Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Anyagcsaládok (fémek, kerámiák, polimerek, kompozitok)

Átírás

1 Fogászati anyagok fajtái FÉMEK KERÁMIÁK Fémes és nemfémes elemek vegyületei. POLIMEREK KOMPOZITOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Anyagcsaládok (fémek, kerámiák, polimerek, kompozitok) Egy alegység ismétlődésével felépülő láncszerű molekulákból áll. Az előző 3 család legalább kétféle anyagából áll. 2 Fémek Tulajdonságai: gyakori anyag; változatos tulajdonságúak viszonylag nagy sűrűség szobahőmérsékleten szilárd (kivéve Ga és Hg) viszonylag nagy szívósságúak és szilárdságúak viszonylag jól alakíthatók hajlamosak a korrózióra (kivéve a nemesfémek) ötvözéssel tulajdonságaik jól befolyásolhatók jó hő- és elektromos vezetőképesség fémes szín nagyrészt nem biokompatibilisek *Miért gyakori a hexagonális és köbös rács a fémeknél? Egyforma gömbök illeszkedése! Szerkezete: o fémes kötés o színfémekben azonos méretű atomok o kristályos (leggyakrabban hexagonális, vagy köbös)* o polikristályos** Alkalmazási példák: koronák, hidak implantátumok tömés fogszabályozó készülékek amorf fémüveg! Előállítás: olvasztás, öntés 3 szoros illeszkedésű hexagonális (hcp) szoros illeszkedésű köbös (lapcentrált köbös, fcc) pl. Ti, Cd, Co, Zn,... pl. Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ni,... térkitöltési tényező: 74 % 74 % kevésbé szoros illeszkedés: pl. tércentrált köbös (bcc) pl. Fe, Cr, % 4

2 **Polikristályos szerkezet Szövetszerkezet, mikrostruktúra: homogén szövetszerkezet Fémötvözetek Osztályozás: Cél: tulajdonságok javítása, pl. korrózióállóság javítása, pl. Fe, Ni, Co, +Cr nagyobb keménység, merevség elérése, pl. Au+Cu fém-kerámia adhézió növelése, pl. nemesfém+fe, Sn, In fém+fém, pl. Fe+Cr Szövetszerkezet vizsgálata: szemcsék (krisztallitok, szövetelemek) csiszolás durvább/finomabb kémiai maratás mikroszkópi megfigyelés (fémmikroszkóp) heterogén szövetszerkezet 5 fém+nemfém, pl. Fe+C használat szerint (pl. inlay, korona,...) alap elem szerint (arany alapú, palládium alapú,...) komponensek száma (biner, terner, kvaterner,...) szerint 3 fő elem szerint (pl. Au-Pd-Ag, Ni-Cr-Be,...) uralkodó fázisdiagram szerint szilárd oldat eutektikus ötvözet peritektikus ötvözet fémvegyület 6 Ötvözési arányok: tömeg% mól% m c m, m m2 ( 00%) ( 00%) c, 2 tulajdonságok! (Pl. Ni-Cr-Mo-Be ötvözet: Be,8 súly% mól%) Szilárd oldat (elegykristály) Mind folyadék fázisban, mind szilárd fázisban jó oldódás homogén szövetszerkezet szubsztitúciós pl. Cu-Ni, Pd-Ag, Au-Cu,.... elem Átszámoláshoz: 2. elem cm, M 2 c, M c, ( 00%) c m, ( 00%) c M c M c M c M m, 2 m,2,,2 2 intersticiális Átlagsűrűség: 2 c m, 2 c m,2. elem pl. Fe-C, CP Ti (O, C, N, H), elem (CP: kereskedelmi tisztaságú) 7 8 2

