除了碱含量增加以外,陶瓷的组成一般相当于某些玻璃的组成。为了增加热膨胀使与金属底帽相容,必须加入较大量的钠碱和钾碱。
遮色陶瓷含有较多的金属氧化物不透明成分,目的在于掩饰底层金属并尽量减小遮色层厚度。
值得注意的是,由于碱含量的缘故,金属-陶瓷中所用的高膨胀陶瓷容易产生反玻璃化作用。这些陶瓷不应反复烧结,因为这样容易使陶瓷内产生云纹而变暗。
因此,很明显,合金和陶瓷在性能上的恰当配合对成功而言是必不可少的。已提出了确定这种一致性(compatibility)的标准和测试方法,包括热膨胀系数、热传导性(确定抗热冲击能力)以及结合的性质和强度。
◇釉质-金属结合(Enamel-Metal Bonds)
贵金属合金和牙科陶瓷之间结合的性质已成为大量讨论的主题。这是需要的,因为金属-陶瓷冠的成功有赖于金属和瓷面间的牢固结合。早期观点认为,一种情况下是“湿润结合(wetting bonds),而另一种情况下则是范德华力(van der Waal's force),这就足以解释所观察到的金属-陶瓷结合强度。但范德华力作用很小。
因此,黄金-陶瓷结合的性质已变得更为明确,而且可能可分为三个主要部分:机械、压缩和化学。
◇机械固位(Mechanical Retention)
如果与粗糙表面能达成密切接触,则机械固位依赖于陶瓷对金属或金属氧化物表面的良好湿润。有纹理结构的表面可促进机械固位。
黄金-陶瓷结合的显微切片显示陶瓷对金属的有效湿润。陶瓷进入凹角,界面处未发现明显空隙,根据这一事实可以推论,某种形式的机械嵌锁(mechanical interlocking)已经发生。这种机械结合对于陶瓷抵抗剪切应力肯定会起一定作用。
粗糙表面可增加结合对剪切应力的抵抗能力,尤其对贱金属合金体系(base-metal alloy systems)而言。与贵金属和贱金属的平滑表面相比,喷砂表面有如下优点:(1)提高陶瓷对金属底层的润湿能力;(2)由于陶瓷在压缩下的机械嵌锁作用而增加结合强度;(3)增加陶瓷化学结合的表面积。
喷砂表面与平滑表面相比有如下缺点:(1)过度粗糙可导致金属-陶瓷界面上应力集中;(2)陡峭的界面角度是润湿不完全,因而在金属-陶瓷界面上产生气泡和空隙。
◇压缩应力(Compressive Stresses)
烧结后的陶瓷在冷却过程中产生的压缩应力也有助于结合强度。陶瓷-金属体系被有意识的设计成轻度的热不匹配,以使陶瓷处于压缩状态。
◇化学结合(Chemical Bonding)
有证据强烈表明,存在某种形式的化学结合。金属-陶瓷界面的电子显微探查表明,铟或锡移动到合金表面形成铟或锡的氧化物,在烧结过程中与陶瓷结合在一起。
化学结合的进一步证据:用氢氟酸清洗金属可降低结合强度。这表明,氧化物膜在结合机制中确实起作用。当牙科陶瓷烧结到具有一定氧化层的金属上时,熔化玻璃(陶瓷)的氧表面与金属上的氧表面互相扩散,桥架氧(bridging oxygen)数目减少,从而改善界面处阳离子的屏蔽(screening)。如果玻璃未充满特定的氧化物,它将通过其金属阳离子溶解氧。这样,玻璃-氧化物界面处的玻璃就变得充满了氧化物。这种玻璃在组成上保持不变(当温度不变时),并与氧化物处于热动力平衡,其结果是键能(bond energies)和化学键的平衡。
于氧-玻璃界面处维持饱和的关键是,界面处氧化物的溶解速度高于溶解后的氧化物扩散离开界面的速度。
强力粘着结合(adhesive bond)的第一需要是胶粘剂必须润湿被粘物。在目前情况下,釉质被看作胶粘剂,因为它在烧结过程中流布于合金上面。另外,胶粘剂的润湿能力可用其接触角来进行测量。很明显,陶瓷釉质的接触角须待其在熔化温度之上处于液态时进行测定,但粘着力却可以在室温下测量,因为在变成固态以后应力的热动力状态仍保持不变。
实践中应采用与每一釉质都匹配的特殊铸造合金。而且,通常随每种釉质都提供有结合剂(bonding agent),用于被粘金属。采用两种结合剂。一种利用陶瓷材料熔附于金属;第二种系金粉糊剂。