Zahnärztliche Materialkunde

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1 Zahnärztliche Materialkunde C Jens Fischer Bogna Stawarczyk Institut für Werkstoffwissenschaft und Technologie, Universitätskliniken für Zahnmedizin Universität Basel

2 Inhaltsverzeichnis Teil A. Allgemeine Materialkunde 1 Werkstofftypen 1.1 Metallische Werkstoffe Kristallographie der Metalle Legierungen Vollständige Mischbarkeit Mischungslücke Eutektikum Peritektikum Ordnungsphasen Intermetallische Phasen Mechanische Eigenschaften Elastisches und plastisches Verhalten Härte metallischer Werkstoffe Aushärtung 1.2 Keramische Werkstoffe Chemische Zusammensetzung silikatische Gläser Glaskeramiken Oxidische Keramiken Mechanische Eigenschaften Gefüge Optische Eigenschaften Farbe Lichtbrechung und Reflexion Transluzenz Opaleszenz Lumineszenz Optischer Gesamteindruck 1.3 Kunststoffe Strukturen der Monomere Klassifizierung der Polymere Plastomere (Thermoplaste) Duromere Elastomere Aufbau dentaler Kunststoffe Polymerisation Radikalische Polymerisation Polymerisationsgrad Polykondensation Polyaddition Initiatoren Füllstoffe Additive Eigenschaften der Kunststoffe 1

3 Teil B. Spezielle Materialkunde 2 Abformmaterialien 2.1 Werkstoffgruppen Irreversibel starre Abformmassen Gipse Zinkoxid-Eugenol-Pasten Reversibel-starre Abformmassen Kompositionsmassen Reversibel-elastische Abformmassen Agar-Agar Irreversibel-elastische Abformmassen Alginat Elastomere Abformmassen Polysulfide Silikone Polyether 2.2 Eigenschaften der Abformmassen Lagerfähigkeit Konsistenz Abbindezeit Festigkeit und Elastizität Dimensionstreue und Detailwidergabe Benetzungsverhalten Abformtechniken Einphasenabformung Doppelmischabformung Korrekturabformung 3 Materialien für Provisorien 3.1 Einteilung der Provisorien 3.2 Befestigung von Provisorien 4 Modellwerkstoffe 4.1 Gipse Einteilung der Gipse 4.2 Kunststoffe 5 Modellierwerkstoffe 6 Restaurationswerkstoffe und Verarbeitungstechnologien 6.1 Metalle und Legierungen Edelmetall-Legierungen Nicht-aufbrennfähige Legierungen Aufbrennfähige Legierungen Edelmetall-freie Legierungen NiCr-Legierungen CoCr-Legierungen Verarbeitungstechnologien Gießen CAD/CAM-Verfahren Laser-Sintern Fügetechniken 6.2 Metall-Keramik Verblendkeramiken Verbund Metall-Keramik Verbundmechanismen Thermische Kompatibilität zwischen Legierung und Keramik Festigkeit des metall-keramischen Verbundes 6.3 Vollkeramische Systeme Presskeramik Zirkonumdioxid 2

4 7 Befestigungsmaterialien 7.1 Zemente auf Säure-Basis Zinkphosphatzement Carboxylatzement Glasionomerzement 7.2 Zemente auf Säure- und Kunststoffbasis Kunststoffmodifizierte Glasionomerzemente Compomerzemente 7.3 Zemente auf Kunststoff-Basis Klassifikation der Composites Konventionelle makrogefüllte Composites Mikrogefüllte Composites Hybridcomposites Zusammensetzung der Composites Matrix organische Komponente Füller anorganische Komponente Silane Polymerisation Haftmechanismen der Compositezemente Haftung an der Zahnhartsubstanz 8 Implantatwerkstoffe 8.1 Anforderungen an Implantat-Werkstoffe Mechanische Eigenschaften Gewebeverträglichkeit 8.2 Werkstoffe für dentale Implantate Reintitan Mechanische Eigenschaften Titanlegierungen Biokompatibilität Osseointegration Weichgewebeabschluss Suprastrukturen für Implantate Zirkoniumdioxid 9 Werkstoffe für herausnehmbaren Zahnersatz 3

5 Teil C. Biokompatibilität 10 Korrosion metallischer Werkstoffe 10.1 Elektrochemische Korrosion 10.2 Statischer Immersionstest 11 Biologische Reaktionen 11.1 Toxizität 11.2 Allergenität 12 Biologische Prüfung dentaler Werkstoffe 12.1 Zytotoxizitätstest 12.2 Sensiblisierungstest 13 Orale Manifestation von Materialunverträglichkeiten 14 Ansätze zur Risikominimierung 14.1 Geeignete Auswahl der Materialien 14.2 Qualitätssicherung 4

6 Teil A Allgemeine Materialkunde Abb. 1.1 Bohrsches Atommodell 1 Werkstofftypen Atome sind die kleinsten charakteristischen Baueinheiten der Materie. Sie sind gekennzeichnet durch ihren typischen Aufbau aus Kern und Elektronen. Der Kern besteht aus einer für jedes Element spezifischen Anzahl an Protonen, sowie Neutronen. Die Elektronenzahl entspricht im neutralen Zustand der Anzahl an Protonen im Kern. Die Elektronen umkreisen den Kern auf definierten Bahnen wie im Sonnensystem die Planeten die Sonne (Bohrsches Atommodell, Abb. 1.1). Diese Bahnen werden auch Elektronenschalen genannt. Jede Schale kann eine definierte Anzahl an Elektronen aufnehmen. Bei den Edelgasen sind die äussersten Schalen jeweils vollständig mit Elektronen aufgefüllt. Atome mit unvollständig gefüllten Schalen sind bestrebt, mit anderen Atomen Bindungen einzugehen, um mit deren Elektronen die Schalen aufzufüllen oder durch Abgabe von Elektronen an den Reaktionspartner die äußerste unvollständig gefüllte Schale vollständig zu leeren. Drei Bindungsarten können unterschieden werden: Ionenbindung, metallische Bindung und kovalente Bindung. Die Bindungsart bestimmt maßgeblich die Eigenschaften der Werkstoffe. Die Ionenbindung tritt beispielsweise bei Salzen auf: Natrium gibt sein einzelnes, auf der äußersten Schale befindliches Elektron an Chlor ab, leert damit die äußerste Schale, so dass die nächste Schale, die vollständig mit Elektronen besetzt ist, nun mit der Edelgaskonfiguration des Neons als äußere Schale fungiert. Wegen des fehlenden Elektrons ist das Na-Ion positiv geladen. Dem Chlor-Atom fehlt auf der äußersten Schale ein Elektron, das es nun mit dem Elektron vom Natrium ergänzen kann. Damit hat auch Chlor eine Edelgaskonfiguration, und zwar entsprechend dem Argon, in diesem Fall mit einer einfach negativen Gesamtladung. Der Zusammenhalt der Ionen in einem Festkörper, zum Beispiel im Kochsalz (NaCl), erfolgt über die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen positiv und negativ geladenen Ionen. Die Bindungen sind gerichtet und der Bindungsabstand ist definiert. Die metallische Bindung kommt ebenfalls über elektrostatische Wechselwirkungen zustande. Anhand des Bohrschen Atommodells lässt sich verstehen, dass die Atome ihre äußeren, negativ geladenen Elektronen nur noch schwach gebunden haben, da diese weit entfernt sind vom positiv geladenen Kern. Im Verband eines metallischen Festkörpers können die Elektronen zwischen den verbleibenden Atomrümpfen wandern und bilden so einen negativ geladenen Kitt zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen, der den Zusammenhalt gewährleistet. Die kovalente Bindung entsteht ebenfalls aufgrund des Bestrebens nach vollständig gefüllter äußerer Elektronenschale. Kovalente Bindungen sind wie Ionenbindungen gerichtet und haben einen definierten Bindungsabstand und Bindungswinkel. Die Elektronen auf den äußeren Bahnen gehören den Bindungspartnern gemeinsam, wodurch die Schalen die Edelgaskonfiguration erreichen. Die Van der Waals-Kräfte sind eine weitere Bindungsart, die zwischen Atomen bzw. Molekülen auftreten kann. Sie entstehen durch die Bildung kurzlebiger Dipole infolge von Ladungsverschiebungen an Atomen oder Molekülen (unsymmetrische Ladungsverteilung). Nähern sich Atome und erfolgt in beiden Atomen die Ladungsverschiebung synchron, dann wirken ab einem bestimmten Abstand Anziehungskräfte zwischen dem positiv polarisierten Bereich des einen Atoms und dem negativ polarisierten Bereich des anderen Atoms, die nach ihrem Entdecker benannt werden. Besitzt zur Zeit der Annäherung nur ein Atom eine Ladungsverschiebung (Dipol), so kann es bei dem anderen Atom eine Ladungsverschiebung induzieren, so dass wiederum Anziehungskräfte wirksam werden. Die Möglichkeit zur Polarisierung nimmt mit steigender Oberfläche des Atoms zu und ist umso größer, je weiter die äußeren Elektronen 5

