość naprężenia wzrastała o 10 MPa, co kolejne 2 x 10 3 cykli, aż do zniszczenia próbki. Dla drugiej grupy to samo obciążenie wstępne realizowano przez 10 5 cykli, a następnie obciążenie narastało stopniowo wg zasad przyjętych dla grupy pierwszej. Na rys. 52 na wykresie o współrzędnych obciążenie liczba cykli zostały przedstawione schematy obciążeń. Częstotliwość zmian obciążenia wynosiła 5 Hz. Zwraca uwagę fakt, że próbki obciążone były większym obciążeniem niż to wynika z badań stałoamplitudowych. Zjawisko to znane jest z literatury i określane jako efekt wzmocnienia materiału. Analizę efektów wzmocnienia materiału oparto na ocenie stopnia uszkodzenia wg liniowej hipotezy kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych Palmgrena-Minera (P-M). Jest to hipoteza, która zakłada, że w momencie zniszczenia zmęczeniowego, uszkodzenie próbki/elementu konstrukcyjnego, definiowane jest ilorazem n i /N i i równe jest 1. W liczniku n i to liczba cykli zrealizowana na poziomie obciążenia "i", w mianowniku określona z wykresu S-N (Wöhlera) wynoszącego N i. Suma obejmuje wszystkie w pełni zrealizowane stopnie obciążenia/naprężenia i liczbę cykli ostatniego stopnia obciążenia/naprężenia, przy której próbka uległa zniszczeniu. Rys. 53. Schemat obciążenia i wyniki badań trzypunktowego zginania przy stopniowo narastającym obciążeniu Punkty przedstawione na schemacie obciążenia rys. 52 to wyniki badań. Przedstawiają one (dla poszczególnych próbek) odpowiednie stopnie obciążenia, przy których próbki ulegały uszkodzeniu. Zestawiając wyniki przeprowadzonych badań: jedna próbka pękła na 10 stopniu (790 MPa), cztery 98

99 na 12 stopniu (810 MPa), po dwie próbki na 13 (820 MPa) i 14 stopniu (830 MPa) oraz po jednej próbce na stopniu 15 i 16 (odpowiednio 840 MPa i 850 MPa). Mniejsza liczba punktów widocznych na wykresie, niż próbek przyjętych do badań wynika z pokrycia wartości uzyskanych wyników. Analizę kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych oparto na przyjęciu założenia wykorzystania średniej krzywej zmęczeniowej przedstawionej na rys. 53 (opis czerwonym kolorem) wyznaczonej dla danych literaturowych i danych własnych o równaniu regresji: y = - 0,012ln(x) + 2,8722. Przyjęcie z równania regresji jako niezmiennej wartości współczynnika kierunkowego i liniowej hipotezy kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych, tj. zapisu, że Σni/Ni = 1 pozwala wyznaczyć wyraz wolny b równania dla każdej z 11 przebadanych próbek. Rozkład prawdopodobieństwa tak wyznaczonych wartości b w siatce rozkładu normalnego przedstawiono na rys. 55. Rys. 54. Rozkład prawdopodobieństwa obliczeniowej wartości wyrazu wolnego b Liniowość rozkładu w tej siatce (wysoka wartość R 2 ) pozwala uznać uzyskany rozkład wartości współczynnika b za rozkład normalny. Jego wartość średnia wynosi 2,9286, a odchylenie standardowe 0,0088. Wykres zmęczeniowy średni w zakresie spełniania hipotezy Palmgrena- Minera o równaniu y = 0,0124ln(x) + 2,9286, w którym współczynnik kierunkowy ma wartość współczynnika kierunkowego średniego wyróżniono na rys. 52 i wartość średnią współczynnika b z rys. 55 przedstawiono na rys

