3Y-TZP(3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal zirconia)는 생체친화성과 높은 기계적 물성으로 인해 정형외과에서 인공고관절이나 치과에서 인공치관 및 인공치아용 생체재료로 널리 사용되고 있지만 습윤한 저온환경에 장시간 노출될 경우 정방정 상에서 단사정 상으로 상변화가 일어나 기계적 물성이 저하되며 심할 경우 파절까지 일어나는 저온열화 현상이 단점으로 알려져 있다. 본 연구는 저온열화 조건이 3Y-TZP의 강도와 피로한계에 미치는 영향을 관찰하고 저온열화가 억제되면서 강도와 ...
3Y-TZP(3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal zirconia)는 생체친화성과 높은 기계적 물성으로 인해 정형외과에서 인공고관절이나 치과에서 인공치관 및 인공치아용 생체재료로 널리 사용되고 있지만 습윤한 저온환경에 장시간 노출될 경우 정방정 상에서 단사정 상으로 상변화가 일어나 기계적 물성이 저하되며 심할 경우 파절까지 일어나는 저온열화 현상이 단점으로 알려져 있다. 본 연구는 저온열화 조건이 3Y-TZP의 강도와 피로한계에 미치는 영향을 관찰하고 저온열화가 억제되면서 강도와 파괴인성이 우수한 새로운 정방정 지르코니아고용체를 ZrO2-Y2O3-Nb2O5 3성분계에서 확보하는데 있다. 열수처리온도의 증가는 정방정상 (t-ZrO2)에서 단사정상 (m-ZrO2)으로의 상전이량을 증가시켜 저온열화가 심화되었으나 기존 보고와는 달리 2축 굴곡 강도는 194 ℃까지 증가하다가 그 이상 온도에서는 감소하였지만 열수처리 전 강도보다는 높았다. 이 결과는 t→m 상전이에 따라 발생한 잔존 압축응력이 상전이하지 않은 정방정 지르코니아에 가해짐으로 강도가 증가하다가 상전이량이 85% 이상에서는 시편의 견고성이 와해되어 강도가 감소되는 것으로 해석하였다. 잔존응력의 크기는 정방정 지르코니아 XRD의 (111) 피크의 비대칭적 퍼짐에 비례하였으며 이는 정방정에서 능방정상(rhombohedral: r-ZrO2)으로의 상전이의 결과로 설명하였다. 따라서 t→r 상전이량에 비례하여 2축 강도는 직선적으로 증가하였다. 3Y-TZP의 저온열화 전후 정적 강도의 차이가 있음에도 피로한계가 600 N의 유사한 결과를 얻었는데 이는 저온열화에 의한 t→r 상전이에 따른 잔존응력이 피로시험 간에 완화되었기 때문이다. ZrO2-Y2O3-Nb2O5 3성분계에서 저온열화가 일어나지 않는 t-ZrO2 고용체 조성은 ZrO2가 91에서 85 mol%, Y2O3가 4.9에서 7.6 mol%, Nb2O5가 4.0에서 7.4 mol% 이었다. 2축강도는 Y2O3가 4.9에서 5.9 mol%로 증가하면서 최대값을 보이고 Nb2O5는 4.0에서 4.9 mol%로 증가하면서 최대값을 보였다. 파괴인성은 일반적으로 Y2O3와 Nb2O5가 증가하면서 감소하였다. 이 결과로부터 ZrO2-Y2O3-Nb2O5 3성분계에서 저온여화가 일어나지 않으면서 기계적 물성이 가장 우수한 고용체는 90.1 mol% ZrO2-5.3 mol% Y2O3-4.6 mol% 조성인 것으로 결정하였다.
