引用本文：曹露露，韩建民，林红.口腔氧化锆陶瓷切削及研磨抛光性能的影响因素与评价方法研究进展[J].中国实用口腔科杂志，2024，17（2）：235-240. DOI：10.19538/j.kq.2024.02.018
摘要：氧化锆陶瓷材料接近天然牙颜色，具有较高的强度、韧性和生物相容性，可显著缩短患者的椅旁时间，在口腔修复领域占据重要地位。切削和研磨抛光是氧化锆陶瓷修复体制作加工的重要步骤，可切削性能和研磨抛光性能是其能否大规模临床应用的主要指标，然而目前尚缺乏统一的评价标准。文章就口腔氧化锆陶瓷切削及研磨抛光性能的影响因素与评价方法的研究进展做一综述，以提高氧化锆陶瓷样品测试结果的可重复性，并为建立氧化锆陶瓷可加工性能的评价标准提供依据。
关键词：氧化锆陶瓷；可加工性能；可切削性能；研磨抛光性能
氧化锆陶瓷材料接近天然牙颜色，具有较高的强度、韧性和生物相容性，在口腔全瓷修复领域备受青睐［1-2］。目前，加工制作氧化锆陶瓷修复体的主要技术仍然是20世纪60年代迅速发展的计算机辅助设计与制造（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技术（如五轴切削技术等），其对氧化锆陶瓷的可加工性能具有较高要求［3-4］。切削和研磨抛光是氧化锆陶瓷加工的主要步骤，其体现在技工室制作加工氧化锆修复体过程及临床医生依据患者情况对氧化锆修复体进行少量个性化切削研磨过程中。氧化锆陶瓷的可加工性能是其能否大规模临床应用的重要指标，然而目前尚缺乏统一的评价标准。本文就口腔氧化锆陶瓷切削及研磨抛光性能的影响因素与评价方法的研究进展做一综述，以提高氧化锆陶瓷样品测试结果的可重复性，并为建立氧化锆陶瓷可加工性能的评价标准提供依据。
可切削性能是指材料被切削的难易程度，为材料加工时既允许裂纹切入，又限制其任意扩展的能力［5］；即相同切削条件下，在保证切削效率的同时，保持被切削物完整且不产生破坏性裂纹的能力。口腔氧化锆陶瓷的切削加工方式包括软切削（soft machining）和硬切削（hard machining）。由于烧结后的氧化锆陶瓷致密坚硬，对其切削加工较为困难，因此口腔技工室在制作氧化锆陶瓷修复体时多采用软切削技术；而当临床医生对氧化锆陶瓷修复体进行最终修磨时，则采用完全烧结状态下的硬切削技术。
1. 1 影响因素 影响氧化锆陶瓷可切削性能的因素主要包括切削方式和切削刀具等外在因素，以及材料本身的微观结构和力学性能等；其中，氧化锆陶瓷的力学性能是主要影响因素，包括硬度、断裂韧性、弹性模量、强度、韦伯模数和泊松比等［6-7］。1. 1. 1 切削方式和切削刀具 陶瓷的切削加工技术主要包括完全烧结陶瓷切削加工、预烧结陶瓷切削加工、陶瓷生坯的微细切削加工及加热辅助切削加工等［8］。完全致密烧结的陶瓷由于硬度高、加工困难及加工成本高而逐渐被预烧结陶瓷切削加工替代；预烧结体由于强度和硬度都较低，可采用传统切削刀具进行精细加工；生坯易碎，且易产生剥落块，使其加工边缘质量较差，而表面质量较好；加热辅助切削可通过局部高温来增加陶瓷韧性，减小切削力，以提高其表面加工质量，减少边缘碎裂，目前的相关研究多为激光加热辅助切削加工［9-10］。预烧结陶瓷和陶瓷生坯常用的加工刀具包括碳钢刀具、陶瓷刀具及金刚石刀具等，而完全致密烧结陶瓷的硬度接近理论硬度只能用金刚石刀具进行加工［11］；由此可见，无论是软切削还是硬切削，加工时使用的刀具种类会影响其切削效率，进而影响其可切削性能。