口腔医学用氧化锆陶瓷复合材料的制备及力学性能

doi:10.12307/2025.900

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (14): 3548-3556.doi: 10.12307/2025.900

• 组织工程口腔材料 tissue-engineered oral materials • 上一篇下一篇

口腔医学用氧化锆陶瓷复合材料的制备及力学性能

金慧1，陈晖2

1辽源职业技术学院，吉林省辽源市 136200；2华北理工大学附属医院口腔科，河北省唐山市 063210

收稿日期:2024-11-02 接受日期:2025-01-11 出版日期:2026-05-18 发布日期:2025-09-10
通讯作者: 陈晖，主任医师，教授，华北理工大学附属医院口腔科，河北省唐山市 063210
作者简介:金慧，男，1982年生，吉林省辽源市人，汉族，副教授，主要从事口腔医学、口腔医学技术方面的研究。
基金资助:
2023年度吉林省职业教育科研课题项目(2023XHY138)，项目参与人：金慧；2023年度吉林省职业院校创新创业教育教学指导委员会一般课题(CXCYHZW2023028)，项目负责人：金慧；2023 年度吉林省职业教育与成人教育教学改革研究立项课题(2023ZCY180)，项目负责人：金慧

Preparation and mechanical properties of zirconia ceramic composites for stomatology

Jin Hui1, Chen Hui2

1Liaoyuan Vocational Technical College, Liaoyuan 136200, Jilin Province, China; 2Department of Stomatology, Affiliated Hospital of North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, Hebei Province, China

Received:2024-11-02 Accepted:2025-01-11 Online:2026-05-18 Published:2025-09-10
Contact: Chen Hui, Chief physician, Professor, Department of Stomatology, Affiliated Hospital of North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, Hebei Province, China
About author:Jin Hui, Associate professor, Liaoyuan Vocational Technical College, Liaoyuan 136200, Jilin Province, China
Supported by:
2023 Jilin Vocational Education Research Project, No. 2023XHY138 (to JH); General Project of 2023 Jilin Vocational College Innovation and Entrepreneurship Education and Teaching Steering Committee, No. CXCYHZW2023028 (to JH); 2023 Jilin Vocational Education and Adult Education Teaching Reform Research Project, No. 2023ZCY180 (to JH)

摘要/Abstract

摘要：
文题释义：
氧化钇稳定四方氧化锆多晶陶瓷：以氧化钇(Y2O3)作为稳定剂条件下制备的氧化锆增韧陶瓷，具有高强度、高韧性和美观等优点，在口腔医学修复领域得到了广泛应用。然而，3%(摩尔百分比)氧化钇稳定四方氧化锆多晶陶瓷易导致对颌牙的过度磨耗，从而增加牙本质暴露的风险，进而可能引发牙齿酸痛、牙髓感染等问题。
钛酸钡：为一种经典的介电陶瓷材料，因良好的生物相容性和较低的成本在医学领域引起了广泛关注。钛酸钡单独使用时断裂韧性相对较低，无法完全满足口腔医学修复的需求，但它与3%(摩尔百分比)氧化钇稳定四方氧化锆多晶陶瓷复合后可以形成具有微孔结构的复合材料，从而有望改善材料的生物学性能和摩擦磨损性能。

背景：3%(摩尔百分比)氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷在实际应用中易导致对颌牙的过度磨耗，进而增加牙本质暴露的风险，引发牙齿酸痛、牙髓感染等问题，因此，进一步提升3%氧化钇稳定四方氧化锆多晶陶瓷摩擦磨损性能成为当前口腔医学修复材料研究的热点之一。
目的：探究钛酸钡掺杂比例对3%氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷微观结构、力学性能及摩擦磨损性能的影响。
方法：以3%氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷为主体，通过高温烧结法制备钛酸钡掺杂的3%氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷材料，其中钛酸钡掺杂量分别为陶瓷粉体质量的0%，2%，4%，6%。检测4组材料的晶格结构、力学性能、微观形貌、耐磨性能。

