速度烧结单层氧化锆冷却速率对微观结构与力学性能影响的研究报告

主要作者与研究机构

本研究由 Stevan M. Čokić、Jef Vleugels、Bart van Meerbeek 和 Fei Zhang 共同完成，其中通讯作者为 Stevan M. Čokić。研究团队来自比利时鲁汶大学（KU Leuven），具体隶属于口腔健康科学系 BIOMAT–生物材料研究组及鲁汶大学牙科学院（Department of Oral Health Sciences, BIOMAT–Biomaterials Research Group & UZ Leuven, Dentistry），同时与鲁汶大学材料工程系（Department of Materials Engineering, MTM）开展合作。该研究成果发表于 Dental Materials 期刊 2026 年第 42 卷，页码 412 至 419，于 2025 年 11 月 2 日在线发表。

研究背景与目的

在过去十年中，计算机辅助设计与计算机辅助制造（CAD/CAM）技术的整合深刻改变了修复牙科学的面貌。椅旁 CAD/CAM 系统使得修复体能够在单次就诊内完成制作，其中氧化锆陶瓷因其优异的生物相容性、高强度以及良好的美学性能而备受关注。氧化锆陶瓷经历了三代发展，从高强但不透明的 3Y-TZP 逐步演化为含有更高氧化钇含量、具有更好透光性但强度有所降低的配方。然而，常规氧化锆烧结过程通常需要 6 至 8 小时，这成为其真正应用于椅旁治疗的瓶颈，也由此推动了速度烧结炉的研发，将烧结时间缩短至约 11 分钟。

速度烧结虽然带来了效率的提升，但其对材料微观结构、相组成以及力学和光学性能的潜在影响引发了学界的广泛讨论。已有研究表明，速度烧结可能维持或提高挠曲强度，但也可能导致力学可靠性下降、透光性降低以及孔隙率增加等问题。烧结过程中的冷却速率被认为可能是影响速度烧结氧化锆性能的关键因素之一。快速冷却可能在脆性材料中引发热震裂纹，但关于冷却速率对整体牙科氧化锆性能影响的系统性评估仍然缺乏。因此，本研究的主要目的是评估不同速度烧结冷却速率对两种商业氧化锆——3Y-TZP（IPS e.max ZirCAD LT）和 5Y-PSZ（Katana STML）——的相组成、微观结构、光学性能及力学性能的影响。研究提出了六个具体的零假设，分别针对相组成、晶粒尺寸、透光性、挠曲强度、硬度与断裂韧性以及力学可靠性（Weibull 模数）不受冷却速率影响。

研究流程与方法

本研究选取两种商业预烧结氧化锆陶瓷：IPS e.max ZirCAD LT A2（Ivoclar，列支敦士登沙恩）和 Katana STML A2（Kuraray Noritake，日本东京），并将其切割成约 15 × 15 × 3.5 mm 的板状试样。试样被分为两组：第一组按照制造商推荐的速度烧结协议进行快速冷却烧结，其中 LT_1200 组的总热循环时间为 61 分钟，烧结时间为 5 分钟，最高温度为 1460 °C，炉门在 1200 °C 时打开并进行空气冷却；STML_800 组的总热循环时间为 104 分钟，烧结时间为 30 分钟，最高温度为 1560 °C，炉门在 800 °C 时打开并进行空气冷却。第二组 LT_300 和 STML_300 则采用与第一组相同的速度烧结升温程序，但冷却方式改为在炉内稳定冷却，炉门在 300 °C 时才打开。烧结后的试样经过平行研磨并逐级抛光至 1 µm 金刚石悬浮液和胶体二氧化硅，最终获得镜面表面。用于密度、微观结构和光学性能评估的试样厚度为 0.5 mm，用于双轴挠曲强度、维氏硬度和压痕韧性测试的试样厚度为 1.2 mm。

