Fogászati anyagok fajtái Fémes kötés FÉMEK KERÁMIÁK Fémes és nemfémes elemek vegyületei. 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 ) Polimerkészítmény statisztikus leírása ankönyv fejezetei: 9-3 HF: 3. fej.: 3-5, 8, 0,, 4, 8,, 4, 5, 7 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 34 9 Szilárd fázis aránya: 66,6% l 0 4 6 66,6% l s 34 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 Ag-Sn fázisdiagramja Ilyen is van, de nyugi, nem kell megtanulni! tipikus összetétel fém %(m/m) Hg 50 Ag 34 Sn 3 f folyadék f Cu Zn f összetétel (tömeg%sn) g fázis: Ag 3 Sn 7 8 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 gyökérstift NaCl P 5+ O - Ca + H + cementek apatit 9 csiszolóanyagok Előállítás: égetés, szinterelés porozitás! Üvegkerámia: Amorf üveg kristály átalakulás magas hőmérsékleten nagyon finom szemcsés polikristályos anyag 0 5
Hibák: Szilikátok Meghatározó elemek: Si és O Építőegység: SiO 4 4 kation interstícium kation vakancia Schottky hiba Szilícium-dioxid (SiO ) anion vakancia Frenkel hiba kristály (pl.krisztobalit) amorf/üveg Interstíciális szennyezés szubsztitúciós szennyezés Korlátozó feltételek: elektroneutralitás együttes vándorlás Porcelán (hagyományos) réteg réteg Kaolin (Al (Si O 5 )(OH) 4 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 + kvarc + földpát szárítás, égetés 3 repedések! 4 6
hőmérséklet (ºC) Cirkon stabilizálása ötvözéssel: ZrO MgO ZrO Y O 3 ZrO 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) 5 6 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 7 Polimerek ulajdonságai: 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: műfogsor tömés lenyomatanyagok Előállítás: addíció kondenzáció 8 7
Monomer Polimer készítmény Statisztika! M n M m adott moláris tömeggel rendelkező molekulák száma össztömege számarány: n i n összmolekulaszám tömegarány: m i m össztömeg homopolimer: egyfajta monomer heteropolimer (kopolimer): két-, vagy többféle monomer M n M m Szám szerinti átlagos moláris tömeg ( M n ): ömeg szerinti átlagos moláris tömeg ( M m ): M n = n M + n M + + n i M i + + n k M k n + n + + n i + + n k = k i= n i M i k. i= n i 9 M m = m M + m M + + m i M i + + m k M k m + m + + m i + + m k = k i= m i M i k. i= m i 30 Polimerek szerkezete szemikristályos M n M m polimerizáció foka: M n Mmonomer polimermolekulák átlagos hossza Kristályossági fok (x): M n M m polidiszperzitás foka: M m M n amorf 0% m kristály x 00% m összes kristály 00% polimermolekulák különbözősége = : monodiszperz < : polidiszperz o termoplasztok o duroplasztok o elasztomerek polietilén 3 3 8
Kompozitok öbb, kémiailag általában különböző, határozott határfelülettel rendelkező fázisból álló anyag Kompozitok szerkezete ulajdonságai: kis sűrűség szobahőmérsékleten szilárd az egyes fázisok előnyös tulajdonságait kombinálja nagy szilárdság, ugyanakkor rugalmasság, nagy szívósság változatos optikai tulajdonságok Kétfázisú kompozit: folytonos fázis/mátrix (polimer, fém, kerámia) + diszperz fázis/adalék/töltőanyag (kerámia, fém,...) Mátrix és töltőanyag kötődése! Alkalmazási példák: tömés fogorvosi eszközök szemcseerősítésű szálerősítésű lemezes 33 Hibrid komopozitok: több diszperz komponens 34 szemcse erősítésű szál erősítésű nagy szemcsék finom szemcsék folytonos egyirányú egyirányú rövid véletlen orientációjú Fogászati kompozitok mátrix: polimer (dimetakrilát) töltőanyag: üveg, kerámia kristály (pl. kvarc), polimer, + pigment, + UV abszorbens,... bis-gma durva szemcsés (0,-00 mm) EGDGMA mikroszemcsés ( 40 nm) UDMA Következő előadáshoz: 4-5. tankönyvi tulajdonságok! 35 36 fejezetek 9