مفاهيم زمينه اي در علم سراميک و شکست

براي آشنايي با مواد سراميکي ، بهتر است به دو مفهوم توجه کنيم که در اين مقاله سعي داريم که اين مفاهيم را توضيح دهيم . اولين مفهوم اين است که تنها سه بخش عمده از مواد سراميکي داريم که در صنعت دندانسازي مورد استفاده قرار مي گيرند . اين سه گروه به شرح زير هستند :
1 ـ مواد شيشه اي ( glass materials )
2 ـ شيشه هاي پر شده با ذرات ( particle-filled glasses )
3 ـ سراميک هاي پلي کريستال ( polycrystalline ceramics )
که خواص و ويژگي هاي هر يک از اين گروه ها را مورد بحث قرار مي دهيم .
دومين مفهوم اين است که هر يک از اين مواد سراميکي به طور بالقوه مي توانند به صورت ترکيبي ( کامپوزيتي ) عمل کنند که اين بدين معناست که اين مواد مي توانند به صورت ترکيبي از دو يا چند گروه بالا مورد استفاده قرار گيرند . از اين لحاظ بسياري از موادي که به ظاهر متفاوت هستند ، هنگامي که از ديدگاه ما مورد بررسي قرار گيرند ، روابط و شباهت هاي يکساني را در ترکيبات ( کامپوزيت ها ) ايفا مي کنند .
بررسي هاي تاريخي از استفاده ي مواد سراميکي در صنعت دندانسازي دو رويه را درطي زمان بيان مي کند . اين دو رويه به شرح زير هستند :
1 ـ سراميک هاي دندانسازي که حالت آمورف ( شيشه اي ) دارند ، از لحاظ زيبايي نسبت به انواع ديگر سرامد هستند . و اين در حالي است که سراميک هايي که مقاومت کششي بالاتري دارند ، عمدتاً ساختاري کريستالي دارند . و البته در ساخت مواد دندانسازي هر دو فاکتور زيبايي و استحکام براي ما مهم است .
2 ـ درطي گذر زمان ، حرکت به سمت استفاده از مواد با ساختار پلي کريستال کامل ، انجام شده است . در جداول 1 و 2 جزئياتي از ترکيبات پايه و مثال هاي تجاري از مواد سراميکي مورد استفاده در دندانسازي آمده است . اين موارد را بر اساس سه گروه اصلي مواد مورد استفاده در صنعت دندانسازي طبقه بندي کرديم .

جدول1

جدول2

سراميک هاي شيشه اي ( glassy ceramics ) :

مواد سراميکي شيشه اي ، بهترين تطابق را با خواص اپتيکي دندانها و عاج آنها دارند .
شيشه يک شبکه ي سه بعدي از اتم هاست که الگوي منظم فضايي ندارد . در اين مواد ، بين نزديک ترين همسايه و همسايه ي بعدي ، الگوي منظم فضايي ( از لحاظ فاصله يا زاويه ) وجود ندارد ؛ بنابراين ساختار شيشه آمورف است . ( يا ساختاري بي شکل دارد )
به طور کلي شيشه هاي مورد استفاده در سراميک هاي دنداني از يک گروه مينرالي معدني با نام فلدسپارها ، مشتق مي شوند و برپايه ي سيليکا ( اکسيد سيليسيم ) و آلومينا ( اکسيد آلومينيوم ) ساخته شده اند . از اين رو پرسلان هاي فلدسپاتي به خانواده اي تعلق دارند که به آنها شيشه هاي آلومينوسيليکاتي مي گويند . شيشه هايي که برپايه ي فلدسپار هستند ، نسبت به تبديل شدن به حالت بلوري درطي پخت مقاومت نشان داده و داراي گسترده پخت وسيعي هستند ( پايداري آنها اگر دما به بالاتر از حد بهينه برسد ، يکباره افت مي کند) اين مواد زيست سازگار هستند . در شيشه هاي فلدسپاتي ، شبکه اي متشکل از اتصالات پل مانندي وجود دارد که اين پل ها از اتصال بين سيليسيم با اکسيژن تشکيل شده اند . اين اتصالات گاه و بي گاه به وسيله ي کاتيون هايي مانند سديم ( ) يک بار مثبت و يا پتاسيم يک بار مثبت ( ) شکسته مي شوند . حضور اين بارهاي مثبت موجب اصلاح شيشه و بالانس بارهاي اتم هاي اکسيژن غير پل مي شوند . کاتيون هاي اصلاح کننده ، خواص مهمي از شيشه را تغيير مي دهند ؛ براي مثال : دماي پخت يا ذوب را کاهش مي دهند و يا موجب افزايش انبساط و انقباض حرارتي مي شود .

