Johdanto
Zirkoniumoksidikeramiikkaa käytetään laajalti hammaslääketieteellisissä sovelluksissa sen erinomaisen mekaanisen lujuuden, bioyhteensopivuuden ja esteettisyyden vuoksi. Optimaalisten sintrausolosuhteiden saavuttaminen on ratkaisevan tärkeää sen varmistamiseksi, että lopputuote täyttää hammasproteesien vaatimukset.
Sintrausparametrit, kuten lämmitysnopeus ja pitoaika, vaikuttavat merkittävästi sintrauskinetiikkaan ja vaikuttavat tiivistymiseen, raekoon kasvuun ja yleiseen mikrorakenteeseen. Tiivistymisprosessit, joille on ominaista huokoisuuden väheneminen yhdessä raekoon kasvun kanssa, johtavat erityisesti tilavuuden pienenemiseen; tämä tilavuuden kutistuminen voidaan myöhemmin mitata dilatometrillä.
Täydellinen yhdistelmä: Kineettinen analyysi ja dilatometria
Kineettisen analyysin ja dilatometrian yhdistelmä antaa yksityiskohtaisen käsityksen kutistumiskäyttäytymisestä ja mahdollistaa materiaalin vasteiden tarkan ennustamisen vaihtelevissa lämpöprofiileissa [1].
Tässä tutkimuksessa pyritään optimoimaan zirkoniumoksidikeramiikan sintrausprosessi yhdistämällä dilatometriamittaukset ja kineettinen analyysi. Suorittamalla sarja testejä vakiolämmitysnopeuksilla saatiin kutistumiskäyrät, joita analysoitiin keskeisten kineettisten parametrien erottamiseksi. Näitä parametreja käytettiin sitten ennustamaan simuloimalla lämpötilaohjelmia, jotka pitävät sintrausnopeuden vakiona.
Optimaalisen sidonnanpoiston mittausolosuhteetProcess
Keraamisen prosessoinnin optimointi voidaan saavuttaa tehokkaasti kaksivaiheisella lähestymistavalla, johon kuuluu hallittu hiomattomuus ja sen jälkeen SintrausSintraus on tuotantoprosessi, jossa keraamisesta tai metallijauheesta muodostetaan mekaanisesti luja kappale. sintraus. Meidän tapauksessamme saamamme materiaali oli jo karkearakeistettu, minkä vahvistaa kuvassa 1 TGA-menetelmällä havaittu 0,41 prosentin massahäviö small kuumentamalla se 700 °C:seen. Sen vuoksi keskitytään sintrausvaiheen optimointiin. Tapauksissa, joissa sideainepitoisuus ja siten massahäviö on suurempi, olisi kuitenkin tärkeää optimoida huolellisesti myös sintrausvaihe, jotta vikoja ei syntyisi. Tämä voidaan saavuttaa tehokkaasti yhdistämällä termogravimetrinen analyysi (TGA) Kinetics Neo -ohjelmistoon ja optimoimalla jauhatusprofiilivaihe.
Dilatometrimittaukset suoritettiin käyttäen NETZSCH -ohjelmaa DIL 402 Expedis® Supreme. Laajennusmittari oli varustettu Al2O3-näytteenottimella, joka asetettiin grafiittiuuniin, jossa oli Al2O3-suojaputki. Mittaukset suoritettiin ilmassa virtausnopeudella 50 ml/min. Lämmitysnopeuksia 4, 8 ja 15 K/min käytettiin zirkoniumoksidikeraamiseen lieriönmuotoiseen näytteeseen, jonka pituus oli 10 mm ja halkaisija 4 mm.
Mittaustulokset ja keskustelu
Mitattu TGA-käyrä on esitetty kuvassa 1. Kokonaispainohäviö on noin 0,41 % noin 70 minuutin aikana, mikä johtuu kosteuden haihtumisesta ja sideaineen hajoamisesta.
Kuvassa 2 esitetään zirkoniumoksidista valmistetun vihreän kappaleen pituuden muutos mitattuna NETZSCH -laajennusmittarilla. Lämpölaajeneminen on lineaarista 900 °C:seen asti, minkä jälkeen tapahtuu sintrauskutistuminen.
Mittaukset suoritettiin lämmitysnopeuksilla 4, 8 ja 15 K/min lämpövasteen arvioimiseksi vaihtelevissa olosuhteissa.
Kineettinen analyysi Kinetics Neo Software
Kinetics Neo ohjelmistoa käytetään analysoimaan kokeellisia tietoja dilatometriasta, joka mittaa kutistumista (sintraantumista) eri lämmitysnopeuksilla, ja sen jälkeen mallintamaan matemaattisesti reaktiokinetiikkaa ja simuloimaan, miten eri lämpötilaprofiilit vaikuttavat sintraantumisprosessiin, mikä mahdollistaa poltto-ohjelman optimoinnin.
Kuvassa 3 havainnollistetaan pituuden muutoksia, jotka tapahtuvat 640 °C:n ja 1550 °C:n välillä lämmitysnopeuksilla 4, 8 ja 15 K/min. Kuvassa on esitetty sekä mitatut DIL (dilatometria) -käyrät (symbolit), joista on vähennetty lineaarinen lämpölaajeneminen perusviivakorjausta varten, että ennusteet, jotka on saatu käyttämällä yksivaiheista ydintymiskinetiikkamallia, joka perustuu Avrami-Erofejevin yhtälöön käyttäen NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmistoa. Tulokset osoittavat näytteen pituuden pienenemistä, ja lopullinen kutistuma on 18,9 % lämpölaajenemisen poistamisen jälkeen.
Vastaavat kineettiset parametrit on esitetty taulukossa 1. Malli vastaa erinomaisesti kokeellisia tietoja, ja sen määrityskerroin on 0,9999.
