口腔材料學(xué)課件：第一章 口腔材料的性能

1、口腔材料學(xué) Dental Materials 口腔材料研究室主要內(nèi)容一、前言二、口腔材料的物理性能三、口腔材料的機(jī)械性能前 言（Preface） 口腔材料學(xué)是以口腔醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等多種學(xué)科為基礎(chǔ)的邊緣學(xué)科。其研究?jī)?nèi)容涉及材料的成分、結(jié)構(gòu)及性能，是口腔醫(yī)學(xué)的重要組成部分。 口腔醫(yī)學(xué)與其他醫(yī)學(xué)不同，在口腔醫(yī)學(xué)的大部分臨床治療中都離不開(kāi)口腔材料的選擇和使用。口腔醫(yī)療活動(dòng)與口腔材料的使用幾乎是密不可分的?？谇徊牧系陌l(fā)展簡(jiǎn)史2500年前，金合金用于固定修復(fù)我國(guó)早在唐代就有用銀膏補(bǔ)牙的記載18世紀(jì)開(kāi)始，口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展加快18世紀(jì)末19世紀(jì)初，口腔材料的研究也有了較大發(fā)展19世紀(jì)中葉，對(duì)銀汞合金

2、的研究首次引起了人們對(duì)口腔材料科學(xué)的極大興趣19世紀(jì)中葉，金箔、陶瓷、水門(mén)汀、硫化橡膠等相繼被用到口腔治療中20世紀(jì)，合成高分子材料開(kāi)始應(yīng)用到口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域并得到飛速發(fā)展，口腔材料學(xué)開(kāi)始形成一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科口腔材料的分類(lèi)按用途分類(lèi)印模材料、模型材料、包埋材料、義齒材料、充填材料、粘接材料、種植材料、輔助材料、切削研磨材料、預(yù)防保健材料按材料的性質(zhì)分類(lèi)金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料口腔材料的分類(lèi)按材料的應(yīng)用部位分類(lèi)非植入人體材料植入人體材料按材料與口腔組織的接觸方式分類(lèi)直接暫時(shí)接觸、直接長(zhǎng)期接觸、間接接觸學(xué)習(xí)口腔材料學(xué)的目的掌握材料科學(xué)的基本原理了解材料的主要性能特點(diǎn)熟悉材料的基本評(píng)價(jià)方法

3、合理使用口腔材料正確評(píng)價(jià)口腔材料創(chuàng)新改進(jìn)口腔材料目 標(biāo)第一章 口腔材料的性能（Properties of Dental Materials）第一節(jié) 物理性能（Physical properties）一. 尺寸變化（dimensional change）二. 熱膨脹（thermal expansion）三. 導(dǎo)熱性（thermal conductivity）四. 表面張力（surface tension）和表面能（surface energy）五. 流電性（galvanism）第一節(jié) 物理性能（Physical properties）一. 尺寸變化（dimensional change） =L

4、L0L0e100%影響口腔材料尺寸變化的因素內(nèi)部結(jié)構(gòu) 水門(mén)汀、銀汞合金、復(fù)合樹(shù)脂、石膏、印模材外部環(huán)境 口腔環(huán)境溫度、室溫、鑄造溫度外力作用 咀嚼力、就位力、摩擦力、沖擊力在應(yīng)用過(guò)程中的尺寸變化率。以原長(zhǎng)的百分比表示L 變化后的長(zhǎng)度，mmL0 原長(zhǎng)，mm口腔材料尺寸穩(wěn)定性對(duì)于的臨床意義：印模材料、模型材料 修復(fù)體精度 充填材料 充填體與窩洞密合性 微漏、繼發(fā)齲影響影響二. 熱膨脹（thermal expansion）二. 熱膨脹（thermal expansion） =L2 L1L0 (T2 T1)aa- 溫度T1至T2的平均線脹系數(shù)L0- 環(huán)境溫度時(shí)試樣的長(zhǎng)度，mmT1- 測(cè)量開(kāi)始溫度，T2

