材料性质的表达

表达材料性质时必须使用可以量化的参数，通过量化后的性能参数既可以评价材料性能的优劣，更可以从中发现规律，对材料科学的进一步发展提供指导。作为口腔材料必须明了的性质是：物理性质、化学性质、机械性能以及生物学性能。

一、物理性质

1．密度（density） 物质的密度是单位体积的质量，以g／cm3为标准单位，国际通用的符号为ρ。另外一个概念是比重（specific gravity），它是相同体积的某种物质的质量与4℃纯水的质量之比，没有单位，所以密度和比重从严格的意义上讲不能通用，常见口腔材料的比重见表7-4。

真正意义的密度是由构成物质的元素的原子量、原子半径和电子数决定的，但是由于材料中不可避免地存在空隙，所以一般意义上的密度多为散装密度（bulk density）。在机械强度足够的情况下密度小的物质更适宜作为口腔材料，因为在加工和固位方面会有一些方便之处。

2．热膨胀（thermal expansion or thermal dilatation） 除极个别的情况，材料的体积在温度升高时将发生膨胀，即热膨胀。这是由于原子和分子的热振动加剧造成的。从物质结合方式的原理中可以分析出，离子化合物和共价化合物的热膨胀一般较小，而金属和通过分子间结合形成的物质，如高分子材料的热膨胀会较大。

表7-4　常见口腔材料的比重

评价热膨胀大小的是热膨胀系数（α），它是材料随温度增加长度增加的比率，也就是膨胀-温度曲线的斜率。具体计算公式为：

（注dl：长度变化；l0：原有长度；dT：温度变化）

以上以长度变化表示的热膨胀系数（α）也称为线热膨胀系数，用体积变化表示时则称为体积膨胀系数（β）。两者之间的关系可用β≈3α来表示。

热膨胀系数的匹配在口腔材料用于窝洞充填时意义重大，另外在开发用于烤瓷熔附金属冠修复的陶瓷时也具有至关重要的作用，常见口腔材料的热膨胀系数（表7-5）。

表7-5　常见口腔材料的热膨胀系数

3．热导率（thermal conductivity） 热导率的定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量，是衡量一种材料传热能力的量度，常用符号“k”来表达。导热的原理是物质在受热状态下温度上升时，原子和分子的不规则热振动显著加剧，这种振动会传导给相邻粒子。由于金属存在大量自由电子所以金属的导热性极佳。而有机高分子主要靠晶格传导振动，效率低下，故导热性不良。

物质温度升高快慢还要看热容大小。比如铜的热传导率大，大铜块热容大，仅对铜的大部件进行局部加热温升速度就慢。

义齿基托材料的热传导率过低时，黏膜对热的感觉迟钝容易造成烫伤，常见口腔材料的热导率见表7-6。

表7-6　常见口腔材料的热导率

4．热扩散性（thermal diffusivity） 热扩散性是通过某种材料传递温度变化的比率，单位是cm2／s，常用符号“α”或“k”表达。它与导热系数K、比热Cp，以及密度ρ存在以下关系，比热Cp与密度ρ的乘积代表了单位容积热容量（volumetric heat capacity）。热扩散性常与热导性一起用来衡量材料的散热能力。

5．比热（specific heat） 比热严格说来有两种意义：一是升高物体温度1℃所需要的热量与升高相等质量的水温度1℃所需要的热量之比，二是1克物质升高温度1℃所需要的以卡为单位的热量。知道材料比热值，就能计算出对它降温所需要除去的热量或升温所需要的热量。在天然物质中，水的比热是最大的，人工合成材料中比热大于水的数量也极少。比热还分定容比热（用Cv代表）和定压比热（用Cp代表），一般以1g水作为基准物。常见材料的比热见表7-7。

表7-7　常见口腔材料的比热

二、机械性质

1．应力与应变（stress and strain） 应力的符号为“σ”，指作用在材料单位横断面积上的内力。对某种材料施加外力时，材料内部必然产生抵抗力，也叫内部应力，这种力的方向与外力方向相反，大小相等。由于应力存在于材料内部各处，所以应力可用如下公式表示：

