氢氟酸处理对二硅酸锂玻璃陶瓷表面形貌及粗糙度的影响

doi:10.3877/cma.j.issn.1674-1366.2013.01.005

目的

探讨氢氟酸处理时间对二硅酸锂玻璃陶瓷表面形貌及粗糙度的影响，拟为与之相关的玻璃陶瓷机械强度和树脂粘接强度做出初步解释。

方法

采用失蜡铸造法制作直径10 mm、厚1 mm 的玻璃陶瓷片状试件15 个，打磨抛光之后随机分为5 组，每组3 个。陶瓷表面分别接受9.5%的氢氟酸凝胶酸蚀处理0、20、40、60 和120 s。使用原子力显微镜（AFM）测量表面粗糙度参数和酸蚀深度，观测其表面三维形貌，并结合使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对陶瓷表面微观结构进行观察分析。

结果

FE-SEM 观察显示，陶瓷表面的玻璃基质首先被氢氟酸侵蚀溶解，随着酸蚀时间的延长，玻璃基质进一步被侵蚀，部分晶体结构也从陶瓷表面脱落、消失。 AFM 测量酸蚀表面得出，对照组、20、40、60 和120 s 氢氟酸处理组陶瓷片表面粗糙度Ra［分别为（17.2 ±1.6）、（241.8 ± 23.6）、（290.6 ± 38.2）、（322.6 ± 19.6）和（371.3 ± 43.0） nm］随氢氟酸酸蚀时间的延长而显著增加（P＜0.05），且与酸蚀时间成正相关。

结论

氢氟酸处理可显著增加二硅酸锂陶瓷表面粗糙度。结合使用FE-SEM 和AFM 能够更好地对玻璃陶瓷的酸蚀表面微观形貌结构进行分析评价。

关键词: 玻璃陶瓷, 酸蚀, 场发射扫描电子显微镜, 原子力显微镜, 表面粗糙度

Objective

To analyze the effect of hydrofluoric acid （HFA） etching time on the surface roughness and the topography of lithium disilicate glass ceramic.

Methods

Fifteen glass ceramic disks （10 mm in diameter and 1 mm in thickness） were made from IPS e.max® Press ingots by lost-wax，hot-pressed ceramic fabrication technology，and then divided randomly into five groups（three per group） after polishing. The ceramic surfaces of different groups were etched by 9.5%hydrofluoric acid gel for 0，20，40，60，and 120 s，respectively. Atomic force microscope （AFM） was used to evaluate the surface roughness and the 3D topography. Microstructure was also analyzed by the field emission scanning electron microscope （FE-SEM）.

Results

The result showed that the etching with hydrofluoric acid resulted in preferential dissolution of glass matrix，and that partially supported crystals within the glass matrix were lost with the increase of etching time. AFM measurements indicated that the Ra ［（17.2±1.6）、（241.8±23.6）、（290.6±38.2）、（322.6±19.6） and （371.3±43.0） nm］ of ceramic increased with the HFA etching time，and there was a positive correlation between the surface roughness （Ra and Rq） and the etching time.

Conclusions

HF etching can significantly improve the surface roughness of lithium disilicate glass ceramic. The study demonstrates the benefits of combining two microscopic methods for a better understanding of the etched ceramic surface.

Key words: Glass ceramic, Etching, Field emission Scanning electron microscope, Atomic force microscope, Surface roughness

图1 IPS e.max®Press 玻璃陶瓷表面未酸蚀前的表面形貌（SEM × 5000）箭头示陶瓷内部缺陷

图2 20 s 氢氟酸处理组陶瓷片的表面形貌（SEM × 5000）

图3 120 s 氢氟酸处理组陶瓷片的表面形貌（SEM × 5000）

图4 氢氟酸酸蚀0 s 的玻璃陶瓷表面三维形貌图（20 × 20 μm²）其中Ra=17.2 nm

图5 氢氟酸酸蚀20 s 的玻璃陶瓷表面三维形貌图（20 × 20 μm²）其中Ra=241.8 nm

图6 氢氟酸酸蚀120 s 的玻璃陶瓷表面三维形貌图（20 × 20 μm²）其中Ra=317.3 nm

表1 不同酸蚀时间各组陶瓷片表面粗糙度参数的比较（±s）

组别	平均粗糙度（nm）	最大波峰-波谷值（μm）	均方根差（nm）
0 s对照组	17.2±1.6	0.3±0.08	22.8±1.4
20 s氢氟酸处理组	241.8±23.6	2.0±0.54^a	309.4±45.4
40 s氢氟酸处理组	290.6±38.2^a	2.5±0.42^ab	368.6±42.7^a
60 s氢氟酸处理组	322.6±19.6^a	2.6±0.37^abc	404.0±25.8^a
120 s氢氟酸处理组	371.3±43.0	3.0±0.26^bcd	458.8±53.4
F	222.5	44.7	192.9
P	＜0.001	＜0.001	＜0.001

表1 不同酸蚀时间各组陶瓷片表面粗糙度参数的比较（±s）

组别	平均粗糙度（nm）	最大波峰-波谷值（μm）	均方根差（nm）
0 s对照组	17.2±1.6	0.3±0.08	22.8±1.4
20 s氢氟酸处理组	241.8±23.6	2.0±0.54^a	309.4±45.4
40 s氢氟酸处理组	290.6±38.2^a	2.5±0.42^ab	368.6±42.7^a
60 s氢氟酸处理组	322.6±19.6^a	2.6±0.37^abc	404.0±25.8^a
120 s氢氟酸处理组	371.3±43.0	3.0±0.26^bcd	458.8±53.4
F	222.5	44.7	192.9
P	＜0.001	＜0.001	＜0.001

图7 陶瓷表面粗糙度参数（Ra、Rq）与酸蚀时间之间的关系Ra 为平均粗糙度，Rq 为均方根差。其中，Ra：r²=0.93；Rq：r²=0.92，相关系数为0.96

图8 各陶瓷片表面酸蚀深度与酸蚀时间之间的关系Rp-v：最大酸蚀深度（最大波峰-波谷值）；MD：平均酸蚀深度

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