Въведение
Циркониевата керамика се използва широко в стоматологията поради отличната си механична здравина, биосъвместимост и естетичен вид. Постигането на оптимални условия на синтероване е от решаващо значение, за да се гарантира, че крайният продукт отговаря на изискванията за стоматологични възстановявания.
Параметрите на синтероване, като скорост на нагряване и време на задържане, оказват значително влияние върху кинетиката на синтероване и оказват влияние върху уплътняването, растежа на зърната и цялостната микроструктура. По-конкретно, процесите на уплътняване, характеризиращи се с намаляване на порьозността заедно с нарастването на зърната, водят до намаляване на обема; това свиване на обема може впоследствие да се измери с помощта на дилатометър.
Перфектно съчетание: Кинетичен анализ и дилатометрия
Комбинацията от кинетичен анализ и дилатометрия осигурява подробно разбиране на поведението на свиване и позволява точно прогнозиране на реакциите на материала при различни термични профили [1].
Целта на това изследване е да се оптимизира процесът на синтероване на циркониева керамика чрез комбиниране на дилатометрични измервания с кинетичен анализ. Чрез провеждане на серия от изпитвания при постоянни скорости на нагряване са получени и анализирани криви на свиване, за да се извлекат ключови кинетични параметри. След това тези параметри бяха използвани за прогнозиране чрез симулация на температурни програми, които поддържат постоянни скорости на синтероване.
Условия за измерване за оптимално разлепванеПроцес
Оптимизацията на обработката на керамиката може да бъде ефективно постигната чрез двуетапен подход, включващ контролирано отстраняване на примесите, последвано от синтероване. В нашия случай материалът, който получихме, вече беше дебинджиран, което се потвърждава на фигура 1 от small загубата на маса от 0,41%, наблюдавана с TGA при нагряване до 700°C. Следователно фокусът е върху оптимизирането на етапа на синтероване. Въпреки това, в случаите, когато съдържанието на свързващо вещество, а оттам и загубата на маса, е по-високо, внимателното оптимизиране на етапа на дебридинг също би било от съществено значение за предотвратяване на дефекти. Това може да се постигне ефективно чрез комбиниране на термогравиметричния анализ (TGA) със софтуера Kinetics Neo за оптимизиране на етапа на дебридинг профила.
Измерванията с дилатометър бяха извършени с помощта на NETZSCH DIL 402 Expedis® Supreme. Дилатометърът беше оборудван с държач за проби от Al2O3, който беше поставен в графитна пещ със защитна тръба от Al2O3. Измерванията са проведени във въздух със скорост на потока 50 ml/min. Скоростите на нагряване от 4, 8 и 15 K/min бяха приложени към цилиндричен образец от циркониева керамика с дължина 10 mm и диаметър 4 mm.
Резултати от измерванията и обсъждане
Измерената TGA крива е показана на фигура 1. Наблюдава се обща загуба на тегло от приблизително 0,41 % за период от приблизително 70 минути, което се дължи на изпарението на влагата и разлагането на свързващото вещество.
На фигура 2 е показана промяната на дължината на зеленото тяло от цирконий, измерена с дилатометър NETZSCH. Наблюдава се линейно термично разширение до 900°C, последвано от свиване при синтероване.
Измерванията са проведени при скорости на нагряване от 4, 8 и 15 K/min, за да се оцени термичната реакция при различни условия.
Кинетичен анализ от Kinetics Neo Software
Kinetics Neo софтуер се използва за анализ на експериментални данни от дилатометрия, която измерва свиването (синтероването) при различни скорости на нагряване, след което математически моделира кинетиката на реакцията и симулира как различните температурни профили влияят на процеса на синтероване, което позволява оптимизиране на програмата за изпичане.
Фигура 3 илюстрира промените в дължината, настъпващи между 640°C и 1550°C при скорости на нагряване 4, 8 и 15 K/min. Представени са както измерените криви на DIL (дилатометрия) (символи) с извадено линейно термично разширение за корекция на базовата линия, така и прогнозите, получени с помощта на едностъпалния модел на кинетиката на зародиша, който се основава на уравнението на Аврами-Ерофеев, използвайки софтуера NETZSCH Kinetics Neo . Резултатите показват намаляване на дължината на образеца с крайно свиване от 18,9 % след отстраняване на топлинното разширение на дължината.