3 Oldhatóság feltételei szubsztitúciós szilárd oldatra: atomok mérete ne nagyon különbözzön (< 5%) azonos kristályrács típus hasonló elektronegativitás vegyérték azonos, vagy az oldószer vegyértéke nagyobb Szilárd oldat tulajdonságai: fém Oldhatóság feltételei interstíciális szilárd oldatra: oldott atom mérete jóval kisebb oldott anyag mennyisége kicsi (< 0%) atom átmérő (nm) rácstípus elektronegativitás Au 0,2882 fcc 2,4 Pt 0,2775 fcc 2,2 Pd 0,2750 fcc 2,2 Ag 0,2888 fcc,9 Cu 0,2556 fcc,9 Ni 0,25 fcc,8 Sn 0,306 tetragonális,8 Tiszta fémolvadék lehűlési görbéje T fagyáspont olvadáspont T o likvidusz pont kristályosodás L : folyadék L + S túlhűtés szolidusz pont S : szilárd t T üvegesedés L : folyadék üvegesedési hőmérséklet T ü üveg t Rugalmassági határ, szilárdság, keménység nő, képlékenység csökken, pl. Au-Cu(5 tömeg%) 9 0 Szilárd oldat lehűlési görbéje T o B T összetétel %B Egyensúly! T likvidusz görbe T o B L szolidusz görbe S T o A T o A t Például: ezüst (Ag) + palládium (Pd) A összetétel %B B fázisdiagramja T L T o B T o A S Egyensúlyi állapotokon keresztül! = végtelenül lassú hűtés A összetétel %B B 2 3

4 Fázisok arányának, összetételének meghatározása Például: 80%(m/m) Ag + 20%(m/m) Pd Pl. a C pontban: Folyadék fázis összetétele: 4% Pd + 86% Ag Szilárd fázis összetétele: 23% Pd + 77% Ag Folyadék fázis aránya: s ,3% l s Szilárd fázis aránya: 66,6% l ,6% l s Egyensúlyi állapotokon keresztül = végtelenül lassú hűtés homogén szövetszerkezet Ötvözés hatása a tulajdonságokra Például: Cu-Ni Nem egyensúlyi állapotokon keresztül = ésszerű sebességű hűtés szegregáció! magos szerkezet heterogén szövetszerkezet homogenizáció 4 Eutektikus ötvözetek Szilárd fázisban teljes oldhatatlanság színfém krisztallitok heterogén szövetszerkezet Pl. Ag-Cu 0 C 800 C Például: 77%H 2 O+23%NaCl : T E = 2 C Wood-fém (Bi-Pb-Cd-Sn): T E = 68 C >230 C 5 6 4

5 hőmérséklet ( C) Amalgám Ilyen is van, de nyugi, nem kell megtanulni! Ag-Sn fázisdiagramja tipikus összetétel fém %(m/m) folyadék Hg 50 f Ag 34 Sn 3 f Cu 2 Zn f összetétel (tömeg%sn) g fázis: Ag 3 Sn 7 8 Egy exotikus fázis martenzit Példa: vas-szén ötvözet Fázisdiagram: Martenzit: metastabilis fázis szobahőmérsékleten tércentrált tetragonális Lehűlési görbe: olvadék vas vas + szén ferrit ausztenit ausztenit gyors hűtés Fe C ferrit 9 martenzit 20 5

6 Kerámiák Definíció: fémes és nemfémes elemek vegyülete (vannak kivételek!) Tulajdonságai: közepes sűrűség szobahőmérsékleten szilárd nagy merevség, keménység, de nem jól alakíthatók, törékenyek nagy hő- és korrózióállóság gyenge hősokk tűrés rossz hő- és elektromos vezetőképesség változatos optikai tulajdonságok biokompatibilitás Szerkezete: o főként ionkötés, kisebb részben kovalens o különböző méretű ionok (általában) o kristályos v. amorf Alkalmazási példák: koronák, hidak gyökérstift NaCl P 5+ O 2- Ca 2+ H + cementek apatit 2 csiszolóanyagok Előállítás: égetés, szinterelés porozitás! Üvegkerámia: Amorf üveg kristály átalakulás magas hőmérsékleten nagyon finom szemcsés polikristályos anyag 22 Hibák: Szilikátok Meghatározó elemek: Si és O Építőegység: SiO 4 4 kation interstícium kation vakancia Schottky hiba Szilícium-dioxid (SiO 2 ) anion vakancia Frenkel hiba kristály (krisztobalit) amorf/üveg Interstíciális szennyezés szubsztitúciós szennyezés Korlátozó feltételek: elektroneutralitás együttes vándorlás

