口腔材料学课件：第一章 口腔材料的性能

1、口腔材料学 Dental Materials 口腔材料研究室主要内容一、前言二、口腔材料的物理性能三、口腔材料的机械性能前 言（Preface） 口腔材料学是以口腔医学、化学、物理学、工程学等多种学科为基础的边缘学科。其研究内容涉及材料的成分、结构及性能，是口腔医学的重要组成部分。 口腔医学与其他医学不同，在口腔医学的大部分临床治疗中都离不开口腔材料的选择和使用。口腔医疗活动与口腔材料的使用几乎是密不可分的。口腔材料的发展简史2500年前，金合金用于固定修复我国早在唐代就有用银膏补牙的记载18世纪开始，口腔医学的发展加快18世纪末19世纪初，口腔材料的研究也有了较大发展19世纪中叶，对银汞合金

2、的研究首次引起了人们对口腔材料科学的极大兴趣19世纪中叶，金箔、陶瓷、水门汀、硫化橡胶等相继被用到口腔治疗中20世纪，合成高分子材料开始应用到口腔医学领域并得到飞速发展，口腔材料学开始形成一门独立的学科口腔材料的分类按用途分类印模材料、模型材料、包埋材料、义齿材料、充填材料、粘接材料、种植材料、辅助材料、切削研磨材料、预防保健材料按材料的性质分类金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料口腔材料的分类按材料的应用部位分类非植入人体材料植入人体材料按材料与口腔组织的接触方式分类直接暂时接触、直接长期接触、间接接触学习口腔材料学的目的掌握材料科学的基本原理了解材料的主要性能特点熟悉材料的基本评价方法

3、合理使用口腔材料正确评价口腔材料创新改进口腔材料目 标第一章 口腔材料的性能（Properties of Dental Materials）第一节 物理性能（Physical properties）一. 尺寸变化（dimensional change）二. 热膨胀（thermal expansion）三. 导热性（thermal conductivity）四. 表面张力（surface tension）和表面能（surface energy）五. 流电性（galvanism）第一节 物理性能（Physical properties）一. 尺寸变化（dimensional change） =L

4、L0L0e100%影响口腔材料尺寸变化的因素内部结构 水门汀、银汞合金、复合树脂、石膏、印模材外部环境 口腔环境温度、室温、铸造温度外力作用 咀嚼力、就位力、摩擦力、冲击力在应用过程中的尺寸变化率。以原长的百分比表示L 变化后的长度，mmL0 原长，mm口腔材料尺寸稳定性对于的临床意义：印模材料、模型材料 修复体精度 充填材料 充填体与窝洞密合性 微漏、继发龋影响影响二. 热膨胀（thermal expansion）二. 热膨胀（thermal expansion） =L2 L1L0 (T2 T1)aa- 温度T1至T2的平均线胀系数L0- 环境温度时试样的长度，mmT1- 测量开始温度，T2

5、- 测量结束温度，L1- 温度为T1时，试样的长度，mmL2- 温度为T2时，试样的长度，mm平均线胀系数（average linear coefficient of thermal expansion） 在确定的温度范围内，温度平均升高一度，物体单位长度产生的变化。单位：10-6K-1 热膨胀仪 热膨胀系数测量温度位移热膨胀系数对临床应用的影响包埋材料的热膨胀系数可以补偿金属铸造收缩充填体与牙体热膨胀系数的差别会影响治疗效果三. 导热性（thermal conductivity）传热的三种基本形式三. 导热性（thermal conductivity）传热的三种基本形式三. 导热性（ther

6、mal conductivity）辐 射（radiation） 由电磁波传递能量的现象。对 流（convection） 在液体或气体中，因流体的流动而引起的热量转移。传热的三种基本形式 当物体中有温差时，或两个不同温度的物体接触时，因物体中分子、电子等微观运动所引起的热量转移过程。导 热（heat conduction）导热系数 （coefficient of thermal conductivity）导热系数是量度材料导热能力的物理量。导热系数的物理意义： 单位温度梯度下的热流密度。 单位：J/（cmsec）焦耳/（厘米 秒度） 当物体中有温差时，或两个不同温度的物体接触时，因物体中原子、分