①X射线衍射结果显示，随着钛酸钡掺杂量的增多，复合陶瓷中单斜相氧化锆和钛酸钡的物相占比不断增大，四方相氧化锆的占比不断减小。②扫描电镜观察结果显示，单纯的3%氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷表面存在大量气孔，并且表面致密度较低；4%，6%钛酸钡掺杂陶瓷表面的气孔数量减少、表面致密度提高。③随着钛酸钡掺杂量的增加，陶瓷的密度持续降低，孔隙率先降低后升高，其中6%钛酸钡掺杂陶瓷的密度最低，4%钛酸钡掺杂陶瓷的孔隙率最低；随着钛酸钡掺杂量的增加，陶瓷的维氏硬度与断裂韧性持续降低，弹性模量先升高后降低，其中4%钛酸钡掺杂陶瓷的弹性模量最大。④利用直径10 µm的金刚石进行划痕实验，结果显示：随着钛酸钡掺杂量的增加，陶瓷的摩擦系数和划痕深度均呈先降低后升高的趋势，其中4%钛酸钡掺杂陶瓷的摩擦系数与划痕深度最低；扫描电镜观察结果显示，4组陶瓷试样划痕两侧出现了不同程度的破碎，其中单纯氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的划痕边缘破碎最为严重，4%钛酸钡掺杂陶瓷的划痕边缘破碎最轻。⑤结果表明，4%钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷复合材料具有高的耐磨性和强度，可保持长期稳定性。

https://orcid.org/0009-0007-3800-4532 (金慧)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 钛酸钡">, 氧化锆">, 陶瓷">, 口腔医学">, 耐磨性能">, 微观形貌">, 工程化口腔材料

Abstract: BACKGROUND: 3% (molar percentage) yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramics are prone to excessive wear of opposing teeth in practical applications, thereby increasing the risk of dentin exposure, causing toothache, pulp infection and other problems. Therefore, further improving the friction and wear properties of 3% yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystalline ceramics has become one of the hot topics in the current research of oral medical restorative materials.
OBJECTIVE: To explore the effect of barium titanate doping ratio on the microstructure, mechanical properties and friction and wear properties of 3% yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramics.
METHODS: With 3% yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramics as the main body, 3% yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramic materials doped with barium titanate were prepared by high-temperature sintering method, in which the barium titanate doping amounts were 0%, 2%, 4%, and 6% of the ceramic powder mass, respectively. The lattice structure, mechanical properties, micromorphology and wear resistance of the four groups of materials were tested.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) X-ray diffraction results showed that with the increase of barium titanate doping, the proportion of monoclinic zirconia and barium titanate in the composite ceramics continued to increase, while the proportion of tetragonal zirconia continued to decrease. (2) Scanning electron microscopy results showed that there were a large number of pores on the surface of pure 3% yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramics, and the surface density was low; the number of pores on the surface of 4% and 6% barium titanate doped ceramics decreased and the surface density increased. (3) With the increase of barium titanate doping, the density of ceramics continued to decrease, and the pores first decreased and then increased. Among them, the density of 6% barium titanate doped ceramics was the lowest, and the porosity of 4% barium titanate doped ceramics was the lowest. With the increase of barium titanate doping, the Vickers hardness and fracture toughness of ceramics continued to decrease, and the elastic modulus first increased and then decreased. Among them, the elastic modulus of 4% barium titanate doped ceramics was the largest. (4) The scratch test was carried out using a diamond with a diameter of 10 µm. The results showed that with the increase of the amount of barium titanate doped, the friction coefficient and scratch depth of the ceramics first decreased and then increased. Among them, the friction coefficient and scratch depth of 4% barium titanate doped ceramics were the lowest. The results of scanning electron microscopy showed that the four groups of ceramic samples had different degrees of breakage on both sides of the scratch. Among them, the scratch edge of the pure yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramic was the most serious, and the scratch edge of the 4% barium titanate-doped ceramic was the lightest. (5) The results show that the 4% barium titanate-doped yttria-stabilized tetragonal zirconia ceramic composite material has high wear resistance and strength, and can maintain long-term stability.

