مقدمة
يُستخدم سيراميك الزركونيا على نطاق واسع في تطبيقات طب الأسنان نظرًا لقوته الميكانيكية الممتازة وتوافقه الحيوي وجماليته. يعد تحقيق ظروف التلبيد المثلى أمرًا بالغ الأهمية لضمان تلبية المنتج النهائي لمتطلبات ترميمات الأسنان.
وتؤثر معلمات التلبيد، مثل معدل التسخين ووقت الثبات، بشكل كبير على حركية التلبيد وتؤثر على التكثيف ونمو الحبيبات والبنية المجهرية الكلية. وعلى وجه التحديد، تؤدي عمليات التكثيف، التي تتميز بانخفاض المسامية إلى جانب نمو الحبيبات إلى انخفاض الحجم؛ ويمكن قياس هذا الانكماش في الحجم لاحقًا باستخدام مقياس التمدد.
مزيج مثالي: التحليل الحركي وقياس التمدد
يوفر الجمع بين التحليل الحركي وقياس التمدد فهمًا تفصيليًا لسلوك الانكماش ويتيح التنبؤ الدقيق باستجابات المواد في ظل الملامح الحرارية المتغيرة [1].
تهدف هذه الدراسة إلى تحسين عملية تلبيد سيراميك الزركونيا من خلال الجمع بين قياسات قياس التمدد والتحليل الحركي. من خلال إجراء سلسلة من الاختبارات بمعدلات تسخين ثابتة، تم الحصول على منحنيات انكماش وتحليلها لاستخراج المعلمات الحركية الرئيسية. ثم تم استخدام هذه المعلمات للتنبؤ من خلال محاكاة برامج درجة الحرارة التي تحافظ على معدلات تلبيد ثابتة.
شروط القياس لإزالة التجليد المثلىالعملية
يمكن تحقيق التحسين الأمثل لمعالجة السيراميك بفعالية من خلال نهج من مرحلتين يتضمن إزالة التلبيد المتحكم فيه متبوعًا بالتلبيد. في حالتنا، كانت المادة التي تلقيناها منزوعة التلبيد بالفعل، وهو ما يؤكده الشكل 1 من خلال فقدان الكتلة small بنسبة 0.41% التي لوحظت مع TGA عن طريق التسخين إلى 700 درجة مئوية. لذلك، ينصب التركيز على تحسين مرحلة التلبيد. ومع ذلك، في الحالات التي يكون فيها محتوى المادة الرابطة وبالتالي فقدان الكتلة أعلى، سيكون التحسين الدقيق لخطوة إزالة التلبيد ضروريًا أيضًا لمنع العيوب. ويمكن تحقيق ذلك بفعالية من خلال الجمع بين تحليل قياس الثقل الحراري (TGA) مع برنامج Kinetics Neo لتحسين مرحلة إزالة التلبيد.
تم إجراء قياسات مقياس التصفية باستخدام NETZSCH DIL 402 Expedis Supreme. تم تجهيز مقياس التمدد بحامل عينة Al2O3، والذي تم وضعه في فرن جرافيت مع أنبوب واقي من Al2O3. أُجريت القياسات في الهواء بمعدل تدفق 50 مل/دقيقة. تم تطبيق معدلات تسخين تبلغ 4 و8 و15 كلفن/الدقيقة على عينة أسطوانية من سيراميك الزركونيا بطول 10 مم وقطر 4 مم.
نتائج القياس والمناقشة
يظهر منحنى TGA المقاس في الشكل 1. لوحظ فقدان إجمالي للوزن بنسبة 0.41% تقريبًا خلال فترة 70 دقيقة تقريبًا، ويرجع ذلك إلى تبخر الرطوبة وتحلل المادة الرابطة.
يوضح الشكل 2 التغير في طول جسم الزركونيا الأخضر المقاس باستخدام مقياس التمدد NETZSCH. يظهر التمدد الحراري الخطي حتى 900 درجة مئوية يليه انكماش التلبيد.
أُجريت القياسات بمعدلات تسخين 4 و8 و15 كلفن/الدقيقة لتقييم الاستجابة الحرارية في ظل ظروف مختلفة.
التحليل الحركي بواسطة برنامج Kinetics Neo
Kinetics Neo يُستخدم برنامج لتحليل البيانات التجريبية من قياس التمدد، والذي يقيس الانكماش (التلبيد) بمعدلات تسخين مختلفة، ثم يقوم بنمذجة حركية التفاعل رياضيًا ويحاكي كيفية تأثير مختلف ملامح درجات الحرارة على عملية التلبيد، مما يتيح تحسين برنامج الحرق.
ويوضح الشكل 3 التغيرات في الطول التي تحدث بين 640 درجة مئوية و1550 درجة مئوية بمعدلات تسخين تبلغ 4 و8 و15 كلفن/الدقيقة. وتظهر كل من منحنيات قياس التمدد الحراري (DIL) المقاسة (الرموز) مع طرح التمدد الحراري الخطي لتصحيح خط الأساس، والتنبؤات التي تم الحصول عليها باستخدام نموذج حركية التنوي بخطوة واحدة الذي يعتمد على معادلة أفرامي-إيروفيف باستخدام برنامج NETZSCH Kinetics Neo . تُظهر النتائج انخفاضًا في طول العينة مع انكماش نهائي بنسبة 18.9% بعد إزالة التمدد الحراري الطولي.
يلخص الجدول 1 البارامترات الحركية المقابلة. يُظهر النموذج اتفاقًا ممتازًا مع البيانات التجريبية، حيث يبلغ معامل التحديد 0.9999.