7 vom Kern entfernt sind. Aus diesem Grund nehmen die Van der Waals-Kräfte mit steigender Atom- bzw. Molekülmasse zu. Generell sind die Van der Waals-Kräfte schwach und reichen für einen guten Zusammenhalt im Material nicht aus. Eine der Abb. 1.2 Periodensystem der Elemente. Die fettgedruckte Linie trennt die Metalle (links) und die Nichtmetalle (rechts). drei vorgenannten Bindungsarten muss in jedem Fall in einem Festkörper vorliegen. Die Van der Waals-Kräfte können aber an Grenzflächen in Verbundsystemen eine Rolle spielen. Zu den schwachen Bindungskräften gehören auch die Wasserstoffbrückenbindungen. Hierbei handelt es sich um Dipol- Wechselwirkungen zwischen endständigen Protonen und Elektronenpaaren, wie sie beispielsweise beim Sauerstoff vorliegen. Bindungstypen Ionenbindung: elektrostatische Anziehungskräfte zwischen Ionen. Metallische Bindung: Atomrümpfe mit Elektronenwolke. Kovalente Bindung: gerichtete Bindung, Bindungslänge und Bindungswinkel definiert Van der Waals-Kräfte: Dipol-Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen Wasserstoffbrückenbindungen: Dipol-Wechselwirkungen zwischen H + -Ionen und Elektronenpaaren wie z.b. bei O 6

8 1.1 Metallische Werkstoffe In der Zahnmedizin werden metallische Werkstoffe als Füllung (Amalgam), als Kronen und Brückengerüste, als Wurzelstifte, als stabilisierende Gerüste für Teilprothesen, als Implantate und in der Kieferorthopädie in Form von Bändern und Drähten für die Zahnbewegung eingesetzt. Die Vielzahl der Indikationen für den Einsatz von metallischen Werkstoffen bedingt auch eine Vielzahl verschiedener metallischer Materialien für die jeweiligen Zwecke. Abb. 1.3 Elementarzellen der häufigsten Kristallstrukturen links: kubisch raumzentriert, Mitte: kubisch flächenzentriert, rechts: hexagonal Kristallographie der Metalle Die überwiegende Anzahl der chemischen Elemente gehört zu den Metallen (Abb. 1.2). Diese Gruppe zeichnet sich durch einige gemeinsame Eigenschaften aus, die im Folgenden kurz beschrieben werden. Im festen Zustand liegen die Metalle in kristalliner Form vor, das heißt die Atome als kleinste charakteristische Bausteine sitzen in regelmäßiger, periodischer Anordnung in so genannten Kristallgittern, die aufgrund der Periodizität eine kleinste, stets wiederkehrende Baueinheit, die Elementarzelle, enthalten (Abb. 1.3). Bei den Metallen finden sich vor allem drei typische Kristallstrukturen: das kubisch flächenzentrierte, das kubisch raumzentrierte und das hexagonale Gitter. Im Kristallverband haben die äußeren Elektronen aufgrund der Charakteristika der metallischen Bindung eine relativ große Beweglichkeit und lassen sich nicht mehr einem bestimmten Atom zuordnen. Sie können sich als so genannte Elektronenwolke im Kristallgitter bewegen und sorgen durch diese Bewegung für Ladungsverschiebungen, die letztlich durch die daraus resultierenden elektromagnetischen Kräfte den Zusammenhalt der Metallatome sichern. Der kristalline Aufbau und die Elektronenwolke sind für die typischen Eigenschaften der Metalle verantwortlich: Korngrenzen Abb. 1.4 Schematische Darstellung des Kristallisationsvorganges eines Metalls. Licht bestimmte Wellenlängen fehlen und es deshalb nicht mehr weiß sondern farbig erscheint. Elektrische Leitfähigkeit Durch ihre freie Beweglichkeit werden die Elektronen zu idealen Transporteinheiten für negative elektrische Ladungen und durch ein Potentialgefälle können die Elektronen in eine bestimmte Richtung gezwungen werden, wodurch ein Ladungstransport und damit ein Stromfluss entsteht. Wärmeleitfähigkeit Die Elektronen können im Kristallgitter relativ leicht Schwingungen ausführen und deshalb die Wärme gut weiterleiten, indem sie benachbarte Regionen zu Schwingungen anregen. Metallglanz Die Elektronen streuen und reflektieren einfallendes Licht, so dass es nicht in das Metall eindringen kann und dieses deshalb undurchsichtig glänzend erscheint. Elastizität Metalle können unter Krafteinwirkung eine reversible Formänderung erfahren (Federwirkung). Farbe Die Wellenlängen des einfallenden Lichtes können von den Elektronen unterschiedlich absorbiert werden, wodurch dem reflektierten Plastische Verformbarkeit Metalle lassen sich leicht irreversibel verformen, ohne dass das Material bricht. 7

