ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ В МАТЕРИАЛАХ С РАЗВИТОЙ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ. ДЕНТИН И ЭМАЛЬ ЗУБОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ 18
1.1 Приготовление образцов и аттестация микроструктуры 18
1.2. Приготовление образцов и проведение механических испытаний 20
1.2.1 Сжатие 20
1.2.2 Изгиб 28
1.2.3 Диаметральное сжатие 30
1.2.4 Сдвиг 32
1.3 Механические испытания в среде 35
2 ДЕНТИН 38
2.1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 38
2.1.1 Микроструктура дентина 38
2.1.1.1 Первый структурный уровень 38
2.1.1.2 Второй структурный уровень 40
2.1.1.3 Третий структурный уровень 41
2.1.1.4 Пористость 42
2.1.1.5 Неорганические компоненты 43
2.1.1.6 Органические компоненты 44
2.1.2 Механические свойства дентина 45
2.1.2.1 Сжатие 45
2.1.2.2 Растяжение 48
2.1.2.3 Изгиб 50
2.1.2.4 Сдвиг 53
2.1.2.5 Точечное нагружение 54
2.1.3 Механическая модель деформационного поведения дентина 56
2.1.4 Развитие трещин в дентине 61
2.2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНА 67
2.2.1 Механические свойства при сжатии 67
2.2.1.1 Размерный эффект 73
2.2.1.2 Эффект формы 75
2.2.1.3 Зависимость свойств от скорости нагружения 86
2.2.3.2 Ползучесть 90
2.2.1.4 Влияние среды на свойства 93
2.2.1.5 Низкотемпературные испытания 95
2.2.1.6 Рентгеноструктурный анализ 104
2.2.1.7 Чистые напряжения 106
2.2.2 Механические свойства при растяжении 113
2.2.2.1 Диаметральное сжатие 113
2.2.2.2 Диаметральное сжатие при низких температурах 118
2.2.3 Механические свойства при изгибе 123
2.2.3.1 Изгиб 123
2.2.3.2 Зависимость свойств от скорости нагружения 125
2.2.3.3 Ползучесть 130
2.2.4 Механические свойства при сдвиге 133
2.2.5 Сравнение деформационного поведения дентина с кварцевым
стеклом, оксидом алюминия и оргстеклом 137
2.2.5.1 Сжатие 137
2.2.5.1 Диаметральное сжатие 143
2.2.6 Сравнение деформационного поведения дентина с
наполненными полимерами 147
2.2.6.1 Сжатие одиночное 148
2.2.6.2 Сжатие материалов в соединении с дентином 150
2.2.6.3 Изгиб одиночное 156
2.2.6.4 Изгиб материалов в соединении с дентином 162
2.3 МЕХАНИЗМЫДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ В ДЕНТИНЕ 166
2.4 ВЫВОДЫ 168
3 ЭМАЛЬ 169
3.1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 169
3.1.1 Микроструктура эмали 169
3.1.1.1 Первый структурный уровень 169
3.1.1.2 Второй структурный уровень 171
3.1.1.3 Третий структурный уровень 172
3.1.1.4 Пористость 173
3.1.1.5 Неорганические компоненты 173
3.1.1.6 Органические компоненты 174
3.1.2 Механические свойства эмали 175
3.1.2.1 Сжатие 175
3.1.2.2 Растяжение 177
3.1.2.3 Точечное нагружение 177
3.1.3 Механическая модель деформационного поведения эмали 181
3.1.4 Развитие трещин в эмали 184
3.2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭМАЛИ 187
3.2.1 Механические свойства при сжатии 187
3.2.1.1 Эффект формы 189
3.2.1.2 Зависимость свойств от скорости нагружения 192
3.2.3.3 Ползучесть 195
3.2.1.4 Низкотемпературные испытания 198
3.2.1.5 Рентгеноструктурный анализ 199
3.2.1.6 Чистые напряжения 200
3.2.2 Механические свойства при растяжении 210
3.2.2.1 Диаметральное сжатие 210
3.2.2.2 Диаметральное сжатие при низких температурах 214
3.2.3 Механические свойства при сдвиге 217
3.3 МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ В ЭМАЛИ 223
3.4 ВЫВОДЫ 224
4 ДЕНТИНОЭМАЛЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ 225
4.1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 225
4.1.1 Микроструктура дентиноэмалевого соединения 225
4.1.2 Механические свойства дентиноэмалевого соединения 228
4.1.2.1 Сжатие 228
4.1.2.2 Растяжение 229
4.1.2.3 Изгиб 233
4.1.2.4 Точечное нагружение 234
4.1.3 Развитие трещин вблизи дентиноэмалевого соединения 235
4.2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНОЭМАЛЕВОГО
СОЕДИНЕНИЯ 235
4.2.1 Механические свойства при сжатии 235
4.2.2 Низкотемпературные испытания 239
4.2.3 Механические свойства при сдвиге 242
4.3 РОЛЬ ДЕНТИНОЭМАЛЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ В
ДЕФОРМАЦИОННОМ ПОВЕДЕНИИ ЗУБА 248
4.4 ВЫВОДЫ 249
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 250
БЛАГОДАРНОСТИ 252
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 253
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 254
1 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ 18
1.1 Приготовление образцов и аттестация микроструктуры 18
