冷却速率对快速烧结整体氧化锆的微观结构和力学性能的影响

《Dental Materials》：Effect of cooling rate on the microstructural and mechanical properties of speed-sintered monolithic zirconia

快速冷却对3Y-TZP和5Y-PSZ氧化锆陶瓷性能的影响。比较了两种材料的相组成、微观结构、光学及力学性能，发现稳定冷却显著降低5Y-PSZ的弯曲强度和机械可靠性，而3Y-TZP各项性能不受冷却速率影响。

　　近年来，随着计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）技术在牙科领域的广泛应用，修复牙科材料的加工方式经历了显著的变化。这些技术革新催生了三种主要的CAD/CAM方法：（1）椅旁CAD/CAM，（2）实验室CAD/CAM和（3）在磨削中心进行的集中式CAD/CAM生产。与需要牙医和技工密切合作的实验室CAD/CAM系统不同，椅旁CAD/CAM能够在单次就诊中完成修复体的全部制作。通常，修复体可以在10至30分钟内完成磨削，仅需少量的后续加工即可进行粘接。在这些适用于CAD/CAM加工的材料中，氧化锆因其出色的生物相容性、高强度和良好的美学特性而备受关注。

氧化锆陶瓷已经经历了三代的发展，从最初具有高强度但不透明的3Y-TZP（氧化锆三氧化钇稳定相）到更高钇含量的配方，这些配方在提升透光性的同时也降低了强度，但仍面临着平衡机械性能和美学表现的挑战。然而，由于氧化锆在完全烧结后的硬度较高，修复体通常是在未完全烧结的较软状态下进行磨削，然后通过烧结达到最终的硬度和密度。然而，传统的氧化锆烧结过程通常需要6到8小时，有时甚至需要过夜完成。这种长时间的烧结过程成为椅旁材料发展的瓶颈，促使了快速烧结炉的研发，这些炉子可以将烧结时间从6小时缩短至11分钟。

多项研究表明，烧结工艺的调整会直接影响氧化锆的密度、微观结构、晶粒尺寸和相组成，进而影响其机械和光学性能。因此，快速烧结炉的引入和烧结时间的大幅缩短引发了牙科材料研究界的讨论。快速烧结被认为可以保持甚至提升弯曲强度，并增强对低温降解（LTD）的抵抗力。然而，它也带来了潜在的挑战，包括机械可靠性下降、透光性降低、孔隙率增加以及微观结构的变化，如晶粒尺寸减小。这些发现与我们之前的研究结果一致，表明与传统烧结的氧化锆相比，快速烧结的3Y-TZP和5Y-PSZ陶瓷在机械可靠性和透光性方面有所下降。人们推测，快速烧结的氧化锆出现的可靠性下降和透光性问题可能源于快速加热、快速冷却或缩短的保温时间，从而导致微裂纹、相变和晶粒尺寸减小。此外，广泛认为，极快的冷却速度可能会在各种脆性材料中引起热震裂纹。因此，目前关于快速冷却对单层牙科氧化锆性能影响的研究仍然有限。

本研究的主要目标是评估不同快速烧结冷却速率对两种不同3Y-TZP和5Y-PSZ氧化锆材料性能的影响。为此，针对每个研究结果，我们设定了具体的零假设，认为快速烧结冷却速率不会影响（i）相组成，（ii）晶粒尺寸，（iii）光学性能（透光性参数），（iv）弯曲强度（平均强度和特征强度），（v）维氏硬度或断裂韧性，或（vi）可靠性（威布尔模数）。

在实验材料和试样制备方面，我们选取了两种商用预烧结氧化锆陶瓷（IPS e.max ZirCAD LT A2，Ivoclar，Schwan，Liechtenstein（LT）和Katana STML A2，Kuraray Noritake，Tokyo，Japan（STML）），将其切割成尺寸约为15×15×3.5 mm的薄板，并随后分成两组。第一组为LT_1200（总热循环时间：61分钟；烧结时间：5分钟；保温温度：1460 °C；炉门开启温度：1200 °C，随后空气冷却）和STML_800（总热循环时间：104分钟；烧结时间：30分钟；保温温度：1560 °C；炉门开启温度：800 °C，随后空气冷却）。第二组为LT_300和STML_300，它们的冷却过程是稳定的，即炉门开启温度为300 °C，随后空气冷却。