9 Temperatur Volumen T s Zeit Temperatur T s Abb. 1.5a Temperatur-Zeit-Kurve des Kristallisationsprozesses eines Metalls. T s = Schmelztemperatur Abb. 1.5b Volumen-Temperatur-Kurve des Kristallisationsprozesses eines Metalls. T s = Schmelztemperatur Legierbarkeit In vielen Fällen ist eine Mischung verschiedener Metalle problemlos möglich. Mischungen verschiedener Metalle werden als Legierungen bezeichnet. Bei der zahntechnischen Verarbeitung der Metalle wird zur Formgebung im Allgemeinen die Gussmethode angewandt, wobei eine flüssige Metallschmelze in eine zuvor hergestellte Hohlform gegossen wird. Nach dem zahntechnischen Guss erstarrt die Metallschmelze in der Hohlform, das heisst sie kristallisiert. Die Kristallisation beginnt mit so genannten Kristallisationskeimen, an die sich dann immer mehr sich verfestigendes Metall anlagert, bis die entstehenden einkristallinen Areale, die Kristallite, aneinander stossen und alles Material fest ist (Abb. 1.4). Die einzelnen Kristallite werden auch als Körner und die Grenzen zwischen ihnen als Korngrenzen bezeichnet. Wird die Temperatur des Metalls während des Kristallisationsprozesses aufgezeichnet, so ergibt sich eine Kurve, wie sie beispielhaft in Abb. 1.5a dargestellt ist. Solange die Umgebungstemperatur höher ist als die Schmelztemperatur (T s ), bleibt das Metall flüssig. Wird im Laufe des Abkühlungsprozesses die Schmelztemperatur erreicht, so beginnt die Schmelze zu kristallisieren. Die Atome ordnen sich streng systematisch an, nehmen ein kleineres Volumen ein (Abb. 1.5b) und verlieren dadurch an Energie. Diese Energie wird in Form von Wärme frei und verhindert ein weiteres Absinken der Temperatur im Metall, obwohl die Umgebungstemperatur weiter fällt. Erst wenn die gesamte Schmelze erstarrt ist, kann die Temperatur auch im Material weiter fallen und passt sich jetzt wieder der tieferen Umgebungstemperatur an Legierungen Reine Metalle zeigen oft nicht die für die meisten Anwendungen in der Zahnmedizin erforderlichen Eigenschaften. Durch Zusammen schmelzen verschieden er Metalle lassen sich die Eigenschaft en verbessern. Der entstehend e Werkstoff wird als Legierung bezeichnet. Legieru ng: Durch Zusamme nschmelze n entstande nes Gemisch verschied ener Metalle Durch das Legieren zweier Metalle können zwei verschieden Abb. 1.6 Schematische Darstellung der Mischkristalltypen: oben: Substitutionsmischkristall unten: Einlagerungsmischkristall. 8

10 e Gefügearten entstehen. Ein homogener Mischkristall (einphasige Legierung) liegt vor, wenn im festen Zustand eine vollständige Mischbarkeit der Legierungskomponenten besteht. Beide Atomarten können dann im Kristallgitter nebeneinander vorkommen. Es resultiert ein Einlagerungsmischkristall, wenn die eine Atomart so klein ist, dass sie mühelos auf Zwischengitterplätzen sitzen kann, oder ein Substitutionsmischkristall, wenn eine Atomart im Kristallgitter an die Stelle der anderen Atomart treten kann (Abb. 1.6). Hierbei kann es durch die Größenunterschiede zwischen beiden Atomarten zu Verzerrungen des Gitters bis 5). Die Temperatur zu Beginn des Kristallisationsprozesses wird Liquidustemperatur genannt (bei dieser Temperatur ist die gesamte Legierung noch flüssig), diejenige am Ende des Kristallisationsprozesses wird Solidustemperatur genannt (bei dieser Temperatur ist die gesamte Legierung fest). Der dazwischen liegende Temperaturbereich wird als Schmelzintervall bezeichnet. Solidus: Temperatur, unterhalb der die gesamte Legierung als Festkörper vorliegt Abb. 1.7 Herleitung eines Phasendiagramms aus den Abkühlkurven bei vollständiger Löslichkeit der Komponenten im festen Zustand kommen. Ein heterogenes Gemenge (zweiphasige Legierung) resultiert, wenn eine teilweise oder vollständige Unmischbarkeit der Legierungskomponenten besteht (Mischungslücke oder eutektische Reaktion). Beide Atomarten können dann nicht in einem gemeinsamen Kristallgitter kristallisieren. Ebenfalls zu einem zweiphasigen Gemenge führen peritektische Reaktionen oder die Bildung von intermetallischen Phasen Vollständige Mischbarkeit Legierungen zeigen während des Kristallisationsprozesses ein anderes thermisches Verhalten als reine Metalle. Hier ist beim Temperaturabfall im Allgemeinen kein Haltepunkt wie bei den reinen Metallen zu beobachten, sondern lediglich eine verzögerte Abkühlung. Das Ausmaß der Verzögerung ist von der Legierungszusammensetzung abhängig, das heißt vom Mengenverhältnis der Legierungspartner. Das Beispiel in Abb. 1.7 zeigt schematisch die Abkühlkurven der reinen Metalle A und B (Nr. 1 und 6) sowie die Abkühlkurven von vier verschiedenen, aus A und B zusammengesetzten Legierungen (Nr. 2 Liquidus: Temperatur, oberhalb der die gesamte Legierung als Schmelze vorliegt Schmelzintervall: Temperaturbereich zwischen Solidus und Liquidus, in dem die Legierung teilweise als Schmelze, teilweise als Festkörper vorliegt Werden die Liquidus- und Solidustemperaturen der beiden reinen Komponenten und der Legierungen über dem Mengenverhältnis aufgetragen und die Liquidus- sowie die Soliduspunkte aller Legierungen untereinander verbunden, so ergibt sich eine Linse, die ihre Endpunkte bei den Schmelzpunkten der reinen Komponenten hat. Diese Linse ist von der Soliduslinie und der Liquiduslinie begrenzt und zeigt dasjenige Gebiet an, in dem die Legierungen aus dem System A-B in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis der Legierungskomponenten bei Abkühlung aus der Schmelze kristallisieren. In diesem Gebiet liegen demnach feste und flüssige Bestandteile der jeweiligen Legierung nebeneinander vor. Da sich beide Aggregatzustände physikalisch voneinander unterscheiden lassen, gehören sie zu unterschiedlichen Phasen des Systems. 9