根据力的作用方向，应力又可分为张力（拉伸力）、压缩力或剪切、弯曲力等。

应变的符号为“ε”，是指材料在外力作用下形状改变量，一般用变形后的长度与原始长度的比值来表示。

2．应力-应变曲线（stress-strain curve） 应力与应变相互之间是互相关联的，对某一物体施加外力必然会导致内部应力的产生，从而发生应变。以应力为纵轴，应变为横轴描绘出的曲线被称为应力-应变曲线。

以拉伸试验应力-应变曲线为例，曲线解析见图7-3。

（1）弹性变形阶段（弹性与塑性、弹性模量与刚性、挠度）：物质受力以后，应力一定会导致形变，但当外力卸去时，变形可以消失，恢复原状，应力也归零，这种性质称为弹性。此时外力与变形之间成正比，曲线呈一直线状态，即遵循虎克定律。但是这种关系仅在比例极限（proportional limit，图中A点）以内成立。一旦超过该限度就会发生永久性变形。这种现象在结晶体中普遍存在，但是在非结晶体中常常在发生弹性形变的同时又产生流动形变，而且两种形变还很难区分。

图7-3　应力-应变曲线

在弹性变形阶段，应力与应变的比率被称为弹性模量（elastic modulus），它是对材料刚性的度量，单位为Pa，一般用符号“Y”表示，Y＝σ／ε。弹性模量越大表示材料的刚性也就越大。刚性是物体能够抵抗外力作用直到断裂时的最大强度（表7-8）。

与比例极限相近的还有一个弹性限度（elastic limit），它的定义是卸去外力时应变也不能复原的最大应力。在图7-3上位于A点和B点之间。弹性限度值和比例极限近似，有时可以被混用。物质这种永久变形的性质称为塑性。塑性易受温度影响，温度高，形变大。

（2）屈服阶段（屈服点和屈服强度）：弹性变形阶段以后，外力仅有少许增加，但试件显著伸长。这时材料似乎失去了对变形的抵抗能力，外力增加很小，变形却继续增大，这种现象称为屈服或降服。屈服点或称降服点（yield point）位于图7-3上B点，但是严密求证屈服点是十分困难的。为方便起见，可以将去除外力后残留永久性形变为0．2%时的点作为屈服点，此时的应力称为屈服强度（yield strength）或耐力。另外一个表达方式是屈服强度指能使材料发生永久形变的应力值。

表7-8　常见口腔材料的弹性模量

在进入屈服阶段以后，在应力与应变还会同步增加，但是一旦超过应力最大值（图7-3中的C点），随着应变的增加，应力反而减小，直到断裂（图7-3中的D点）。在拉伸试验中应力最大值就是材料的拉伸强度。

（3）弹性能量（elastic energy）图7-4：弹性能量是材料在弹性限度以内所吸收的能量，一般用符号“U”表示。所以在弹性限度内的弹性能量可以通过U＝Yε2／2来计算。Y为弹性模量，ε为应变量。当材料形变超过弹性限度，例如到达C点时，由于此时卸去外力应变只能由b点回复到a点，故弹性能量计算方式应改为U＝Yε（b-a）2／2。参照图7-4可知其余能量被不可复形变所消耗。

图7-4　弹性能量

3．永久应变（permanent strain） 如上面所述，外力超过了弹性限度后造成的不可复性形变就称为永久应变。韧性与脆性，延性与展性都是特殊的永久应变。

（1）韧性（toughness）与脆性（brittleness）：韧性指材料从发生形变至折断点之前所吸收的能量。体现了材料的回弹功能及其耐受塑性变形而不折断的能力。金属一般都具有较大的韧性。在拉伸实验中，一般金属在外力增大时很容易发生永久应变，但是却很难将其拉断。义齿基托材料的韧性已及其他机械性能可以用挠度表示。挠度是物体承受低于比例极限的应力时所发生的应变。如果仅施加轻微或中等应力就可以使物体发生极大形变，该物体就具有挠曲性。挠度是评价口腔材料的特殊指标之一。

与韧性相反的是脆性，它表现的是材料在外力作用下尚未发生明显永久应变时就发生破坏的性质。典型的脆性材料是陶瓷。陶瓷几乎不发生永久形变，一旦变形，内部的裂纹就会伸展开来造成材料的断裂。无机材料的脆性一般都比较大。