1. 1. 2 材料的微观结构 由陶瓷切削断裂机制推测及大量实验结果证实，材料内部的气孔、板状晶体及层片状结构等微观结构会使材料更易被加工［12］，这是由于其可使材料受到外力时更易产生裂纹，同时材料内部裂纹的扩展方式发生变化，产生微裂纹和分支裂纹，从而避免破坏性裂纹的产生。Juri等［13］通过研究烧结体和预烧结体瓷块切削后的表面微观形貌和表面粗糙度，认为材料的微观结构可影响其加工难易程度；金刚石刀具更易破坏预烧结体中的孔洞网络结构而形成微裂纹，完全烧结体的致密结构会抵抗微裂纹的产生而使其不易被加工。对于完全烧结的氧化锆而言，单相氧化锆陶瓷中晶相间结合紧密而加工较为困难；加入磷酸镧或氧化铝制成的复相氧化锆陶瓷可切削性能显著提升［14-15］。Denkena等［7］认为加工过程引起的四方相向单斜相转变也会阻止微裂纹形成。相关研究表明，烧结的不同阶段可通过影响晶粒长大和相变来影响加工机制，进而造成氧化锆可切削性能差异［16-17］。综上，在一定温度范围内，随着烧结温度的升高，氧化锆材料晶粒逐渐长大、气孔率降低及四方相增多，其可切削性能逐渐增加；但达到某一临界烧结温度后，材料开始变得致密而不易被切削。评估氧化锆材料磨削后的表面质量可找到合适的烧结温度。1. 1. 3 材料的力学性能 有研究认为材料的硬度、断裂韧性、弹性模量及弯曲强度等力学性能可影响氧化锆陶瓷的可切削性能［12］。Denkena等［7］在研究硬切削对氧化锆陶瓷的影响时验证了上述推测，硬切削的完全烧结致密氧化锆强度和硬度均较高，在切削过程中容易引入微裂纹而形成缺陷，可切削性能较差。Kastyl等［6］研究发现，材料的硬度和强度越高，则韧性越大、弹性模量越低，而使氧化锆陶瓷越难切削；同时，其指出这些力学性能参数与氧化锆陶瓷的可切削性能之间并非单纯的线性关系。1. 2 评价方法 虽然氧化锆陶瓷的力学性能可满足口腔临床需求，但临床医生在进行局部修改调磨时，一些完全烧结的全瓷氧化锆修复体易出现崩瓷等情况。目前尚缺乏针对氧化锆陶瓷可切削性能的统一评价方法。如何对氧化锆瓷块的可切削性能进行有效评价已成为研究热点，国内外学者提出了不同的评价方法，如钻削速率与可加工指数或脆性指数，材料去除率、切削力、切削比能及切削所用时间等材料去除效率参数，表面微观形貌与表面粗糙度，边缘破损与边缘完整性，以及一些模糊词汇的定性评价等。此外，使用不同的切削工具也会对氧化锆陶瓷的可切削性能造成影响，但现有评价方法中缺乏对其的具体讨论。1. 2. 1 钻削速率与可加工指数或脆性指数 钻削速率与可加工指数或脆性指数是较早出现的，也是目前较常采用的陶瓷材料可切削性能的评价方法。钻削速率是通过钻孔试验比较相同钻速和轴向压力下，同一时间内的钻孔深度［15，18］。但钻孔试验中钻头垂直钻入材料，外力与材料切削垂直面的一个点构成点面接触，而无法模拟实际切削时刀具与材料的线面接触及刀具两侧侧向力对材料产生的裂纹影响，因而该评价方法对口腔氧化锆陶瓷的实际加工技术而言科学性欠佳。通过硬度（H）和断裂韧性（KIC）计算得到的可加工指数（KIC/H）［19］或脆性指数（H2/KIC2）［20-21］，可用来量化可切削性能，但这一指标也并不理想。一方面，材料韧性越高，切削时所耗能量及其对刀具的磨耗越大［22］，切削效率便越低，即材料的可切削性能较差；而另一方面，材料韧性越高，其经过加工后的表面光洁度和表面完整性越好，此时材料的可切削性能较好。故对该指标的可信度需进一步讨论。