11 Phase: Stoff, der sich aufgrund seines chemischen oder physikalischen Zustandes von anderen Stoffen unterscheidet Beide Linien geben auch an, welche Zusammensetzungen der Schmelze und der festen Phase nebeneinander vorliegen. Wird beispielsweise eine Schmelze mit der Zusammensetzung W L abgekühlt, so wird während des Abkühlungsprozesses die Liquidustemperatur T Li erreicht und die Kristallisation beginnt. Bei dieser Temperatur ist die feste Phase mit der Zusammensetzung W MLi stabil und wird zuerst auskristallisieren. Diese Phase ist aber reicher an B als die Schmelze, deshalb verarmt die Schmelze an B und der Zustandspunkt der Schmelze muss bei weiterer Kristallisation und sinkender Temperatur auf der Liquiduskurve in Richtung auf die A-reiche Seite des Diagramms wandern. Bei einer willkürlich herausgegriffenen Temperatur T m während der Wanderung des Zustandspunktes der Schmelze auf der Liquiduslinie steht die Schmelze beispielsweise mit dem kristallisierten Festkörper W Mm im Gleichgewicht. Das heißt, die Zusammensetzung des erstarrten Materials verändert sich entsprechend dem Verlauf der Soliduslinie und reichert sich demzufolge mit A an. Die Schmelze hat hier die Zusammensetzung W Sm. Bei Erreichen der Abb. 1.8 Dendritisches Gefüge Solidustemperatur T Sol. Schließlich hat die zugehörige Zusammensetzung der erstarrten Legierung die ursprüngliche Zusammensetzung der Legierung W L erreicht und damit ist alles Material komplett auskristallisiert. Da die Diagramme anzeigen, welche Phasen unter welchen Bedingungen (Zusammensetzung, Temperatur) stabil sind, Abb. 1.9 Phasendiagramm des binären Systems Au-Pt. werden diese Darstellungen als Phasendiagramme bezeichnet. Der beschriebene Vorgang läuft nur dann ab, wenn das bereits auskristallisierte Material genügend Zeit hat, sich durch Aufnahme von A-Atomen über eine Diffusion der jeweils im Gleichgewicht mit der Restschmelze stehenden kristallinen Zusammensetzung anzugleichen. Ist das nicht der Fall, so resultieren inhomogene Kristalle, die im Zentrum, dort wo sie zuerst auskristallisiert sind, eine etwas andere Zusammensetzung aufweisen als in der Peripherie. Bei einer raschen Abkühlung können sogar sehr inhomogene Legierungsgefüge mit tannenbaumartigen Strukturen, so genannten Dendriten (dendros, griech.: Baum) entstehen (Abb. 1.8). Durch eine Temperaturbehandlung knapp unterhalb der Solidustemperatur lassen sich diese Inhomogenitäten der Legierung wieder beseitigen (Homogenisierung). Es kommt dann aufgrund der hohen Temperatur zu einer Diffusion und gleichmässigen Verteilung der einzelnen Legierungselemente im Kristall Mischungslücke Nicht in jedem Fall lassen sich die Metallatome binärer Legierungen im Kristall problemlos mischen. So zeigt beispielsweise das System Au-Pt (Abb. 1.9) im festen Zustand eine Mischungslücke (Bereich 3 in Abb. 1.9), in deren Gebiet der nach der Kristallisation zunächst homogene Kristall in zwei verschiedene Kristallarten mit einerseits hohem Goldanteil und andererseits hohem 10

12 Platinanteil zerfällt. Diese Trennungsreaktion erfolgt nicht während der Erstarrung, sondern erst im festen Zustand. Das bedingt eine Diffusion der Atome im Kristallgitter, um diese Trennung überhaupt vollziehen zu können. Gold- und Platinatome tauschen im Kristallgitter ihre Plätze und können sich auf diese Art zu Zonen hinbewegen, in denen sich die jeweiligen Atomsorten anreichern. Gold kann noch ein wenig Platin im Kristallgitter einbauen, Platin umgekehrt ein wenig Gold, aber diese Bereitschaft zum Einbau des jeweiligen Fremdatoms nimmt mit sinkender Temperatur ab, so dass schließlich platinarme Goldmischkristalle (Bereich 4) und goldarme Platinmischkristalle (Bereich 5) resultieren, die im Gefüge der Legierung mikroskopisch kleine eigenständige Bezirke aufbauen. Die Diffusion im festen Körper benötigt eine hohe Energie, die durch Wärme zugeführt werden kann. Bei tiefen Temperaturen dauert die Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts sehr lange, so dass während eines zahntechnischen Abkühlungsprozesses, z. B. nach dem Guss oder nach dem Keramikbrand, das thermodynamische Gleichgewicht nur teilweise erreicht wird Eutektikum Die Abkühlkurven der Legierungen eines so genannten eutektischen Systems mit eingeschränkter Mischbarkeit (Abb. 1.10) weisen teilweise neben der verzögerten Abkühlung auch einen Haltepunkt auf, der bei allen Legierungen des betrachteten Systems bei der gleichen Temperatur liegt (Kurven 3-5 in Abb. 1.10). Die Kurven 1 und 7 in Abb zeigen die Abkühlkurven der reinen Komponenten A und B, die ausschließlich einen Haltepunkt aufweisen. Die Legierung 4 besitzt ebenfalls ausschließlich einen Haltepunkt. Werden die charakteristischen Temperaturen wiederum über den Legierungszusammensetzungen aufgetragen, ergibt sich ein anderes Bild als beim System mit vollständiger Mischbarkeit. Ausgehend von den Schmelzpunkten der beiden Legierungen senkt sich die Liquiduskurve zu einem Tiefstpunkt hin ab. Dieser Punkt wird als 'eutektischer Punkt' bezeichnet, die entsprechende Legierung als Eutektikum. Die Soliduskurve erscheint in Form einer Horizontalen, die durch den eutektischen Punkt geht. A und B sind im festen Zustand nur sehr unvollkommen ineinander löslich, sie bilden eine Mischungslücke. Unterhalb der Soliduskurve sind Mischkristalle (MK) stabil, wobei A in sein Kristallgitter ein wenig B einbauen kann, wodurch ein A-reicher Mischkristall entsteht, während umgekehrt B ein wenig A im Kristallgitter aufnehmen kann, wodurch ein B- reicher Mischkristall entsteht. Die Soliduslinien treffen auf die eutektische Gerade. Die Löslichkeit nimmt bis zum Schnittpunkt der Soliduslinien mit der eutektischen Geraden zu, mit weiter sinkender Temperatur aber wieder ab, was sich durch die nach unten hin wieder schmaler werdenden Stabilitätsbereiche (α-mk und β-mk) im Phasendiagramm ausdrückt. Legierungen, die zwischen den Endpunkten der eutektischen Geraden liegen, kristallisieren unterhalb der eutektischen Geraden in die beiden Endglieder der Reihe, die aufgrund der geringen Löslichkeit jeweils noch ein wenig der anderen Legierungskomponente enthalten. Beide Phasen liegen heterogen nebeneinander vor und können auch durch eine Temperaturbehandlung nicht homogenisiert werden. Aus der Beobachtung, dass beide Phasen im Falle einer eutektischen Erstarrung sehr feinkörnig in zum Teil bizarren Formen kristallisieren, erklärt sich der Begriff Eutektikum (griech. eutektos: gut gebaut) Peritektikum 11

13 Abb Herleitung eines Phasendiagramms mit eingeschränkter Löslichkeit im festen Zustand. In bestimmten Legierungen bildet sich während des Abkühlens aus der Schmelze zunächst eine Phase mit einer definierten Zusammensetzung, die dann bei sinkender Temperatur instabil wird und eine Umkristallisation erfährt. Dazu muss im Festkörper eine Diffusion bis in das Innerste des bereits auskristallisierten Kornes erfolgen. Oft reicht während des Abkühlungsprozesses die vorhandene Energie für eine vollständige Umkristallisation nicht aus. Während die Peripherie des Kornes die Umkristallisation erfährt, bleibt das Zentrum des Kornes in der alten Zusammensetzung bestehen. Da die Peripherie des Kornes sich im metallographischen Schliff anders anätzen lässt als das Zentrum, wird dieses typische Gefügebild als Peritektikum (griech. peri = darum herum, tektos = gebaut) bezeichnet. 12

