轻质高韧牙科纳米复合材料的制备和界面力学行为研究

Light and non-toxic, nano-particle reinforced resin-based dental composite is one of the most important dental filling and reparation materials. However, its fracture toughness is under satisfaction and greatly depends on the interfacial mechanical behavior between the nano-particle and resin-based matrix. This project aims to investigate interfacial mechanical behavior of dental nanocomposite by combing both experiments and computational simulations. A novel light and tough dental nanocomposite will be fabricated. First, the particle dispersion status and nano-particle/matrix interfacial behavior are to be improved by optimizing the type and percentage of nano-particles and utilizing a combination of dispersing and coupling techniques. This could minimize initial defects and improve nano-particle/matrix interfacial behavior, and therefore enhance overall toughness of the dental nanocomposite. Second, multiscale interfacial failure behavior will be evaluated with macro single-notch experiment, macro Hertzian contact experiment and micro/nano- indentation experiments. Scanning election microscope (SEM), transmission election microscope (TEM) and atomic force microscope (AFM) will be adopted to characterize structural and interfacial behavior under micro- and nano- scales. The goal is to provide evidence for interfacial fracture under micro- and nano- scales and investigate its mechanism. Third, finite element method (FEM) and molecular dynamics (MD) simulation will be applied to analyze the multiscale mechanical properties and interfacial behavior of dental nanocomposite.

纳米颗粒增强的树脂基体牙科复合材料具有轻便、毒副作用小等优点，是当前最重要的牙齿填充和修补材料。但该材料的断裂韧性始终不能令人满意。增强相与基体之间的界面力学行为对复合材料的总体韧性至关重要。因此，本项目拟通过实验和模拟相结合的手段，探讨牙科纳米复合材料中的界面力学行为，并以此为指导制备出既轻便又韧性优越的牙科纳米复合材料。首先，优化纳米增强相的材料种类和比例，应用分散和偶联技术，改善纳米增强相在树脂基底中的分散性和界面连接。从而减少初始缺陷，优化界面力学性能，进而提高复合材料的整体韧性。接下来，采用宏观断裂、宏观Hertzian接触、微米及纳米压痕等力学实验来评估多尺度界面断裂性能。应用扫描电镜、透射电镜和原子力显微镜进行微纳尺度的结构和界面断裂表征，力求寻找到微纳尺度下界面断裂的证据和并探寻其机理。随后，采用有限元法和分子动力学方法来仿真模拟牙科纳米复合材料中的多尺度界面力学行为。

本项目发展出了一套完善的轻韧牙科纳米复合材料制备工艺。将纳米氧化锆以厚度方向渐变的方式分散在树脂基体中。与具有相同纳米氧化锆含量的其他分散方式相比较，该方式有效得提高了纳米复合材料的整体韧性。与此同时，该方式在增加韧性的同时并未改变纳米复合材料的密度，保证了牙科材料的轻便舒适。在研究过程中，建立了力学测试、材料表征、理论建模和计算仿真相结合的力学行为研究平台。首先，多尺度力学测试得到了纳米复合材料的多尺度力学行为，并且为纳米复合材料的制备计划提供性能回馈；其次，材料形貌及化学键的表征为研究纳米复合材料的界面及整体变形及破坏机理提供了图像和分析理据；接下来，理论建模可给出界面及整体变形行为的定量化评价，并给出下一步的结构设计方案；最后，采用有限元和分子动力学等计算方法研究纳米颗粒之间，纳米颗粒与基体之间，以及纳米复合材料整体的力学行为，揭示了纳米复合材料的多尺度增韧机理，并以此为指导制备了轻质高韧的牙科复合材料。本项目基于牙科材料的实际需求，进行了力学及材料的思考和设计。不仅为牙科复合材料的增韧做出贡献，也通过计算模拟和分析，推动多尺度力学问题的机理研究。本项目虽然针对牙科材料，但所采用的研究方法和研究成果适用于研发广泛工业领域的轻韧纳米复合材料。