5、- 測(cè)量結(jié)束溫度，L1- 溫度為T(mén)1時(shí)，試樣的長(zhǎng)度，mmL2- 溫度為T(mén)2時(shí)，試樣的長(zhǎng)度，mm平均線脹系數(shù)（average linear coefficient of thermal expansion） 在確定的溫度范圍內(nèi)，溫度平均升高一度，物體單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的變化。單位：10-6K-1 熱膨脹儀 熱膨脹系數(shù)測(cè)量溫度位移熱膨脹系數(shù)對(duì)臨床應(yīng)用的影響包埋材料的熱膨脹系數(shù)可以補(bǔ)償金屬鑄造收縮充填體與牙體熱膨脹系數(shù)的差別會(huì)影響治療效果三. 導(dǎo)熱性（thermal conductivity）傳熱的三種基本形式三. 導(dǎo)熱性（thermal conductivity）傳熱的三種基本形式三. 導(dǎo)熱性（ther

6、mal conductivity）輻 射（radiation） 由電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。對(duì) 流（convection） 在液體或氣體中，因流體的流動(dòng)而引起的熱量轉(zhuǎn)移。傳熱的三種基本形式 當(dāng)物體中有溫差時(shí)，或兩個(gè)不同溫度的物體接觸時(shí)，因物體中分子、電子等微觀運(yùn)動(dòng)所引起的熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程。導(dǎo) 熱（heat conduction）導(dǎo)熱系數(shù) （coefficient of thermal conductivity）導(dǎo)熱系數(shù)是量度材料導(dǎo)熱能力的物理量。導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義： 單位溫度梯度下的熱流密度。 單位：J/（cmsec）焦耳/（厘米 秒度） 當(dāng)物體中有溫差時(shí)，或兩個(gè)不同溫度的物體接觸時(shí)，因物體中原子、分

7、子、電子等微觀運(yùn)動(dòng)所引起的熱量轉(zhuǎn)移過(guò)程。導(dǎo) 熱（heat conduction） 導(dǎo) 熱 導(dǎo)熱系數(shù)高的材料導(dǎo)熱快，傳遞的熱量多，易對(duì)牙齒產(chǎn)生冷熱刺激。因此，采用此類(lèi)材料充填時(shí)，須采用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料墊底。四. 表面張力（surface tension）和表面能（surface energy）四. 表面張力（surface tension）和表面能（surface energy）表面張力： 作用于液體表面的力,趨向于使液體的表面積縮至最小。 單位： 牛頓/米（N/m）表面能： 要將液體內(nèi)部的分子移到表面層來(lái)，就要克服引力做功。這就意味著表面層內(nèi)的分子具有更大的勢(shì)能，這種勢(shì)能叫做表面能。 單位：焦

8、耳/米2圖1-2 一般，表面張力是指液體與氣體或液體與固體之間的表面張力。固體表面的潤(rùn)濕潤(rùn)濕現(xiàn)象及潤(rùn)濕角 液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤(rùn)濕。 潤(rùn)濕現(xiàn)象不僅影響自然界中動(dòng)、植物的種種生命活動(dòng)，對(duì)人類(lèi)的生活與生產(chǎn)也起著重要作用。例如塑料表面的印刷，聚合物與其他材料的粘結(jié)，機(jī)械的潤(rùn)滑，以及去污、乳化、分散等，都與潤(rùn)濕現(xiàn)象密切有關(guān)。 潤(rùn)濕作用涉及氣、液、固三相將一液滴滴在固體表面上形成圖示的形狀。在固-液-氣三相界面上，固-氣的界面張力為SG，固-液的界面張力為SL，氣-液的界面張力為L(zhǎng)G。在三相交界處自固-液界面經(jīng)過(guò)液體內(nèi)部到氣-液界面的夾角叫潤(rùn)濕角，以表示。 則三相界面張力SG、SL、LG服從

9、下面的Young方程： SG = SL + LG cosYoung方程是研究液-固潤(rùn)濕作用的基礎(chǔ)。 潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕通常采用潤(rùn)濕角進(jìn)行定量描述當(dāng)90時(shí)稱為不潤(rùn)濕，角越大，潤(rùn)濕性越不好，液體越不容易在固體表面上鋪展開(kāi)，而越容易收縮至接近呈圓球狀。 當(dāng)=0或180時(shí)，則分別稱為完全潤(rùn)濕和完全不潤(rùn)濕。 由Young方程式可得： cos = (s-g s-l ) / l-g 上式表明潤(rùn)濕角的大小與三相界面張力之間的定量關(guān)系。凡是能引起任一界面張力變化的因素都能影響固體表面的潤(rùn)濕性。 當(dāng)s-g s-l 時(shí)，則cos0，90，此時(shí)為潤(rùn)濕；而且s-g和s-l相差越大，角越小，潤(rùn)濕性越好。 當(dāng)s-g s-l時(shí)，則