14 Ordnungsphasen In einigen binären Systemen gibt es bestimmte Mischungsverhältnisse beider Legierungskomponenten, bei denen die Atome sich nicht statistisch auf den vorhandenen Gitterplätzen im Kristall verteilen, sondern genau definierte Plätze einnehmen. Dies erfolgt z. B. im Legierungssystem Gold-Kupfer bei den Mischungsverhältnissen Cu 3 Au und CuAu. Diese streng systematische Anordnung der Au- und Cu-Atome führt zu einer leichten Gitterverformung, es liegt ein in einer Richtung leicht gedehntes Kristallgitter vor, das keine kubische Symmetrie mehr aufweist Intermetallische Phasen Es gibt Legierungssysteme, in denen stöchiometrisch zusammengesetzte Verbindungen entstehen, die hochschmelzend und spröde sind und sich nicht mehr wie metallische Werkstoffe verhalten. Sie werden intermetallische Phasen genannt. Gefüge binärer Legierungen homogener Mischkristall (einphasig) Vollständige Mischbarkeit der Legierungskomponenten, beide Atomarten kommen im Kristallgitter nebeneinander vor. Es resultiert ein Einlagerungsmischkristall Wenn die eine Atomart so klein ist, dass sie mühelos auf Zwischengitterplätzen sitzen kann Substitutionsmischkristall Wenn eine Atomart im Kristallgitter an die Stelle der anderen Atomart treten kann. Hierbei kann es durch die Größenunterschiede zwischen beiden Atomarten zu Verzerrungen des Gitters kommen Heterogenes Gemenge (zweiphasig) Teilweise oder vollständige Unmischbarkeit der Legierungskomponenten. Beide Atomarten können nicht in einem gemeinsamen Kristallgitter kristallisieren Mechanische Eigenschaften Bei den mechanischen Eigenschaften der metallischen Werkstoffe lassen sich grundsätzlich die reversiblen, elastischen und die irreversiblen, plastischen Verformungen einerseits sowie die Härte andererseits unterscheiden. Die Härte ist als derjenige Widerstand definiert, der dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entgegengesetzt wird. Der Härtewert wird in der praktischen Anwendung häufig synonym gebraucht für die Festigkeit eines Werkstoffes, aber die Härte gibt lediglich einen Hinweis auf die plastische Verformbarkeit und kann deshalb für die Bewertung des Werkstoffverhaltens nur bedingt herangezogen werden. Bei spröden Werkstoffen wie den Keramiken ist es deshalb wenig sinnvoll, Härtemessungen durchzuführen. Aus klinischer Sicht ist eine differenziertere Betrachtungsweise notwendig. Festsitzender Zahnersatz soll über viele Jahre den mechanischen Belastungen im Mund standhalten. Mechanisches Versagen in Form von Verformungen oder Frakturen der festsitzenden Versorgung bedingt automatisch ein Heraustrennen der bestehenden Arbeit und eine Neuversorgung. Deshalb ist bei der Anfertigung von festsitzendem Zahnersatz neben der Berücksichtigung der intermittierend auftretenden Kaukräfte auch der Möglichkeit einer permanent starken Belastung durch Parafunktionen Rechnung zu tragen. Den mechanischen Daten eines Werkstoffes oder eines Werkstoffverbundes kommt damit eine entscheidende Bedeutung für den Langzeiterfolg der prothetischen Versorgung zu Elastisches und plastisches Verhalten Elastische Verformung setzt voraus, dass im Werkstück oder im Prüfkörper Kräfte wirksam werden, die zwar die Atome auseinanderzerren, aber keine atomaren Bindungen lösen. Lässt die Kraft nach, so gehen die Atome in ihre Ausgangsposition zurück. In einem makroskopischen Modell kann man sich die Atome mit Federn verbunden vorstellen. Nach dem Ende der Krafteinwirkung schnellen die Atome aufgrund der Federwirkung in ihre Ruheposition zurück. Bei Anwendung grösserer Kräfte werden die Atombindungen zunehmend getrennt und neue Bindungen mit benachbarten Atomen geknüpft, woraus ein Gleiten der Atomebenen gegeneinander resultiert. Die Gleitvorgänge beginnen an Kristallgitterdefekten, so 13

15 genannten Versetzungen, wo die Aktivierungsenergie relativ niedrig ist. Durch das Gleiten wandern die Versetzungen an die Korngrenzen. Da die Versetzungen Voraussetzung für die Verformbarkeit sind, wird der Werkstoff mit zunehmender Verformung spröde und reißt. Die mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe werden im Zugversuch gemessen. Exakt bemaßte, hantelförmige Prüfkörper (Abb. 1.11) werden mit ihren dicken Enden in die Spannbacken einer Zugmaschine eingespannt und bis zum Zerreißen gespannt. Während der Messung wird ein kontinuierliches Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet, das bei bekanntem Querschnitt des dünnen Anteils des Prüfkörpers und der Ausgangslänge in ein Spannungs-Dehnungs- Diagramm umgerechnet werden kann. Aus diesem Diagramm lassen sich die charakteristischen Kenndaten ermitteln (Abb. 1.12): Während des linearen Anstiegs der Messkurve verhält sich der Werkstoff elastisch, das heißt jede Verformung ist reversibel. Die Steigung der Kurve in diesem Abschnitt ergibt den Elastizitätsmodul (Abkürzung: E), der ein Maß für die Steifigkeit des Werkstoffes darstellt. E-Modul: Maß für die Steifigkeit eines Materials Die Längenänderung des Materials ist in diesem Bereich proportional zur Kraft und gehorcht dem Hooke'schen Gesetz σ = E ε Das heißt die Dehnung ε im Werkstück ist proportional zur angelegten mechanischen Spannung σ. Die Spannung wiederum berechnet sich aus der angelegten Kraft F dividiert durch den Querschnitt a: σ = F/a. Abb Zugproben demzufolge ab. Der Aufbau der Spannung hält mit der steigenden Kraft nicht mit, da ein Teil der Energie für das plastische Fließen des Materials verwendet wird. Der exakte Beginn des plastischen Fließens ist aus der Messkurve nur relativ schwer zu ermitteln. Deshalb wurde ein Punkt als Dehngrenze definiert, bei dem bereits eine geringe, aber deutlich feststellbare plastische Deformation eingesetzt hat. Für die Dentallegierungen wurde derjenige Punkt gewählt, bei dem eine Deformation von 0.2% der Ausgangslänge erfolgt ist. Dieser Wert ergibt sich durch die Konstruktion einer Parallelen zum linearen Anstieg der Messkurve durch den Abszissenwert 0.2%. Im Schnittpunkt der Parallelen mit der Messkurve wird der zugehörige Spannungswert ermittelt und als Wert für die Dehngrenze angegeben. Dehngrenze: Spannung, bei der eine erste plastische (bleibende) Deformation stattfindet Im Zenit der Messkurve wird die maximale Zugfestigkeit erreicht (franz.: résistance maximale, Abkürzung R m ). Der irreversible Anteil der Dehnung beim Zerreißen der Zugprobe wird als Bruchdehnung bezeichnet R m R p0.2% Spannung σ (MPa) Die beginnende Abflachung der Kurve deutet auf eine erste plastische, das heißt irreversible Verformung der Legierung hin. Da hier das rein proportionale Verhalten von Spannung und Dehnung endet, wird dieser Punkt als Proportionalitätsgrenze (franz.: résistance proportionelle, Abkürzung R p ) oder als Dehngrenze bezeichnet. Der Prüfkörper verlängert sich mit zunehmender Kraft unproportional schnell und die Kurve sinkt E = σ/ε 0.2% A Dehnung ε (%) (franz.: Abb allongement, Spannungs-Dehnungs-Diagramm Abkürzung A). Sie ist ein 14