Taulukko 1: DIL-mittauksiin perustuvat zirkoniumoksidin vihreän kappaleen kineettiset parametrit
| Reaktiovaihe | A → B |
|---|---|
| Reaktiotyyppi | An* |
| Aktivoitumisenergia [kJ/mol} | 573.75 |
| Log (Pre- Exp) [Log (1/s)] | 17.349 |
| Mitta n | 0,4 |
| Osuus | 1 |
| Määrityskerroin (R²) | 0.9999 |
*An: n-ulotteinen ydintyminen Avrami-Erofejevin mukaan
Konversioaste α, joka voidaan tulkita sintrausasteeksi, lasketaan Kinetics Neo -ohjelmistolla dilatometrimittauksista, joissa α vaihtelee välillä 0-1 (yhtälö 1). Lämpöanalyysissä konversio määritellään toiminnallisesti lämpötilassa T (tai ajanhetkellä t) havaituksi termoanalyyttiseksi vaikutukseksi jaettuna termoanalyyttisen vaikutuksen kokonaismäärällä, joten termoanalyyttisen konversion määritelmä on:
jossa ΔL(T) on DIL:n osittainen pituuden muutos lämpötilaan T asti ja ΔL(total) on kokonaispituuden muutos. Tässä oletetaan, että kaikki kiinteät aineet reagoivat samalla tavalla ja sintrausnopeus riippuu ainoastaan lämpötilasta.
Jos oletetaan, että kaikilla kiinteässä tai eri kondenssivaiheissa olevilla komponenteilla on samanlainen reaktiivisuus lämpöanalyysin kinetiikassa (2), yksivaiheisen reaktion kinetiikkaa kuvaa seuraava nopeusyhtälö:
missä yhtälössä (2) α on sintrausaste, t on aika, dα/dt on muuntumisnopeus, T on reaktiolämpötila, K(T) on lämpötilariippuvainen reaktionopeusvakio ja f(α) on muuntumisfunktio, joka osoittaa käytetyn reaktiotyypin ja perustuu mekanismiin.
Prosessin optimointi Kinetics Neo Software
Kuvassa 4 esitetty dilatometrimittaus havainnollistaa zirkoniumoksidista valmistetun vihreän kappaleen sintrauskäyttäytymistä lämmitysnopeudella 8 K/min. Tämä mittaus näyttää näytteen mittamuutokset tässä alkuperäisessä, ei-optimoidussa lämpötilaprofiilissa.
Kuvassa 5 esitetty dilatometrimittaus havainnollistaa zirkoniumoksidista valmistetun vihreän kappaleen sintrauskäyttäytymistä optimoidussa lämpötilaprofiilissa. Tämä mittaus paljastaa sintrausprosessin aikana tapahtuvat jatkuvat mittamuutokset. Optimoimalla lämpötilaprofiilin lyhensimme onnistuneesti kokonaissintrausaikaa 183 minuutista 72 minuuttiin pitäen sintrausnopeuden vakiona 3,7 % minuutissa.
Lopullinen pituusmuutos vastaa kuvassa 2 esitettyjä tuloksia ja osoittaa täydellistä sintrausta.
Termica Neo Software - Sintrauksen simulointi todellisia olosuhteita käyttäen
Termica Neo -ohjelmistoa käytetään simuloimaan keraamisten tuotteiden sintrausprosessia todellisen kokoisella geometrialla, mikä mahdollistaa lämpötilajakauman ja kutistuman tarkan ennustamisen polton aikana. Simulointi helpottaa optimointia analysoimalla lämpötilavaihteluita keraamisen kappaleen sisällä sekä aksiaalisesti että säteittäisesti, ja auttaa näin estämään esimerkiksi paikallisen ylikuumenemisen tai alikuumenemisen kaltaiset ongelmat, jotka voisivat heikentää lopputuotteen laatua.
Termica Neo -ohjelmiston avulla voidaan toteuttaa materiaalin sisällä tapahtuvan sintrauksen simulointi, mukaan lukien lämpötilagradientit, konversio ja sintrausnopeus sintratun tilavuuden jokaisessa pisteessä. Tässä optimoitu lämpötilaprofiili valitaan ympäröiväksi lämpötilaksi. Kuvassa 6 (A) esitetään lämpötilajakauma keraamisessa kappaleessa hetkellä t = 6 min. Sintrausnopeus ajassa = 41 min (B) on koordinaateista riippuen suurempi pinnalla kuin keskellä. (C) esittää sintrausasteen 72 minuutin optimoidun polttojakson jälkeen, jossa punainen väri ja pienentynyt viivakoko tarkoittavat täydellistä sintrausta.
Päätelmä
NETZSCH DIL:n, Kinetics Neo ja Termica Neo -ohjelmiston yhdistetty käyttö on osoittautunut erittäin tehokkaaksi kineettisten parametrien määrittämisessä ja keraamisen käyttäytymisen tarkassa ennustamisessa vaihtelevissa olosuhteissa. Simuloinnin avulla ennustetut lämpötilaprofiilit, jotka on laskettu vakiokutistuman varmistamiseksi, johtavat sintrausprosessin optimointiin. Näitä lämpötilaprofiileja tarkentamalla saavutimme huomattavan lyhennyksen sintrauksen kokonaiskestossa 183 minuutista 72 minuuttiin, mikä lyhensi käsittelyaikaa noin 60 prosenttia. Tätä lähestymistapaa voidaan soveltaa kaikkiin keraamisiin materiaaleihin, mukaan lukien SintrausSintraus on tuotantoprosessi, jossa keraamisesta tai metallijauheesta muodostetaan mekaanisesti luja kappale. sintraus- ja hiomattomuusvaiheet.