具有较大韧性或脆性的材料分别有特殊的应力-应变曲线表现，见图7-5。

图7-5　应力-应变曲线

（2）延性（ductility）与展性（malleability）：我们有时会说金具有良好的延展性，但是延性与展性实际上是不同的概念。延性是指材料在超过弹性限度的拉力下延伸变形成为细丝的性质，而展性则是指材料在超过弹性限度的压力和打击下展伸成薄箔的性质。延性和展性不一定同步增长，当材料温度上升时展性变大但延性并不增加。

4．流变学（rheology） 一般来说固体变形、液体流动是完全不相干的两个概念，但是，固体在长时间的较大外力作用下会有黏性流动的反应。液体在受到冲击时也一样会有弹性的举动，流变学指标就是针对物体与此有关的特性。常见的指标是蠕变和粘弹性。

（1）蠕变（creep）：蠕变即当长期施加一个静止或运动的低于弹性限度的力时，物体先发生流动继而发生缓慢形变的现象，可以简单定义为当应力保持恒定时，形变随时间而变化的现象称为蠕变。蠕变量的大小与材料性质、外力的大小和作用时间有关，与环境温度的关系也很紧密（图7-6）。由于口腔内的特殊环境，口腔材料的蠕变性能就显得非常重要。

图7-6　蠕变曲线

（2）粘弹性（viscoelasticity）：粘弹性即材料同时出现弹性变形和黏性流动的现象。一般弹性材料在受到弹性限度以内的外力时，一旦外力消失，可以立即恢复形状，但如果恢复过程是缓慢发生的，而且存在一定程度上的永久形变，这种材料就称为粘弹性材料。

粘弹性体有几种模式，一种可以用Voigt model来表示（图7-7a，d），即外力作用一定时间达到平衡后撤去外力时，形变逐渐恢复。这种情况也称为延迟弹性（delayed elasticity）。另外一种可以用Maxwell model表示（图7-7b，e），即外力撤去后形变立即有所恢复，但存在一定程度的永久应变。第三种是结合了以上两种模式的四因素模式，即外力加载的瞬间材料发生弹性形变，经过一定时间后达到平衡，外力去除后发生弹性形变回复（图7-7c，f）。四因素模式较好地表现了口腔印模材料的粘弹性举动。

5．强度（strength） 材料的强度实际上就是材料在试验时达到破坏点之前的最大应力，依照外力的作用方向和试验方式又可分为多种。

图7-7　粘弹性模式图

（1）压缩强度（compressive strength，σc）：对两面光滑而且平行的圆柱状试件从两端给予载荷进行压缩，试件最终会向与载荷方向垂直的方向膨胀变形，最终破坏。直到试件破坏为止的最大载荷除以试件的截面积即为压缩强度：

口腔材料中需要直接承受压力的充填材料，如复合树脂等就必须具备足够耐受咀嚼压力的压缩强度。

（2）拉伸强度（tensile strength，σT）：将试件两端固定并给予拉伸应力，直到试件断裂为止的最大应力除以试件的截面积即为拉伸强度：

拉伸强度多用于金属材料性能的检测。但是金属具有优良的延展性，在测定时需要对检测结果进行适当的补正。

测定瓷材这样的脆性材料的拉伸强度存在诸多困难，例如试件的制作、两端拉力作用轴心偏移的影响等。因此，常用Diametral compression test间接计算。在这个试验中，压力导致圆形试件的裂开，在假设两侧分力相等的前提下，用过计算就可以从最大压力导出拉伸强度（图7-8）。

图7-8　脆性材料拉伸强度的测试原理

（P为破坏为止的最大应力，d为试件直径，t为试件长度）

拉伸强度的同义词很多，如扯断力、扯断强度、抗张力、抗张强度等。按照现行国家标准规定，统一称其为拉伸强度，单位为MPa。

（3）剪切强度（shear strength，σs）：指单位结合面积上能够承受平行于结合面的最大剪切应力，即抵抗把它错开成两部分的能力，常用的单位也为MPa。

剪切强度多用来表示两种材料的结合强度的大小。例如复合树脂与牙面的结合强度、烤瓷冠瓷层与金属的结合强度等。

（4）弯曲强度（bending strength，σf）：材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定挠度时能承受的最大应力。按照试验方法又分为三点弯曲强度和四点弯曲强度，主要用于瓷、树脂等脆性材料。当试件的形态不同时，弯曲强度的计算方法也有所变化（表7-9）。