100 Rys. 55. Wykres z danymi literaturowymi i z badań wytrzymałościowych wraz z liniami trendu dla wartości maksymalnej, minimalnej i średniej wraz z linią obliczoną z P-M (linia jasno niebieska) Wykres ten jest wyraźnie wyżej usytuowany od pozostałych, a w przypadku wykresu odniesienia (rys. 52) i wykresu średniego (rys. 56) różnica przemieszczenia pomiędzy nimi wynosi ponad 102 MPa, co stanowi zwiększenie wytrzymałości blisko o 14%. Już tylko dla najmniejszej obliczeniowej wartości b, tj. 2,9125 różnica wytrzymałości to ponad 72 MPa, tj. blisko 10%. Uzyskane wyniki potwierdzają zatem wzmocnienie materiału w wyniku jego obciążania, co przypisać należy przemianom strukturalnym w materiale. Gdyby odwrócić sytuację i dla tak zdefiniowanego wykresu średniego dokonać obliczeń sumy Palmgrena-Minera to uzyskane rezultaty w siatce rozkładu normalnego przedstawiałyby się jak na rys. 57. Liniowe usytuowanie uzyskanych rezultatów (R 2 = 0,8452) wskazuje na możliwość założenia ich rozkładu, jako rozkładu normalnego. Warto zauważyć, że z 11 wyników obliczeń tylko 4 sumy P-M mieszczą się w zakresie 0,001-10, co i tak jest znacznym zakresem. Zatem należy uznać rozpatrywaną hipotezę za nieadekwatną do opisu wyników uzyskanych w badaniach. Płaskość wykresu zmęczeniowego wykazywana w wielu badaniach cyrkonowej ceramiki stosowanej w dentystyce i opisywane wcześniej zmiany strukturalne sprzyjają znacznemu rozrzutowi wyników obliczeń zwłaszcza przy znacznej niejednorodności wyników badań. W ramach jednej grupy analizowanego obciążenia różnica naprężeń dla stopni obciążenia, przy których nastąpiło zniszczenie próbek to aż 60 MPa przy maksymalnym zakresie tej zmienności, tj. od 700 MPa do 850 MPa, wynoszącym 150 MPa. Wszystko to prowadzi do sytuacji, w której dla jednej próbki suma P-M jest bliska 0, a dla innej przekracza

101 Rys. 56. Rozkład prawdopodobieństwa dla wartości sumy P-M dla średniego wykresu zmęczeniowego Statyczne badania wytrzymałości na rozciąganie-ścinanie połączenia klejowego stal - cyrkon - stal (S-C-S) Badania monotonicznej wytrzymałości na rozciąganie-ścinanie połączenia klejowego prowadzony były na maszynie wytrzymałościowej Instron 8874 z wykorzystaniem siłomierza o zakresie pomiarowym ± 5 kn. Do badań przyjęto 30 próbek z grupy P1/3 o wymiarze 1,5 mm x 1,5 mm x 8 mm, które następnie zostały doklejone do stali nierdzewnej klejem: 3M ESPE RelyX U200 Automix oraz Kerr Maxcem Elite. Na rys. 58 przedstawiono schemat połączenia klejowego. Rys. 57. Schemat połączenia klejowego Uzyskane wyniki badań przedstawiono w tabeli 35. Średnie wartości siły niszczącej połączenie wynoszą odpowiednio 63,5 N dla RelyX i 65,8 N dla Maxcem, średnie wartości naprężenia około 7 MPa dla dwóch badanych materiałów. Bardzo duży rozrzut wyników wynoszący 16% i 14% może świadczyć o wielu czynnikach mających wpływ na wytrzymałość połączeń klejowych. 101

