Введение
Циркониевая керамика широко используется в стоматологии благодаря своей превосходной механической прочности, биосовместимости и эстетической привлекательности. Достижение оптимальных условий спекания имеет решающее значение для обеспечения соответствия конечного продукта требованиям стоматологических реставраций.
Параметры спекания, такие как скорость нагрева и время выдержки, существенно влияют на кинетику спекания и воздействуют на уплотнение, рост зерен и общую микроструктуру. В частности, процессы уплотнения, характеризующиеся уменьшением пористости наряду с ростом зерен, приводят к уменьшению объема; это уменьшение объема может быть впоследствии измерено с помощью дилатометра.
Идеальное сочетание: Кинетический анализ и дилатометрия
Сочетание кинетического анализа и дилатометрии обеспечивает детальное понимание поведения усадки и позволяет точно предсказать реакцию материала при изменении теплового профиля [1].
Целью данного исследования является оптимизация процесса спекания циркониевой керамики путем сочетания дилатометрических измерений с кинетическим анализом. Путем проведения серии испытаний при постоянных скоростях нагрева были получены кривые усадки, которые были проанализированы для извлечения ключевых кинетических параметров. Эти параметры затем использовались для прогнозирования путем моделирования температурных программ, поддерживающих постоянную скорость спекания.
Условия измерения для оптимального обезвоживанияПроцесс
Оптимизация обработки керамики может быть эффективно достигнута с помощью двухэтапного подхода, включающего контролируемое дебридирование и последующее спекание. В нашем случае полученный материал уже был дебридирован, что подтверждает рисунок 1: small потеря массы 0,41 %, наблюдаемая в ТГА при нагревании до 700 °С. Поэтому основное внимание уделяется оптимизации стадии спекания. Однако в тех случаях, когда содержание связующего и, соответственно, потеря массы выше, для предотвращения дефектов необходима тщательная оптимизация этапа дебридинга. Этого можно эффективно достичь, сочетая термогравиметрический анализ (ТГА) с программным обеспечением Kinetics Neo для оптимизации стадии профиля разрыхления.
Дилатометрические измерения проводились с использованием программы NETZSCH DIL 402 ExpedisSupreme. Дилатометр был оснащен держателем образца Al2O3, который помещался в графитовую печь с защитной трубкой из Al2O3. Измерения проводились в воздухе при скорости потока 50 мл/мин. Скорости нагрева 4, 8 и 15 К/мин применялись к цилиндрическому образцу из циркониевой керамики длиной 10 мм и диаметром 4 мм.
Результаты измерений и обсуждение
Измеренная кривая ТГА показана на рисунке 1. Общая потеря веса составляет около 0,41 % в течение примерно 70 минут. Это связано с испарением влаги и разложением связующего.
На рис. 2 показано изменение длины зеленого тела из диоксида циркония, измеренное с помощью дилатометра NETZSCH. Линейное тепловое расширение наблюдается до 900°C, затем следует спекание-усадка.
Измерения проводились при скоростях нагрева 4, 8 и 15 К/мин для оценки теплового отклика в различных условиях.
Кинетический анализ от Kinetics Neo Software
Kinetics Neo программное обеспечение используется для анализа экспериментальных данных дилатометрии, которая измеряет усадку (спекание) при различных скоростях нагрева, затем математически моделирует кинетику реакции и моделирует, как различные температурные профили влияют на процесс спекания, что позволяет оптимизировать программу обжига.
На рисунке 3 показаны изменения длины, происходящие между 640°C и 1550°C при скоростях нагрева 4, 8 и 15 К/мин. Представлены как измеренные кривые DIL (дилатометрия) (символы) с вычитанием линейного теплового расширения для коррекции базовой линии, так и прогнозы, полученные с помощью одноступенчатой модели кинетики нуклеации, основанной на уравнении Аврами-Ерофеева, с использованием программного обеспечения NETZSCH Kinetics Neo . Результаты показывают уменьшение длины образца с конечной усадкой 18,9 % после устранения теплового расширения длины.
Соответствующие кинетические параметры сведены в таблицу 1. Модель демонстрирует отличное согласие с экспериментальными данными, коэффициент детерминации составляет 0,9999.