Key words: barium titanate">, zirconium oxide">, ceramics, oral medicine">, wear resistance">, micromorphology">, engineered oral material

中图分类号:

金慧, 陈晖. 口腔医学用氧化锆陶瓷复合材料的制备及力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(14): 3548-3556.

Jin Hui, Chen Hui. Preparation and mechanical properties of zirconia ceramic composites for stomatology[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(14): 3548-3556.

图/表（结果） 11

2.1 各组陶瓷的X射线衍射分析结果图1为各组陶瓷的X射线衍射分析，表1为各组陶瓷表面对应的物相定量分析结果。从图中可以看出，钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷主要由钛酸钡、四方相氧化锆、单斜相氧化锆3种物相组成，其中钛酸钡的衍射峰出现在22.6°，30.8°，39.2°，45.2°，56.8°，66.1°；四方相氧化锆的特征峰出现在30.3°，35.2°，43.9°，50.4°，60.3°，63.2°，75.2°；单斜相氧化锆的特征峰出现在29.3°，50.9°。从表1可以看出，随着钛酸钡掺杂量的增多，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷中单斜相氧化锆和钛酸钡的物相占比不断增大，四方相氧化锆的占比不断减小。

2.2 各组陶瓷的微观形貌观察结果图2为各组陶瓷表面的扫描电镜图像。从图中可以看出，0%BT-TZP陶瓷表面存在大量气孔，局部有晶粒拔出的现象，陶瓷表面的致密度较低，晶粒尺寸为0.31 μm；随着钛酸钡掺杂量的增大，陶瓷的晶粒尺寸无明显变化，其中4%BT-TZP陶瓷的晶粒尺寸为0.25 μm，晶粒尺寸相比其他试样更为均匀，气孔数量显著减少，陶瓷的致密度得到提高，晶粒分布相对均匀；6%BT-TZP陶瓷表面的气孔较4%BT-TZP陶瓷有轻微增多，在试样上方出现了少量尺寸偏大的开气孔，陶瓷表面的致密度降低。
图3为各组陶瓷断面的扫描电镜图像。由图可以看出所有陶瓷的断裂方式为穿晶断裂和沿晶断裂，0%BT-TZP陶瓷断面有大量的晶粒团聚，有明显的晶粒拔出和晶粒熔融现象，晶界轮廓不够清晰；随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷断面的晶粒尺寸逐渐变小且更加均匀。

2.3 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的能谱分析图4为4%BT-TZP复合陶瓷的能谱Mapping图谱。从图中可以看出，Zr元素作为氧化锆陶瓷的主要成分，其分布广泛且均匀，信号呈现出连续且均匀的亮色区域，与其他元素的边界不是非常明显，而是与其他元素(O、Y)共同形成连续的基质；深色区域的Ba和Ti在体系中分布均匀，比例接近于1∶1。

2.4 各组合陶瓷的力学性能测试结果图5为各组陶瓷的密度和孔隙率测试结果。随着钛酸钡掺杂量的增加，陶瓷的密度持续降低，孔隙率先降低后升高，其中0%BT-TZP陶瓷的密度和孔隙率最大，分别为5.87 g/cm3、0.54%；6%BT-TZP陶瓷的密度最低
(5.5 g/cm3)，4%BT-TZP陶瓷的孔隙率最低(0.24%)。

2.5 各组陶瓷的硬度测试结果图6为各组陶瓷的维氏硬度测试结果。随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的维氏硬度持续降低，其中0%BT-TZP陶瓷的维氏硬度为1 283.41 HV，6%BT-TZP陶瓷的维氏硬度为1 203.18 HV，较0%BT-TZP陶瓷的维氏硬度下降6.25%。

2.6 各组陶瓷韧性测试结果图7为各组陶瓷的弹性模量和断裂韧性测试结果。弹性模量是表征陶瓷刚度的指标。随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的弹性模量先升高后降低，断裂韧性持续降低，其中0%BT-TZP陶瓷的弹性模量最低(255.18 GPa)、断裂韧性最大(7.92 MPa/m2)，4%BT-TZP陶瓷的弹性模量最大(282.11 GPa)，对应的断裂韧性为6.58 MPa/m2。