3Y-TZP(3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal zirconia)는 생체친화성과 높은 기계적 물성으로 인해 정형외과에서 인공고관절이나 치과에서 인공치관 및 인공치아용 생체재료로 널리 사용되고 있지만 습윤한 저온환경에 장시간 노출될 경우 정방정 상에서 단사정 상으로 상변화가 일어나 기계적 물성이 저하되며 심할 경우 파절까지 일어나는 저온열화 현상이 단점으로 알려져 있다. 본 연구는 저온열화 조건이 3Y-TZP의 강도와 피로한계에 미치는 영향을 관찰하고 저온열화가 억제되면서 강도와 파괴인성이 우수한 새로운 정방정 지르코니아 고용체를 ZrO2-Y2O3-Nb2O5 3성분계에서 확보하는데 있다. 열수처리온도의 증가는 정방정상 (t-ZrO2)에서 단사정상 (m-ZrO2)으로의 상전이량을 증가시켜 저온열화가 심화되었으나 기존 보고와는 달리 2축 굴곡 강도는 194 ℃까지 증가하다가 그 이상 온도에서는 감소하였지만 열수처리 전 강도보다는 높았다. 이 결과는 t→m 상전이에 따라 발생한 잔존 압축응력이 상전이하지 않은 정방정 지르코니아에 가해짐으로 강도가 증가하다가 상전이량이 85% 이상에서는 시편의 견고성이 와해되어 강도가 감소되는 것으로 해석하였다. 잔존응력의 크기는 정방정 지르코니아 XRD의 (111) 피크의 비대칭적 퍼짐에 비례하였으며 이는 정방정에서 능방정상(rhombohedral: r-ZrO2)으로의 상전이의 결과로 설명하였다. 따라서 t→r 상전이량에 비례하여 2축 강도는 직선적으로 증가하였다. 3Y-TZP의 저온열화 전후 정적 강도의 차이가 있음에도 피로한계가 600 N의 유사한 결과를 얻었는데 이는 저온열화에 의한 t→r 상전이에 따른 잔존응력이 피로시험 간에 완화되었기 때문이다. ZrO2-Y2O3-Nb2O5 3성분계에서 저온열화가 일어나지 않는 t-ZrO2 고용체 조성은 ZrO2가 91에서 85 mol%, Y2O3가 4.9에서 7.6 mol%, Nb2O5가 4.0에서 7.4 mol% 이었다. 2축강도는 Y2O3가 4.9에서 5.9 mol%로 증가하면서 최대값을 보이고 Nb2O5는 4.0에서 4.9 mol%로 증가하면서 최대값을 보였다. 파괴인성은 일반적으로 Y2O3와 Nb2O5가 증가하면서 감소하였다. 이 결과로부터 ZrO2-Y2O3-Nb2O5 3성분계에서 저온여화가 일어나지 않으면서 기계적 물성이 가장 우수한 고용체는 90.1 mol% ZrO2-5.3 mol% Y2O3-4.6 mol% 조성인 것으로 결정하였다.
3Y-TZP (3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal zirconia), which possesses biocompatibility and superior mechanical properties, is widely used as ceramics for hip joints in orthopedics and tooth restorations in dentistry. Nevertheless, a drawback of 3Y-TZP is a degradation of mechanical properties when it...