表7-9　不同试件断面形态时弯曲强度计算方法

两种方法中以四点弯曲法更为接近材料真正的强度，原因是应力不会过度集中。牙齿在受到侧向力作用时颈部就会有弯曲应力存在。

（5）冲击强度（impact strength）：冲击强度指材料承受冲击的能力。试验方法见图7-9，用上扬α角度的撞槌冲击开有凹槽的试件，从撞槌击断试件后惯性上扬的角度β来计算试件破坏所吸收的能量。按照固定试件的方式有Charpy冲击试验和Izod冲击试验两种。分别图示如下。

图7-9　冲击强度试验

（6）疲劳（fatigue）与疲劳极限（fatigue limit）：疲劳是由应力不断变化引起的材料逐渐破坏的现象。美国材料试验协会（american society for testing materials，ASTM）的定义为“材料某一点或某一些点在承受交变应力和应变条件下，使材料产生局部的永久性的逐步发展的结构性变化过程。在足够多的交变次数后，它可能造成裂纹的积累或材料完全断裂”。材料在交变应力作用下首先形成小裂纹，每当再次受力时都会使小裂纹增加或增长。当裂纹增加到一定长度时，力的作用结果就会使剩余的材料发生折断。导致材料破坏的交变应力作用次数称为疲劳寿命。

试件在交变应力下的疲劳破坏具有以下主要特征：①破坏时的最大应力远低于材料的抗拉强度极限，甚至低于材料的屈服极限；②不论是塑性材料还是脆性材料，疲劳破坏都呈脆性断裂的特征，破坏前无明显的塑性变形，破坏突然发生；③断口的形貌特征是先在试件的高应力区的表面缺陷处形成疲劳源（图7-10）。邻近处是光滑区，光滑的原因是应力循环过程中裂纹两侧表面的研磨。最远端是粗糙区，那是由于随着裂纹的扩展，试件的截面逐渐削弱至不能承担载荷而突然断裂而形成。

图7-10　试件疲劳示意图

即使承受无限次交变应力也不会导致材料破坏的最大应力称为疲劳极限。影响试件疲劳极限的主要因素主要有：①外形突变引起应力集中；②尺寸效应。疲劳极限随构件尺寸的增加而下降；③构件表面状态的影响。表面的刻痕、擦伤等缺陷会降低疲劳强度；④试件的工作环境具有腐蚀性，如腐蚀性气体、海水等对疲劳强度有不利影响。

提高疲劳强度的方法中除了以上要注意的因素以外，高质量的表面加工非常重要，其中以抛光的影响最大，而且材料的强度越高，疲劳极限受影响越大。另外，提高表层材料的强度也非常有效。口腔内的咀嚼压力是典型的交变应力，所以烤瓷或全瓷修复体最终必须经过精细的表面抛光才能尽可能消除疲劳的不利影响。

（7）耐磨耗性能：即使是表面再光滑的物体在微观下也是凸凹不平的，两个物体在受压状态下发生摩擦时，各自突出的部分会受到剪切力的作用并发生破坏，实际上这就是磨耗的过程。由于影响磨耗的因素很多，例如表面形状、压力、相对运动速度、温度等，所以一般材料耐磨耗性能时多采用试件大小或重量的变化间接表示。

6．硬度（hardness） 硬度是材料对压印、刮痕等外力的抵抗能力。根据试验方法不同有邵氏硬度（Shore hardness Hs）、布氏硬度（Brinell hardness HB）、洛氏（Rockwell hardness Hvr）硬度、维氏硬度（Vichers hardness Hv）、莫氏（Mohs）硬度、巴氏（Bar-col）硬度等。硬度的数值与硬度计类型而有关，数值彼此间不能互换。而且硬度没有单位。

在常用的硬度计中，邵氏硬度计结构简单，依靠测量针的刺入深度测定硬度值，主要适于测量橡胶。邵氏硬度计可分为A型、C型、D型，A型用于测量软质橡胶，C和D型用于测量半硬和硬质橡胶。