2.7 各组陶瓷的磨损性能测试结果图8为各组陶瓷在2 N载荷力条件下的摩擦系数曲线。从图中可以看出，0%BT-TZP陶瓷的摩擦系数曲线波动最大，随着钛酸钡的掺杂，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的摩擦系数曲线波动性趋于平稳，其中4%BT-TZP陶瓷的曲线波动最小。
图9为各组陶瓷在2 N载荷力条件下的摩擦系数μ及划痕深度。随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的摩擦系数和划痕深度均呈先降低后升高的趋势，其中0%BT-TZP陶瓷的摩擦系数和划痕深度最大，分别为0.324、2 105.3 nm，4%BT-TZP陶瓷的摩擦系数和划痕深度最低，分别为0.216、1 302.7 nm，相比0%BT-TZP陶瓷分别降低了33.33%，38.12%。
图10为扫描电镜下各组陶瓷的划痕形貌。从图中可以看出，划痕区域呈现出明显的断裂痕迹和裂纹扩展路径，显示出脆性断裂的特征，这些裂纹沿晶界扩展形成清晰的裂纹网络，划痕两侧伴随有材料剥落和微粒磨损的痕迹，表明在划痕过程中发生了材料的去除和表面损伤。各组陶瓷试样划痕两侧出现了不同程度的破碎，其中0%BT-TZP陶瓷的划痕边缘破碎最为严重，出现了大量的小颗粒和碎屑脱落，划痕路径上存在少量凸起和碎渣；掺杂钛酸钡后陶瓷在划痕区域显示出较少的裂纹和更短的裂纹扩展路径，其中4%BT-TZP陶瓷的微粒磨损和脱落现象最轻、裂纹扩展路径最短，抗破碎性能和耐磨性最优。