在材料表征方面，化学成分通过波长色散 X 射线荧光光谱（WD-XRF；Bruker S8 Tiger）测定，每种材料测试 3 个试样。密度根据阿基米德原理在乙醇中测定，每种材料测试 10 个试样。相组成通过 X 射线衍射（XRD；Bruker D2 Phaser）分析，使用 Cu Kα 辐射，扫描范围为 20° 至 90°（2θ），步长为 0.01°，每步停留 3 秒。Rietveld 精修分析使用 Topas Academic v5 软件进行，以确定各材料的相组成和晶格参数。四方氧化锆相中的 Y₂O₃ 含量根据 Yamashita 等和 Gibson 等提出的方法，基于四方相晶胞参数 a 和 c 进行计算。微观结构通过扫描电子显微镜（NanoSEM；Nova NanoSEM 450，ThermoFisher）表征。试样在分析前经过镜面抛光和 1250 °C 热蚀刻，并镀铂以显示晶界网络。在 10⁻⁵ mbar 压力、10 kV 加速电压和 144 µA 束流条件下获取二次电子图像。至少测量 1000 个晶粒的尺寸，采用线性截距法，使用 Image-Pro Plus 6.0 软件进行分析。

光学性能方面，透光性通过分光光度计（SpectroShade™ Micro，MHT Optic Research，瑞士）测定，使用双面镜面抛光试样（每组 10 个，厚度 0.5 mm），记录样本置于黑色和白色背景上的 CIELAB 色度坐标，并计算透光参数（Translucency Parameter, TP）。力学性能方面，维氏硬度和压痕断裂韧性使用维氏硬度计（Model FV-700，Future-Tech，日本）在 98 N 载荷下保持 10 秒进行测试。压痕韧性根据 Anstis 方程计算，假设杨氏模量为 210 GPa。每组至少进行 10 次压痕测试，相邻压痕中心间距至少为平均对角线长度的 3 倍。双轴挠曲强度按照 ISO 6872 标准使用活塞-三球（Piston-on-3-balls, P3B）方法测试，每组 20 个试样，使用万能试验机（Instron 4467）以 0.5 mm/min 的十字头速度进行加载。统计分析方面，晶粒尺寸、透光参数、双轴强度、硬度和压痕韧性采用单因素方差分析及事后多重比较检验。Weibull 统计用于分析 P3B 强度，以确定特征强度和 Weibull 模数，采用最大似然估计法，置信区间 α = 0.05。

主要研究结果

在物理性能方面，LT_1200 和 LT_300 的密度分别为 6.06 ± 0.01 和 6.05 ± 0.01 g/cm³，略高于 STML_800 和 STML_300 的 6.02 ± 0.01 和 6.03 ± 0.01 g/cm³。XRF 成分分析显示，LT 组含有约 92 wt% 的 ZrO₂ 和约 5.7 wt% 的 Y₂O₃，属于 3 mol% 氧化钇稳定四方氧化锆多晶（3Y-TZP）；STML 组含有约 88 wt% 的 ZrO₂ 和约 9.8 wt% 的 Y₂O₃，属于 5 mol% 氧化钇稳定氧化锆（5Y-PSZ）。所有组中均检测到少量 HfO₂（约 1.34–1.48 wt%），LT 组还含有少量 Er₂O₃。

XRD 结果显示，LT_1200 和 LT_300 的衍射图谱相似，主要呈现四方氧化锆（t-ZrO₂）峰，而 STML_800 和 STML_300 中可明显检测到立方氧化锆（c-ZrO₂）峰。值得注意的是，STML 组在 70° 至 80° 2θ 范围内显示出特征性的三重峰图案，两个较小的双峰对称地围绕中央更强烈的立方相对应峰，表明存在不可相变的四方相（t’-ZrO₂）。Rietveld 精修表明，LT_1200 和 LT_300 分别含有 83.3 ± 1.1 wt% 和 88.3 ± 2.3 wt% 的四方相，以及 16.7 ± 4.1 wt% 和 11.7 ± 2.3 wt% 的立方相。相比之下，STML_800 和 STML_300 的四方相含量出人意料地低（分别为 17.6 ± 0.5 wt% 和 17.1 ± 2.6 wt%），但含有大量的亚稳 t’-ZrO₂ 相（66.4 ± 0.2 wt% 和 67.5 ± 0.3 wt%）。t’-相的四角度（c/a√2）为 1.0065 和 1.0064，显著低于 t-ZrO₂ 的 1.0149。在所有试样的 XRD 图谱中均未观察到单斜氧化锆。

