Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5.

Átírás

1 Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Anyagcsaládok: fémek, kerámiák, polimerek és kompozitok Kiemelt témák: Ötvözetek fázisdiagramjai Fémek és kerámiák szerkezetének összehasonlítása Cirkon (ZrO 2 ) Polimerkészítmény statisztikus leírása Tankönyv fejezetei: 9-13 HF: 3. fej.: 3-5, 8, 10, 12, 14, 18, 21, 24, 25, 27 1

2 Fogászati anyagok fajtái Fémes kötés FÉMEK KERÁMIÁK Fémes és nemfémes elemek vegyületei. POLIMEREK KOMPOZITOK Egy alegység ismétlődésével felépülő láncszerű molekulákból áll. Az előző 3 család legalább kétféle anyagából áll. 2

3 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 Szerkezete: o fémes kötés o színfémekben azonos méretű atomok o kristályos (leggyakrabban hexagonális, vagy köbös)* o polikristályos** amorf fémüveg! Alkalmazási példák: koronák, hidak implantátumok tömés fogszabályozó készülékek Előállítás: olvasztás, öntés 3

4 *Miért gyakori a hexagonális és köbös rács a fémeknél? Egyforma gömbök illeszkedése! kevésbé szoros illeszkedés: pl. tércentrált köbös (bcc) szoros illeszkedésű hexagonális (hcp) szoros illeszkedésű köbös (lapcentrált köbös, fcc) pl. Fe, Cr, % pl. Ti, Cd, Co, Zn,... pl. Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ni,... térkitöltési tényező: 74 % 74 % 4

5 **Polikristályos szerkezet Szövetszerkezet, mikrostruktúra: homogén szövetszerkezet szemcsék (krisztallitok, szövetelemek) heterogén szövetszerkezet Szövetszerkezet vizsgálata: csiszolás durvább/finomabb kémiai maratás mikroszkópi megfigyelés (fémmikroszkóp) 5

6 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 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

7 Ötvözési arányok: tömeg% m 1 c m, 1 m1 m2 ( 100%) mól% 1 c, ( 100%) tulajdonságok! (Pl. Ni-Cr-Mo-Be ötvözet: Be 1,8 súly% 11 mól%) Átszámoláshoz: cm,1 M 2 c,1 M1 c, 1 ( 100%) c m, 1 ( 100%) c M c M c M c M m,1 2 m,2 1,1 1,2 2 Átlagsűrűség: 1 2 c m,1 2 c m,2 1 7

8 Szilárd oldat (elegykristály) Mind folyadék fázisban, mind szilárd fázisban jó oldódás homogén szövetszerkezet szubsztitúciós 1. elem pl. Cu-Ni, Pd-Ag, Au-Cu, elem intersticiális 1. elem 2. elem pl. Fe-C, CP Ti (O, C, N, H),... (CP: kereskedelmi tisztaságú) 8

9 Oldhatóság feltételei szubsztitúciós szilárd oldatra: atomok mérete ne nagyon különbözzön (< 15%) azonos kristályrács típus hasonló elektronegativitás vegyérték azonos, vagy az oldószer vegyértéke nagyobb fém 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 1,9 Cu 0,2556 fcc 1,9 Ni 0,25 fcc 1,8 Sn 0,3016 tetragonális 1,8 Oldhatóság feltételei interstíciális szilárd oldatra: oldott atom mérete jóval kisebb oldott anyag mennyisége kicsi (< 10%) Szilárd oldat tulajdonságai: Rugalmassági határ, szilárdság, keménység nő, képlékenység csökken, pl. Au-Cu(5 tömeg%) 9

10 Tiszta fémolvadék lehűlési görbéje kristályosodás üvegesedés T T L : folyadék L : folyadék fagyáspont olvadáspont T o L + S S : szilárd t üvegesedési hőmérséklet T ü üveg t likvidusz pont túlhűtés szolidusz pont 10

11 Szilárd oldat lehűlési görbéje T o B T összetétel %B T o A L S t fázisdiagramja T L T o B T o A S Egyensúlyi állapotokon keresztül! = végtelenül lassú hűtés A összetétel %B B 11

12 Egyensúly! T T o B likvidusz görbe szolidusz görbe T o A Például: ezüst (Ag) + palládium (Pd) A összetétel %B B 12

13 Fázisok arányának, összetételének meghatározása Például: 80%(m/m) Ag + 20%(m/m) Pd Pl. a C pontban: Folyadék fázis összetétele: 14% Pd + 86% Ag Szilárd fázis összetétele: 23% Pd + 77% Ag Folyadék fázis aránya: s l s Szilárd fázis aránya: 3 33,3% 9 66,6% l ,6% l s

