Композиционные материалы. классификация и требования

Композитные материалы с металлической матрицей

При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и так далее. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны — одинаковы во всех направлениях. Добавление 5-10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450—500° С, вместо 250—300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают материала, что создаёт значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и так далее.

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и так далее длиной 0,3—15 мм и диаметром 1-30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24% «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза — других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Какие перспективы?

По мнению представителей сферы промышленности России, композиционный материал относится к материалам нового поколения. Планируется, что к 2020 году вырастут объемы внутреннего производства продукции композитной отрасли. Уже сейчас на территории страны реализуются пилотные проекты, направленные на разработку композитных материалов нового поколения.

Применение композитов целесообразно в самых разных сферах, но наиболее эффективно оно в отраслях, связанных с высокими технологиями. Например, сегодня ни один летательный аппарат не создается без использования композитов, а в некоторых из них используется порядка 60 % полимерных композитов.

Благодаря возможности совмещения различных армирующих элементов и матриц можно получить композицию с определенным набором характеристик. А это, в свою очередь, дает возможность применять эти материалы в самых разных сферах.

Структура композитных материалов

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, дисперсноупрочнённые, упрочнённые частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами — кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придаёт материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счёт добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных плёнок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочнённых частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20—25 % (по объёму), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15 % (по объёму) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов — нового класса композиционных материалов — ещё меньше и составляют 10—100 нм.

Другие виды стоматологических композитов

Если необходимо поставить пломбу на небольшую поверхность, то лучше использовать текучие материалы. Потому что они достаточно гибкие, хорошо затвердевают и сохраняют презентабельный внешний вид. Однако их с трудом можно будет разглядеть на рентгене. Он значительно уменьшается после затвердевания, не отличается высокой прочностью.

Новый и еще не до конца изученный материал – нанокомпозиты. Они сохраняют цвет, блеск, хорошо полируются. Характеризуется прочностью и низким процентом усадки, но их высокая стоимость может оттолкнуть пациента. Качество реставрации этого состава также нуждается в дополнительном исследовании.

Еще один не дешевый материал – ормокер (органически модифицированная керамика). Ормокер плотный, его усадка не превышает 2%. Однако его внешний вид не идеальный. Поскольку этот состав достаточно новый, он не до конца исследован и требует более подробного изучения.

Состав и степень наполнения композитов в стоматологии

Композитные материалы в стоматологии различаются по составу. Если в смеси используются частицы одной величины, то они называются однородные. Если используются гибридные – неоднородные. Если применяются частицы разной величины – тотально-выполненные. Материал наполняется на 80–90%, затем усаживается на 1,7–2%. Смеси из частиц разных величин отличаются необходимой твердостью, долговечностью. Пломба из такого материала плотно прилегает к зубу. Композиты делятся по уровню наполненности. Он определяется по массе или месту, которое наполнитель занимает в матрице. Высокий уровень наполненности дает составу прочность, маленький процент усадки, видимость на рентгене. Он может быть наполнен:

• Сильно (более 70%);
• Средне (от 65%);
• Слабо (до 65%).

Классификация композитных материалов в стоматологии по способу отверждения и консистенции Из молекул низкомолекулярного вещества должно получится высокомолекулярное, твердое. После изменения состояния, оно уменьшается. Это связано с меньшим расстоянием между молекулами в твердых веществах. Размер изменяется на 2–6%. То, каким путем начинается процесс затвердевания материала, различает композиты. Начать затвердевание можно с помощью света, действия химического вещества или их комплексного использования.

По уровню густоты выделяют составы в виде пасты и жидкие. Чтобы получить жидкий материал, надо использовать измененное базовое вещество, смола в котором высокотекучая. Также различают составы, которые отличаются средней вязкостью, текучестью разной степени, пакуемостью, конденсируемостью. Рассмотрим некоторые типы композитных пломбировочных материалов.

Величина наполнителя композитных материалов в стоматологии

Наполнитель состоит из частиц, чтобы придать полученному составу определенные свойства, выбирается разная величина частиц. Крупные частицы плохо выдерживают трение и физическое воздействие, быстро начинают неестественно блестеть. Большими считаются частицы больше 0,1 мкм. Они могут быть стеклянными или кварцевыми. Еще в их состав входят химические вещества: алюминий, барий, литий, стронций, титан. Мелкие частицы можно получить, используя двуокись кремния.