شيشه هاي پر شده با ذرات ( Partic - filled glasses ) :

در اين نوع از مواد ، ذرات پر کننده به ترکيب اوليه ي شيشه اضافه مي شوند . اين اضافه شدن ذرات موجب بهبود خواص مکانيکي و کنترل اثرات اپتيکي مانند ماتي ( opalescence ) ، رنگ ( color ) و شفافيت ( opacity ) مي شود . اين پر کننده ها معمولاً از مواد کريستالي انتخاب مي شوند ولي اين امکان وجود دارد که اين مواد از ذرات شيشه اي با نقطه ذوب بالاتر نسبت به شيشه ي پايه نيز انتخاب شوند . يک چنين ترکيباتي که بر پايه ي دو يا چند ماده ي مجزا ( فاز مجرا) تشکيل شده اند ، با عنوان کامپوزيت ( composites ) معروف اند . البته نام کامپوزيت در نوشته هاي مربوط به دندانپزشکي بيشتر به معناي کامپوزيت هاي با پايه ي رزين ( resin based composites ) است . اين تصوير که اکثر سراميک هاي دنداني ، مواد کامپوزيتي هستند ، براي درک بهتر در مورد آنها ، مفيد مي باشد . براي اينکه در مطالعه ي شيشه هاي پر شده با ذرات گيج نشويم ، اين مواد را بر اساس نوع ذرات پر کننده و مقدار آنها ، علت اضافه کردن ذرات و چگونگي اضافه شدن ذرات به شيشه پايه ، طبقه بندي مي کنيم .
اولين پر کننده اي که براي سراميک هاي دنداني استفاده شد ، ذرات کريستالي ، مينرالي است که لوسيت ناميده مي شود . اين پر کننده براي توليد پرسلان هايي ( چيني هايي ) استفاده مي شود که بتوانند به خوبي و بر اساس فلزات مورد استفاده در ساختارش آتش بگيرد . ضريب انبساط گرمايي لوسيت بالا است . در زير ضريب انبساط گرمايي براي عده اي از مواد آمده است :

ضريب انبساط گرمايي	نوع ماده
	لوسيت
	شيشه هاي فلدسپاتي
	آلياژهاي دنداني

اضافه کردن تقريباً 17 ـ 25 درصد وزني پر کننده ي لوسيت به شيشه ي مورد استفاده در دندانسازي ، پرسلاني توليد مي کند که در هنگام پخت با آلياژهاي دندانسازي همگون است . ( از لحاظ گرمايي ) . سيستم هاي سراميک ـ فلز که اولين بار در سال 1962 توليد شدند ،براي توليد 70 تا 80 درصد از پروتزهاي ثابت کننده ( Fixed prostheses) استفاده مي شود .
افزايش در استحکام ميانگين در قطعات پروتزها نيز به وسيله ي پر کننده ي مناسب و يکنواختي در پراکندگي پر کننده در فاز شيشه اي ، به دست مي آيد . بر اساس چيزي که گفتيم يک تکنيک با نام استحکام بخشي ديسپرشن ( dispersion strengthening ) به وجود آمده است . اولين سراميک استحکام داده شده به وسيله ي اين روش ، از شيشه هاي فلدسپاتي با پر کننده ي ذرات آلومينيوم اکسيد ( با درصد وزني 55 % ) ساخته شد . البته از لوسيت با درصد 45 ـ 55 درصد وزني نيز براي توليد قطعات استحکام داده شده به وسيله ي اين روش ، استفاده شده است که اين درصد استفاده شده از لوسيت از مقدار مورد نياز براي سراميک ـ فلز بيشتر است . سراميک هاي تجاري با پر کننده ي به هم چسبيده از لوسيت نيز وجود دارند که اين نوع سراميک را با پرس کردن پودر و مواد اوليه ي لازم ، در داخل يک قالب توليد مي کنند . به غير از رفتار انقباضي در سراميک هاي دندانسازي ، گفته شده است که اين دو مزيت را در زير مي بينيم :
1 ـ لوسيت به خاطر ضريب شکستش که به ضريب شکست شيشه هاي فلدسپاتي نزديک است ؛ مورد توجه قرار دارد . اين نزديکي ضريب شکستها ، موجب باقي ماندن حالت نيمه شفافي در اين نوع شيشه هاست .
2 ـ لوسيت با سرعت بيشتري نسبت به شيشه ي بدون لوسيت اچ مي شود . و موجب پديد آمدن خاصيت اچ شدن انتخابي ( selective etching ) مي شود که درطي عمل اچ شدن شيشه ي حاوي لوسيت ، تعداد زيادي برجستگي ايجاد مي شود که اين برجستگي ها موجب افزايش قدرت پيوند ميکرومکانيکي بين لوسيت و شيشه مي شود .