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引言

随着现代口腔医学医学和材料科学的快速发展，口腔医学修复材料的研究与应用日益受到重视[1-4]。口腔医学修复材料不仅需要具备良好的生物相容性，以确保其在口腔环境中的长期稳定使用，还需具备优异的力学性能和理化稳定性，以满足复杂多变的临床需求[5-6]。氧化锆(ZrO2)陶瓷因出色的机械性能、化学稳定性和生物相容性已成为口腔医学修复领域的重要材料之一[7-11]。为进一步提高氧化锆陶瓷的稳定性和力学性能，学者们通过引入增强相、表面处理、改变颗粒级配及优化工艺等多种途径来实现目的[11]。樊云光等[12]研究了颗粒级配对氧化锆陶瓷机械性能和韧性的影响，发现颗粒级配的引入能够产生钉扎作用，抑制位错的滑移和晶粒的异常长大，亚微米和纳米氧化锆陶瓷颗粒比例为95∶5时陶瓷的相对密度高达99.1%。刘超等[13]通过纳秒激光对氧化锆陶瓷表面进行诱导处理，以硅油异丙醇混合溶液对陶瓷表面进行疏水改性，改性后陶瓷的表面接触角高达153.8°，超疏水性的陶瓷在空气中具有优异的稳定性和耐久性，在医疗领域具有广阔的应用前景。在氧化锆陶瓷中特别是3%(摩尔百分比)氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷，因高强度、高韧性和良好的美观性在口腔医学修复领域得到广泛应用[14-23]。然而，尽管氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷具有诸多优点，但在实际应用中仍存在一些不足，如易导致对颌牙的过度磨耗，从而增加牙本质暴露的风险，进而可能引发牙齿酸痛、牙髓感染等问题[24-27]。因此，如何进一步提升氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的摩擦磨损性能成为当前口腔医学修复材料研究的热点之一。
钛酸钡(BaTiO3)为一种经典的介电陶瓷材料，因良好的生物相容性和较低的成本近年来在医学领域引起了广泛关注[28-36]。虽然钛酸钡单独使用时断裂韧性相对较低，无法完全满足口腔医学修复的需求，但它与氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷复合后可以形成具有微孔结构的材料，有望改善材料的生物学性能和摩擦磨损性能。因此，将钛酸钡作为第二相掺杂到氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷中成为提升口腔医学修复材料性能的一种新思路。
此次研究旨在制备基于口腔医学用氧化锆陶瓷复合材料，以氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷为主体，通过掺杂钛酸钡进行改性，探究钛酸钡掺杂比例对陶瓷材料微观结构、力学性能及摩擦磨损性能的影响，以期为口腔医学修复材料的创新与发展提供实验参考和理论依据，旨在加快口腔器械与材料的国产化进程，降低口腔医学材料成本，提高人们口腔健康水平。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计材料制备工艺设计。
1.2 时间及地点实验于2023年3月在辽源职业技术学院完成。
1.3 材料
原料：钛酸钡(工业级，平均径粒尺寸为1 μm，密度为6.015 g/cm3，南通众合化工新材料有限公司)，3%氧化钇稳定四方氧化锆(99.9%，比表面积22.6 m2/g，浙江智钛纳微新材料有限公司)，无水乙醇(工业级，国药集团化学试剂有限公司)，去离子水(实验室自制)。