7、子、电子等微观运动所引起的热量转移过程。导 热（heat conduction） 导 热 导热系数高的材料导热快，传递的热量多，易对牙齿产生冷热刺激。因此，采用此类材料充填时，须采用导热系数低的材料垫底。四. 表面张力（surface tension）和表面能（surface energy）四. 表面张力（surface tension）和表面能（surface energy）表面张力： 作用于液体表面的力,趋向于使液体的表面积缩至最小。 单位： 牛顿/米（N/m）表面能： 要将液体内部的分子移到表面层来，就要克服引力做功。这就意味着表面层内的分子具有更大的势能，这种势能叫做表面能。 单位：焦

8、耳/米2图1-2 一般，表面张力是指液体与气体或液体与固体之间的表面张力。固体表面的润湿润湿现象及润湿角 液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。 润湿现象不仅影响自然界中动、植物的种种生命活动，对人类的生活与生产也起着重要作用。例如塑料表面的印刷，聚合物与其他材料的粘结，机械的润滑，以及去污、乳化、分散等，都与润湿现象密切有关。 润湿作用涉及气、液、固三相将一液滴滴在固体表面上形成图示的形状。在固-液-气三相界面上，固-气的界面张力为SG，固-液的界面张力为SL，气-液的界面张力为LG。在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫润湿角，以表示。 则三相界面张力SG、SL、LG服从

9、下面的Young方程： SG = SL + LG cosYoung方程是研究液-固润湿作用的基础。 润湿和不润湿通常采用润湿角进行定量描述当90时称为不润湿，角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，而越容易收缩至接近呈圆球状。 当=0或180时，则分别称为完全润湿和完全不润湿。 由Young方程式可得： cos = (s-g s-l ) / l-g 上式表明润湿角的大小与三相界面张力之间的定量关系。凡是能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的润湿性。 当s-g s-l 时，则cos0，90，此时为润湿；而且s-g和s-l相差越大，角越小，润湿性越好。 当s-g s-l时，则

10、cos90，此时不润湿；当s-l越大和s-g越小时，角越大，不润湿程度也越严重。 在生产上可以通过改变三个相界面上的值来调整润湿角。若加入一种使l-g和s-l减小的表面活性物质，可使减小，润湿程度增大；反之，若加入某种使增大的表面惰性物质，可使增大，润湿程度降低。例如在浇铸工艺中，熔融金属和模子间的润湿程度直接关系着浇铸质量。若润湿性不好，铁水不能与模型吻合，则所得的铸件在尖角处呈圆形，反之，若润湿性太强(即角很小)，则金属较容易渗入模型缝隙而形成不光滑的表面。为了调节润湿程度，可在钢液中加入适量的硅，以改变界面张力，得到合适的角。 润湿作用可以从分子间的作用力来分析润湿与否取决于液体分子间相

11、互吸引力(内聚力)和液固分子间吸引力(粘附力)的相对大小。若后者较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若前者占优势则不铺展，呈不润湿。内聚功(Wc)和粘附功(Wo) 设有一横截面积为1cm2的液柱，若不改变截面积而将其沿中部拉断，这时所消耗的功叫做该液体的内聚功。 因未将液体拉开时，在虚线处无表面，拉开后出现了两个表面，每个表面皆为1cm2。产生1cm2新表面所需的功为，产生2cm2所需的功为2。所以内聚功为： Wc = 2 如果液柱的上端为液体B，下端为不相溶的液体A(或固体)，则拉开后原来的界面AB不再存在，而出现了两个新的表面A和B。这时所消耗的功叫粘附功。其表达式为： Wa = A +