Таблица 1: Кинетические параметры зеленого тела из диоксида циркония на основе измерений DIL
| Шаг реакции | A → B |
|---|---|
| Тип реакции | An* |
| Энергия активации [кДж/моль} | 573.75 |
| Log (Pre- Exp) [Log (1/s)] | 17.349 |
| Размерность n | 0,4 |
| Вклад | 1 |
| Коэффициент детерминации (R²) | 0.9999 |
*An: n-мерная нуклеация по Аврами-Ерофееву
Степень превращения, α, которую можно интерпретировать как степень спекания, рассчитывается программой Kinetics Neo на основе дилатометрических измерений, где α находится в диапазоне от 0 до 1 (eq 1). В термическом анализе конверсия оперативно определяется как термоаналитический эффект, наблюдаемый при температуре T (или в момент времени t), деленный на общий термоаналитический эффект, поэтому определение термоаналитической конверсии имеет вид:
где ΔL (T) - частичное изменение длины ДИЛ до температуры T, а ΔL (total) - полное изменение длины. При этом предполагается, что все твердые вещества реагируют одинаково и скорость спекания зависит только от температуры.
Если предположить, что все компоненты в твердой или различных конденсированных фазах проявляют одинаковую реакционную способность по кинетике термического анализа (2), то кинетика одностадийной реакции представлена следующим уравнением скорости:
где в уравнении (2) α - степень спекания, t - время, dα/dt - скорость конверсии, T - температура реакции, K(T) - константа скорости реакции в зависимости от температуры, а f(α) - функция конверсии, показывающая тип используемой реакции и зависящая от механизма.
Оптимизация процессов от Kinetics Neo Software
Измерение дилатометром, показанное на рисунке 4, иллюстрирует поведение при спекании зеленого тела из диоксида циркония при скорости нагрева 8 К/мин. Это измерение показывает изменение размеров образца при первоначальном, неоптимизированном температурном профиле.
Измерение дилатометром, показанное на рисунке 5, иллюстрирует поведение при спекании зеленого тела из диоксида циркония при оптимизированном температурном профиле. Это измерение показывает постоянные изменения размеров, происходящие в процессе спекания. Оптимизировав температурный профиль, мы успешно сократили общее время спекания с 183 минут до 72 минут при сохранении постоянной скорости спекания 3,7 % в минуту.
Окончательное изменение длины соответствует результатам, показанным на рисунке 2, и свидетельствует о полном спекании.
Termica Neo Software - моделирование спекания при допущении реальных условий
Программное обеспечение Termica Neo используется для моделирования процесса спекания керамики с геометрией реального размера, позволяя точно предсказать распределение температуры и усадку во время обжига. Анализируя колебания температуры внутри керамического тела в осевом и радиальном направлениях, моделирование облегчает оптимизацию, помогая предотвратить такие проблемы, как локальный перегрев или недогрев, которые могут ухудшить качество конечного продукта.
Используя программное обеспечение Termica Neo, можно провести моделирование спекания внутри материала, включая температурные градиенты, конверсию и скорость спекания в каждой точке спекаемого объема. В качестве температуры окружающей среды здесь выбран оптимизированный температурный профиль. На рисунке 6 (A) показано распределение температуры при t = 6 мин в керамическом корпусе. Скорость спекания в момент времени = 41 мин (B) выше на поверхности, чем в центре, в зависимости от координат. (C) представляет степень спекания после оптимизированного цикла обжига в 72 минуты, где красный цвет и уменьшение линейного размера означают полное спекание.
Заключение
Совместное использование приборов NETZSCH DIL, Kinetics Neo и программного обеспечения Termica Neo показало высокую эффективность в определении кинетических параметров и точном прогнозировании поведения керамики в различных условиях. Предсказанные с помощью моделирования температурные профили, рассчитанные для обеспечения постоянной усадки, позволили оптимизировать процесс спекания. Уточнив эти температурные профили, мы добились значительного сокращения общего времени спекания с 183 минут до 72 минут, сократив время обработки примерно на 60 %. Этот подход может быть применен ко всем керамическим материалам, включая стадии спекания и дебридинга.