Прочность на изгиб и модуль упругости против трещиностойкости

Дэвид Н. Рудо, президент компании «Риббонд»
(г. Сиэтл, США) David N. Rudo

Резюме

Каждому стоматологу необходимо иметь глубокие знания о свойствах материалов, которые он применяет в своей практике. Как доказал Дж. Э. Гордон, материалы ломаются не из-за недостаточной прочности на изгиб или недостаточного модуля упругости, а из-за низкой трещиностойкости.
Наиболее трещиностойким стоматологическим материалом, армированным волокном, является Риббонд. Для его создания используются те же суперпрочные волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWP), что и в производстве бронежилетов. Они сплетены таким образом, что препятствуют распространению микротрещин в полимерной матрице композита.

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.

Ключевые слова

стоматологические материалы, армированные волокном, Риббонд, трещино- стойкость, прочность на изгиб, модуль упругости.

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

Наука

Если вы хотите понять, почему и как стоматологические материалы разрушаются и ломаются, то традиционное тестирование прочности на изгиб и тестирование модуля упругости при изгибе не предоставят вам нужных фактов. Эти отдельные типы тестирования прочности весьма обманчивы: они дают ложное понимание того, сколько энергии, нагрузки и работы разрушения требуется, чтобы сломать стоматологический материал.
Реальное понимание того, почему и как материалы разрушаются, наилучшим образом сформулировал профессор Дж. Э. Гордон (1913- 1998), — один из основателей современной науки о материалах. Профессор Гордон утверждал, что материалы ломаются не из-за не- достаточной прочности на изгиб или недостаточного модуля упругости, но из-за низкой трещиностойкости. Трещиностойкость — это способность материала пользуя нежесткие материалы, чем создать структуру, обладающую трещиностойкостью, используя нетрещиностойкие материалы. Действительно, создать структуру, способную преодолеть низкую трещиностойкость материала, намного труднее.

Тип волокон

Для создания материала Риббонд используются те же супер прочные волокна сверх высокомолекулярного полиэтилена (UHMWP), что и в производстве бронежилетов. В отличие от них, стекловолокна прочны в том смысле, что обладают относительно высокой прочностью на изгиб и высоким модулем упругости, но стекловолокна хрупкие и нетрещиностойкие, вот почему из них не делают бронежилеты.

Направление волокна

Однонаправленные волокна весьма эффективно обеспечивают прочность на изгиб и модуль упругости образцам, тестируемым в лабораторных условиях, если образцы для испытаний подвергаются нагрузке только по направлению, параллельному однонаправленным волокнам. Однако в реставрированных зубах обычно действуют разнонаправленные силы, поэтому эффективность однонаправленных волокон оказывается весьма скомпрометированной в том случае, если нагрузки применяются перпендикулярно к однонаправленным волокнам. Однонаправленные волокна не обеспечивают механических соединений между соседними нитями и не препятствуют распространению трещины в полимерной матрице композита вследствие разнонаправленных нагрузок.

В материале Риббонд волокна сплетены с по-мощью запатентованного разнонаправленного перевивочного переплетения, обеспечивающего механические сцепления соседних нитей. Эти механически сцепленные волокна препятствуют распространению трещин в полимерной матрице композита и придают ей трещиностойкость.

Стекло имеет высокую прочность на изгиб, но оно хрупкое.

Достаточно трещиностойкий материал, чтобы остановить пулю.

Однонаправленные волокна прочные в одном направлении, но слабые в другом.

Сцепленное перевивочное переплетение.

Прочность соединения

Производители материалов, армированных стекловолокном, предлагая их к продаже, утверждают, что стекловолокно имеет более высокую прочность соединения с полимером, чем сверхвысокомолекулярный полиэтилен, и поэтому такой материал прочнее. Стоматологи считают, что высокая прочность соединения волокон с полимерным композитом необходима, поскольку необходима также и высокая прочность соединения полимерного композита со структурой зуба.

Это неверное предположение. Дж. Э. Гордон объяснил, что относительно высокая прочность соединения волокон с полимером делает материал хрупким. Чем выше прочность соединения между полимером и волокнами, тем более эффективно энергия микротрещин передается от полимера к волокну. Вследствие этого вероятность разрушения волокон и хрупкость резко возрастают.

Парадоксально, но средняя прочность соединения между полимером и волокнами порождает более высокую трещиностойкость, чем высокая прочность соединения. Умеренная прочность сцепления полимера и волокна отклоняет энергию трещины, поэтому для дальнейшего распространения трещины требуется еще больше энергии.

Понимая этот феномен, в хай-тек промышленности (например, в производстве компонентов для корпусов самолетов и кораблей) используют стекловолокно с примесями, чтобы снизить прочность его соединения с полимером.

Хороший пример данного явления — небьющееся ветровое стекло автомобиля. Тонкая полимерная пленка помещается между двумя листами стекла, действуя как слабая граница раздела, которая перенаправляет энергию трещины и притупляет передачу этой энергии от одного лис-та стекла к другому.

Еще более подходящий пример — это зубная эмаль. Межпризменное вещество в зубной эмали имеет относительно слабые связи с эмалевыми призмами. Эта слабая граница раздела является механизмом, уменьшающим нагрузку и препятствующим быстрому распространению трещин, что делает зубную эмаль трещиностойкой.

Если под термином «прочность» иметь ввиду способность противостоять неудачному исходу стоматологического лечения, то мы утверждаем, что Риббонд — наиболее прочный стоматологический материал, армированный волокном.

Трещиностойкое небьющееся стекло.

Трещиностойкая зубная эмаль.

Scroll to top