3Y-TZP (3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal zirconia), which possesses biocompatibility and superior mechanical properties, is widely used as ceramics for hip joints in orthopedics and tooth restorations in dentistry. Nevertheless, a drawback of 3Y-TZP is a degradation of mechanical properties when it is exposed to low temperatures, especially at humid environments, for a long period, called low-temperature degradation (LTD). The degradation is triggered by tetragonal(t) to monoclinic(m) phase transformation of 3Y-TZP, accompanying microcracking and premature fracture as the cracks extends to macrocracks with extended aging. The aim of this study is to elucidate influence of aging conditions on static strength and fatigue limit of 3Y-TZP and to search for t-ZrO2 solid solutions having superior strength and fracture toughness and resistance to LTD in the ternary system of ZrO2-Y2O3-Nb2O5. Although the increase in aging temperature accelerated the t→m transformation and thus LTD in accordance to previous reports, the biaxial strength increased up to 194 ℃ to the contrary. The unexpected improvement involves an increased residual compressive stress as a consequence of the t→m transformation, which resists the fracture of 3Y-TZP. As the amount of t→m transformation exceeds 85 % an integrity of the specimen is lost so that no residual stress can be exerted to 3Y-TZP, leading to the decrease in the strength. The extent of the residual stress is manifested by asymmetric peak broadening of (111) peak in the x-ray diffraction pattern of 3Y-TZP, which is assigned as the formation of r-ZrO2. As a result the biaxial strength increased linearly with the extent of the t→r transformation during aging. In spite of the difference in the strength of 3Y-TZP before and after aging treatment, the fatigue limits of 600 N was identical probably because the residual stress built by the t→m transformation was exhausted during fatigue cycling. t-ZrO2 solid solutions immune to LTD exist in the composition range of 85-91 mol% ZrO2, 4.9-7.6 mol% Y2O3, and 4.0-7.4 mol% Nb2O5 in the ZrO2-Y2O3-Nb2O5 ternary system. Biaxial strength increased as the Y2O3 content increases from 4.9 to 5.9 mol% Y2O3 and the Nb2O5 form 4.0 to 4.9 mol%. In general fracture toughness decreased with increase in the contents of both Y2O3 and Nb2O5. Based on the observation the composition of 89.8 mol% ZrO2, 5.6 mol% Y2O3, and 4.6 mol% Nb2O5 was selected for the t-ZrO2 solid solution of LTD-free and superior mechanical properties.
3Y-TZP (3 mol% Y2O3 stabilized tetragonal zirconia), which possesses biocompatibility and superior mechanical properties, is widely used as ceramics for hip joints in orthopedics and tooth restorations in dentistry. Nevertheless, a drawback of 3Y-TZP is a degradation of mechanical properties when it is exposed to low temperatures, especially at humid environments, for a long period, called low-temperature degradation (LTD). The degradation is triggered by tetragonal(t) to monoclinic(m) phase transformation of 3Y-TZP, accompanying microcracking and premature fracture as the cracks extends to macrocracks with extended aging. The aim of this study is to elucidate influence of aging conditions on static strength and fatigue limit of 3Y-TZP and to search for t-ZrO2 solid solutions having superior strength and fracture toughness and resistance to LTD in the ternary system of ZrO2-Y2O3-Nb2O5. Although the increase in aging temperature accelerated the t→m transformation and thus LTD in accordance to previous reports, the biaxial strength increased up to 194 ℃ to the contrary. The unexpected improvement involves an increased residual compressive stress as a consequence of the t→m transformation, which resists the fracture of 3Y-TZP. As the amount of t→m transformation exceeds 85 % an integrity of the specimen is lost so that no residual stress can be exerted to 3Y-TZP, leading to the decrease in the strength. The extent of the residual stress is manifested by asymmetric peak broadening of (111) peak in the x-ray diffraction pattern of 3Y-TZP, which is assigned as the formation of r-ZrO2. As a result the biaxial strength increased linearly with the extent of the t→r transformation during aging. In spite of the difference in the strength of 3Y-TZP before and after aging treatment, the fatigue limits of 600 N was identical probably because the residual stress built by the t→m transformation was exhausted during fatigue cycling. t-ZrO2 solid solutions immune to LTD exist in the composition range of 85-91 mol% ZrO2, 4.9-7.6 mol% Y2O3, and 4.0-7.4 mol% Nb2O5 in the ZrO2-Y2O3-Nb2O5 ternary system. Biaxial strength increased as the Y2O3 content increases from 4.9 to 5.9 mol% Y2O3 and the Nb2O5 form 4.0 to 4.9 mol%. In general fracture toughness decreased with increase in the contents of both Y2O3 and Nb2O5. Based on the observation the composition of 89.8 mol% ZrO2, 5.6 mol% Y2O3, and 4.6 mol% Nb2O5 was selected for the t-ZrO2 solid solution of LTD-free and superior mechanical properties.
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