3D打印氧化锆牙冠陶瓷微观结构与性能优化的基础研究

Dental ceramics fabricated by the smart 3D printing behave low relative density and mechanical properties. In addition, there is an urgent need to develop new rapid manufacturing technologies for customized high performance Zirconia dental crown ceramics. This proposal aims to fundamentally investigate the relationship between processing factors and microstructure features, and explore the mechanical property optimization mechanism of 3D printed Zirconia dental ceramics. The key study points are as follows: 1) Fabricate Zirconia dental ceramics by Stereolithography (SLA) 3D printing, and optimize the composition of ceramic-resin slurry, printing process factors and temperature schedule for binder removal process. 2) Understand the effect of Zirconia powder size and sintering temperature on relative density, microstructure and mechanical properties. 3) Understand the effect of inert dental glass nano powders of silica on phase composition, sintering shrinkage, relative density, microstructure and mechanical properties. 4) Ascertain the optimization mechanism of microstructure and mechanical property for 3D printed Zirconia dental ceramics. The outcomes are of significance to the development of manufacturing science and 3D printing technology in China for high performance dental ceramics and advanced engineering ceramics in health and industrial applications.

本项目针对3D打印智能制造牙科陶瓷存在的材料致密度较低和力学性能较差等关键问题以及个性化定制高性能氧化锆牙冠陶瓷快速制备新技术发展的迫切需求，在预实验结果基础上，提出进行3D打印氧化锆牙冠陶瓷微观结构与性能优化的基础研究。主要研究内容包括：(1) 采用光固化（SLA）高精度3D打印技术制备氧化锆牙冠陶瓷材料，优化打印料的原料配比、打印参数和高温排胶温度制度；(2) 研究氧化锆原料粉体粒径以及烧结温度对材料致密度、微观结构和力学性能的影响规律；(3) 探讨纳米氧化硅基牙科惰性玻璃第二相加入量对氧化锆牙冠陶瓷的物相组成、烧结收缩率、致密度、微观结构和力学性能的影响规律；(4) 探讨3D打印氧化锆牙冠陶瓷材料微观结构和力学性能的优化机制。本课题研究对我国医疗健康领域高性能牙科陶瓷材料和高端制造工业领域先进工程陶瓷材料3D打印制备科学和新技术的发展具有重要指导意义和科学价值。

本项目通过提高陶瓷-光敏树脂料浆固相含量，优化工艺参数、排胶和烧结温度制度以及引入牙科惰性玻璃第二相成功改善了光固化3D打印氧化锆牙冠陶瓷理化性能、微观结构和力学性能，并系统研究了氧化锆料浆固相含量、曝光强度、曝光时间、切片厚度、烧结温度和玻璃第二相加入量对氧化锆牙冠陶瓷的致密度、烧结收缩率、微观结构和力学性能的影响规律。研究结果表明，氧化锆原料粒径和形貌对料打印生坯致密度和表面质量影响较大，D90小于1μm，D50小于0.5μm的多面体和类球形窄粒径分布的粉体效果最佳。固相含量对生坯致密度、烧结收缩率、烧结后致密度和微观结构影响显著。优化后的最佳料浆固相含量为80wt%，打印的生坯表面质量很高，烧结后试样均匀收缩，无肉眼可见裂纹，致密度较高，结构均匀，晶粒细密。曝光强度、曝光时间和切片厚度对生坯固化层间结合、表面质量和烧结后微观结构影响显著。优化后的最佳曝光强度16.5mw/cm2，切片厚度25μm，曝光时间7s。排胶温度和烧结温度对结构完整性、致密度、微观结构和力学性能影响显著。优化后的最佳排胶温度为350°C-500°C，烧结温度为1600°C。排胶烧结后致密度高，结构完整，无肉眼可见裂纹，晶粒均匀细腻，力学性能较好。3D打印氧化锆牙冠陶瓷力学性能随烧结温度升高和料浆固相含量增加显著提高。玻璃第二相加入量对理化性能、微观结构力学性能和耐磨损性能影响显著，加入3wt%的硅锆基牙科玻璃可显著降低烧结温度，改善微观结构，适度提高断裂韧性。采用优化的工艺参数获得了高致密度和力学性能优良的3D打印氧化锆牙冠陶瓷，其理化性能指标接近相同材料的干压成型制品，相对致密度99%以上，耐压强度650MPa以上，断裂韧性6.8MPa•m1/2以上，显微硬度14.5GPa以上。本项目研究结果表明，光固化3D打印是制备氧化锆陶瓷牙冠的可行技术途径。