102 Tabela 35. Wyniki badań dla połączenia klejowego klejów: 3M ESPE RelyX U200 i Kerr Maxcem Elite Rodzaj kleju 3M ESPE RelyX U 200 Automix Kerr Maxcem Elite Wartość średnia siły niszczącej [N] Wartość średnia naprężenia [MPa] Odchylenie standardowe dla wartości siły [N] Względne odchylenie standardowe [%] 63,5 7,1 10,2 16,5 65,8 7,3 7,1 14,3 Jednym z elementów decydującym o wytrzymałości połączenia klejowego jest wielkość wypływki. Efekt ten trzeba wiązać z ilością wypłynięcia kleju na brzegi skleiny, która tym samym zwiększa powierzchnię sklejenia. Kolejnym czynnikiem jest sposób przygotowania powierzchni. Powierzchnie klejone powinny być czyste i odtłuszczone. Na rys. 59 przedstawiony został wykres średniej wartości siły dla badania statycznego rozciągania. Umieszczono również rozrzut wyników dla dwóch badanych materiałów. Rys. 58. Wykres średniej wartości siły niszczącej połączenia klejowego wraz z zaznaczeniem rozrzutu wyników Analiza wyników badań wytrzymałości połączenia klejowego na monotoniczne ścinanie z rozciąganiem Przeprowadzono analizę niezawodności połączenia klejowego, przy wykorzystaniu rozkład Weibulla. Jej wyniki przedstawiono w tabeli 36, dla obu grup próbek w zależności od rodzaju kleju: 3M RelyX i MaxCem Elite. 102

103 Literą N oznaczono liczebność próbek przyjętych do badań, σ 0 wytrzymałość charakterystyczną, R 2 współczynnik determinacji i m moduł Weibulla. Tabela 36. Zestawienie wyników dla analizy Weibulla dla kleju 3M RelyX i MaxCem Elite Rodzaj kleju N σ 0 [MPa] R2 m 3M RelyX 15 7,32 0,97 29 MaxCem Elite 15 9,71 0,9 24 Analizując wyniki z tabeli 36 można zauważyć, że klej MaxCem Elite charakteryzuje się wyższą wartością wytrzymałości charakterystycznej σ 0. Posiada on niższy moduł m oraz niższą wartość współczynnika determinacji R 2. Dla przebadanych próbek współczynnik determinacji R 2 jest różny tj. dla 3M RelyX wynosi 0,97, a dla MaxCem Elite 0,9, co w jednoznaczny sposób trzeba wiązać tylko z charakterystyką kleju. Na rys. 60 przedstawiono aproksymację rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na rozciąganie - ścinanie próbek z dwutlenku cyrkonu, które zostały połączone klejem 3M RelyX i MaxCem Elite. Rys. 59. Aproksymacja rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na rozciąganie - ścinanie dla próbek sklejonych klejem 3M RelyX i MaxCem Elite Na rys. 61 przedstawiono dystrybuantę rozkładu Weibulla dla badanego materiału, linią poziomą zaznaczono prawdopodobieństwo uszkodzenia P f = 63,3% odpowiadające charakterystycznej σ o. 103

104 Rys. 60. Dystrybuanta rozkładu Weibulla dla badanych połączeń klejowych 3M RelyX i MaxCem Elite Statyczne badania wytrzymałości, na ścinanie techniczne, połączenia klejowego między beleczkami z dwutlenku cyrkonu (C-C) Do badań wykorzystano 30 par próbek z grupy P1/4 o geometrii 1,5 mm x 1,5 mm x 12 mm. Badania prowadzone były zgodnie z wytycznymi norm PN-EN ISO 13445, PN-EN ISO 29022, PN-EN ISO Wykorzystano również zaprojektowane i wykonane urządzenia do badania wytrzymałości na ścinanie połączenia klejowego oraz urządzenie ze stałym dociskiem, które opisane we wcześniejszym rozdziale. Dla 30 par próbek klejonych obliczono grubość kleju wynoszącą 0,05 mm ± 0,002 mm. Otrzymane próbki z dwutlenku cyrkonu klejone były, jak przedstawiono na rys. 62. Rys. 61. Schemat połączenia klejowego Wyniki badań dla statycznej wytrzymałości na ścinanie przedstawiono w tabeli 37. Próbki przed badaniem zostały sprawdzone pod mikroskopem w celu określenia poprawności połączenia klejowego. 104