1. 2. 2 材料的去除效率 材料去除率［23］、切削力、切削比能［22］及切削所用时间等参数也常用于评价陶瓷材料的可切削性能。季璐［24］通过计算单位时间的切削面积来比较不同材料的可切削性能，并采用三维表面轮廓仪计算待测样品的材料去除体积。Chen等［25］采用压电式测力计和高速数据采集系统来检测切削力和切削比能，并评价氧化锆增强硅酸锂玻璃陶瓷和二硅酸锂玻璃陶瓷的可切削性能。切削比能是指去除单位体积材料所需要的切削能量，可反映切削能量与材料去除率之间的对应关系及机床能效［26］。上述指标均通过材料的去除效率来评价氧化锆陶瓷的可切削性能，但陶瓷材料在切削研磨过程中可能出现崩瓷现象，这提示对氧化锆陶瓷可切削性能进行评价时应同时考虑其抵抗裂纹扩展的能力。1. 2. 3 材料的表面微观形貌与表面粗糙度 由于陶瓷材料的微观结构可影响其可切削性能，因而，有研究采用磨削后的表面微观形貌和表面粗糙度对氧化锆陶瓷的可切削性能进行评价。Pang等［27］通过将激光蚀刻区域的氧化锆陶瓷表面微观形貌与未经蚀刻区域比较，发现激光蚀刻区域产生的裂纹更加微小，且磨削表面残留的横向裂纹深度更小，由此认为激光可提高氧化锆陶瓷的可切削性能。虽然磨削后的表面微观形貌在一定程度上可体现氧化锆陶瓷的可切削性能，但由于其是通过犁沟状纹路的形状和深浅或晶粒脱落区的分布情况来主观描述切削结果［28］，因而不够精确，只能作为辅助评价手段。季璐［24］对口腔全瓷修复材料进行表面磨削、凹槽磨削、内圆磨削及外圆磨削等方式切削，并首次采用表面粗糙度这一数值来评价氧化锆陶瓷材料的切削表面质量情况。然而，表面粗糙度仅代表陶瓷材料的最终磨削效果，无法反映切削过程中去除材料的难易程度，其全面性有待提升；但该指标较为直观，具备一定的推广应用价值。1. 2. 4 材料的边缘破损程度与边缘完整性 具备良好可切削性能的氧化锆陶瓷可适当限制裂纹扩展，并保持陶瓷材料的边缘完整性。Chen等［25］采用扫描电子显微镜观察因切削引起的材料表面及边缘崩裂破损程度，并以此来评价氧化锆增韧氧化铝陶瓷的可切削性能。Flask等［29］根据切削力（F）与切削点距边缘距离（d）的关系绘制边缘韧性（TE）曲线（TE = F/d），并以TE表示氧化锆陶瓷材料抵抗边缘崩裂破损的能力。前者倾向于对氧化锆陶瓷可切削性能的定性评价，后者倾向于对其定量评价，但二者的临床应用价值还有待进一步验证。1. 2. 5 模糊词汇定性评价 有研究采用模糊词汇（如易加工、较易加工及难加工等）对氧化锆陶瓷的可切削性能进行定性评价［24，30］；其主观性较强，较难准确反映可切削性能。综上，现有研究多采用单一指标来评价氧化锆陶瓷的可切削性能，且不同评价方法可能得出完全相反的结论。因而，在评价氧化锆陶瓷可切削性能时，应全面考虑其影响因素：先确定切削工具和切削方式，再选用材料去除率、表面质量及边缘完整性等指标进行评价，同时考虑材料的微观结构和力学性能等因素。
在口腔医学领域，研磨往往特指减小表面粗糙度的抛光（polishing）过程［5］，分为机械抛光和非机械抛光，氧化锆陶瓷常用机械抛光。在氧化锆陶瓷修复体制作后，需通过含金刚石颗粒的工具和微粉磨料前端的微小切削作用进行研磨抛光，以提高其表面精度；氧化锆陶瓷在这一过程中达到镜面光洁度的能力即为其研磨抛光性能。