在物理性能的表征方面，我们对测试的氧化锆材料进行了密度、微观结构和相组成的分析。结果显示，LT_1200和LT_300的密度分别为6.06±0.01 g/cm3和6.05±0.01 g/cm3，而STML_800和STML_300的密度分别为6.02±0.01 g/cm3和6.03±0.01 g/cm3。这表明，LT_1200和LT_300的密度略高于STML_800和STML_300。在化学组成方面，通过X射线荧光（XRF）分析，LT_1200和LT_300在ZrO?含量（约92 wt%）和Y?O?含量（约5.7 wt%）方面表现出高度相似性，而STML_800和STML_300则在Y?O?含量上有所差异。这些差异可能与不同材料的配方和烧结条件有关。

在相组成分析方面，我们利用X射线衍射（XRD）技术来确定氧化锆的相组成。结果表明，无论是快速冷却还是稳定冷却，3Y-TZP的ZirCAD LT和Katana STML都表现出较低的立方相ZrO?含量，以及在剩余四方相ZrO?中的较低Y?O?含量，相比之下，5Y-PSZ的Katana STML在冷却速率变化时表现出较高的亚稳态t’相含量。这表明，亚稳态t’相的形成可能与快速冷却有关，而这种相的存在可能对氧化锆的性能产生影响。在光学性能方面，我们通过分光光度法测量了透光性参数，结果显示两种材料的透光性参数并未受到冷却速率的影响，这表明快速冷却和稳定冷却在光学性能方面表现相似。

在机械性能方面，我们评估了维氏硬度、裂纹断裂韧性以及双轴弯曲强度。结果表明，无论是3Y-TZP还是5Y-PSZ，它们的硬度和断裂韧性均未受到冷却速率变化的影响。然而，稳定冷却显著降低了Katana STML_300的弯曲强度和机械可靠性，而对ZirCAD LT_300的弯曲强度和机械可靠性没有影响。这表明，不同的氧化锆材料对冷却速率的敏感性存在差异，可能与材料的组成和结构有关。

在讨论部分，我们进一步分析了这些结果的含义。研究表明，稳定冷却对3Y-TZP和5Y-PSZ氧化锆材料的密度、晶粒尺寸、硬度、韧性以及透光性均没有影响，但对5Y-PSZ的弯曲强度和机械可靠性产生了负面影响。因此，零假设认为不同的冷却趋势不会影响单层氧化锆陶瓷的性能被部分推翻。这表明，在优化快速烧结工艺时，需要考虑冷却速率对不同材料的影响，以确保在提高生产效率的同时，不会牺牲材料的机械和光学性能。

此外，我们还探讨了快速冷却对氧化锆材料性能的具体影响。虽然快速冷却可以提高表面裂纹断裂韧性，但对弯曲强度的影响较小。这可能与表面压缩应力的增加以及缺陷尺寸的估计有关。另一方面，稳定冷却则可能对材料的性能产生更大的影响，特别是对5Y-PSZ材料。稳定冷却可能减少亚稳态t’相的形成，从而影响材料的机械可靠性。这一发现表明，在实际应用中，冷却速率的选择对氧化锆材料的性能具有重要意义，尤其是在临床环境中。

最后，在结论部分，我们总结了本研究的主要发现。本研究评估了快速和稳定冷却速率对商用3Y-TZP和5Y-PSZ氧化锆材料性能的影响。结果显示，无论是快速冷却还是稳定冷却，两种材料的密度、晶粒尺寸、透光性、硬度和韧性均未受到影响。然而，稳定冷却显著降低了Katana STML_300的弯曲强度和机械可靠性，而对ZirCAD LT_300的影响则不显著。这表明，不同氧化锆材料对冷却速率的响应存在差异，这可能与材料的组成和烧结条件有关。

本研究的结果表明，稳定冷却在快速烧结过程中对3Y-TZP材料的性能影响较小，但对5Y-PSZ材料的弯曲强度和机械可靠性产生了显著的负面影响。因此，在实际应用中，需要谨慎选择冷却速率，以确保氧化锆材料在提高生产效率的同时，能够保持良好的机械和光学性能。此外，进一步的研究仍然需要，以探索不同冷却速率对氧化锆材料性能的具体影响，并优化烧结工艺，使快速烧结能够实现更高的生产效率和材料性能的平衡。

综上所述，本研究的结果为牙科材料领域提供了重要的参考，有助于进一步优化快速烧结工艺，提高氧化锆材料在临床中的应用价值。这些发现强调了在实际应用中，冷却速率的选择对材料性能的影响，并为未来的研究提供了方向。随着快速烧结技术的不断发展，如何在保证材料性能的同时提高生产效率，将成为牙科材料研究的重要课题。