12、B AB 内聚功表征了相同液体表面间的吸引强度；粘附功表征不同液体或液体与固体间的吸引强度。 若把不溶于水的液体(B)滴在水(A)面上，可能发生两种情况。一种情况为液体在水面上不铺展开而形成一凸镜式液滴。这是由于液滴本身的内聚功大于该液体对水的粘附功。另一种情况是滴在水面上的液体展开形成一层薄膜，这是由于液体本身的内聚功小于液体对水的粘附功。若把水(A)换成固体，铺展的原理与上相同，即当液体与固体的粘附功Wa大于液体内聚功Wc时，液体可自行铺展于固体表面。Sl/s称为液体在固体上的铺展系数。Sl/s0是液体在固体表面上自动铺展的基本条件，这意味着，(s-g s-l) l-g，这时Young方程

13、已不适用，或者说润湿角已不存在。铺展是润湿的最高标准，极限的情况下，可得到一个分子层厚的铺展膜层。接触角的测定方法（1）停滴法在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h与底宽2r。由简单的几何分析可求出。 （2） 吊片法将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值h与接触角之间的关系为： sin = 1 (gh22LG) 在已知LG的条件下，不难由上式求出。 由于表面粗糙引起的滞后（1）当90时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。五. 流电性（galvanism）铝冠的电位：1

14、.33V金冠的电位：-1.26V铝冠与金冠接触即产生电流流电现象产生的原理与原电池的原理相同。流电性：在口腔环境中异种修复体相接触时，由于不同金属之间的电位不同，所产生的电位差，导致电流产生，称为流电性。一. 尺寸变化（dimensional change）二. 热膨胀（thermal expansion）三. 导热性（thermal conductivity）四. 表面张力（surface tension）和表面能（surface energy）五. 流电性（galvanism）小结：第二节 机械性能（Mechanical properties） 应力（stress）二. 应变（strain

15、）三. 应力应变曲线（stressstrain curve）四. 延伸率（percentage elongation）和 压缩率（percentage compression）五. 回弹性（ resilience）和韧性（toughness）六. 硬度（hardness）七. 蠕变（creep）八. 断裂韧性（fracture toughness）九. 耐磨性能（abrasion resistance）第二节 机械性能（Mechanical properties）一. 应力（stress）当物体受到外力作用，其单位面积上所受到的内力称为应力。平均应力：s=FS点的应力：s=DFDSlimDS

16、0=dFdSs ： 应力, MPaDF ： 作用在微元面积上的力, NDS ： 微元面积, mm2s ： 应力, MPaF ： 作用在截面上的力, NS ： 截面积, mm2拉伸或压缩（tension or compression） 由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重合的一对力引起，表现为杆件的长度发生伸长或缩短。拉应力（tensile stress）压应力（compressive stress）t = QAA ：剪切面积: 大小相等、方向相反、作用线相距很近的一对力。剪切力 Q剪切应力（shear stress ）剪 切（shear） 由大小相等、方向相反、作用线平行于被剪切面，且距离

17、很近的一对力引起，表现为受剪物体的两部分沿外力作用方向发生相对错动。PPPQA牛牙-复合树脂粘接剪切试件二. 应变（strain）物体受力时单位长度的变化。正应变：e=DLLe ： 应变，无量纲L ： 原长，mmDL ： 受力时的长度增量，mm线变形与剪切变形，这两种变形程度的度量分别称为“ 正应变”和“切应变”, 分别用和表示。微元的伸长量du与微元dx的比值就是x方向的正应变x ，而切应变则就是直角改变量，在图中即为+。应力应变曲线（stressstrain curve）在以应力为纵坐标，应变为横坐标的坐标系中做成的曲线。三. 应力应变曲线（stressstrain curve）abcde

18、sespse0a 点：比例极限(proportional limit) sp b点：弹性极限(elastic limit) se1. 弹性阶段应力应变曲线(stress-strain diagram)材料在拉伸时的机械性质弹性极限（elastic limit）除去外力后，变形尺寸能全回复时材料所能承受的最大应力。比例极限（proportional limit）在弹性变形范围内，应力与应变成正比关系的最大应力。弹性模量（P6） 根据比例极限的定义可知，在比例极限以下的部分，材料的应力与应变之间符合虎克定律所表示的正比关系，即 E 其中，E称为材料的弹性模量，又称杨氏模量，或者材料的刚度，表示材料