16 Maß für die Sprödigkeit des Materials: eine niedrige Bruchdehnung deutet auf eine hohe Sprödigkeit hin Härte metallischer Werkstoffe Die Härte ist als derjenige Widerstand definiert, den ein fester Körper dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entgegensetzt. In der Zahnmedizin ist die Prüfung nach Vickers üblich (Abb. 1.13). Eine Diamantnadel mit einem Pyramidenwinkel von 136 wird mit einer definierten Kraft auf die zu prüfende Oberfläche gedrückt und dort eine bestimmte Zeit gehalten. Üblich ist die Belastung der Diamantnadel mit einer Kraft von 5 kp und einer Haltezeit von 30 s, um dem Material genügend Zeit zum plastischen Fliessen zu geben. Die Angabe der Härte bezieht sich auf die Fläche des Eindruckes im Material, die sich aufgrund der definierten Form der Diamantnadel aus der gemessenen Diagonalen (d) des Eindruckes mittels der Formel HV = F (kp) = A F (N) (9.81d 2 )/(2sin(136 /2)) berechnen lässt. Zur Vereinfachung für die praktische Anwendung sind Tabellen verfügbar, in denen bei Kenntnis der gemessenen Breite des Eindruckes direkt der Härtewert abgelesen werden kann. Die Angabe erfolgt bei einer gemessenen Härte von beispielsweise 175 wie folgt: 175 HV5/30. Das heisst bei einer Belastung mit 5 kp und Halten der Belastung über 30 s ergab sich eine Diagonale des Eindruckes, die in der Tabelle den Wert 175 liefert. Die Angabe ist dimensionslos, da die Einteilung der Belastung in kp beibehalten wurde und eine Umrechnung in Newton zu ungewohnten Härtewerten führt. Härte: Widerstand, den ein Material dem Eindringen eines härteren Körpers entgegensetzt Aushärtung Unter Aushärtung werden die Auswirkungen einer Wärmebehandlung verstanden, durch die die mechanischen Eigenschaften der Legierung infolge innerer Zustandsänderungen im Sinne einer Verfestigung verändert werden, ohne dass sichtbare Änderungen des Gefüges erkennbar sein müssen oder die Legierung weich hart Abb Schematische Darstellung zur Messung der Vickers Härte. eine Veränderung der Zusammensetzung erfährt. Die Aushärtung erfolgt im Allgemeinen über die Ausscheidung einer zweiten Phase innerhalb eines zunächst metastabil homogenen Mischkristalls. Voraussetzung für die Ausscheidungshärtung ist die eingeschränkte, temperaturabhängige Löslichkeit zweier Legierungskomponenten, die es ermöglicht, durch Abschrecken übersättigte Mischkristalle herzustellen. Das Prinzip der Ausscheidungshärtung kann am System Au-Pt (Abb. 1.9) deutlich gemacht werden: Wird eine bereits vollständig auskristallisierte Legierung mit der Zusammensetzung 70%Au-30%Pt (senkrechte Linie in Abb. 1.9) rasch abgekühlt, so kristallisiert sie zunächst bei einer Temperatur unterhalb der Soliduslinie aus. Es entstehen homogene Au-Pt-Mischkristalle. Durch die gute Lösung beider Legierungskomponenten ist die Legierung in diesem Zustand weich. Aufgrund der geringen Bewegungsenergie der Atome bei niedrigeren Temperaturen und dem raschen Durchfahren des Temperaturintervalles bis Raumtemperatur kann sich dieser Zustand spontan nicht ändern, die homogene Mischung bleibt bestehen, obwohl sie thermodynamisch betrachtet instabil ist. Dieser Zustand wird als metastabil bezeichnet. Für den Zustand bei Raumtemperatur sind die Kristalle nun an Pt übersättigt. Durch Aufheizen auf eine mittlere Temperatur erhalten die Atome aber soviel Bewegungsenergie, dass sich durch Diffusion, das heißt durch Platzwechsel der Atome untereinander Bereiche herausbilden können, 15

17 Abb Schematische Darstellung zur Entstehung von Gitterverspannungen bei der Ausscheidungshärtung am Beispiel Au-Pt. weiss: Au schwarz: Pt die dem jeweiligen Gleichgewicht bei der herrschenden Temperatur entsprechen. Das heißt es bilden sich innerhalb der Au-reichen Kristalle Areale mit Anreicherungen von Pt. Wird die beginnende Wanderung der Atome durch Abkühlung der Legierung wieder unterbunden und bleibt sie in einem Stadium stecken, in dem noch keine komplette Einstellung des Gleichgewichtes erfolgt ist, so resultieren kleine Ansammlungen von Atomen, die zu Gitterstörungen und Gitterverspannungen und deshalb zu einer Verfestigung der Legierung führen (Abb. 1.14). Da auch eine Steigerung der Härte zu beobachten ist, wird von Ausscheidungshärtung oder einfach Aushärtung gesprochen. Eine zu hohe Temperatur oder eine zu lange Anlassdauer für den Aushärtungsprozess führt zu einer so genannten Überhärtung mit vollständiger Entmischung und Größenwachstum der Ausscheidungen, wodurch der Aushärtungseffekt verloren geht. Auch über die intermetallischen Phasen lässt sich eine thermische Aushärtung erreichen, wenn eine temperatur-abhängige Konzentrationsverteilung zwischen intermetallischer Phase und Mischkristall gegeben ist. Die Gegenwart der intermetallischen Phase behindert das Gleiten der Atomebenen der metallischen Matrix, wodurch der Aushärtungseffekt entsteht. Zusammenfassung Metalle und Legierungen zeigen aufgrund der metallischen Bindung typische Eigenschaften wie elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie elastisches und plastisches Verhalten. Wichtige Kenndaten metallischer Werkstoffe sind Elastizitätsmodul und Dehngrenze. Die Härte ist eine Oberflächeneigenschaft Legierungen entstehen durch die Mischung von zwei oder mehr Metallen. Bei den Legierungen unterscheidet man zwischen vollständig mischbaren, unvollständig mischbaren und unmischbaren Systemen. Bei unvollständig mischbaren Systemen nimmt die gegenseitige Löslichkeit der Komponenten mit sinkender Temperatur ab, weshalb sich diese Systeme thermisch aushärten lassen (Ausscheidungshärtung). 16