1.2. Приготовление образцов и проведение механических испытаний 20
1.2.1 Сжатие 20
1.2.2 Изгиб 28
1.2.3 Диаметральное сжатие 30
1.2.4 Сдвиг 32
1.3 Механические испытания в среде 35
2 ДЕНТИН 38
2.1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 38
2.1.1 Микроструктура дентина 38
2.1.1.1 Первый структурный уровень 38
2.1.1.2 Второй структурный уровень 40
2.1.1.3 Третий структурный уровень 41
2.1.1.4 Пористость 42
2.1.1.5 Неорганические компоненты 43
2.1.1.6 Органические компоненты 44
2.1.2 Механические свойства дентина 45
2.1.2.1 Сжатие 45
2.1.2.2 Растяжение 48
2.1.2.3 Изгиб 50
2.1.2.4 Сдвиг 53
2.1.2.5 Точечное нагружение 54
2.1.3 Механическая модель деформационного поведения дентина 56
2.1.4 Развитие трещин в дентине 61
2.2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНА 67
2.2.1 Механические свойства при сжатии 67
2.2.1.1 Размерный эффект 73
2.2.1.2 Эффект формы 75
2.2.1.3 Зависимость свойств от скорости нагружения 86
2.2.3.2 Ползучесть 90
2.2.1.4 Влияние среды на свойства 93
2.2.1.5 Низкотемпературные испытания 95
2.2.1.6 Рентгеноструктурный анализ 104
2.2.1.7 Чистые напряжения 106
2.2.2 Механические свойства при растяжении 113
2.2.2.1 Диаметральное сжатие 113
2.2.2.2 Диаметральное сжатие при низких температурах 118
2.2.3 Механические свойства при изгибе 123
2.2.3.1 Изгиб 123
2.2.3.2 Зависимость свойств от скорости нагружения 125
2.2.3.3 Ползучесть 130
2.2.4 Механические свойства при сдвиге 133
2.2.5 Сравнение деформационного поведения дентина с кварцевым
стеклом, оксидом алюминия и оргстеклом 137
2.2.5.1 Сжатие 137
2.2.5.1 Диаметральное сжатие 143
2.2.6 Сравнение деформационного поведения дентина с
наполненными полимерами 147
2.2.6.1 Сжатие одиночное 148
2.2.6.2 Сжатие материалов в соединении с дентином 150
2.2.6.3 Изгиб одиночное 156
2.2.6.4 Изгиб материалов в соединении с дентином 162
2.3 МЕХАНИЗМЫДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ В ДЕНТИНЕ 166
2.4 ВЫВОДЫ 168
3 ЭМАЛЬ 169
3.1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 169
3.1.1 Микроструктура эмали 169
3.1.1.1 Первый структурный уровень 169
3.1.1.2 Второй структурный уровень 171
3.1.1.3 Третий структурный уровень 172
3.1.1.4 Пористость 173
3.1.1.5 Неорганические компоненты 173
3.1.1.6 Органические компоненты 174
3.1.2 Механические свойства эмали 175
3.1.2.1 Сжатие 175
3.1.2.2 Растяжение 177
3.1.2.3 Точечное нагружение 177
3.1.3 Механическая модель деформационного поведения эмали 181
3.1.4 Развитие трещин в эмали 184
3.2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭМАЛИ 187
3.2.1 Механические свойства при сжатии 187
3.2.1.1 Эффект формы 189
3.2.1.2 Зависимость свойств от скорости нагружения 192
3.2.3.3 Ползучесть 195
3.2.1.4 Низкотемпературные испытания 198
3.2.1.5 Рентгеноструктурный анализ 199
3.2.1.6 Чистые напряжения 200
3.2.2 Механические свойства при растяжении 210
3.2.2.1 Диаметральное сжатие 210
3.2.2.2 Диаметральное сжатие при низких температурах 214
3.2.3 Механические свойства при сдвиге 217
3.3 МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ В ЭМАЛИ 223
3.4 ВЫВОДЫ 224
4 ДЕНТИНОЭМАЛЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ 225
4.1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 225
4.1.1 Микроструктура дентиноэмалевого соединения 225
4.1.2 Механические свойства дентиноэмалевого соединения 228
4.1.2.1 Сжатие 228
4.1.2.2 Растяжение 229
4.1.2.3 Изгиб 233
4.1.2.4 Точечное нагружение 234
4.1.3 Развитие трещин вблизи дентиноэмалевого соединения 235
4.2 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕНТИНОЭМАЛЕВОГО
СОЕДИНЕНИЯ 235
4.2.1 Механические свойства при сжатии 235
4.2.2 Низкотемпературные испытания 239
4.2.3 Механические свойства при сдвиге 242
4.3 РОЛЬ ДЕНТИНОЭМАЛЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ В
ДЕФОРМАЦИОННОМ ПОВЕДЕНИИ ЗУБА 248
4.4 ВЫВОДЫ 249
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 250
БЛАГОДАРНОСТИ 252
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 253
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 254
