Наука · журнал «ДентАрт» 2016 №4

Міцність на згинання і модуль пружності проти тріщиностійкості

FLEXURAL STRENGTH AND FLEXURAL MODULUS VERSUS FRACTURE TOUGHNESS

Девід Н. Рудо

David N. Rudo · президент компанії «Ріббонд» (м. Сіетл, США)

Резюме

Кожному стоматологові потрібно мати глибокі знання про властивості матеріалів, які він застосовує у своїй практиці. Як довів Дж. Е. Гордон, матеріали ламаються не через недостатню міцність на згинання чи недостатній модуль пружності, а через низьку тріщиностійкість. Найбільш тріщиностійким стоматологічним матеріалом, армованим волокном, є Ріббонд. Для його створення використовуються ті самі суперміцні волокна надвисокомолекулярного поліетилену (UHMWP), що й у виробництві бронежилетів. Вони поєднані таким чином, що перешкоджають поширенню мікротріщин у полімерній матриці композиту.

Ключові слова

стоматологічні матеріали, армовані волокном, Ріббонд, тріщиностійкість, міцність на згинання, модуль пружності.

Abstract

Every dentist should have profound knowledge about the qualities of materials that he or she uses in practice. J. E. Gordon proved that materials break not due to a lack of flexural strength or lack of flexural modulus but rather due to a lack of fracture toughness. Ribbond is the most fracture tough fiber-reinforced dental material. It is made of the same super tough Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWP) fibers which are used in the making of bullet-proof vests. These fibers are mechanically interlocked to prevent crack propagation within the resin matrix.

Key words

fiber-reinforced dental materials, Ribbond, fracture toughness, flexural strength, flexural modulus.

Якщо ви хочете зрозуміти, чому і як стоматологічні матеріали руйнуються і ламаються, то традиційне тестування міцності на згинання і тестування модуля пружності не дадуть вам потрібних фактів. Ці окремі типи тестування міцності дуже оманливі: вони дають хибне розуміння того, скільки енергії, навантаження і роботи руйнування потрібно, щоб зламати стоматологічний матеріал.

Реальне розуміння того, чому і як матеріали руйнуються, найліпшим чином сформулював професор Дж. Е. Гордон (1913-1998) — один із засновників сучасної науки про матеріали. Професор Гордон стверджував, що матеріали ламаються не через недостатню міцність на згинання чи недостатній модуль пружності, а через низьку тріщиностійкість. Тріщиностійкість — це здатність матеріалу чинити опір швидкому поширенню тріщини і таким чином перешкоджати руйнуванню. А міцність на згинання і модуль пружності — це властивості жорсткості.

Професор Дж. Е. Гордон.

Матеріалам, що мають високу міцність на згинання і високий модуль пружності, властива крихкість, внаслідок чого вони відносно легко руйнуються. Скло — це класичний приклад матеріалу, що має відносно високу міцність на згинання і високий модуль пружності, але в той же час характеризується крихкістю і відсутністю тріщиностійкості. Професор Гордон писав, що набагато легше створити структуру, що має жорсткість, використовуючи нежорсткі матеріали, ніж створити структуру, що має тріщиностійкість, використовуючи нетріщиностійкі матеріали. Справді, створити структуру, здатну подолати низьку тріщиностійкість матеріалу, набагато важче.

Коли ми застосовуємо роботи професора Гордона до стоматологічного матеріалу, армованого волокном, нас передусім має цікавити властивість тріщиностійкості, а не міцність на згинання чи модуль пружності. Три елементи, властиві Ріббонду, роблять його найбільш тріщиностійким стоматологічним матеріалом, армованим волокном.

Скло має високу міцність на згинання, але воно крихке.

Достатньо тріщиностійкий матеріал, щоб зупинити кулю.

Тип волокон

Для створення матеріалу Ріббонд використовуються ті самі суперміцні волокна надвисокомолекулярного поліетилену (UHMWP), що й у виробництві бронежилетів. На відміну від них, скловолокна міцні в тому сенсі, що мають відносно високу міцність на згинання і високий модуль пружності, але скловолокна крихкі і нетріщиностійкі, ось чому з них не роблять бронежилети.

Напрямок волокна

Односпрямовані волокна дуже ефективно забезпечують міцність на згинання і модуль пружності зразкам, досліджуваним у лабораторних умовах, якщо зразки для випробувань піддаються навантаженню лише у напрямку, паралельному односпрямованим волокнам. Проте в реставрованих зубах зазвичай діють різноспрямовані сили, тому ефективність односпрямованих волокон виявляється досить скомпрометованою у тому випадку, якщо навантаження застосовуються перпендикулярно до односпрямованих волокон. Односпрямовані волокна не забезпечують механічних з'єднань між сусідніми нитками і не перешкоджають поширенню тріщини в полімерній матриці композиту внаслідок різноспрямованих навантажень.

У матеріалі Ріббонд волокна сплетені за допомогою запатентованого різноспрямованого перевивного переплетення, що забезпечує механічне зчеплення сусідніх ниток. Ці механічно зчеплені волокна перешкоджають поширенню тріщин у полімерній матриці композиту і надають їй тріщиностійкості.

Односпрямовані волокна міцні в одному напрямку, але слабкі в іншому.

Міцність з'єднання

Виробники матеріалів, армованих скловолокном, пропонуючи їх до продажу, стверджують, що скловолокно має вищу міцність з'єднання з полімером, ніж надвисокомолекулярний поліетилен, і тому такий матеріал міцніший. Стоматологи вважають, що висока міцність з'єднання волокон з полімерним композитом потрібна, оскільки потрібна також і висока міцність з'єднання полімерного композиту зі структурою зуба.

Це неправильне припущення. Дж. Е. Гордон пояснив, що відносно висока міцність з'єднання волокон з полімером робить матеріал крихким. Чим вища міцність з'єднання між полімером і волокнами, тим ефективніше енергія мікротріщин передається від полімера до волокна. Унаслідок цього ймовірність руйнування волокон і крихкість різко зростають.

Парадоксально, але середня міцність з'єднання між полімером і волокнами породжує вищу тріщиностійкість, ніж висока міцність з'єднання. Помірна міцність зчеплення полімеру і волокна відхиляє енергію тріщини, тому для подальшого поширення тріщини потрібно ще більше енергії. Розуміючи цей феномен, у хай-тек промисловості (наприклад, у виробництві компонентів для корпусів літаків і кораблів) використовують скловолокно з домішками, щоб знизити міцність його з'єднання з полімером.

Гарний приклад цього явища — вітрове скло автомобіля, яке не б'ється. Тонка полімерна плівка розміщується між двома листами скла, діючи як слабка межа розподілу, яка переспрямовує енергію тріщини і сповільнює передачу цієї енергії від одного листа скла до іншого. Ще кращий приклад — це зубна емаль. Міжпризмова речовина в зубній емалі має відносно слабкі зв'язки з емалевими призмами. Ця слабка межа розподілу є механізмом, що зменшує навантаження і перешкоджає швидкому поширенню тріщин, що робить зубну емаль тріщиностійкою.

Якщо під терміном «міцність» мати на увазі здатність протистояти невдалому результатові стоматологічного лікування, то ми стверджуємо, що Ріббонд — найміцніший стоматологічний матеріал, армований волокном.

Переклав з англійської Петро Дениско.