18 1.2 Keramische Werkstoffe Die in der Zahnheilkunde verwendeten keramischen Werkstoffe gehören zur Gruppe der oxidischen Keramiken, da es sich chemisch gesehen um Mischungen von Metalloxiden handelt Chemische Zusammensetzung Im ästhetisch relevanten Bereich werden silikatische Keramiken verwendet, die auf Quarzglas (SiO 2 ) aufbauen und zur Modifikation der Eigenschaften andere Metalloxide - z. B. Al 2 O 3, Na 2 O, K 2 O, CaO u. a. - gelöst enthalten. Daneben werden Hochleistungskeramiken wie Al 2 O 3 und ZrO 2 verwendet, die zwar aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften als Gerüstmaterialien für Kronen und Brücken dienen, wegen ihrer Opazität aber immer mit silikatischen Keramiken überschichtet werden müssen Silikatische Gläser Grundbaustein der Silikate ist das SiO 4 - Tetraeder (Abb. 1.15). Ein Silizium-Atom ist tetraedrisch von 4 Sauerstoff-Atomen umgeben. Damit sind die Bindungen des vierwertigen Silizium-Atoms abgesättigt. Die Sauerstoffatome haben jeweils eine freie Valenz und können an ein weiteres Silizium- Atom binden. So entsteht ein dreidimensionales Netzwerk mit der Summenformel SiO 2. Diese Verknüpfung erfolgt in kristallinen Substanzen streng gesetzmäßig, wodurch über weite Strecken eine systematische Anordnung der Bausteine Abb. 1.16: Schematische Darstellung der Glasstruktur gewährleistet ist. Die reine SiO 2 -Verbindung ist das Mineral Quarz mit seinen Hochtemperatur- Modifikationen Cristobalit und Tridymit. In diesen Mineralien liegt SiO 2 in kristalliner Form vor. Wird Quarz aufgeschmolzen, so entsteht eine zähplastische Schmelze. Bei extrem langsamer Abkühlung der Schmelze bildet sich wieder Quarz. Bei rascher Abkühlung bleibt der Schmelze nicht genügend Zeit zur Kristallisation. Es liegen zwar regelrechte Sio 4 - Tetraeder vor, wodurch eine so genannte Nahordnung gewährleistet ist, die Tetraeder lagern sich jedoch nicht mehr streng systematisch aneinander, so dass die Fernordnung gestört ist. Diese Anordnung spiegelt den Zustand einer eingefrorenen unterkühlten Flüssigkeit wider und wird als Glaszustand bezeichnet (Abb. 1.16). Glas: Eingefrorene unterkühlte Flüssigkeit. Abb. 1.15: SiO 4 -Tetraeder Das reine SiO 2 -Glas ist für die dentale Anwendung nicht geeignet, da es eine zu hohe Erweichungstemperatur, eine zu hohe Viskosität und eine zu hohe Transparenz aufweist. Daher ist es notwendig, das SiO 2 - Glas so zu modifizieren, dass es den Anforderungen im Dentalbereich entspricht. Zur Senkung der Schmelztemperatur des Glases müssen Verunreinigungen in das Glas eingebracht werden. Dies erfolgt zum einen über so genannte Netzwerkbildner, wie z.b. Al 2 O 3 oder B 2 O 3. Im Netzwerk werden die Alund B-Atome ebenfalls tetraedrisch von 4 Sauerstoffatomen umgeben, obwohl sie nur 17

19 drei Valenzen haben. Dadurch fehlt eine positive Ladung im AlO 4 - bzw. BO 4 -Tetraeder, die durch ein Alkali-Ion ausgeglichen werden kann. Hierfür werden bevorzugt Natrium- und Kalium-Ionen verwendet. Diese Ionen bewirken als Verunreinigung im Glas eine Senkung der Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur des Glases, ähnlich wie das Streusalz im Winter die vereisten Straßen auftaut, indem es als Verunreinigung in Eiskristallen wirkt und so die Schmelztemperatur des Eises senkt. Die Viskosität des Glases wird dadurch nicht entscheidend verringert, denn das SiO 2 - Netzwerk bleibt intakt. Mit Netzwerkwandlern dagegen wird die Viskosität des Glases reduziert. Als Netzwerkwandler dienen die Alkalioxide Na 2 O und K 2 O. Sie führen zu einer Aufspaltung der Si-O-Si-Bindungen, also zu einem Aufreißen des SiO 2 -Netzwerkes und damit zu seiner Schwächung mit der Folge einer größeren Beweglichkeit der einzelnen Bausteine gegeneinander, was eine Senkung der Viskosität des Glases zur Folge hat. Es entstehen durch die Spaltung der Si-O-Si- Bindungen endständige Sauerstoffe, so genannte Trennstellensauerstoffe, deren negative Überschussladungen durch die Alkali- Ionen abgesättigt werden und die wie auch beim Einbau in das Netzwerk zusammen mit den Netzwerkbildnern zu einer Senkung der Erweichungstemperatur führen. Die Zusammensetzung des so modifizierten Glases liegt mit den Hauptbestandteilen K 2 O, Na 2 O, Al 2 O 3 und SiO 2 nahe bei der Zusammensetzung des natürlichen Feldspates Orthoklas, weshalb dieses Mineral als Rohmaterial für Dentalkeramiken eingesetzt wird. Die Formel des Orthoklas lautet in der Oxidschreibweise der Keramiker (Na 2 O,K 2 O) Al 2 O 3 SiO 2, während in der Mineralogen- Schreibweise (K,Na)[AlSi 3 O 8 ] durch die eckigen Klammern der Anionenkomplex hervorgehoben wird. Dieser Komplex bildet auch im natürlichen Mineral das Gerüst, in dem die Alkali-Ionen relativ frei beweglich eingelagert sind, so dass die Ähnlichkeit mit der Glasstruktur deutlich wird. Die Transparenz des SiO 2 -Glases wird durch den Einbau von Netzwerkbildnern und Netzwerkwandlern nicht wesentlich beeinflusst, kann jedoch durch das Mischen von Glasfritten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und das Einbringen von kristallinen Bestandteilen gesenkt werden Glaskeramik Um die Eigenschaften von Gläsern zu optimieren, werden Kristalle eingefügt. Dies kann über eine Teil-Kristallisation des Glases oder das Zumischen von kristallinen Partikeln erfolgen. Beeinflusst werden dadurch die mechanischen und die optischen Eigenschaften. Gläser mit einer kristallinen Phase werden als Glaskeramiken bezeichnet Oxidische Keramiken Metalloxide mit starken kovalenten Bindungen wie z.b. Al 2 O 3 oder ZrO 2 ergeben hochfeste Keramiken, so genannte Hochleistungskeramiken, die für mechanisch stark beanspruchte Bauteile eingesetzt werden können. Diese Keramiken erstarren kristallin, enthalten also praktisch keine Glasphase Mechanische Eigenschaften Aufgrund der kovalenten Metall-Sauerstoff- Bindungen fehlen den Keramiken die von den Metallen her gut bekannten elastischen und plastischen Eigenschaften. Keramik zählt deshalb zu den spröden Materialien und reagiert besonders empfindlich auf Zugbelastungen, während Druckbelastungen weitaus besser toleriert werden. Die Ursache der geringen Zugfestigkeit ist in der verarbeitungsbedingten Entstehung von Mikrorissen an der Oberfläche zu sehen. Bei Zugbelastung kommt es zu Spannungsspitzen an den Rissenden, die die Bindungskräfte in der Keramik übersteigen und eine Rissausbreitung in die Glasphase hinein bewirken (Abb. 1.17). Die Festigkeit keramischer Werkstoffe wird in der Zahnmedizin mittels verschiedener Biegeversuche bestimmt. Dabei wird ein Prüfkörper jeweils bis zum Bruch belastet. Angewendet werden der Dreipunkt- Biegeversuch (Abb. 1.18), der Vierpunkt- Biegeversuch (Abb. 1.19) und der Biaxiale Biegeversuch (Abb. 1.20). Abb. 1.17: Schematische Darstellung zur Rissausbreitung in keramischen Bauteilen bei Zugbelastung 18