105 Tabela 37. Wyniki monotonicznej wytrzymałości na ścinanie Liczba próbek Średnia wartość pola powierzchni kleju [mm 2 ] Średnia wartość wytrzymałości na ścinanie [MPa] Odchylenie standardowe [MPa] Względne odchylenie standardowe [%] 30 5,3 16,8 3,9 22,9 Uzyskano następujące wyniki aproksymacji danych eksperymentalnych za pomocą rozkładu Weibulla, które przedstawiono w tabeli 38. Tabela 38. Wyniki analizy rozkładu Weibulla N σ o [MPa] R 2 m 30 18,6 0,9539 8,7 Liniową aproksymację po logarytmicznym przekształceniu wyników testu wytrzymałości na ścinanie techniczne oraz równanie regresji i współczynnik determinacji przedstawiono na rys. 63. Rys. 62. Aproksymacja rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na ścinanie dla próbek sklejonych klejem 3M RelyX Rys. 64 przedstawia dystrybuantę rozkładu Weibulla dla badanego materiału. Linią poziomą zaznaczono prawdopodobieństwo uszkodzenia P f = 63,3%, które odpowiada charakterystycznej wartości σ o. 105

106 Rys. 63. Dystrybuanta rozkładu Weibulla badanego połączenia klejowego 3M RelyX Badania zmęczeniowe, wytrzymałości na ścinanie techniczne, połączenia klejowego beleczek z dwutlenku cyrkonu (C-C) Na rys. 65 przedstawiono wykres zmęczeniowy wytrzymałości na ścinanie. Do badań użyto siłomierza tensometrycznego o zakresie ± 5 kn, a badania prowadzone był przy cyklu sinusoidalnym jednostronnym ujemnym. Współczynnik asymetrii cyklu wynosił R=σ min /σ max = 0,1 częstotliwość zmiany obciążenia 5 Hz. Wykres uzupełniono o wartość średnią wynoszącą 16,8 MPa dla n = /4 cyklu, aby w lepszy sposób zobrazować w jakim przedziale naprężeń jest w stanie pracować stworzone połączenie klejowe. Rys. 64. Wykres zmęczeniowy wytrzymałości na ścinanie techniczne 106

107 Badania monotoniczne, wytrzymałości na ścinanie techniczne, połączenia klejowego ząb naturalny dwutlenek cyrkonu Badania prowadzone były na maszynie wytrzymałościowej Instron 8874 wykorzystując wcześniej przygotowane urządzenie do badań wytrzymałości na ścinanie. Beleczka o geometrii z grupy P1/4 została doklejona klejem stomatologicznym o nazwie handlowej Kerr Maxcem Elite do wcześniej zeszlifowanego zęba naturalnego. W tabeli 39 zestawiono wyniki badań monotonicznej wytrzymałości na ścinanie. Tabela 39. Wyniki badań monotonicznej wytrzymałości na ścinanie Liczba próbek Średnia wartość pola powierzchni kleju [mm 2 ] Średnia wartość wytrzymałości na ścinanie [MPa] Odchylenie standardowe [MPa] Względne odchylenie standardowe [%] 10 11,22 4,87 1,04 21,43 Do badań użyto 10 próbek. Średnia wartość powierzchni klejonej wynosi 11,22 mm 2, średnia wartość naprężenia 4,87 MPa, odchylenie standardowe 1,04 MPa, a względne odchylenie standardowe 21,43%. Wyniki poddano analizie według normy PN-EN mówiącej o analizie statystycznej wyników badań ceramiki technicznej opierając się na dwuparametrycznym rozkładzie Weibulla. W tabeli 40 przedstawiono wyniki analizy rozkładu Weibulla. Wartość charakterystyczna σ o = 5,35 MPa, współczynnik determinacji R 2 = 0,9502, a moduł Weibulla wynosił m = 12. Tabela 40. Wyniki analizy rozkładu Weibulla dla badania wytrzymałości ścinanie techniczne połączenia klejowego N σ o [MPa] R 2 m 10 5,35 0, Na rys. 66 przedstawiono aproksymację rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na zginanie dla połączenia klejowego pomiędzy beleczką cyrkonową, a zębem naturalnym. Przedstawiono również współczynniki determinacji R

