Ermüdungsverhalten von transluzentem Zirkondioxid
Creators: name: Steen, Janika
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Zirkondioxid, Yttriumoxid, Ermüdung, Keramik
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::61 Medizin und Gesundheit::617 Chirurgie, Medizin nach Körperregion, Zahnmedizin, Augenheilkunde, Ohrenheilkunde, Audiologie

description: Hintergrund und Zielsetzung Zirkonoxidkeramiken haben sich aufgrund ihrer sehr guten mechanischen Eigenschaften bereits für Restaurationen im Seitenzahnbereich in der klinischen Praxis etabliert. Ihre Verwendung im ästhetischen Frontzahnbereich war jedoch aufgrund ihres opaken Charakters bisher begrenzt. Ein wichtiger Teil der aktuellen zahnmedizinischen Forschung besteht in der Optimierung der Transluzenz von Zirkondioxid, um es in ästhetisch anspruchsvolleren Bereichen einsetzen zu können, ohne zu viel von der mechanischen Leistungsfähigkeit einzubüßen. Die gängigste Strategie zur Erhöhung der Transluzenz besteht darin, die Menge des Stabilisators Yttriumoxid zu erhöhen, was den Nachteil mit sich bringt, dass der positive Einfluss der tetragonalen Phase auf die Bruchzähigkeit verringert wird. Wenn dieses geschwächte Material in Gegenwart von Wasser belastet wird, kommt es zu einer Dehnung der Oxidbindungen, wodurch die Schwelle für die Rissentstehung durch inhärente Defekte gesenkt wird. Die Phase der Ermüdung, in der ein Riss wächst, ohne zum Bruch zu führen, wird als subkritisches Risswachstum (SCG) bezeichnet. In dieser Arbeit werden zwei Zirkonoxide mit unterschiedlichen Yttriumoxid-Anteilen auf ihre Haltbarkeit und Anfälligkeit für unterkritisches Risswachstum unter dem Einfluss von zyklischer Belastung und Wasser untersucht. Wir wollen herausfinden, ob die relativen Anteile der tetragonalen Phasen einen Einfluss auf das SCG-Verhalten in dentalem Zirkonoxid haben. Material und Methoden In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Zirkonoxid-Keramiken (YSZ = Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkondioxid) von Kuraray Noritake, die mit 4 mol% (Katana ML) und 5 mol % (Katana STML) Yttriumoxid dotiert sind, untersucht. Die Prüfkörper wurden einem Sinterprozess gemäß der Herstellerangaben unterzogen und dann in eine Geometrie von 12×12×1,2 mm^3 gebracht. Anschließend wurde ein biaxialer Ermüdungsversuch unter Verwendung des "Ball-on-three-balls"-Prüfaufbaus (B3B) durchgeführt, um die Rissausbreitung unter zyklischer unterkritischer Belastung zu untersuchen. Die angewandte Spannung wurde auf 65 % der individuellen charakteristischen Weibull-Festigkeit, welche aus den σ max Werten des Materials bestimmt wurde, festgelegt. Zur Bewertung des Einflusses von Wasser auf die Rissausbreitung, wurde die Prüfung mit destilliertem Wasser bei Raumtemperatur von 37°C mit einem R-Verhältnis von 0,3 und einer Frequenz von 20 Hz durchgeführt. Die Amplitude und die maximale Last wurden für jeden Probekörper so eingestellt, dass eine unterkritische Rissausbreitung auf demselben Niveau gewährleistet war, bis die Prüfkörper brachen oder 1,2 x 10^7 Zyklen überlebten. Zur Ableitung des Ermüdungsparameters n wurden die Ergebnisse mit Hilfe der Weibull-Statistik und der Konstruktion von v-K-Diagrammen (v = Geschwindigkeit [m/Zyklus], K = Spannungsintensitätsfaktor [MPa√m]) bewertet. Ergebnisse Die doppelt logarithmische Weibull-Darstellung der Lebensdauer zeigt keinen signifikanten Unterschied in der Versagenswahrscheinlichkeit der beiden Materialien bei einer Zwei-Parameter-Weibull-Analyse. Beide zeigen ein ähnliches m-Modul, wobei Katana STML eine etwas größere Streuung der Werte aufweist (Katana ML = 0.335; Katana STML = 0.432). Die charakteristische Zyklenzahl (N0) bei einer Versagenswahrscheinlichkeit F = 0,632 und einer Belastung von 65 % der Anfangsfestigkeit σmax überschnitt sich bei beiden Werkstoffen, was darauf hindeutet, dass ihre Lebensdauer statistisch gesehen ähnlich war. Die v-K-Diagramme zeigen, dass die Risswachstumsrate [m/Zyklus] in Abhängigkeit von der angelegten Spannungsintensität für beide Werkstoffe vergleichbar war [MPa√m]. Der Grenzwert K (Kth) (th = Schwellenwert, engl. threshold), unterhalb dessen kein Risswachstum auftritt, wurde für beide Werkstoffe im gleichen Bereich von 0.61KIc (KIc = Bruchzähigkeit des Materials) gemessen. Die Steigung beider Diagramme ist nahezu parallel, und die berechneten n-Werte zeigen keinen signifikanten Unterschied (Katana ML n=36,6, Katana STML n=31,2). Schlussfolgerung Die Ergebnisse unserer Versuche zeigen, dass bei zyklischer Belastung in Wasser bei beiden Zirkonoxid-Materialien ein langsames Risswachstum stattfindet. Es konnte jedoch, sowohl unter Verwendung der Weibull-Lebensdaueranalyse als auch der v-K-Diagramme, kein signifikanter Unterschied zwischen den Materialien hinsichtlich der Anfälligkeit für SCG festgestellt werden. Unsere Ergebnisse deuten also darauf hin, dass der Grad der Yttriumoxid-Stabilisierung und damit der Gehalt an tetragonaler Phase keinen Einfluss auf die Parameter, die das Risswachstum antreiben, zu haben scheint. Die Abnahme der t-Phase, die für die Umwandlungszähigkeit von Zirkonoxid verantwortlich ist, wirkt sich somit nicht auf die Anfälligkeit für wasserinduzierte Spannungskorrosion bei unterkritischer Belastung aus.