10、cos90，此時(shí)不潤(rùn)濕；當(dāng)s-l越大和s-g越小時(shí)，角越大，不潤(rùn)濕程度也越嚴(yán)重。 在生產(chǎn)上可以通過(guò)改變?nèi)齻€(gè)相界面上的值來(lái)調(diào)整潤(rùn)濕角。若加入一種使l-g和s-l減小的表面活性物質(zhì)，可使減小，潤(rùn)濕程度增大；反之，若加入某種使增大的表面惰性物質(zhì)，可使增大，潤(rùn)濕程度降低。例如在澆鑄工藝中，熔融金屬和模子間的潤(rùn)濕程度直接關(guān)系著澆鑄質(zhì)量。若潤(rùn)濕性不好，鐵水不能與模型吻合，則所得的鑄件在尖角處呈圓形，反之，若潤(rùn)濕性太強(qiáng)(即角很小)，則金屬較容易滲入模型縫隙而形成不光滑的表面。為了調(diào)節(jié)潤(rùn)濕程度，可在鋼液中加入適量的硅，以改變界面張力，得到合適的角。 潤(rùn)濕作用可以從分子間的作用力來(lái)分析潤(rùn)濕與否取決于液體分子間相

11、互吸引力(內(nèi)聚力)和液固分子間吸引力(粘附力)的相對(duì)大小。若后者較大，則液體在固體表面鋪展，呈潤(rùn)濕；若前者占優(yōu)勢(shì)則不鋪展，呈不潤(rùn)濕。內(nèi)聚功(Wc)和粘附功(Wo) 設(shè)有一橫截面積為1cm2的液柱，若不改變截面積而將其沿中部拉斷，這時(shí)所消耗的功叫做該液體的內(nèi)聚功。 因未將液體拉開(kāi)時(shí)，在虛線處無(wú)表面，拉開(kāi)后出現(xiàn)了兩個(gè)表面，每個(gè)表面皆為1cm2。產(chǎn)生1cm2新表面所需的功為，產(chǎn)生2cm2所需的功為2。所以內(nèi)聚功為： Wc = 2 如果液柱的上端為液體B，下端為不相溶的液體A(或固體)，則拉開(kāi)后原來(lái)的界面AB不再存在，而出現(xiàn)了兩個(gè)新的表面A和B。這時(shí)所消耗的功叫粘附功。其表達(dá)式為： Wa = A +

12、B AB 內(nèi)聚功表征了相同液體表面間的吸引強(qiáng)度；粘附功表征不同液體或液體與固體間的吸引強(qiáng)度。 若把不溶于水的液體(B)滴在水(A)面上，可能發(fā)生兩種情況。一種情況為液體在水面上不鋪展開(kāi)而形成一凸鏡式液滴。這是由于液滴本身的內(nèi)聚功大于該液體對(duì)水的粘附功。另一種情況是滴在水面上的液體展開(kāi)形成一層薄膜，這是由于液體本身的內(nèi)聚功小于液體對(duì)水的粘附功。若把水(A)換成固體，鋪展的原理與上相同，即當(dāng)液體與固體的粘附功Wa大于液體內(nèi)聚功Wc時(shí)，液體可自行鋪展于固體表面。Sl/s稱為液體在固體上的鋪展系數(shù)。Sl/s0是液體在固體表面上自動(dòng)鋪展的基本條件，這意味著，(s-g s-l) l-g，這時(shí)Young方程

13、已不適用，或者說(shuō)潤(rùn)濕角已不存在。鋪展是潤(rùn)濕的最高標(biāo)準(zhǔn)，極限的情況下，可得到一個(gè)分子層厚的鋪展膜層。接觸角的測(cè)定方法（1）停滴法在光滑、均勻、水平的固體表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。將液滴視作球形的一部分，測(cè)出液滴高度h與底寬2r。由簡(jiǎn)單的幾何分析可求出。 （2） 吊片法將表面光滑、均勻的固體薄片垂直插入液體中，如果液體能夠潤(rùn)濕此固體，則將沿薄片平面上升。升高值h與接觸角之間的關(guān)系為： sin = 1 (gh22LG) 在已知LG的條件下，不難由上式求出。 由于表面粗糙引起的滯后（1）當(dāng)90時(shí)，表面粗糙化將使接觸角變大。潤(rùn)濕性更差。五. 流電性（galvanism）鋁冠的電位：1