شيشه ـ سراميک ها ( زير مجموعه ي ويژه اي از شيشه هاي پر شده با ذرات ) :

ذرات پر کننده ي کريستالي مي توانند به صورت مکانيکي به شيشه اضافه شوند ، براي مثال اين کار را مي توان با مخلوط کردن ذرات کريستالي پر کننده باپودر شيشه ، قبل از پخت انجام داد . در تحقيقات انجام شده در سالهاي اخير، ذرات پر کننده در داخل جسم شيشه اي ، رشد داده مي شوند . در واقع اين کار پس از شکل دهي نمونه ( مانند يک پروتز ) انجام مي شود .
پس از انجام عمل شکل دهي ، جسم شيشه اي تحت عمليات حرارتي خاصي قرار مي گيرد که اين عمليات حرارتي موجب رسوب و رشد فاز کريستالي در داخل شيشه مي شود .
به دليل اينکه پر کننده ها از لحاظ شيميايي از خود اتم هاي شيشه مشتق شده اند ، ترکيب شيشه ي باقي مانده درطي اين پروسه که Ceraming نام دارد ، عوض مي شود . اين ماده ي به وجود آمده که در اصل يک کامپوزيت پر شده با ذرات است ، شيشه سراميک ناميده مي شود . ( Dentsply ) material dicor اولين شيشه ـ سراميک تجاري است که براي توليد پروتزهاي ثابت کننده ، استفاده شد . اين شيشه ـ سراميک شامل ذرات پر کننده اي از يک نوع ميکاي کريستالي ( با درصد حجمي تقريباً 55 درصد ) است .
به علاوه ، اخيراً يک شيشه ـ سراميک حاوي 70 درصد حجمي پر کننده ي دي سيليکات ليتيم براي استفاده هاي دندانپزشکي به صورت تجاري ، توليد شده است .

سراميک هاي پلي کريستال ( polycrystalline ceramics ) :

سراميک هاي پلي کريستال هيچ قسمت شيشه اي ( آمورف ) ندارد . و همه ي اتم هايش به صورت متراکم و در يک آزمايش منظم قرار گرفته اند که اين امر باعث مي شود که يک ترک با سختي و مشکل بيشتري نسبت به شيشه هاي با دانسيته ي کمتر و شبکه ي نامنظم ، گسترش پيدا کند . از اين رو ، سراميک هاي پلي کريستال به طور عمومي از سراميک هاي شيشه اي محکمتر هستند و تافنس ( چقرمگي ) آنها نيز بيشتر است .
توليد اشکال پيچيده ( به عنوان مثال يک پروتز ) از سراميک هاي پلي کريستال ، مشکل تر از توليد اين قطعات از سراميک هاي شيشه اي است . از اين رو ، پروتزهايي با کارايي خوب که از سراميک هاي پلي کريستال ساخته شده باشد تا قبل از استفاده از وسايل کامپيوتري ( computer – aid manufacturing ) به صورت عملي مورد استفاده قرار نگرفت .

به طور کلي اين سيستم هاي کمکي کامپيوتري از يک دستگاه داده ي سه بعدي براي نشان دادن وضعيت دندان ها ، يا مدل مومي شکل از زير ساختار مطلوب ، استفاده مي کند . اين دستگاه داده ي سه بعدي براي ايجاد يک قالب بسط داده شده که پودر سراميک در داخل آن قرار مي گيرد ، استفاده مي شود .
سراميک هاي پلي کريستال تمايل به مات بودن بيشتري نسبت به سراميک هاي شيشه اي دارد ، بنابراين اين مواد در کليه ي مکان هاي مورد نياز در ديواره ي پروتزها استفاده نمي شود . اين سراميک ها که از لحاظ مکانيکي خواص بهتري نسبت به مواد شيشه اي دارند ، معمولاً با روکشي از مواد شيشه اي مورد استفاده قرار مي گيرند تا حالت زيبايي پروتز توليدي بيشتر شود .
سراميک ها در حالت کلي نور را از خود عبور مي دهند در حالي که فلزات حتي در ضخامت هاي بسيار کم نيز نور را از خود عبور نمي دهند . در واقع نحوه ي قرارگيري باندهاي الکتروني در فلزات به نحوي است که طول موج مرئي را کاملاً جذب مي کند . اما سراميک ها داراي باندهاي الکتروني هستند که طول موج مرئي را از خود عبور مي دهد . حال اين سوال پيش مي آيد که اگر سراميک ها نور را از خود عبور مي دهند ! پس چرا سراميک ها حالت کدر مانند دارند ؟
در جواب بايد گفت که اکثر سراميک ها ، پلي کريستال اند و اين پلي کريستال بودن آنهاست که موجب کدر بودن آنها مي شود و در صورتي که بتوان يک سراميک را به صورت تک کريستال تهيه کرد ، مي توان آن را به صورت شفاف ديد . البته در مورد سراميک ها ، علاوه بر پلي کريستال بودن ، ضخامت نيز بر انتقال نور در آنها تاثير دارد . در واقع در استفاده از سراميک هاي پلي کريستال در دندانسازي به ضخامت بدنه ي سراميکي نيز توجه مي شود که اين مساله باعث اين مي شود که يک بدنه راپوشش دهند ولي بدنه ي ديگري ( با ضخامت کمتري ) را پوشش ندهند .
/س