SEM 分析显示所有氧化锆均呈现完全致密的微观结构。LT_1200 和 LT_300 的平均晶粒尺寸分别为 0.23 ± 0.09 µm 和 0.21 ± 0.09 µm，STML_800 和 STML_300 则分别为 1.36 ± 0.73 µm 和 1.36 ± 0.72 µm。两种材料均呈现单峰晶粒尺寸分布，但 STML 组的晶粒尺寸分布范围较 LT 组更宽。

光学性能方面，LT_1200 和 LT_300 的透光参数分别为 23.9 ± 0.8 和 23.8 ± 0.6，显著低于 STML_800（27.8 ± 0.9）和 STML_300（27.5 ± 0.7）。冷却速率对透光参数无显著影响。

力学性能方面，维氏硬度结果显示 LT_1200 和 LT_300 的硬度分别为 1412 ± 37 kg/mm² 和 1449 ± 47 kg/mm²，STML_800 为 1428 ± 68 kg/mm²，STML_300 为 1358 ± 46 kg/mm²。STML_300 的硬度显著低于 STML_800。断裂韧性方面，LT_1200 和 LT_300 分别为 2.9 ± 0.1 和 3.0 ± 0.1 MPa·m^1/2，显著高于 STML_800 和 STML_300 的 2.1 ± 0.1 和 2.3 ± 0.2 MPa·m^1/2。双轴挠曲强度结果显示，LT_1200 和 LT_300 的强度分别为 836 ± 110 MPa 和 870 ± 101 MPa，显著高于 STML_800 的 718 ± 119 MPa。STML_300 的强度为 550 ± 136 MPa，显著低于其他所有组。Weibull 分析表明，LT_300 的 Weibull 模数最高（12.1），LT_1200 为 9.0，STML_800 为 6.8，STML_300 最低（4.4），表明稳定冷却显著降低了 5Y-PSZ 的力学可靠性，但对 3Y-TZP 无不利影响。

结论与意义

本研究系统评估了速度烧结过程中快速冷却与稳定冷却对商业 3Y-TZP 和 5Y-PSZ 氧化锆性能的影响。结果表明，冷却速率对两种材料的密度、晶粒尺寸、透光性、硬度和断裂韧性均无显著影响。然而，对于 5Y-PSZ 而言，无论采用快速还是稳定冷却，均会产生大量亚稳 t’-ZrO₂ 相，且稳定冷却显著降低了其挠曲强度和力学可靠性。相比之下，3Y-TZP 的性能受冷却速率影响较小，稳定冷却甚至显示出提高 Weibull 模数的趋势。这些发现对于优化速度烧结协议具有重要的临床意义。在椅旁 CAD/CAM 应用中，牙科医生和技师需要根据所选氧化锆的类型来选择合适的冷却策略，以确保修复体在获得足够强度的同时具备可接受的力学可靠性。对于 5Y-PSZ 类高透光性氧化锆，快速冷却可能是更安全的选择。本研究的科学价值在于揭示了冷却速率对氧化锆性能的影响具有材料依赖性，并阐明了亚稳 t’ 相在其中的关键作用，为未来进一步优化速度烧结工艺提供了理论依据。

研究亮点

本研究的突出贡献在于首次系统比较了速度烧结冷却速率对 3Y-TZP 和 5Y-PSZ 两类主流牙科氧化锆的相组成、微观结构和力学性能的综合影响。研究的一个重要发现是，5Y-PSZ 在速度烧结条件下形成了异常高的亚稳 t’-ZrO₂ 相含量，这一现象在常规烧结中并不常见，且冷却速率的变化会显著影响其力学可靠性。此外，研究挑战了关于快速冷却必然导致热震裂纹和力学性能降低的传统假设，表明快速冷却对 3Y-TZP 的挠曲强度并未产生负面影响。这些结果为牙科氧化锆的速度烧结工艺优化提供了新的视角，同时也为临床选择速度烧结方案时的冷却策略提供了实证依据。