14、.33V金冠的電位：-1.26V鋁冠與金冠接觸即產(chǎn)生電流流電現(xiàn)象產(chǎn)生的原理與原電池的原理相同。流電性：在口腔環(huán)境中異種修復(fù)體相接觸時(shí)，由于不同金屬之間的電位不同，所產(chǎn)生的電位差，導(dǎo)致電流產(chǎn)生，稱為流電性。一. 尺寸變化（dimensional change）二. 熱膨脹（thermal expansion）三. 導(dǎo)熱性（thermal conductivity）四. 表面張力（surface tension）和表面能（surface energy）五. 流電性（galvanism）小結(jié)：第二節(jié) 機(jī)械性能（Mechanical properties） 應(yīng)力（stress）二. 應(yīng)變（strain

15、）三. 應(yīng)力應(yīng)變曲線（stressstrain curve）四. 延伸率（percentage elongation）和 壓縮率（percentage compression）五. 回彈性（ resilience）和韌性（toughness）六. 硬度（hardness）七. 蠕變（creep）八. 斷裂韌性（fracture toughness）九. 耐磨性能（abrasion resistance）第二節(jié) 機(jī)械性能（Mechanical properties）一. 應(yīng)力（stress）當(dāng)物體受到外力作用，其單位面積上所受到的內(nèi)力稱為應(yīng)力。平均應(yīng)力：s=FS點(diǎn)的應(yīng)力：s=DFDSlimDS

16、0=dFdSs ： 應(yīng)力, MPaDF ： 作用在微元面積上的力, NDS ： 微元面積, mm2s ： 應(yīng)力, MPaF ： 作用在截面上的力, NS ： 截面積, mm2拉伸或壓縮（tension or compression） 由大小相等、方向相反、作用線與桿件軸線重合的一對(duì)力引起，表現(xiàn)為桿件的長(zhǎng)度發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短。拉應(yīng)力（tensile stress）壓應(yīng)力（compressive stress）t = QAA ：剪切面積: 大小相等、方向相反、作用線相距很近的一對(duì)力。剪切力 Q剪切應(yīng)力（shear stress ）剪 切（shear） 由大小相等、方向相反、作用線平行于被剪切面，且距離

17、很近的一對(duì)力引起，表現(xiàn)為受剪物體的兩部分沿外力作用方向發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。PPPQA牛牙-復(fù)合樹(shù)脂粘接剪切試件二. 應(yīng)變（strain）物體受力時(shí)單位長(zhǎng)度的變化。正應(yīng)變：e=DLLe ： 應(yīng)變，無(wú)量綱L ： 原長(zhǎng)，mmDL ： 受力時(shí)的長(zhǎng)度增量，mm線變形與剪切變形，這兩種變形程度的度量分別稱為“ 正應(yīng)變”和“切應(yīng)變”, 分別用和表示。微元的伸長(zhǎng)量du與微元dx的比值就是x方向的正應(yīng)變x ，而切應(yīng)變則就是直角改變量，在圖中即為+。應(yīng)力應(yīng)變曲線（stressstrain curve）在以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)的坐標(biāo)系中做成的曲線。三. 應(yīng)力應(yīng)變曲線（stressstrain curve）abcde

18、sespse0a 點(diǎn)：比例極限(proportional limit) sp b點(diǎn)：彈性極限(elastic limit) se1. 彈性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線(stress-strain diagram)材料在拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)彈性極限（elastic limit）除去外力后，變形尺寸能全回復(fù)時(shí)材料所能承受的最大應(yīng)力。比例極限（proportional limit）在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。彈性模量（P6） 根據(jù)比例極限的定義可知，在比例極限以下的部分，材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間符合虎克定律所表示的正比關(guān)系，即 E 其中，E稱為材料的彈性模量，又稱楊氏模量，或者材料的剛度，表示材料