14 Egyensúlyi állapotokon keresztül = végtelenül lassú hűtés homogén szövetszerkezet Nem egyensúlyi állapotokon keresztül = ésszerű sebességű hűtés szegregáció! magos szerkezet heterogén szövetszerkezet homogenizáció Ötvözés hatása a tulajdonságokra Például: Cu-Ni 14

15 Eutektikus ötvözetek Szilárd fázisban teljes oldhatatlanság színfém krisztallitok heterogén szövetszerkezet Például: 0 C 800 C 77%H 2 O+23%NaCl : T E = 21 C Wood-fém (Bi-Pb-Cd-Sn): T E = 68 C >230 C 15

16 Pl. Ag-Cu 16

17 hőmérséklet ( C) Amalgám Ag-Sn fázisdiagramja tipikus összetétel fém %(m/m) Hg 50 Ag 34 Sn 13 Cu 2 Zn 1 f folyadék f f összetétel (tömeg%sn) g fázis: Ag 3 Sn 17

18 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 18 csiszolóanyagok

19 Előállítás: égetés, szinterelés porozitás! Üvegkerámia: Amorf üveg kristály átalakulás magas hőmérsékleten nagyon finom szemcsés polikristályos anyag 19

20 Hibák: kation interstícium Schottky hiba kation vakancia anion vakancia Frenkel hiba Interstíciális szennyezés szubsztitúciós szennyezés Korlátozó feltételek: elektroneutralitás együttes vándorlás 20

21 Szilikátok Meghatározó elemek: Si és O Építőegység: SiO 4 4 Szilícium-dioxid (SiO 2 ) kristály (pl.krisztobalit) amorf/üveg 21

22 Porcelán (hagyományos) réteg Kaolin (Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 réteg + kvarc + földpát szárítás, égetés 22

23 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 1%-ban (radioaktivitás <1 Bq/g!) hideg v. meleg sajtolás, szinterelés repedések! 23

24 hőmérséklet (ºC) Cirkon stabilizálása ötvözéssel: összetétel (mól% CaO) ZrO 2 MgO ZrO 2 Y 2 O 3 ZrO 2 CaO összetétel (tömeg% CaO) 24

25 A cirkon önjavító képessége: Cirkon hozzáadásával más kerámiák is ellenállóbbá tehetők a repedésekkel szemben! l. Fázisátalakulással szívósított kerámiák! 25

26 Alumínium-oxid (Al 2 O 3 ) Tulajdonságok: színtelen, fehér olvadáspont 2700 C sűrűsége kb. 4 g/cm 3 nagyon kemény (l. később) Kristályos formák: korund Al 2 O 3 + CrO 2 rubin Al 2 O 3 + CoO 2 zafír 26

27 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 Alkalmazási példák: Előállítás: addíció kondenzáció műfogsor tömés lenyomatanyagok 27

28 Monomer homopolimer: egyfajta monomer heteropolimer (kopolimer): két-, vagy többféle monomer 28

29 Polimer készítmény Statisztika! M n M m adott moláris tömeggel rendelkező molekulák száma össztömege számarány: n i n összmolekulaszám tömegarány: m i m össztömeg M n M m Szám szerinti átlagos moláris tömeg ( M n ): Tömeg szerinti átlagos moláris tömeg ( M m ): M n = n 1M 1 + n 2 M n i M i + + n k M k n 1 + n n i + + n k = M m = m 1M 1 + m 2 M m i M i + + m k M k m 1 + m m i + + m k = k i=1 k i=1 n i n i M i. k i=1 k i=1 m i m i M i. 29

30 M n M m polimerizáció foka: M n Mmonomer polimermolekulák átlagos hossza M n M m polidiszperzitás foka: M m M n polimermolekulák különbözősége = 1: monodiszperz 1< : polidiszperz 30

31 Polimerek szerkezete szemikristályos Kristályossági fok (x): amorf 0% x m kristály 100% m összes kristály 100% o termoplasztok o duroplasztok o elasztomerek polietilén 31

32 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 Alkalmazási példák: tömés fogorvosi eszközök 32

33 Kompozitok szerkezete Kétfázisú kompozit: folytonos fázis/mátrix (polimer, fém, kerámia) + diszperz fázis/adalék/töltőanyag (kerámia, fém,...) Mátrix és töltőanyag kötődése! szemcseerősítésű szálerősítésű lemezes Hibrid komopozitok: több diszperz komponens 33

34 szemcse erősítésű szál erősítésű nagy szemcsék finom szemcsék folytonos egyirányú egyirányú rövid véletlen orientációjú tulajdonságok! 34

35 Fogászati kompozitok mátrix: polimer (dimetakrilát) töltőanyag: üveg, kerámia kristály (pl. kvarc), polimer, + pigment, + UV abszorbens,... durva szemcsés (0,1-100 mm) bis-gma TEGDGMA mikroszemcsés ( 40 nm) UDMA Következő előadáshoz: tankönyvi fejezetek 35