设备：X射线衍射仪(D8 Advance，德国布鲁克AXS公司)，冷场扫描电子显微镜(S-4800，日本日立公司)，微机控制电子万能试验机(WDW-20，济南时代试金试验机有限公司)，伺服液压机(YST-16T，常州市金坛精锐机械科技有限公司)，马弗炉(MF-2200，鹤壁市创新仪器仪表有限公司)，真空干燥箱(DZF-6090，安徽宁怀仪器有限公司)，数显维氏硬度计(MHR-150AT，苏州恒商工业设备有限公司)，元素分析仪(EDS7700T，深圳市力达信仪器有限公司)，纳米压痕测试仪(NHT3，瑞士CSM公司)，Buzz-0-sonic弹性模量测试仪(上海埃飞电子科技有限公司)。
1.4 方法
1.4.1 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的制备采用高温烧结法制备不同钛酸钡掺杂量的氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷，其中钛酸钡掺杂量为氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷粉体质量的0%，2%，4%，6%。按照上述掺杂比例称取钛酸钡粉体和氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷粉体并放入球磨机混合均匀，以去离子水和无水乙醇(二者质量比为1∶1)作为球磨介质，所用磨球为氧化锆材料，在球磨机上均匀球磨12 h获得陶瓷浆料。将陶瓷浆料置于干燥箱中120 ℃下干燥处理12 h。干燥完成后用100目的筛网过筛，在室温条件下以液压机进行压制成胚，压力设定为 80 MPa，压制时间为10 min。压制完成后在马弗炉中进行高温烧结，烧结工艺为：室温条件下以4 ℃/min的升温速率升温至500 ℃，保温处理1 h，随后以3 ℃/min的升温速率升温至800 ℃，保温处理4 h，再以1 ℃/min的升温速率升温至1 400 ℃，保温处理4 h，随炉自然冷却至室温，即得不同钛酸钡掺杂量的氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷，分别记作0%BT-TZP、2%BT-TZP、4%BT-TZP、6%BT-TZP。
1.4.2 陶瓷的性能测试利用X射线衍射仪测试4组陶瓷的物相结构，扫描范围为15°-80°，扫描速率2 (°)/min。利用扫描电子显微镜测试4组陶瓷表面、断面的微观形貌。利用元素分析仪测试4% BT-TZP陶瓷的元素分布。根据阿基米德排水法计算4组陶瓷的密度和开孔率[37-38]。利用数显维氏硬度计测试4组陶瓷的维氏硬度，硬度计的压头直径为100 µm。
断裂韧性测试：采用单边切口梁法测试4组陶瓷的断裂韧性[39]，试样尺寸为4.5 mm×9 mm×50 mm，采用线切割在陶瓷长度方向中间位置一侧加工切口，切口宽度为200 μm，深度分别为0.50，0.75，1.00，2.00 mm，置于力学试验机上进行三点弯压缩实验，跨距分别为16，32 mm，加载速率为0.5 mm/min。
弹性模量测试：参照GB/T 5594.2《电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法》，采用脉冲激振技术测试复合陶瓷的杨弹性模量，设备为Buzz-0-sonic弹性模量测试仪，使用切割机将陶瓷样品加工成3 mm×4 mm×5 mm的柱状，然后将样品固定在测试仪台上，使用弹性杆敲击样品一端，通过接收器得到样品的连续脉冲波，在电脑端根据样品的长、宽、高和仪器读数计算弹性模量。
磨损性能测试：牙齿在咀嚼过程中包含了多次往复摩擦，氧化锆复合陶瓷在口腔医学应用中重点需要评估磨损性能。使用纳米压痕测试仪测试陶瓷的磨损性能，试样尺寸为10 mm×10 mm×0.5 mm，选择直径为10 nm的金刚石压头在陶瓷表面施加垂直载荷(法向力)，压头移动速度为1 μm/s，加载和卸载时间为15 s，保载5 s，法向力从0 mN逐渐增加到100 mN，加载速率为1 mN/s。计算摩擦系数μ，μ=Ft /Fn，式中：Ft 为切向力(N)，Fn 为法向力(N)。利用扫描电子显微镜测试陶瓷磨损后的微观形貌。
1.5 主要观察指标各组陶瓷的物相结构、微观形貌、能谱分析、力学性能及磨损性能。