Съответните кинетични параметри са обобщени в таблица 1. Моделът демонстрира отлично съответствие с експерименталните данни с коефициент на детерминация 0,9999.
Таблица 1: Кинетични параметри на зелено тяло от цирконий въз основа на DIL измервания
| Етап на реакция | A → B |
|---|---|
| Тип реакция | An* |
| Енергия на активация [kJ/mol} | 573.75 |
| Log (Pre- Exp) [Log (1/s)] | 17.349 |
| Размери n | 0,4 |
| Принос | 1 |
| Коефициент на детерминация (R²) | 0.9999 |
*An: n-измерна нуклеация според Avrami-Erofeev
Степента на превръщане, α, която може да се тълкува като степен на синтероване, се изчислява от софтуера Kinetics Neo въз основа на измерванията с дилатометър, където α варира от 0 до 1 (екз. 1). В термичния анализ конверсията оперативно се определя като термоаналитичния ефект, наблюдаван при температура Т (или във времето t), разделен на общия термоаналитичен ефект, така че определението за термоаналитична конверсия е
където ΔL(T) е частичното изменение на дължината на DIL до температура T, а ΔL(total) е общото изменение на дължината. Това предполага, че всички твърди вещества реагират по един и същи начин и скоростта на синтероване зависи само от температурата.
Ако приемем, че всички компоненти в твърдо тяло или различни кондензирани фази проявяват идентична реактивност по кинетика на термичния анализ (2), кинетиката на едностъпална реакция се представя със следното уравнение на скоростта:
където в уравнение (2) α е степента на синтероване, t е времето, dα/dt е скоростта на преобразуване, T е температурата на реакцията, K(T) е температурно зависимата константа на скоростта на реакцията, а f(α) е функция на преобразуване, която показва типа на използваната реакция и се основава на механизма.
Оптимизация на процесите от Kinetics Neo Software
Измерването с дилатометър, показано на фигура 4, илюстрира поведението при синтероване на зелено тяло от цирконий при скорост на нагряване 8 K/min. Това измерване показва промените в размерите на образеца при този първоначален, неоптимизиран температурен профил.
Измерването с дилатометър, показано на фигура 5, илюстрира поведението при синтероване на зелено тяло от цирконий при оптимизиран температурен профил. Това измерване разкрива постоянните промени в размерите, които настъпват по време на процеса на синтероване. Чрез оптимизиране на температурния профил ние успешно намалихме общото време за синтероване от 183 минути на 72 минути, като същевременно запазихме постоянна скорост на синтероване от 3,7 % в минута.
Крайната промяна на дължината съответства на резултатите, показани на фигура 2, и показва пълно спичане.
Софтуер Termica Neo - Симулация на синтероване при реални условия
Софтуерът Termica Neo се използва за симулиране на процеса на синтероване на керамика с геометрия в реални размери, което позволява точно прогнозиране на температурното разпределение и свиването по време на изпичането. Като анализира температурните вариации в керамичното тяло както в аксиална, така и в радиална посока, симулацията улеснява оптимизацията, като помага за предотвратяване на проблеми като локално прегряване или недозагряване, които биха могли да компрометират качеството на крайния продукт.
С помощта на софтуера Termica Neo може да се реализира симулация за синтероване във вътрешността на материала, включваща температурни градиенти, преобразуване и скорост на синтероване във всяка точка на синтерования обем. Тук оптимизираният температурен профил е избран като околна температура. Фигура 6 (А) илюстрира разпределението на температурата при t = 6 min в керамичното тяло. Скоростта на синтероване при време = 41 min (B) е по-висока на повърхността, отколкото в центъра, в зависимост от координатите. (В) представя степента на синтероване след оптимизиран цикъл на изпичане от 72 минути, където червеният цвят и намаленият линеен размер означават пълно синтероване.
Заключение
Комбинираното използване на NETZSCH DIL, Kinetics Neo, и софтуера Termica Neo демонстрира голяма ефективност при определянето на кинетичните параметри и точното прогнозиране на поведението на керамиката при различни условия. Предвидените чрез симулация температурни профили, изчислени за осигуряване на постоянно свиване, водят до оптимизиране на процеса на синтероване. Чрез усъвършенстване на тези температурни профили постигнахме забележително намаляване на общото време за синтероване от 183 минути на 72 минути, като намалихме времето за обработка с приблизително 60 %. Този подход може да бъде приложен за всички керамични материали, включително етапите на синтероване и отстраняване на примесите.