108 Rys. 65. Aproksymacja rozkładu prawdopodobieństwa wytrzymałości na ścinanie dla próbek sklejonych klejem 3M RelyX, pomiędzy beleczką z dwutlenku cyrkonu, a zębem naturalnym Na rys. 67 przedstawiono dystrybuantę rozkładu Weibulla dla połączenia klejowego między beleczką z dwutlenku cyrkonu, a zębem naturalnym. Zaznaczono również charakterystyczną wartość 63,3%, dla której wytrzymałość według analizy wynosi σ o = 5,35 MPa. Rys. 66. Dystrybuanta rozkładu Weibulla badanego połączenia sklejonego klejem 3M RelyX, pomiędzy beleczką z dwutlenku cyrkonu, a zębem naturalnym 108

109 5.7. BADANIE ZŁOŻONEGO ELEMENTU KONSTRUKCYJNEGO ZĄB DWUTLENEK CYRKONU Końcowym krokiem w podejmowanych rozważaniach była analiza całego układu ząb dwutlenek cyrkonu. Badania podjęto w dwóch płaszczyznach: eksperymentalnej na rzeczywistym obiekcie i wirtualnej, z zastosowaniem metody elementów skończonych Badanie monotoniczne wytrzymałości ząb naturalny dwutlenek cyrkonu dla normatywnego obciążenia Badania prowadzone były na maszynie wytrzymałościowej Instron Do badań użyto wcześniej przygotowanych próbek. Na rys. 68 przedstawiono schemat prowadzonych badań monotonicznej wytrzymałości całego elementu dla normatywnego obciążenia. Rys. 67. Schemat badań statycznej wytrzymałości zęba naturalnego z doklejoną koroną z dwutlenku cyrkonu W tabeli 41 przedstawiono wyniki statycznej wytrzymałości zęba naturalnego z doklejoną koroną z dwutlenku cyrkonu. Tabela. 41. Wyniki statycznej wytrzymałości zęba naturalnego z doklejoną koroną z dwutlenku cyrkonu L.p. Pozycja zęba w jamie ustnej Wartość siły niszczącej [N] 1. kieł 575,39 2. kieł 811,08 3. przedtrzonowiec 631,46 4. przedtrzonowiec 742,05 5. przedtrzonowiec 874,45 6. trzonowiec 1392,53 7. trzonowiec 1378,62 109

110 Na rys. 69 przedstawiono postaci uszkodzeń zębów dla poszczególnych pozycji zęba w jamie ustnej. a) b) c) Rys. 68. Postaci uszkodzeń a) kła, b) przedtrzonowca, c) trzonowca 110

111 Przeprowadzono analizę uszkodzenia zęba naturalnego z doklejoną koroną pełnoceramiczną. Wyniki analizy dla poszczególnych zębów przedstawiały się następująco: w przypadku kła następowało całkowite zniszczenie obiektu korony pełnoceramicznej oraz zęba; zauważono pozostałości kleju stomatologicznego tylko i wyłączenie na powierzchni uszkodzonego zęba, w przypadku przedtrzonowca charakterystycznym było częściowe odłamanie korony pełnoceramicznej; na odłamanym fragmencie nie stwierdzono obecności kleju, w przypadku trzonowca następowało całkowite zniszczenie korony pełnoceramicznej; klej stomatologiczny stwierdzono na zębie naturalnym. Analizowane uszkodzenia jednoznacznie wskazują, że klej stomatologiczny podczas uszkodzenia pozostaje na powierzchni zęba. Badania "in vivo" przeprowadzili również lekarze stomatolodzy ze współpracujących klinik. Zauważono, że przy odklejeniu się korony pełnoceramicznej klej pozostaje tylko i wyłączenie na powierzchni wcześniej oszlifowanego zęba. Wskazuje to na zniszczenie połączenia klejowego na styku klej korona w konsekwencji pojawia się inne podparcie korony na oszlifowanym zębie. Efekty zniszczenia wskazują na pojawienie się lokalnych naprężeń, wynikających zapewne z obciążenia giętnego powodującego zniszczenie korony Analiza złożonego modelu ząb dwutlenek cyrkonu za pomocą metody elementów skończonych Analizowany złożony model ząb dwutlenek cyrkonu obejmuje dwie jednostki funkcjonalne: oszlifowany ząb naturalny trzonowy oraz pełnoceramiczną koronę. Geometria zęba została pozyskana z portalu internetowego [120] pozwalającego na udostępnianie modeli CAD/CAM. Użytkownicy zapewniają o bardzo dużej dokładności wykonania modeli geometrycznych i wiernym odtworzeniu każdej płaszczyzny zęba. Niektóre z modeli uzyskane zostały przez łączenie obrazów z mikrotomografu. Na rys. 70a został przedstawiony model CAD oszlifowanego zęba, a na rys. 70b przedstawiono model CAD korony. a) b) Rys. 69. Model bryłowy CAD; a) oszlifowanego zęba, b) pełnoceramicznej korony 111

