晶种诱导二硅酸锂玻璃的多尺度可控析晶及其协同增韧机理研究

Lithium disilicate (Li2Si2O5) glass-ceramics is one of the orientations of the latest research and development for all ceramic dental restoration. Concerning the fracture toughness and translucency have not yet reached a perfect match, and based on the idea of toughening and crystallization by seeds induced epitaxial growth，lithium disilicate glass without nucleating agents is chosen as the research object. By using the hot pressing sintering technology，seeds toughened Li2Si2O5 glass-ceramics with multi-scale crystals would be successfully synthesized. Through the systematic study of nucleation, crystallization and growth process of the seeds induced lithium disilicate glass，relationships among the shape，size and amount of seeds addition, and the crystallinity, crystals size and epitaxial growth thermodynamics will be established. The mechanism of controllable crystallization of the seeds will be clarified. Combined with analysis of the failure behavior and crack propagation path, the synergize toughening mechanism of multi-scale crystals and regulation of translucency will be explained clearly. This research will provide a new idea and method for the perfect matching of the fracture toughness and the aesthetic appearence of lithium disilicate glass-ceramics，and lay the foundation for its clinical applications.

二硅酸锂(Li2Si2O5)玻璃陶瓷是牙科修复材料最新的研究和发展方向之一。针对该材料断裂韧性与半透性难以兼具这一问题，基于晶种诱导外延析晶增韧的思想，本项目拟选取不含形核剂的二硅酸锂玻璃为研究对象，结合热压烧结技术构筑出晶种诱导的多尺度晶体共存的二硅酸锂玻璃陶瓷微观结构。通过系统地研究晶种诱导二硅酸锂玻璃的形核、析晶、生长过程，建立晶种形态、尺寸、数量与结晶度、晶体尺寸、外延生长行为之间的内在关系，揭示晶种诱导控制结晶的规律，阐明多尺度晶体协同增韧与半透性调节的机制。本项目的实施可为二硅酸锂玻璃陶瓷断裂韧性与自然牙美观度的完美匹配提供新的思路和方法，并为其在临床上的应用奠定基础。

二硅酸锂(Li2Si2O5)玻璃陶瓷可再现天然牙的自然光泽、机械强度高，成为全瓷牙科修复材料最新的研究和发展方向之一。然而由于该材料的本征脆性、低的缺陷容忍度使其应用范围受到很大限制，针对其断裂韧性与半透性难以兼具这一问题，基于晶种诱导外延析晶增韧的思想，本课题采用热压烧结技术构筑出晶种诱导的多尺度晶体共存的二硅酸锂玻璃陶瓷微观结构。系统地研究了Li2Si2O5晶种的可控制备，不同玻璃体系、晶种添加量、烧结温度、保温时间等对该材料致密度、结晶度、微观形貌、力学性能和透光率的影响规律，揭示了晶种诱导控制结晶的规律及机理，建立了材料微观组织与断裂韧性之间的内在联系，从而揭示了晶种诱导多尺度晶体的协同增韧机理以及对半透性的影响规律及机制，并且优化设计出适合热压烧结的高铝二硅酸锂玻璃陶瓷的配方，对其烧结性能进行了初步探索。结果表明：Li2Si2O5晶种的加入，使得一部分晶粒沿晶种原位生长成大尺寸长棒状晶粒，得到与玻璃粉体表面形核机制长成的小晶粒共存组织，通过裂纹的有效地偏转和桥联，达到增韧的效果。随着晶种添加量的增加，玻璃体系粘度增加，致密度下降；同时晶种的异质形核作用增强，具有高长径比的大晶粒数量增加，平均晶粒尺寸持续增大结晶度升高。综合作用使得材料弯曲强度先升高后降低，断裂韧性提高，直线透光率下降。烧结温度的升高可降低体系粘度、促进致密化，改善烧结试样的性能；但温度高于850℃时，晶粒生长速率增大、尺寸增加，且部分Li2Si2O5晶粒熔融导致结晶度下降，材料性能降低。加入5wt.%Li2Si2O5晶种，在850℃保温30min热压烧结的Li2Si2O5玻璃陶瓷综合性能优异，弯曲强度396MPa，断裂韧性3.30MPa•m1/2，透光性好，达到牙科美学修复材料的要求，展现出理想的应用前景。且研究发现添加Li2Si2O5晶种可诱导铝硅酸锂玻璃析出更多的Li2Si2O5晶体，有效改善其力学性能。本项目的完成可为二硅酸锂玻璃陶瓷断裂韧性与自然牙美观度的完美匹配提供新的思路和方法，并为其临床上的应用奠定基础。