讨论

3.1 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的X射线衍射分析此次研究结果显示，钛酸钡掺杂后引入了晶格畸变，导致氧化锆晶面间距增大，引起的畸变会改变氧化锆晶格中的离子排列和键长，从而影响其相稳定性，导致四方相氧化锆更容易向单斜相氧化锆的转变；此外，钛酸钡掺杂后会在氧化锆晶格中不均匀分布。进而产生了局部应力，这些应力会促进相变的发生，并且随着钛酸钡掺杂量的增加，应力作用效果增强。
3.2 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的微观形貌分析扫描电镜观察结果显示，未掺杂钛酸钡的氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷表面存在大量气孔，局部有晶粒拔出的现象，陶瓷表面的致密度较低；随着钛酸钡掺杂量的增大，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的晶粒尺寸无明显变化，其中4%BT-TZP组晶粒尺寸相比其他试样更为均匀，气孔数量显著减少，陶瓷的致密度提高，晶粒分布相对均匀；当钛酸钡掺杂量增大至6%时，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷表面气孔有轻微增多，在试样上方出现了少量尺寸偏大的开气孔，陶瓷表面的致密度降低。
陶瓷横断面扫描电镜观察结果显示，未掺杂钛酸钡氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的横断面有大量的晶粒团聚，有明显的晶粒拔出和晶粒熔融的现象，晶界轮廓不够清晰；随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷横断面的晶粒尺寸逐渐变小且更加均匀，这是由于钛酸钡在烧结过程中起到了抑制晶粒长大的作用，钛酸钡掺杂到陶瓷中后能够形成固溶体以及界面相，这些相的形成增加了晶界能，从而抑制了晶粒的粗化。掺杂钛酸钡氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的断面存在大量小尺寸的气孔，同时还存在少量大尺寸的晶粒，这是因为大量钛酸钡的存在会在该处形成过量的成核点，使得更多的晶核在烧结初期快速形成，加速了该处晶粒的异常长大，从而在烧结过程中产生了气孔，加剧了晶粒熔融堆积现象，使晶界变得更为模糊。
3.3 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的能谱分析 Zr元素作为氧化锆陶瓷的主要成分，其分布广泛且均匀，信号呈现出连续且均匀的亮色区域，与其他元素的边界不是非常明显，而是与其他元素(O、Y)共同形成连续的基质。Ba和Ti在体系中分布均匀，比例接近于1∶1，说明了前期在混料研磨过程中原料搅拌较为均匀。复合陶瓷的孔隙主要是由钛酸钡组成，结合X射线衍射分析结果可知深色区域为钛酸钡，说明了钛酸钡这种第二相能够稳定分布在氧化钇稳定的四方氧化锆陶瓷基体中。Zr、Y、O三种元素的界面清晰，分布均匀。
3.4 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的力学性能分析随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的密度持续降低，孔隙率先降低后增大，6%钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的密度最低(5.5 g/cm3)，4%钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的孔隙率最低(0.24%)。在烧结初期，钛酸钡的掺杂能够促进液相的形成，液相的存在有利于陶瓷晶粒的生长和致密化，液相形成后可以填充晶粒间的孔隙，减少气孔率，从而提高陶瓷的密度，同时降低了陶瓷的孔隙率；此外，液相中的溶质扩散速率较高，可以促进物质的传输和重排，进一步促进晶粒的长大和致密化，故陶瓷的密度和孔隙率随着钛酸钡掺杂量的增大而降低。晶粒的长大可通过液相烧结过程中的物质传输和重排来实现，钛酸钡掺杂能促进氧化锆晶粒的生长，晶界作为气孔形成和聚集的常见位置，晶粒的长大有助于减少晶界和气孔的数量，故孔隙率下降。当钛酸钡掺杂量超过4%时，过量钛酸钡会增大液相的黏度，阻碍烧结过程中的物质传输和晶粒重排，导致陶瓷体难以达到完全致密的状态。过量钛酸钡团聚在晶界处会生成气孔和缺陷，导致烧结过程中反应不完全，气孔和缺陷的增多会直接导致氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷孔隙率的增大。
3.5 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的硬度分析随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的维氏硬度持续降低。钛酸钡掺杂加速了四方相氧化锆向单斜相氧化锆的转变，四方相氧化锆的晶体结构属于正方晶系，具有高度的对称性且各轴相互垂直，形成了一种紧密的排列方式，这种紧密的晶体结构使得四方相氧化锆在受到外力作用时能够更好地抵抗形变和破坏，从而表现出较高的硬度。单斜相氧化锆的晶体结构属于单斜晶系，这种结构相对于四方相氧化锆来说更为松散且对称性较低，在受到外力作用时更容易发生形变和破坏，因此硬度相对较低[40]。随着钛酸钡掺杂量的增加，四方相氧化锆向单斜相氧化锆的转变速率加快，故氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的硬度出现降低。虽然钛酸钡的掺杂能够提高氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的致密度，但陶瓷的硬度影响因素中相变是主导因素之一，尽管孔隙率降低和致密度增高会在一定程度上提高材料的硬度，但相变导致的硬度损失更为显著，因此氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的整体硬度仍然呈下降趋势。