112 Obliczenia wykonano na Wydziale Inżynierii Mechanicznej pod nadzorem pracowników z Zakładu Metod Komputerowych przy pomocy pakietu Ansys wersja Przekształcono model siatkowy na powierzchniowy, a następnie bryłowy w programie Autodesk Inventor Zauważono zmiany geometrii, które wynikają ze zmian modelu podczas przekształceń. Są one bardzo niewielkie, zdaniem autora pracy pomijalne. Następnie model poddano dyskretyzacji, tworząc siatkę z elementów skończonych. Naniesiono siatkę elementów skończonych składającą się z węzłów, elementów. Cały model zęba z koroną został jednak podzielony na dwa elementy (koronę oraz opracowany ząb). Po zaimportowaniu geometrii i przeliczeniu siatki elementów skończonych odpowiednim elementom nadano wartości współczynników materiałowych, wykorzystując przy tym doświadczenia z badań własnych oraz danych literaturowych. Do stworzenia lepszego dopasowania siatki wykorzystano funkcję on curvature elementy dopasowane do krzywizny powierzchni. Przyjęte wartości materiałowe podano w tabeli 42. Tab. 42. Dane materiałowe wykorzystane do analizy MES Nazwa części Moduł Younga [MPa] Współczynnik Poissona Ząb ,210 Korona pełnoceramiczna z materiału Lava ,310 Na rys. 71 przedstawiono model zęba z koroną pełnoceramiczną. Do zamodelowanego zęba przyłożono bryłę, która odzwierciedla nacisk przeciwstawnego zęba. Zaznaczono również gdzie, i w jaki sposób, została przyłożona siła na podobieństwo badań eksperymentalnych. Bryła została połączona z konstrukcją zęba za pomocą funkcji frictionless. Jest to kontakt beztarciowy pozwalający na wzajemne przemieszczanie się i separację elementów. Pomiędzy zębem, a koroną pełnoceramiczną w programie Ansys zastosowano specjalne połączenie "bonded", które nie pozwala na przemieszczanie się łączonych elementów, co symulowało uproszczony sposób zamodelowanie połączenia klejowego. 112

113 Rys. 70. Model zęba z koroną, czerwoną strzałką zaznaczono kierunek i kąt przyłożenia siły Na rys. 72a i rys. 72b przedstawiono mapę naprężeń wraz z zaznaczonymi punktami maksymalnych naprężeń na połączeniu zęba i pełnoceramicznej korony. W analizowanych przypadkach została przyłożona siła pod kątem 45, której wartość wynosiła 500 N oraz 1000 N. Warunki mocowania oraz sposób obciążenia zęba z koroną były tożsame z warunkami zastosowanymi w eksperymencie na rzeczywistym obiekcie. Przykładając siłę o wartości zbliżonej do rzeczywistej (500 N oraz 1000 N) zauważono, że spiętrzenie naprężeń występuje w dwóch miejscach od wewnętrznej strony na połączeniu klejonym korony z zębem oraz przy opieraniu się korony o oszlifowaną powierzchnię. Na rys. 72 przedstawiono schematycznie rozkład naprężeń działających w kierunku osi Z i osi Y, przyjmując układ współrzędnych przedstawiony na rys. 71. B A Rys. 71. Schematyczne przedstawienie rozkładu naprężeń analizy MES 113

114 a) b) Rys. 72. Mapa naprężeń dla wnętrza korony; a) przy sile ściskającej 1000 N, b) przy sile ściskającej 500 N 114