19、抵抗彈性變形的能力，其值愈大，則在相同的應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就愈小。材料在拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)C段內(nèi)的最低應(yīng)力稱為：屈服強(qiáng)度(yield strength) ss 屈服極限(yield limit) abcdesespsess0屈服階段 (c) 屈服強(qiáng)度（yield strength）材料開(kāi)始塑性變形所需的應(yīng)力。材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能1、彈性范圍內(nèi)卸載、再加載2、過(guò)彈性范圍卸載、再加載 材料在卸載過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變是線性關(guān)系，這就是卸載定律。 材料的比例極限增高，延伸率降低材料在拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)3. 強(qiáng)化階段 ( c d ) 強(qiáng)度極限(ultimate strength) sb 屈服階段過(guò)后，材料又恢

20、復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加拉力，這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化。圖2-13abcdesespsesbss0極限強(qiáng)度（ultimate strength）材料發(fā)生斷裂過(guò)程中，產(chǎn)生的最大應(yīng)力。 材料在拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì)4. 局部變形階段 ( d e ) 隨著試件繼續(xù)被拉長(zhǎng)，試件的某一區(qū)域內(nèi)將出現(xiàn)直徑減小的頸縮現(xiàn)象，然后即被拉斷。圖2-13abcdesespsesbss0 材料在拉伸時(shí)的機(jī)械性質(zhì) 對(duì)于沒(méi)有明顯屈服階段的塑性材料，通常以產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服極限，稱為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度，用RP0.2表示。 規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度0.2圖2-13ses0.20.2%四. 延伸率（

21、percentage elongation）和 壓縮率（percentage compression）延伸率和壓縮率 ： 試樣拉斷后，標(biāo)距部分的實(shí)際伸長(zhǎng)量（l-l0）與拉伸前長(zhǎng)度l0的百分比。d=l-l0 l0 100%延伸率低于5%的材料稱為脆性材料；延伸率高于5%的材料稱為塑性材料。斷裂延伸率（ percentage elongation after fracture ） 材料在拉力或壓力作用下所產(chǎn)生的最大永久應(yīng)變值。脆性材料的抗拉性能 脆性材料的特點(diǎn)是抗壓性能好，抗拉性能差。 口腔修復(fù)使用的材料有多種是屬于脆性材料，如銀汞合金、粘接材料、陶瓷材料、石膏、人造石、包埋材料及等。對(duì)這些材料來(lái)

22、說(shuō)，抗拉強(qiáng)度的大小決定了他們的使用壽命。萬(wàn)能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)五. 回彈性（ resilience ）和韌性（toughness）回彈性（ resilience） ： 材料抵抗永久變形的能力。使材料達(dá)到彈性極限的過(guò)程中，增加（或減少）材料單位體積，外力所做的功。WR =seee2WR: 達(dá)到彈性極限，外力對(duì)單位體 積材料所做的功。 MNm/m3(兆焦耳/米3)se：彈性極限應(yīng)力，MN/m2ee：彈性極限應(yīng)變，無(wú)量綱 seee韌性（toughness )： 材料抵抗斷裂破壞的能力。使材料產(chǎn)生斷裂破壞的全過(guò)程中，增加（或減少）材料單位體積，外力所做的功。Wr =s (e)deWr:至斷裂破壞，外力對(duì)單

23、位體 積材料所做的功。 MNm/m3(兆焦耳/米3)s(e)：應(yīng)力函數(shù)，MN/m2de：應(yīng)變的微分,無(wú)量綱 se壓頭 （形狀：球形、正四棱錐、四棱錐）載荷 （ 0.1N 500N）載荷保持時(shí)間（ 5s 30s）硬度測(cè)量的要素六. 硬度（hardness）硬度（hardness）： 用于衡量固體材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。硬度測(cè)量方法1.壓頭與物體接觸；2.施加載荷；3.保持一定時(shí)間；4.取消載荷；5.測(cè)量壓痕尺寸，計(jì)算硬度。常用硬度性能指標(biāo)測(cè)量方法布氏硬度（Brinell hardness） HB （MPa） 洛氏硬度 （Rockwell hardness） HR （mm）維氏硬度 （Vickers hardness） Hv （MPa）莫氏硬度 （Mohs hardness） 邵氏硬度（Shore hardness） 顯微硬度