中山大学团队开发高断裂韧性抗低温降解氧化铝/锶铝十二氧化物增强氧化锆牙科陶瓷复合材料

作者及机构
本研究由中山大学附属口腔医院、广东省口腔医学重点实验室及材料科学与工程学院多个团队合作完成，主要作者包括Qiulan Li、Kuangyao Chen、Takkun Ng等，通讯作者为Yutao Jian、Ke Zhao和Xiaodong Wang。研究成果发表于2024年5月的《Journal of Materials Research and Technology》（第30卷，6877–6888页）。

学术背景
氧化锆（zirconia）因其优异的机械性能、生物相容性和美学特性，被广泛用于牙科修复体（如种植体、固定修复体）。然而，传统3 mol%氧化钇稳定的四方相氧化锆多晶陶瓷（3Y-TZP）存在两大缺陷：低温降解（Low-Temperature Degradation, LTD）敏感性和低断裂韧性。LTD指氧化锆在潮湿环境中（<400°C）自发从四方相（t相）向单斜相（m相）转变，伴随体积膨胀，导致微裂纹和力学性能下降；而低断裂韧性（2.4–3.5 MPa·m¹/²）易引发修复体长期使用中的断裂。

为解决这些问题，研究团队提出通过复合陶瓷策略，将氧化铝（Al₂O₃）和锶铝十二氧化物（SrAl₁₂O₁₉）作为增强相引入氧化锆基体，旨在协同提升材料的断裂韧性和LTD抗性，同时满足牙科应用对生物相容性和美观性的要求。

研究流程与方法
1. 材料制备与烧结优化
- Pechini溶胶-凝胶法：采用硝酸盐前驱体（Zr、Y、Al、Sr）与柠檬酸、乙二醇聚合，经600°C热处理去除有机物，球磨后冷等静压成型。
- 烧结参数筛选：以3Y-ZA8SR8（8 vol% Al₂O₃和SrAl₁₂O₁₉）为模型，测试1450–1600°C烧结温度及1–3小时烧结时间对密度、晶粒尺寸的影响。通过阿基米德法测密度，SEM观察微观结构，XRD分析物相组成。

1. 力学性能测试

   • 断裂韧性（KIC）：维氏压痕法（10 kgf载荷）测量，结合激光共聚焦显微镜分析裂纹长度。
     
   • 硬度和弹性模量：纳米压痕仪（Oliver-Pharr法）测定，最大压入深度1000 nm。
     
   • 弯曲强度：球盘三点弯曲法（B3B测试）计算断裂载荷。
     

2. 低温降解（LTD）评估

   • 样品在134°C、0.2 MPa高压蒸汽中老化0–128小时，XRD定量m相含量（Garvie-Toraya公式）。
     

3. 数据分析

   • 使用SPSS 16.0进行统计学分析（t检验、ANOVA），数据以均值±标准差表示。
     

主要结果
1. 烧结优化
- 1500°C烧结3小时为最佳条件，此时3Y-ZA8SR8的相对密度达最高（>99%），ZrO₂晶粒尺寸最小（560 nm），SrAl₁₂O₁₉长径比最大（4.58）。高温（>1500°C）导致晶粒粗化和残余应力增加。

1. 力学性能提升

   • 断裂韧性：3Y-ZA8SR8的KIC达5.23±0.25 MPa·m¹/²，比传统3Y-TZP提高40%。其机制为：
     
     • 穿晶断裂：致密结构增强晶界结合力。
       
     • 裂纹偏转：SrAl₁₂O₁₉板状晶粒通过桥联和分支阻碍裂纹扩展。
       
   • 弯曲强度与硬度：分别为990.09 MPa和16.52 GPa，满足ISO 6872:2015牙科5级标准（≥800 MPa）。
     

2. LTD抗性改善

   • 3Y-ZA8SR8在64小时老化后m相含量为48.35±5.70%，显著低于未增强3Y-TZP（80%）。Al₂O₃和SrAl₁₂O₁₇通过减少ZrO₂晶粒接触面积和残余压应力抑制相变。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了Al₂O₃/SrAl₁₂O₁₉通过调控密度、晶粒尺寸和残余应力协同提升氧化锆性能的机制。
- 提出Pechini法可实现增强相均匀分布，为复合陶瓷设计提供新思路。

1. 应用价值
   
   • 3Y-ZA8SR8复合材料兼具高韧性（>5 MPa·m¹/²）和可接受的LTD敏感性，适用于多单元固定修复体等高应力场景。
     
   • 材料符合ISO 13356:2008种植体标准（老化5小时后m相≤25%），有望替代传统3Y-TZP。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次将Pechini法应用于Al₂O₃/SrAl₁₂O₁₉-ZrO₂复合陶瓷的合成，确保组分均匀性。
2. 性能突破：通过双重增强相设计，同时解决氧化锆的LTD和低韧性难题。
3. 临床潜力：材料力学性能超越现有牙科氧化锆，且生物相容性良好（Sr元素已用于骨质疏松治疗）。

其他发现
- 过量增强相（>8 vol%）会因孔隙率上升导致性能下降，表明存在最优掺杂阈值。
- 4Y-PSZ和5Y-PSZ虽LTD抗性更优，但断裂韧性较低，凸显3Y基复合材料的平衡优势。

（注：全文术语首次出现均标注英文，如“低温降解（Low-Temperature Degradation, LTD）”）