На ранних этапах своего развития, человек использовал природные материалы в хозяйственной деятельности, например, камни, дерево, кости и раковины моллюсков. По мере развития общества, стали появляться материалы искусственного происхождение, чье строение и свойства непрерывно совершенствовались с течением времени. Несмотря на это, существует необходимость в разработке новых легких материалов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, которые бы сочетали в себе высокую прочность и деформируемость. В последнее время наблюдается тенденция «возврата» к природным материалам, так как благодаря их сложной архитектуре, при малом весе, они обладают высокими прочностными свойствами, которые часто превосходят на несколько порядков свойства их компонентов [1-5]. Понимание механизмов деформации и разрушения в таких природных композитах, открывает широкие возможности создания нового поколения материалов с уникальным сочетанием прочностных свойств [6,7]. При этом механические характеристики многоуровневых биологических композитов, отражают свойства материала на всех уровнях, поэтому подобного рода исследования должны включать в себя все масштабные уровни: макро, мезо и микроуровень. Данное направление развития материаловедения, когда создаются материалы с заданными прочностными свойствами благодаря копированию микроструктуры биологических тканей, называется биомиметикой [8-12].
Несмотря на развитие физических методов исследования микроструктуры и свойств твердых тел, полностью решить поставленную задачу не удается. Многие исследователи охарактеризовали микроструктуру широкого спектра природных материалов: дерево, рога, кости, зубы, шелк, рыбью чешую, клювы птиц и раковины моллюсков [2,3,13]. Тем не менее, лишь немногие из них всесторонне охарактеризовали механические свойства этих материалов. Еще меньше, выявили механизмы, лежащие в их основе [14-16]. Существуют примеры получения синтетических копий этих материалов, но их применение в большей степени было неудачным.
Твердые ткани зубов человека (дентин и эмаль) человека являются примером материалов с высокими эксплуатационными характеристиками, они обладают сложным строением и уникальным сочетанием прочностных свойств, что позволяет им выдерживать воздействие механических нагрузок и агрессивной среды полости рта в течение длительного времени [17-20]. Поэтому дентин и эмаль зубов человека можно рассматривать, как перспективные материалы для изучения с целью создания научной основы для разработки нового класса материалов, обладающих высокими прочностными свойствами при малом весе. Естественно, что исследование их свойств, будет, представляет интерес и для медицинских наук.
Степень разработанности темы
Зуб человека - это орган, который служит для измельчения / перетирания пищи и обладает для этого соответствующей формой и строением [21]. Зуб анатомически принято разделять на две части: коронку и корень (рисунок 1). Коронка зуба возвышается над десной и покрыта самой твердой тканью в человеческом организме - эмалью. Корень зуба расположен в ячейке челюстной кости и покрыт цементом, который обеспечивает связку зуба с десной. Основную массу зуба составляет дентин. В середине зуба имеется полость, которая переходит в узкий канал, заканчивающийся отверстием на верхушке корня, где располагаются мягкие ткани зуба - пульпа. Она состоит из сплетения нервных волокон и кровеносных сосудов [22].
Несмотря на развитие физических методов исследования микроструктуры и свойств твердых тел, полностью решить поставленную задачу не удается. Многие исследователи охарактеризовали микроструктуру широкого спектра природных материалов: дерево, рога, кости, зубы, шелк, рыбью чешую, клювы птиц и раковины моллюсков [2,3,13]. Тем не менее, лишь немногие из них всесторонне охарактеризовали механические свойства этих материалов. Еще меньше, выявили механизмы, лежащие в их основе [14-16]. Существуют примеры получения синтетических копий этих материалов, но их применение в большей степени было неудачным.
Твердые ткани зубов человека (дентин и эмаль) человека являются примером материалов с высокими эксплуатационными характеристиками, они обладают сложным строением и уникальным сочетанием прочностных свойств, что позволяет им выдерживать воздействие механических нагрузок и агрессивной среды полости рта в течение длительного времени [17-20]. Поэтому дентин и эмаль зубов человека можно рассматривать, как перспективные материалы для изучения с целью создания научной основы для разработки нового класса материалов, обладающих высокими прочностными свойствами при малом весе. Естественно, что исследование их свойств, будет, представляет интерес и для медицинских наук.