الجدول 1: المعلمات الحركية لجسم الزركونيا الأخضر بناءً على قياسات DIL
| خطوة التفاعل | أ → ب |
|---|---|
| نوع التفاعل | آن* |
| طاقة التنشيط [كيلوجول/مول} | 573.75 |
| لوغاريتم (ما قبل التفعيل) [لوغاريتم (1/ث)] | 17.349 |
| البعد n | 0,4 |
| المساهمة | 1 |
| معامل التحديد (R²) | 0.9999 |
*An: التنوي ن بعد ن وفقًا لأفرامي-روفييف
يتم حساب درجة التحويل، α، والتي يمكن تفسيرها على أنها درجة التلبيد، بواسطة برنامج Kinetics Neo من قياسات مقياس التمدد حيث تتراوح α من 0 إلى 1 (eq 1). في التحليل الحراري، يُعرّف التحويل من الناحية التشغيلية على أنه التأثير التحليلي الحراري الملاحظ عند درجة الحرارة T (أو عند الزمن t) مقسومًا على التأثير التحليلي الحراري الكلي، وبالتالي فإن تعريف التحويل التحليلي الحراري هو
حيث ΔL (T) هو التغير الجزئي في طول DIL حتى درجة الحرارة T و ΔL (الكلي) هو التغير الكلي في الطول. وهذا يفترض أن جميع المواد الصلبة تتفاعل بنفس الطريقة ويعتمد معدل التلبيد على درجة الحرارة فقط.
بافتراض أن جميع المكونات في الأطوار الصلبة أو الأطوار المكثفة المختلفة تُظهر تفاعلية متطابقة في حركية التحليل الحراري (2)، يتم تمثيل حركية التفاعل أحادي الخطوة بمعادلة المعدل التالية:
حيث في المعادل (2)، α هي درجة التلبيد، و t هي الزمن، و dα/dt هي معدل التحويل، وT هي درجة حرارة التفاعل، وK(T) هي ثابت معدل التفاعل المعتمد على درجة الحرارة، و f(α) هي دالة التحويل التي توضح نوع التفاعل المستخدم وتعتمد على الآلية.
تحسين العمليات من خلال برنامج Kinetics Neo
يوضح قياس مقياس التمدد الموضح في الشكل 4 سلوك التلبيد لجسم أخضر من الزركونيا بمعدل تسخين 8 كلفن/دقيقة. يعرض هذا القياس التغيرات في أبعاد العينة تحت هذا المظهر الجانبي الأصلي غير المحسّن لدرجة الحرارة.
يوضح قياس مقياس التمدد الموضح في الشكل 5 سلوك التلبيد لجسم أخضر من الزركونيا في ظل درجة حرارة محسّنة. يكشف هذا القياس عن التغيرات الثابتة في الأبعاد التي تحدث أثناء عملية التلبيد. من خلال تحسين ملف تعريف درجة الحرارة، نجحنا في تقليل وقت التلبيد الكلي من 183 دقيقة إلى 72 دقيقة مع الحفاظ على معدل تلبيد ثابت بنسبة 3.7% في الدقيقة.
يتوافق التغير النهائي في الطول مع النتائج الموضحة في الشكل 2 ويشير إلى التلبيد الكامل.
برنامج ترميكا نيو - محاكاة التلبيد بافتراض الظروف الحقيقية
تُستخدم برمجية Termica Neo لمحاكاة عملية تلبيد السيراميك مع هندسة بالحجم الحقيقي، مما يسمح بالتنبؤ الدقيق بتوزيع درجة الحرارة والانكماش أثناء الحرق. ومن خلال تحليل الاختلافات في درجات الحرارة داخل جسم السيراميك محوريًا وشعاعيًا، تسهل المحاكاة عملية التحسين وتساعد على منع حدوث مشكلات مثل ارتفاع درجة الحرارة الموضعي أو انخفاض الحرارة الذي قد يضر بجودة المنتج النهائي.
وباستخدام برنامج Termica Neo، يمكن تحقيق محاكاة التلبيد داخل المادة بما في ذلك تدرجات درجة الحرارة والتحويل ومعدل التلبيد في كل نقطة من الحجم الملبد. هنا، يتم تحديد ملف درجة الحرارة الأمثل كدرجة الحرارة المحيطة. يوضح الشكل 6 (أ) توزيع درجة الحرارة عند t = 6 دقائق في جسم السيراميك. يكون معدل التلبيد عند الزمن = 41 دقيقة (ب) أعلى عند السطح منه عند المركز، اعتمادًا على الإحداثيات. (ج) يعرض درجة التلبيد بعد دورة الحرق الأمثل لمدة 72 دقيقة، حيث يعني اللون الأحمر والحجم الخطي المتناقص التلبيد الكامل.
الخاتمة
وقد أظهر الاستخدام المشترك لجهاز NETZSCH DIL و Kinetics Neo وبرنامج Termica Neo فعالية كبيرة في تحديد المعلمات الحركية والتنبؤ بدقة بسلوك السيراميك في ظل ظروف متغيرة. وتؤدي ملامح درجة الحرارة المتوقعة من خلال المحاكاة، المحسوبة لضمان انكماش ثابت، إلى تحسين عملية التلبيد. ومن خلال تنقيح ملامح درجات الحرارة هذه، حققنا انخفاضًا ملحوظًا في إجمالي وقت التلبيد من 183 دقيقة إلى 72 دقيقة، مما قلل من وقت المعالجة بنسبة 60% تقريبًا. يمكن تطبيق هذا النهج على جميع مواد السيراميك بما في ذلك مراحل التلبيد وإزالة التلبيد.