Fogászati anyagok fajtái Fémes kötés FÉMEK KERÁMIÁK Fémes és nemfémes elemek vegyületei. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Anyagcsaládok: fémek, kerámiák Kiemelt témák: Ötvözetek fázisdiagramjai Martenzit fázis Fémek és kerámiák szerkezetének összehasonlítása Cirkon (ZrO ) ankönyv fejezetei: 9- HF: 3. fej.: 3-5, 8, 0,, 4, 8 Egy alegység ismétlődésével felépülő láncszerű molekulákból áll. POLIMEREK KOMPOZIOK Az előző 3 család legalább kétféle anyagából áll. Fémek ulajdonságai: 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. i, Cd, Co, Zn,... pl. Ag, Au, Pt, Al, Cu, Ni,... térkitöltési tényező: 74 % 74 % kevésbé szoros illeszkedés: pl. tércentrált köbös (bcc) pl. Fe, Cr,... 68 % 4
**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 m ( 00%) ( 00%) c, 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:. elem cm, M c, M c, ( 00%) c m, ( 00%) c M c M c M c M m, m,,, intersticiális Átlagsűrűség: c m, c m,. elem pl. Fe-C, CP i (O, C, N, H),.... elem (CP: kereskedelmi tisztaságú) 7 8
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 0,88 fcc,4 Pt 0,775 fcc, Pd 0,750 fcc, Ag 0,888 fcc,9 Cu 0,556 fcc,9 Ni 0,5 fcc,8 Sn 0,306 tetragonális,8 iszta fémolvadék lehűlési görbéje fagyáspont olvadáspont o likvidusz pont kristályosodás L : folyadék L + S túlhűtés szolidusz pont S : szilárd t üvegesedés L : folyadék üvegesedési hőmérséklet ü üveg t Rugalmassági határ, szilárdság, keménység nő, képlékenység csökken, pl. Au-Cu(5 tömeg%) 9 0 Szilárd oldat lehűlési görbéje o B összetétel %B Egyensúly! likvidusz görbe o B L szolidusz görbe S o A o A t Például: ezüst (Ag) + palládium (Pd) A összetétel %B B fázisdiagramja L o B o A S Egyensúlyi állapotokon keresztül! = végtelenül lassú hűtés A összetétel %B B 3
Fázisok arányának, összetételének meghatározása Például: 80%(m/m) Ag + 0%(m/m) Pd Pl. a C pontban: Folyadék fázis összetétele: 4% Pd + 86% Ag Szilárd fázis összetétele: 3% Pd + 77% Ag Folyadék fázis aránya: s 3 0 3 33,3% l s 3 4 9 Szilárd fázis aránya: 66,6% l 0 4 6 66,6% l s 3 4 9 3 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 O+3%NaCl : E = C Wood-fém (Bi-Pb-Cd-Sn): E = 68 C >30 C 5 6 4
hőmérséklet ( C) Amalgám tipikus összetétel Ag-Sn fázisdiagramja Egy exotikus fázis martenzit Példa: vas-szén ötvözet Lehűlési görbe: olvadék vas vas + szén fém %(m/m) Hg 50 Ag 34 Sn 3 f folyadék f ferrit Cu Zn f ausztenit összetétel (tömeg%sn) g fázis: Ag 3 Sn ferrit 7 8 Fázisdiagram: ausztenit gyors hűtés Martenzit: metastabilis fázis szobahőmérsékleten tércentrált tetragonális Fe C Kerámiák Definíció: fémes és nemfémes elemek vegyülete (vannak kivételek!) ulajdonságai: 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 martenzit 9 gyökérstift NaCl P 5+ O - Ca + H + cementek apatit 0 csiszolóanyagok 5
Előállítás: égetés, szinterelés Hibák: porozitás! kation vakancia kation interstícium Schottky hiba anion vakancia Frenkel hiba Üvegkerámia: Amorf üveg kristály átalakulás magas hőmérsékleten nagyon finom szemcsés polikristályos anyag Interstíciális szennyezés szubsztitúciós szennyezés Korlátozó feltételek: elektroneutralitás együttes vándorlás Szilikátok Meghatározó elemek: Si és O Építőegység: SiO 4 4 Porcelán (hagyományos) Szilícium-dioxid (SiO ) réteg Kaolin (Al (Si O 5 )(OH) 4 kristály (krisztobalit) amorf/üveg réteg + kvarc + földpát szárítás, égetés 3 4 6
hőmérséklet (ºC) Oxid kerámiák Cirkónium-dioxid (ZrO, cirkon) ulajdonságok (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 Cirkon stabilizálása ötvözéssel: ZrO MgO ZrO Y O 3 ZrO CaO összetétel (mól% CaO) repedések! 5 összetétel (tömeg% CaO) 6 A cirkon önjavító képessége: Alumínium-oxid (Al O 3 ) ulajdonságok: színtelen, fehér olvadáspont 700 C sűrűsége kb. 4 g/cm 3 nagyon kemény (l. később) Kristályos formák: korund Al O 3 + CrO rubin Al O 3 + CoO zafír Cirkon hozzáadásával más kerámiák is ellenállóbbá tehetők a repedésekkel szemben! l. Fázisátalakulással szívósított kerámiák! 7 Következő előadáshoz: -3. tankönyvi fejezetek 8 7