7 hőmérséklet (ºC) Porcelán (hagyományos) réteg réteg Kaolin (Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 Oxid kerámiák Cirkónium-dioxid (ZrO 2, cirkon) Tulajdonságok (tömörre szinterelt állapotban): fehér sűrűsége kb. 6 g/cm 3 nagy szilárdságú és nagy szívósságú, merev, kemény (l. később) Előállítás: cirkonhomokból (ZrSiO 4 ) drága tisztítási eljárások, de hafniumoxid marad kb %-ban (radioaktivitás < Bq/g!) hideg v. meleg sajtolás, szinterelés + kvarc + földpát szárítás, égetés 25 repedések! 26 Cirkon stabilizálása ötvözéssel: ZrO 2 MgO ZrO 2 Y 2 O 3 ZrO 2 CaO összetétel (mól% CaO) A cirkon önjavító képessége: Cirkon hozzáadásával más kerámiák is ellenállóbbá tehetők a repedésekkel szemben! l. Fázisátalakulással szívósított kerámiák! összetétel (tömeg% CaO)

8 Alumínium-oxid (Al 2 O 3 ) Tulajdonságok: színtelen, fehér olvadáspont 2700 C sűrűsége kb. 4 g/cm 3 nagyon kemény (l. később) Szén gyémánt fullerének C 60 nanocsövek Kristályos formák: korund Al 2 O 3 + CrO 2 rubin Al 2 O 3 + CoO 2 zafír grafit Polimerek Tulajdonságai: o Monomerekből felépülő hosszú, láncszerű makromolekula kis sűrűség szobahőmérsékleten folyékony, szilárd kis/közepes merevség, keménység, de jó alakíthatóság viszkoelasztikusság viszonylag gyenge hőállóság és korrózióállóság rossz hő- és elektromos vezetőképesség változatos optikai tulajdonságok Szerkezete: o láncon belül kovalens, láncok között másodlagos, ritkábban kovalens kötések szemikristályos v. amorf Előállítás: addíció kondenzáció Monomer homopolimer: egyfajta monomer heteropolimer (kopolimer): két-, vagy többféle monomer Alkalmazási példák: műfogsor tömés lenyomatanyagok

9 Polimer készítmény Statisztika! M n M m adott moláris tömeggel rendelkező molekulák száma össztömege M n M m polimerizáció foka: M n Mmonomer számarány: n i n összmolekulaszám tömegarány: m i m össztömeg polimermolekulák átlagos hossza M n M m M n M m polidiszperzitás foka: M m M n Szám szerinti átlagos moláris tömeg ( M n ): Tömeg szerinti átlagos moláris tömeg ( M m ): M n = n M + n 2 M n i M i + + n k M k n + n n i + + n k = M m = m M + m 2 M m i M i + + m k M k m + m m i + + m k = k i= n i M i k. i= n i k i= m i M i k. i= m i 33 polimermolekulák különbözősége = : monodiszperz < : polidiszperz 34 Polimerek szerkezete szemikristályos Kompozitok Több, kémiailag általában különböző, határozott határfelülettel rendelkező fázisból álló anyag Tulajdonságai: kis sűrűség szobahőmérsékleten szilárd az egyes fázisok előnyös tulajdonságait kombinálja nagy szilárdság, ugyanakkor rugalmasság, nagy szívósság változatos optikai tulajdonságok Kristályossági fok (x): amorf 0% m kristály x 00% m összes kristály 00% Alkalmazási példák: tömés fogorvosi eszközök o termoplasztok o duroplasztok o elasztomerek polietilén

10 Kompozitok szerkezete Kétfázisú kompozit: folytonos fázis/mátrix (polimer, fém, kerámia) + diszperz fázis/adalék/töltőanyag (kerámia, fém,...) szemcse erősítésű szál erősítésű nagy szemcsék finom szemcsék folytonos egyirányú egyirányú rövid véletlen orientációjú Mátrix és töltőanyag kötődése! szemcseerősítésű szálerősítésű lemezes Hibrid komopozitok: több diszperz komponens 37 tulajdonságok! 38 Fogászati kompozitok mátrix: polimer (dimetakrilát) töltőanyag: üveg, kerámia kristály (pl. kvarc), polimer, + pigment, + UV abszorbens,... durva szemcsés (0,-00 mm) bis-gma TEGDGMA mikroszemcsés ( 40 nm) UDMA 39 0