飞秒激光表面处理对氧化锆表面特征及弯曲强度的影响

作者：李文锦; 丁茜; 原福松; 孙丰博; 郑剑桥; 鲍蕊; 张磊^*

来源：北京大学学报(医学版), 2021, 53(04): 770-775.

DOI：10.19723/j.issn.1671-167X.2021.04.025

• 氧化锆
• 飞秒激光
• 微沟槽

目的:研究飞秒激光表面处理后获得的微沟槽结构对氧化锆表面显微形貌、晶相组成及弯曲强度的影响,为氧化锆种植体表面微观结构优化提供参考。方法:根据不同表面处理方法,将57个计算机辅助设计/计算机辅助制造(computer aided design/computer aided manufacture,CAD/CAM)的长方体氧化锆标准试件(20.0 mm×4.0 mm×1.4 mm)分为3组(每组19个):(1)终烧结组,终烧结后无处理,作为对照;(2)喷砂组,终烧结后用110μm氧化铝(Al2O3)喷砂;(3)微沟槽组,用飞秒激光加工宽50μm、深30μm、间距100μm的微沟槽。通过扫描电镜和3D激光形貌测量显微镜观察表面显微形貌,计算各组表面粗糙度和微沟槽组的沟槽尺寸,采用X射线衍射仪进行晶相分析,进行三点弯曲试验,通过Weibull分布分析其强度特征。结果:扫描电镜显示终烧结组表面较为平整,晶粒结构清晰,喷砂组表面凹凸不平,出现边缘锐利的凹坑,形状不规则,微沟槽组表面微沟槽排列规则,未见明显缺陷,沟槽内壁形成纳米级颗粒状显微结构。微沟槽组粗糙度Ra值(9.42±0.28)μm显著高于喷砂组(1.04±0.03)μm和终烧结组(0.60±0.04)μm,喷砂组与终烧结组之间差异亦有统计学意义(P <0.001)。飞秒激光加工的微沟槽尺寸精确,宽度(49.75±1.24)μm,深度(30.85±1.02)μm,间距(100.58±1.94)μm;晶相分析结果显示,喷砂组的单斜相体积百分数(18.17%)较终烧结组(1.55%)明显增加,微沟槽组(2.21%)与终烧结组相近;喷砂组的弯曲强度(986.22±163.25) MPa与终烧结组(946.46±134.15) MPa相比差异无统计学意义(P=0.847),而微沟槽组弯曲强度(547.92±30.89) MPa较其余两组显著下降(P <0.001);终烧结组、喷砂组、微沟槽组的Weibull模数m分别为7.89、6.98、23.46。结论:飞秒激光处理可在氧化锆表面形成具有微纳结构的微沟槽,会显著降低氧化锆的弯曲强度。

• 单位
  清华大学; 材料学院; 北京大学; 北京航空航天大学