Классификация композитов по величине частиц:

• Микронаполненные (от 0,04 до 0,4 мкм);
• Мининаполненные (от 1 до 5 мкм);
• Макронаполненные (от 8 мкм);
• Микрогибридные (смесь от 1 до 5 мкм и от 0,04 до 0,1 мкм);
• Макрогибридные (смесь от 8 до 12 мкм и от 0,04 до 0,1 мкм);
• Смешанные составы (от 0,01 до 0,1 мкм, от 1 до 5 мкм, от 8 до 5 мкм, от 1 до 5 мкм);
• Нанонаполненные (меньше 100 нм);
• Наногибридные (сочетание разных величин от 0,004 до 3 мкм).

Готовая паста

Это тоже дентин искусственного происхождения, только здесь вместо дистиллированной воды используется гвоздичное или персиковое масло. И в отличие от водного аналога, рассмотренного выше, данный препарат выпускается уже в готовом виде. То есть предварительно ничего смешивать не нужно.

Материал также легок в использовании, а твердеет под воздействием слюны в течение 3 часов. Но в сравнении с тем же уже знакомым водным дентином, масляный аналог отличается более повышенными прочностными характеристиками. Пломба способна выдерживать значительные нагрузки во время пережевывания пищи.

Ко всему прочему данный временный пломбировочный материал является еще и хорошим антисептиком. Что касается периода эксплуатации, то у масляного дентина срок службы может составить до 6 месяцев.

Классификация композитов в стоматологии

Композиты, которые применяются в стоматологии, представляют собой многофазные составы. Они различаются по степени вязкости. Основные функции, которые выполняют композиты или фотокомпозиты в стоматологии – лечебная и эстетическая. Популярность они получили благодаря своей пластичности, которая сочетается с крепостью.

Классификация этих стоматологических средств большая и сложная. Это объясняется многообразием стоматологических композитов. Они различаются по компонентам в составе, по величине наполнителя, по функции и другим показателям. Например, для разных видов зубов, в зависимости от их функции, будет использоваться разный тип. Выделяются композиты, которые предназначены для лечения передних зубов и боковых, необходимых для пережевывания пищи. Существуют составы, которые подходят для всех зубов.

Состав DentoCore body

Состав: Bis-GMA, мономер метакрилата, метакрилат связующий компонент, стекловолокна, наночастицы, светочувствительные частицы, активаторы пероксида и амина.

Матрица: Бис-ГМА (бисфенол А глицидил метакрилат), триэтиленгликоль диметакрилат.

Наполнители: силикаты, алюмоборосиликат бария.

Фотоинициатор: камфорохинон.

Сшивающий агент: молекулы со сверхразветвленными цепями.

DentoCore body — продукт, основанный на технологии сверхразветвленных мультиметакрилатных полимеров. Сверхразветвленные полимеры представляют собой материалы с меньшей вязкостью, чем линейные полимеры такой же молекулярной массы. Технология сверхразветвленных полимеров включает очень крупные молекулы с множеством цепей в смолистой матрице для улучшения механических свойств и уменьшения усадки благодаря тому, что множество функциональных групп обеспечивает высокую степень полимеризации.

А.Т. Туманов, К.И. Портной. Стеклопластики

Композиционные материалы, состоящие из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (ровингов), стеклотканей, стекломатов, рубленых волокон; связующим — полиэфирные смолы, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др.Для стеклопластиков характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости. Механические свойства стеклопластиков определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации стеклопластика — связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластки, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластки подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у стеклопластика первого типа волокна расположены взаимно параллельно, у стеклопластика второго типа — под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластки с неориентированным расположением волокон: гранулированные и спутанно-волокнистые пресс-материалы; материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Стеклопластки на основе полиэфирных смол можно эксплуатировать до 60-150 оС, эпоксидных — до 80-200 оC, феноло-формальдегидных — до 150-250 оС, полиимидов — до 200-400 оС. Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05, причём при нагревании до 350-400 оС показатели более стабильны для стеклопластиков на основе кремнийорганических и полиимидных связующих.Изделия из стеклопластиков с ориентированным расположением волокон изготавливают методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием либо прессованием, из пресс-материалов — прессованием и литьём.Стеклопластики применяют как конструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также стеклопластик используется как электроизоляционный материал в электро- и радиотехнике.