20 Bei der Bestimmung der Biegefestigkeit entsteht auf der der Lasteinleitung gegenüberliegenden Seite des Prüfkörpers eine Zugzone. Da Keramiken Zugbelastungen wegen der Mikrorisse nicht so gut tolerieren wie Druckbelastungen, wird ein an der Unterseite des Prüfkörpers entstehender oder vorhandener Riss zum Versagen des Prüfkörpers führen. Der Dreipunkt- Biegeversuch ist einfach durchzuführen, hat aber den Nachteil, dass zufällig unter dem Druckstempel in der Zugzone vorhandene Risse zu einem vorzeitigen Versagen führen und damit die Streuung der Messwerte größer wird. Der Vierpunktbiegeversuch vermeidet diesen Nachteil, indem ein größeres Volumen in der Zugzone liegt, nämlich der gesamte Prüfkörperbereich zwischen den beiden Druckstempeln. Bei beiden Biegeprüfungen werden Balkenproben eingesetzt. Kantendefekte haben in diesen Messungen F F Abb. 1.18: Schematische Darstellung des Dreipunkt-Biegeversuches F Abb. 1.19: Schematische Darstellung des Vierpunkt-Biegeversuches Abb. 1.20: Schematische Darstellung des biaxialen Biegeversuches. einen großen Einfluss. Der biaxiale Biegeversuch umgeht die Einflüsse von Kanteneffekten, indem eine runde, scheibenförmige Probe zentral belastet wird. So entstehen die Spannungsspitzen nicht an den Kanten, sondern im Zentrum der Probe und es wird eher die Eigenschaft des kompakten Materials geprüft. Neben der Biegefestigkeit ist die Risszähigkeit ein weiterer wichtiger Parameter für die Charakterisierung keramischer Werkstoffe. Es wird in diesem Fall aber nicht das Versagen des Materials aufgrund von zufällig vorhandenen Rissen gemessen, sondern es wird an der Unterseite vor der Messung ein definierter Riss erzeugt, indem mit einer feinen Klinge eine Kerbe in den Prüfkörper gesägt wird. Aus der Kraft beim Bruch und dem nach dem Bruch auszumessenden Restquerschnitt kann die Bruchzähigkeit berechnet werden. Die Einheit der Bruchzähigkeit ist MPa m. Bruchzähigkeit: Widerstand, den ein Material der Ausbreitung eines Risses entgegensetzt. Einheit: MPa m Häufigkeit Keramik Festigkeit Metalle Abb. 1.21: Schematische Darstellung zur Festigkeitsverteilung bei Prüfserien aus metallischen und keramischen Bauteilen. Keramische Werkstoffe verhalten sich in Bezug auf die Versagenswahrscheinlichkeit anders als Metalle. Während bei Metallen die Festigkeitswerte einer Serie von Bauteilen in einer Gauß schen Verteilung um den Mittelwert herum liegt, also gleichmäßig viele Messwerte höhere und niedrigere Werte annehmen, ist die Situation bei der Keramik etwas anders. Hier können aufgrund von Oberflächendefekten einzelne Bauteile eine deutlich niedrigere Festigkeit aufweisen und frühzeitig versagen (Abb. 1.21). Deshalb muss die Keramik eine hohe Zuverlässigkeit haben, die in der so 19

21 Abb. 1.22: Typisches Gefüge einer Glaskeramik. Die Kristalle wurden selektiv angeätzt um das Gefüge deutlich darstellen zu können. Abb. 1.23: Ausrichtung der Apatitkristalle im Schmelz. genannten Weibull Statistik abgeschätzt wird. Dazu wird der doppelte Logarithmus der Bruchwahrscheinlichkeit (lnln(1/(1-f)) gegen die gemessene Festigkeit aufgetragen. Die Steigung der resultierenden Ausgleichsgeraden ist dann ein Maß für die Zuverlässigkeit und wird als Weibull-Parameter m angegeben. Die charakteristische Festigkeit (σ 63.2% ) gibt an, bei welchem Spannungswert (MPa) 63.2% der Prüfkörper versagt haben Gefüge Reine Gläser bieten nicht die gewünschte Festigkeit und die für ästhetischen Zahnersatz angestrebte optische Wirkung. Eine Festigkeitssteigerung ist durch die Gegenwart kristalliner Partikel zu erzielen (Abb. 1.22): trifft ein Riss bei der Ausbreitung auf einen Kristall, so wird er an der weiteren Ausbreitung behindert, da er entweder gestoppt oder zumindest in seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird und so an Energie verliert. Diese Art der Verstärkung keramischer Werkstoffe wird als Partikelverstärkung bezeichnet. Daneben haben die Partikel auch einen entscheidenden Einfluss auf die optische Wirkung der Materialien. Die verschiedenen Keramikfabrikate weisen in Abhängigkeit von den verwendeten Rohmaterialien und dem gewählten Herstellungsprozess unterschiedliche und jeweils charakteristische Mikrogefüge auf, die einen entscheidenden Einfluss auf ihre optischen und mechanischen Eigenschaften haben. Generell gilt, dass die Struktur des natürlichen Zahnes (Abb. 1.23) in ihrer Funktionsweise möglichst optimal imitiert werden soll Optische Eigenschaften Die optische Erscheinung eines Gegenstandes wird durch die Rückstreuung von auf die Oberfläche auftreffendem oder in den Gegenstand eindringendem Licht hervorgerufen. Da das menschliche Auge lediglich Wellenlängen zwischen 380 nm und 780 nm wahrnehmen kann, hat nur rückgestreutes Licht dieses Wellenlängenbereiches einen Einfluss auf die optische Gesamtwirkung der Restauration. Unter dem Begriff der optischen Eigenschaften werden alle Charakteristika eines Materials zusammengefasst, die dazu beitragen, die Rückstreuung des sichtbaren Lichtes in irgendeiner Weise zu beeinflussen. In erster Linie ist hier an die Farbe zu denken, aber auch die Brechung und Reflexion des Lichtes, die Transluzenz, die Opaleszenz und die Lumineszenz des Werkstoffes sind für die optische Gesamtwirkung des Zahnersatzes maßgebend Farbe Auf der Netzhaut des menschlichen Auges finden sich verschiedene Rezeptoren für das Licht, zum einen die so genannten Stäbchen, die vor allem für das Hell/Dunkel-Sehen in der Dämmerung verantwortlich sind, zum anderen die Zapfen, die das Farbensehen ermöglichen. Bei den Zapfen können drei Typen unterschieden werden: diejenigen, die im grünen Farbspektrum empfindlich sind, solche, die vor allem Rot wahrnehmen und schließlich der blau-empfindliche Typ. Aus der unterschiedlichen Erregung der Sinnesrezeptoren in der Netzhaut durch die Wellenlängenbereiche des einfallenden Lichtes resultiert die Sinneswahrnehmung der Farbe. 20