19、抵抗弹性变形的能力，其值愈大，则在相同的应力下产生的弹性变形就愈小。材料在拉伸时的机械性质C段内的最低应力称为：屈服强度(yield strength) ss 屈服极限(yield limit) abcdesespsess0屈服阶段 (c) 屈服强度（yield strength）材料开始塑性变形所需的应力。材料拉伸时的力学性能1、弹性范围内卸载、再加载2、过弹性范围卸载、再加载 材料在卸载过程中应力和应变是线性关系，这就是卸载定律。 材料的比例极限增高，延伸率降低材料在拉伸时的机械性质3. 强化阶段 ( c d ) 强度极限(ultimate strength) sb 屈服阶段过后，材料又恢

20、复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。图2-13abcdesespsesbss0极限强度（ultimate strength）材料发生断裂过程中，产生的最大应力。 材料在拉伸时的机械性质4. 局部变形阶段 ( d e ) 随着试件继续被拉长，试件的某一区域内将出现直径减小的颈缩现象，然后即被拉断。图2-13abcdesespsesbss0 材料在拉伸时的机械性质 对于没有明显屈服阶段的塑性材料，通常以产生0.2%塑性应变时所对应的应力作为屈服极限，称为规定非比例延伸强度，用RP0.2表示。 规定非比例延伸强度0.2图2-13ses0.20.2%四. 延伸率（

21、percentage elongation）和 压缩率（percentage compression）延伸率和压缩率 ： 试样拉断后，标距部分的实际伸长量（l-l0）与拉伸前长度l0的百分比。d=l-l0 l0 100%延伸率低于5%的材料称为脆性材料；延伸率高于5%的材料称为塑性材料。断裂延伸率（ percentage elongation after fracture ） 材料在拉力或压力作用下所产生的最大永久应变值。脆性材料的抗拉性能 脆性材料的特点是抗压性能好，抗拉性能差。 口腔修复使用的材料有多种是属于脆性材料，如银汞合金、粘接材料、陶瓷材料、石膏、人造石、包埋材料及等。对这些材料来

22、说，抗拉强度的大小决定了他们的使用寿命。万能材料力学试验机五. 回弹性（ resilience ）和韧性（toughness）回弹性（ resilience） ： 材料抵抗永久变形的能力。使材料达到弹性极限的过程中，增加（或减少）材料单位体积，外力所做的功。WR =seee2WR: 达到弹性极限，外力对单位体 积材料所做的功。 MNm/m3(兆焦耳/米3)se：弹性极限应力，MN/m2ee：弹性极限应变，无量纲 seee韧性（toughness )： 材料抵抗断裂破坏的能力。使材料产生断裂破坏的全过程中，增加（或减少）材料单位体积，外力所做的功。Wr =s (e)deWr:至断裂破坏，外力对单

23、位体 积材料所做的功。 MNm/m3(兆焦耳/米3)s(e)：应力函数，MN/m2de：应变的微分,无量纲 se压头 （形状：球形、正四棱锥、四棱锥）载荷 （ 0.1N 500N）载荷保持时间（ 5s 30s）硬度测量的要素六. 硬度（hardness）硬度（hardness）： 用于衡量固体材料软硬程度的力学性能指标。硬度测量方法1.压头与物体接触；2.施加载荷；3.保持一定时间；4.取消载荷；5.测量压痕尺寸，计算硬度。常用硬度性能指标测量方法布氏硬度（Brinell hardness） HB （MPa） 洛氏硬度 （Rockwell hardness） HR （mm）维氏硬度 （Vickers hardness） Hv （MPa）莫氏硬度 （Mohs hardness） 邵氏硬度（Shore hardness） 显微硬度