The structural stability of zirconia ceramics in water and acid solutions

• Autorzy: Andrzejczuk M. , Lewandowska M. , Kosmacz T , Kurzydłowski K. J.

Warianty tytułu

PL

Stabilność strukturalna tetragonalnego tlenku cyrkonu w środowiskach wodnych i kwaśnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Yttria-tetragonal zirconia polycrystals (Y-TZP) are used as a material for dental applications, e.g., inlays, crowns, and bridges. However, the Y-TZP may undergo a phase transformation, which results in micro-cracking. For this reason its stability in an oral environment is of great importance. In this paper, the hydrothermal stability of low-porous yttria-doped zirconia in water and acid solutions was investigated. Ceramics with a fractional density of tetragonal phase ranging from 90% to nearly 100% were produced by sintering of dry-pressed pellets at different temperatures in an ambient air atmosphere. The flexural strength and phase composition were determined for samples before and after exposure to various environments. The influence of phase transformation on the surface morphology was investigated using a scanning electron microscope. The results showed that specimens sintered at 1450C to a density of more than 95% of the theoretical maximum exhibit a strong tendency to undergo a tetragonal-to-monoclinic phase transformation during autoclaving in water at 200C for 24 hours. The volume expansion due to phase transformation results in micro-cracking, which has a detrimental effect on mechanical properties of the investigated material.

PL

Tetragonalny tlenek cyrkonu stabilizowany itrem (Y-TZP) jest stosowany w stomatologii jako materiał na korony, wypełnienia lub mostki. Wadą tej ceramiki jest skłonność do przemiany fazy tetragonalnej w fazę jednoskośną – bardziej stabilną w niskich temperaturach. Przemianie tej towarzyszy wzrost objętości materiału (około 3%) i powstawanie mikropęknięć. Dodatkowo przemianie tej sprzyja środowisko wodne typowe dla jamy ustnej. Dlatego też w niniejszej pracy podjęto problem stabilności fazy tetragonalnej tlenku cyrkonu w środowiskach wodnych. Ceramikę wytworzono poprzez spiekanie wyprasek w atmosferze obojętnej w różnych temperaturach. Zastosowanie różnych temperatur spiekania pozwoliło uzyskać materiał o gęstościach w zakresie od 90% do 100% gęstości teoretycznej. Wytworzone próbki poddano starzeniu w wodzie oraz roztworach kwasów siarkowego, solnego i azotowego. Określono skład fazowy oraz wytrzymałość na zginanie próbek w stanie wyjściowym i poddanych starzeniu w różnych środowiskach. W celu analizy wpływu przemiany fazowej na morfologie powierzchni przeprowadzono obserwacje mikrostruktury przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego. Uzyskane wyniki pokazały, że największa skłonność do przemiany w fazę jednoskośną mają próbki spiekane w najwyższej temperaturze (1450C). Dodatkowo skłonność ta potęguje środowisko wodne – w wyniku starzenia w 200C przez 24 godzin przemianie uległo 80% fazy tetragonalnej. W próbkach starzonych w roztworach kwasów w temperaturze 75C stwierdzono tylko kilkuprocentowy udział fazy jednoskośnej. Nie zaobserwowano wpływu rodzaju użytego roztworu kwasu na stabilność fazy tetragonalnej. Obserwacje mikroskopowe pozwoliły zlokalizować miejsca degradacji ceramiki, widoczne jako kratery, będące wynikiem zmiany objętości i powstawania pęknięć podczas przemiany fazy tetragonalnej w jednoskośną. Powstawanie tej fazy powoduje także obniżenie właściwości mechanicznych Y-TZP.

Słowa kluczowe

EN

Y-TZP; zirconia ceramics; aging; dental materials

PL

Y-TZP; tlenek cyrkonu; materiały stomatologiczne

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 51, iss. 4
• Strony: 629--633
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Andrzejczuk M.

autor

Lewandowska M.

autor

Kosmacz T

autor

Kurzydłowski K. J.

• Faculty of Materials Science and Engineering, Warsaw University of Technology, 02-507 Warszawa, 141 Wołoska Str., Poland

Bibliografia

• [1] F. Filser, P. Kocher, F. Wibel, H. Luthy, P. Scharer, L. J. Gauckler, Reliability and strengh of all-ceramic dental restorations fabricated by direct ce-ramic machining (DCM). Int. J. Comput. Dent. 4, 89-106 (2001).
• [2] P. Christel, A. Meunier, M. Heller, J. P. Torre, C. N. Peille, Mechanical properties and short-term in vivo evaluation of yttrium-oxide-partially-stabilized zirconia. J. Biomed. Mater. Res. 23, 45-61 (1989).
• [3] K. Kobayashi, H. Kuwajima, T. Masaki, Phase Change and Mechanical Properties of ZrO2Y2O3 solid electrolyte after ageing, Solid State Ionics 3/4, 489-93(1981).
• [4] T. Masaki, Mechanical properties of Y-PZS after ageing at Iow temperature, Int. J. High Tech. Ceram. 2, 85-98 (1986).
• [5] F. Shojai, T. A. Mantyla, Structural stability of yttria doped zirconia membranes in acid and basie aque-sous solutions, J. Eur. Ceram. Soc 21, 37-44 (2001).
• [6] J. Luo, R. Stevens, Porostity-dependence of elas-tic moduli and hardness of 3Y-TZP ceramics. Ceramics International 25, 281-286 (1999).
• [7] Berit I. Ardlin, Transformation-toughened zirconia for dental inlays, crowns and bridges: chemical stability and effect of low-temperature aging on flexural strength and surface structure; Dental Materials 18, 590-595 (2002).
• [8] R. C. Garvie, P S. Nicholson, Phase analysis in zirconia systems. J Am Ceram Soc 55, 303-306 (1972).
• [9] S. Lawson, Environmental degradation of zirconia ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 15, 485-502 (1995).
• [10] T. Kosmac,M. Andrzejczuk, K. J. Kurzydłowski, The mechanical properties and hydrothermal stability of porous partially (biscuit-) sintered Y-TZP ceramics. Proceedings of International Conference on Ad-vanced Ceramics and Composites 2006.
• [11] J. Chevalier, B. Cales, J. M. Drouin, Low temperature aging of Y-TZP ceramics. J Am Ceram 82, 2150-4 (1999).
• [12] T. Kosmac, C. Oblak, P. Jevnikar, N. Funduk, L. Marion, The effect of surface grinding and sandblasting on flexural strength and reliability of Y-TZP zirconia ceramic, Dental Materials 15, 426-433 (1999).
• [13] S. A. Catledge, M. Cook, Y. K. Vohra, E. M. Santos, M. D. Mc Clenny, K. D. Moore, Surface Crystalline Phases and Nanoindentation Hardness of Explanted Zirconia Femoral Heads, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 14, 863 (2003).