3.6 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的韧性分析随着钛酸钡掺杂量的增加，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的弹性模量先升高后降低，断裂韧性持续降低。在初始阶段，钛酸钡掺杂量低于4%时有助于细化晶粒，提高氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的致密性，减小陶瓷的气孔和缺陷，进而提升弹性模量。随着钛酸钡掺杂量的进一步增加，晶粒可能开始粗化，导致氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷内部缺陷增多，当钛酸钡掺量超过4%后过量钛酸钡会附着在界面区域，在界面区域产生裂纹及大尺寸的气孔等缺陷，导致界面结合力减弱，从而降低氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的弹性模量。钛酸钡掺杂量的增大还会导致氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的晶粒尺寸均匀性变差，局部晶粒会逐渐粗化，粗大的晶粒以及大尺寸气孔的出现更容易成为裂纹扩展的通道，从而降低材料的断裂韧性。
3.7 钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的磨损性能分析口腔医学用氧化锆陶瓷中不可避免的存在大量的咀嚼动作，该动作包含了多次重复的摩擦行为，因此，复合陶瓷的磨损性能是口腔医学材料关注的重点指标之一[41]。随着钛酸钡的掺杂，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的摩擦系数曲线波动性趋于平稳，其中4%钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的曲线波动最小。孔隙率的变化会直接影响材料的表面粗糙度和接触面积，钛酸钡掺杂后降低了氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的孔隙率，钛酸钡掺杂4%氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的孔隙最低(0.24%)，孔隙率降低使得陶瓷表面变得更加致密和平整，从而减少了因局部凸起或凹陷引起的应力集中和磨损，使得摩擦过程更加平稳。钛酸钡掺杂还增大了氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的弹性模量，材料的刚度提高，刚度提高意味着材料在受到摩擦力作用时更不容易发生形变，从而减少了因形变引起的能量损失和摩擦阻力的变化，使得摩擦系数曲线更加平稳。
氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷表面的摩擦系数和划痕深度均随钛酸钡掺杂量的增大表现出先降低后升高的趋势，钛酸钡掺杂后减少了氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷中大尺寸的空隙和缺陷，提高了陶瓷的致密度，从而减少了摩擦过程中的能量损失和划痕深度。适量钛酸钡的掺杂还能提高氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的刚度，使其在摩擦和划痕过程中具有更好的抵抗能力，钛酸钡的掺杂能够促进摩擦过程中自润滑膜的形成，降低陶瓷表面的摩擦系数和划痕深度。实验结果显示，当钛酸钡掺杂量超过4%后，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷表面的摩擦系数和划痕深度出现了轻微升高，这与陶瓷孔隙率的增大及弹性模量的降低有密切关系，钛酸钡掺杂量过多时陶瓷的孔隙率增大，大尺寸的孔隙及缺陷增多会导致材料的致密度下降、表面粗糙度增加，表面粗糙度的增加会增大摩擦副之间的实际接触面积中的凸起和凹陷部分，从而增加摩擦阻力和划痕深度。弹性模量的降低意味着陶瓷刚度的下降，刚度较低的陶瓷在受到外力作用时容易发生形变，从而增加摩擦阻力和划痕深度；此外，刚度下降还会影响材料的抗疲劳性能和抗裂纹扩展能力，进一步加剧摩擦磨损。实验结果显示，钛酸钡掺杂量的增加会降低氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的断裂韧性，但钛酸钡掺量在4%时仍能保持较高的断裂韧性(6.58 MPa/m2)，
并且该掺杂比例下氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷具有最低的孔隙率和最高的致密度，能够满足口腔医学临床应用需求，并且低摩擦系数和低的摩擦系数波动的保持有助于减少摩擦过程中的材料破损和脱落，减少了氧化锆陶瓷修复体与周围牙齿、牙龈等组织的摩擦磨损，有助于保护口腔组织的健康。钛酸钡的加入有助于抑制裂纹的萌生和扩展，提高了氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的致密度和耐磨性能，划痕两侧的材料剥落和微粒磨损现象得到减轻，掺杂后的陶瓷具有更好的耐磨性和抗损伤能力。结果说明4%钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的微粒磨损和脱落现象最轻、裂纹扩展路径最短，抗破碎性能和耐磨性最优。
3.8 结论 ①钛酸钡的掺杂加速了四方相氧化锆高向单斜相氧化锆的转变，提高了氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的致密度，大尺寸的气孔数量减少，在烧结过程中钛酸钡抑制了陶瓷晶粒的长大，当钛酸钡掺杂4%时，复合陶瓷的孔隙率达到最低值0.24%，致密度最高。②钛酸钡掺杂量的增加使单斜相氧化锆组成增多，氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的维氏硬度表现出降低趋势，4%钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的弹性模量最大(282.11 GPa)，断裂韧性为6.58 MPa/m2，在2 N载荷力条件的摩擦系数和划痕深度达到最低值(分别为0.216、1 302.7 nm)，摩擦系数曲线最为平稳，该掺杂比例的氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷具有高的耐磨性和强度，能够满足口腔医学全瓷修复体在日常使用中的需求，可保持长期稳定性。然而，此次研究仅进行了钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷制备及力学性能分析，无法得知其应用于临床的安全性及可行性，在后续研究中将进一步进行生物相容性实验及机制分析，为钛酸钡掺杂氧化钇稳定四方氧化锆陶瓷的临床应用提供研究基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

口腔医学用氧化锆陶瓷复合材料的制备及力学性能

Preparation and mechanical properties of zirconia ceramic composites for stomatology

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