Лит.: Пластики конструкционного назначения, М., 1974.

В. Н. Тюкаев.Материалы проекта Рубрикон

Параформальдегид

Пасты на основе параформальдегида используются в стоматологии для мумификации и девитализации пульпы. В 1959 году Sargenti&Richter представили метод эндодонтической терапии, который включал в себя заполнение корневых каналов параформальдегидной пастой.Другие сторонники параформальдегидных паст также настойчиво утверждали их высокую противомикробную активность при эндодонтическом лечении. В то время как традиционные цинк-оксид-эвгенольные герметики используются в сочетании с твердыми филерами, такими как гуттаперча, N2, RC2B и Endomethosone, Spad и другие параформальдегидные пасты рекомендуется применять в качестве единственного материала для заполнения канала, что значительно увеличивает объем используемой пасты. Таким образом, увеличенная абсорция и токсичность параформальдегидных паст является серьезной проблемой при их использовании. Во многих опубликованных результатах исследований парестезий и других осложнений нижнего альвеолярного нерва после проникновения пломбировочного материала в нижнечелюстной канал в большинстве случаев причиной были раздражающие компоненты параформальдегидных паст. Brodin и другие ученые экспериментально доказали и продемонстрировали нейротоксичногсть параформальдегидных соединений. Кроме того, Brodinetal. показали, что среди других материалов N2 вызывает наибольшее нарушение проводимости нерва invitro. Ученые признали, что необходимо ограничить применение этих материалов в эндодонтии, поскольку публикуется все больше и больше сообщений об опасных осложнениях.

Из-за более высоких рисков осложнений такие материалы, как N2 или аналогичные, противопоказаны в применении. Когда существует более безопасная альтернативная терапия с применением традиционных пломбировочных материалов, нецелесообразно выбирать небезопасную методику.

Даже самые безопасные материалы могут привести к серьезным осложнениям, если их применять в больших объемах. Все известные герметики могут повреждать верхнечелюстной нерв при экструзии или слизистую верхнечелюстной пазухи. (Рис 8а-с)

Рис 8 (а) «Допустимое» выведение за верхушку нижнего моляра цинк-оксид-эвгенольного герметика, демонстрация обтурации и трехмерного уплотнения до апекса, что врядли повлияет на процесс заживления. Предоставлено dr. John Munce. (b)Недопустимое выведение параформальдегидной пасты в канал нижнечелюстного нерва. Пациент испытывал такие симптомы как боль в горле и потеря чувствительности, которые потребовали хирургического вмешательства спустя несколько недель. Даже после удаления зуба и извлечения остатков материала, пациент все еще испытывал жгучую боль и потерю чувствительности.

Стеклопластики

Для армирования этих композиционных материалов используются стеклянные волокна, сформованные из расплавленного неорганического стекла. Матрица основывается на термоактивных синтетических смолах и термопластичных полимерах, которые отличают высокая прочность, низкая теплопроводность, высокие электроизоляционные свойства. Изначально они использовались при производстве антенных обтекателей в виде куполообразных конструкций. В современном мире стеклопластики широко применяются в строительной сфере, судостроении, производстве бытового инвентаря и спортивных предметов, радиоэлектронике.

В большинстве случаев стеклопластики производятся на основе напыления. Особенно эффективен этот метод при мелко- и среднесерийном производстве, например корпусов катеров, лодок, кабин для автомобильного транспорта, железнодорожных вагонов. Технология напыления удобна экономичностью, так как не требуется раскраиваться стекломатериал.

Древесные композиты

Отдельно стоит упомянуть древесный композит. Он получается посредством сочетания сырья разного типа, при этом в качестве основного компонента выступает древесина. Каждый древесно-полимерный композит состоит из трех элементов:

• частиц измельченной древесины;
• термопластичного полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена);
• комплекса химических добавок в виде модификаторов – их в составе материала до 5 %.

Самый популярный вид древесных композитов – это композитная доска. Ее уникальность в том, что она объединяет в себе свойства и древесины, и полимеров, что существенно расширяет сферу ее применения. Так, доска отличается плотностью (на ее показатель влияет базовая смола и плотность древесинных частичек), хорошим сопротивлением на изгиб. При этом материал экологичный, сохраняет текстуру, цвет и аромат натурального дерева. Использование композитных досок абсолютно безопасно. За счет полимерных добавок композитная доска обретает высокий уровень износостойкости и влагостойкости. Ее можно использовать для отделки террас, садовых дорожек, даже если на них приходится большая нагрузка.