Степень разработанности темы
Зуб человека - это орган, который служит для измельчения / перетирания пищи и обладает для этого соответствующей формой и строением [21]. Зуб анатомически принято разделять на две части: коронку и корень (рисунок 1). Коронка зуба возвышается над десной и покрыта самой твердой тканью в человеческом организме - эмалью. Корень зуба расположен в ячейке челюстной кости и покрыт цементом, который обеспечивает связку зуба с десной. Основную массу зуба составляет дентин. В середине зуба имеется полость, которая переходит в узкий канал, заканчивающийся отверстием на верхушке корня, где располагаются мягкие ткани зуба - пульпа. Она состоит из сплетения нервных волокон и кровеносных сосудов [22].
1. Масштабные уровни в материалах с развитой иерархической структурой определяют разные деформационные механизмы, которые активируются в зависимости от схемы нагружения и величины прикладываемой нагрузки.
2. Дентин способен к высокой упругой и значительной необратимой деформации. Эмаль выдерживает значительную упругую деформацию, но способна к необратимой деформации, только тогда, когда нагрузка прикладывается перпендикулярно эмалевым стержням, в противном случае ее можно охарактеризовать, как хрупкий материал.
3. Дентин и эмаль являются анизотропными материалами, но несмотря на это их можно рассматривать, как изотропные до 17% и 5% деформации сдвига, соответственно. Плоскость перпендикулярная дентинным каналам является легкой для разрушения, тогда как в эмали плоскость перпендикулярная стержням является трудной для разрушения.
4. Необратимая деформация в дентине обеспечивается за счет органической фазы и пористости межтрубочкового дентина. При этом при растяжении основной вклад вносит органическая фаза, а при сжатии пористость. Необратимая деформация в эмали реализуется при изгибе эмалевых стержней за счет сцепления между собой палочковидных кристаллов
5. Релаксация напряжения в этих твердых тканях происходит также за счет
роста трещин. При этом дентин и эмаль способны эффективно подавлять их рост: дентин, благодаря способности к высокой деформации
межтрубочкового дентина; в эмали основным механизмом остановки роста трещины является образование мостов на переплетениях эмалевых стержней. Дентинные каналы включаются в процесс разрушения, когда к образцу прикладываются растягивающие нагрузки, в противном случае, когда сжимающие нагрузки максимальны, разрушение реализуется в межтрубочковом дентине.
6. Соединение дентина с эмалью играет важную роль в деформационном поведении зуба, компенсируя напряжения между этими твердыми тканями, обладающими разными прочностными свойствами. Стабильность соединения достигается за счет того, что механические свойства дентина и эмали снижаются вблизи границы и становятся равными друг другу.
2. Дентин способен к высокой упругой и значительной необратимой деформации. Эмаль выдерживает значительную упругую деформацию, но способна к необратимой деформации, только тогда, когда нагрузка прикладывается перпендикулярно эмалевым стержням, в противном случае ее можно охарактеризовать, как хрупкий материал.
3. Дентин и эмаль являются анизотропными материалами, но несмотря на это их можно рассматривать, как изотропные до 17% и 5% деформации сдвига, соответственно. Плоскость перпендикулярная дентинным каналам является легкой для разрушения, тогда как в эмали плоскость перпендикулярная стержням является трудной для разрушения.
4. Необратимая деформация в дентине обеспечивается за счет органической фазы и пористости межтрубочкового дентина. При этом при растяжении основной вклад вносит органическая фаза, а при сжатии пористость. Необратимая деформация в эмали реализуется при изгибе эмалевых стержней за счет сцепления между собой палочковидных кристаллов
5. Релаксация напряжения в этих твердых тканях происходит также за счет
роста трещин. При этом дентин и эмаль способны эффективно подавлять их рост: дентин, благодаря способности к высокой деформации
межтрубочкового дентина; в эмали основным механизмом остановки роста трещины является образование мостов на переплетениях эмалевых стержней. Дентинные каналы включаются в процесс разрушения, когда к образцу прикладываются растягивающие нагрузки, в противном случае, когда сжимающие нагрузки максимальны, разрушение реализуется в межтрубочковом дентине.
6. Соединение дентина с эмалью играет важную роль в деформационном поведении зуба, компенсируя напряжения между этими твердыми тканями, обладающими разными прочностными свойствами. Стабильность соединения достигается за счет того, что механические свойства дентина и эмали снижаются вблизи границы и становятся равными друг другу.
Подобные работы
- ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ
В МАТЕРИАЛАХ С РАЗВИТОЙ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ.
ДЕНТИН И ЭМАЛЬ ЗУБОВ
Авторефераты (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 2700 р. Год сдачи: 2015