2. 1. 1 研磨抛光工具及参数 抛光工具、抛光液成分、抛光压力、抛光盘转速及抛光时间等均可影响氧化锆陶瓷的机械抛光性能［5，31-32］。氧化锆陶瓷的强度和硬度均较高，为达到预期抛光效果，应在不同抛光阶段加入不同粒度的金刚石颗粒［33］。通常情况下，抛光压力和抛光盘转速越大，抛光速率越快；且只有达到一定的抛光时长，才可获得镜面状态。2. 1. 2 材料的微观结构 研磨抛光的本质是对氧化锆陶瓷的微量切削过程，因而氧化锆陶瓷的微观结构（如晶粒大小和形状、气孔率等）也会对其研磨抛光性能产生影响［12］。氧化锆陶瓷材料的组织结构越均匀致密，其抛光效果越好［34］。2. 2 评价方法 已有研究对氧化锆陶瓷研磨抛光性能的评价指标较为相似，即通过抛光速率和抛光质量来衡量其研磨抛光性能。通常以材料去除率来评价其研磨抛光效率，以表面粗糙度、光泽度及表面显微形貌来评价其研磨抛光质量［35］。2. 2. 1 材料的去除效率及表面特征 应用材料的去除效率及表面特征来综合评价氧化锆陶瓷的研磨抛光效率和研磨抛光质量较为常见，也被大多数学者接受。Ji等［36］通过材料去除体积与研磨抛光时间的比值来对2种不同氧化锆陶瓷的研磨抛光效率进行定量评价，并辅以观察其表面微观形貌来分析研磨抛光效果。Kaizer等［30］在规定的循环次数内抛光氧化锆和梯度氧化锆，并采用磨损深度和表面粗糙度来评价其研磨抛光性能。Guo等［37］通过分析材料去除率和表面粗糙度来研究抛光时间、工作间隙、工件转速及抛光槽转速等主要工艺参数对氧化锆陶瓷研磨抛光性能的影响。2. 2. 2 材料的表面微观形貌及表面粗糙度 研磨抛光的主要目的在于减小材料表面粗糙度以形成光滑表面。因而，大多数研究采用表面粗糙度及表面微观形貌来评价氧化锆陶瓷的研磨抛光性能［38-42］。Caglar等［38］在评价3种抛光系统对全解剖氧化锆陶瓷的研磨抛光效果影响时，重点关注了抛光后的表面粗糙度和四方相向单斜相转变，提出研磨抛光后的表面粗糙度和表面微观形貌可作为氧化锆陶瓷研磨抛光性能的评价指标；该评价方法较为直观，备受研究者青睐。李文晶等［42］在研究3种抛光套装对氧化锆陶瓷的研磨抛光效果时，采用表面粗糙度和表面形貌来评价其抛光质量。Jin等［43］采用材料表面粗糙度及表面微观形貌来评价研磨抛光对2种不同方法制备的氧化锆陶瓷表面特性的影响。目前暂无关于氧化锆陶瓷研磨抛光的理想方案，且缺乏对其的统一评价方法。制定较为合适的氧化锆陶瓷抛光系统和抛光步骤，对研磨抛光性能评价方法的制定较为重要。Chavali等［32］和Zucuni等［44］认为，抛光系统、抛光步骤和抛光速度对氧化锆陶瓷的光泽度和粗糙度均有显著影响。潘霖娜［45］、Preis等［46］和Mai等［47］比较了临床常用的陶瓷抛光套装和抛光程序对氧化锆陶瓷抛光效果的影响，为临床氧化锆修复体的抛光程序提供指导。
氧化锆陶瓷材料的可加工性能受到其微观结构及力学性能等诸多因素影响，是材料若干属性的综合反映。目前尚无对口腔氧化锆陶瓷可加工性能的统一评价方法。在对其进行评价时，应使用统一的加工工具，综合考虑修复体的精度、边缘密合及边缘最薄厚度等临床使用要求，以及材料的微观结构和力学性能等因素；采用精密准确的测量仪器计算材料的去除效率来对其可加工性能进行定量评价，采用材料的表面微观形貌、表面粗糙度及脱落晶粒分布等指标来辅助进行定性评价，从而可得到口腔氧化锆陶瓷可加工性能的系统评价方法。