Формы выпуска DentoCore body

Шприц-автомикс DentoCore body

• 1 шприц (5 мл) оттенка А3, 10 смесительных насадок, 10 внутриротовых типсов, 10 экстратонких и удлиненных внутриротовых типсов.
• Дополнительный комплект смесительных насадок: 25 смесительных насадок, 25 внутриротовых типсов.
• Дополнительный комплект смесительных насадок: 25 смесительных насадок, 25 экстратонких и удлиненных внутриротовых типсов.

Картридж DentoCore body

• A3 оттенок: 1 картридж (50 г), 25 смесительных насадок, 25 внутриротовых типсов.
• Пистолет-диспенсер для картриджа.
• Дополнительный комплект смесительных насадок: 25 смесительных насадок, 25 внутриротовых типсов.

Основные типы

Классификация композитов основана на их матрице, которая может быть металлической и неметаллической. Материалы с металлической матрицей на основе алюминия, магния, никеля и их сплавов обретают дополнительную прочность за счет волокнистых материалов или тугоплавких частиц, которые не растворяются в основном металле.

Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику. Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани.

Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов:

• пропитка армирующих волокон матричным материалом;
• формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы;
• холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием;
• электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование;
• осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие.

Фосфатный и цинк-фосфатный цемент

Имеет широкую область применения: от постоянных пломб на молочных зубах с последующим изолированием коронкой до использования в качестве изолирующей прокладки при пломбировании другими материалами.

Методика пломбирования

Подготавливают порошок и воду. После этого переходят к ротовой полости. Зуб изолируют от попадания слюны при помощи ватных тампонов и высушивают полость струей воздуха.

Фосфат-цемент перемешивают хромированным или никелированным шпателем. Консистенция считается идеальной, если масса не растягивается, а рвется, оставляя зубцы не выше 1 мм. Полученный состав небольшими порциями вводят в полость зуба, тщательно заполняя все пространство.

Современные методы пломбировки каналов зуба

Метод депофореза позволяет стерилизовать каналы, заполняя все имеющиеся трещины и полости. Депофорез позволяет вылечить даже самые сложные случаи, например, когда каналы зуба кривые, либо доступ к ним затруднен. С помощью специального инструмента в канал вводят лекарственное вещество (гидроокись кальция и меди), добиваясь полной стерилизации.

Пломбирование зубов методом обтурации термофилами с помощью разогретой гуттаперчи. Это простой и надежный способ пломбировки каналов, однако неприятным последствием может стать выход материала для пломбировки за границы канала.

Разогретая гуттаперча может быть использована для пломбирования по следующим методикам:

Инъекционный метод, когда к проблемному участку подается гуттаперча температура которой достигает 100 градусов (выполнять процедуру может только высококвалифицированный стоматолог);

Метод вертикальной конденсации позволяет выполнить трехмерную пломбировку канала, но очень сложен в исполнении;

Метод непрерывной волны аналогичен методу вертикальной конденсации, но не так продолжителен во времени;

Шприцевое введение является быстрым и удобным методом пломбировки канала, но с его помощью не удастся добраться до боковых канальцев.

Метод пломбировки каналов с помощью холодной гуттаперчи.

Метод одного штифта (изготавливается штифт из гуттаперчи по форме канала);

Метод боковой конденсации (для заполнения канала используется несколько штифтов из гуттаперчи), в этом случае появляется риск перелома корня зуба и неплотное заполнение его канала;

Метод термомеханической конденсации (заполняется канал с помощью вращающегося инструмента), в этом случае есть риск перелома инструмента и некачественного наполнения зубного канала.

Мумификация канала. В этом случае пульпу обрабатывают большим количеством антисептиков, что останавливает прогрессирование воспалительного процесса.

Ретроградное пломбирование зубов – это современный метод пломбирования каналов. Для выполнения процедуры используют специальную насадку и пистолет для выполнения инъекции. Вначале выполняется заполнение корня выбранным материалом с помощью ретроградного движения, а затем врач может перейти к вертикальному заполнению.

Ранее применялось пломбирование каналов с использованием резорцин-формалиновой смеси, но этот метод имеет множество побочных явлений, и современные стоматологи от него отказались.