测定口腔材料的硬度时经常使用布氏硬度、维氏硬度和努氏硬度。

布氏硬度靠测量钢球压痕直径来计算硬度值，主要用于金属等材料。计算公式为：

（注：P：压力；S：表面积；D钢球直径；d：压痕直径；h：压痕深度）

维氏硬度通过测压顶角为136°的正四面锥体钻石压子的压痕对角线长度来计算，主要用于脆性材料。测定维氏硬度时的压力小于布氏硬度。计算公式为：

（注：P：压力；d：压痕对角线长度）

努氏硬度与维氏硬度的测量方法相近，只是钻石压子由正四面锥体改为菱形锥体。由于菱形压痕不易受材料弹性的影响，另外针对脆性材料的压痕边缘也非常清晰，所以适用范围较广。计算公式为：

（注：P：压力；A：压痕投影面积；l：长的菱形对角线长度）

7．尺寸稳定性 尺寸稳定性指材料在固化以后，当温度变化或内部水分含量发生变化时其体积变化是否在允许范围以内，通常用长度或体积变化的百分数来表示。可以直接测量，但是一般精度较低。间接测量法则是借助专门仪器将长度变化转变为电信号，如应变计、差动变压器等。

三、化学性质

从口腔医学角度出发，树脂和水门汀材料主要的化学性能可以归结为在有水的环境下的稳定性、溶解性、吸附性、pH值以及与牙体组织的化学粘结性能几个方面。另外，对于高分子材料聚合性能及材料老化也很重要。

1．腐蚀 树脂和水门汀材料也存在腐蚀问题，但是有别于金属腐蚀。口腔环境乍看起来好像并不具有侵蚀性，它是一个含水的性能优异的缓冲环境，pH值在7左右，温度稳定在37℃，也没有紫外线和离子辐射，但是它是一种含盐的溶液，也就是极好的电解质，因此也就促进了电化学机制的腐蚀和水解。另外唾液中还含有多种分子和细胞，它们有催化化学反应或迅速破坏外来成分的能力。总之，口腔内的唾液、食物以及分解物、细菌及真菌等构成了腐蚀环境，再加上咀嚼应力的反复作用，构成了各种腐蚀现象的发生基础。一般来说，腐蚀是从变色逐渐开始的。对聚合物来说则主要是降解作用。

2．扩散、溶解和吸附 扩散是物质的原子和分子向周围移动的现象，固体材料均匀、稳定地分散在溶剂中的过程则称为溶解。真正的高分子材料虽然不溶于水，但是材料中的大量添加剂以及未结合游离单体却可以溶解到唾液中，对人体组织造成不良影响，同时进入到材料内部的水分也可以导致树脂性能的下降。大多数水门汀材料在液体环境下也都有轻微的溶解。很多材料中添加有金属或金属氧化物类，金属离子的扩散也是必须加以考虑的。玻璃离子水门汀的氟释放也是一种扩散。

吸附是两种物质间通过静电吸引和范德华力所产生的吸着现象。总义齿基托与黏膜之间的吸附会产生积极的影响，但是吸附过程是无选择的，细菌、微生物或食物残渣等也会通过吸附附着到材料表面产生消极的影响。

3．水解 聚合物大多能吸水，吸水过程使水分进入分子结构中，而分子结构有可能是易水解的，也可能相反，因此水分的吸收特性和聚合物的水解特性共同决定了聚合物在该液体环境中的行为。按照Williams（1982）的描述，聚合物的降解敏感顺序依次为：

（1）能水解易吸水的聚合物容易发生降解；

（2）能水解但不易吸水的聚合物通过表面腐蚀机制降解；

（3）不水解但吸水的聚合物会发生膨胀和破裂等结构变化，但是不一定发生分子降解；

（4）既不水解又能抵抗水分侵入的聚合物最不易发生降解。

4．老化（aging）和生物降解（biodegradation） 老化特指高分子材料在加工储存和使用过程中由于对一些环境因素导致性能逐渐下降的现象。影响老化的有内在因素和外在因素。内在因素中高分子材料的结构至关重要，凡结构中含有支链、较多双键或者含有杂原子（N、O、S等）时材料就容易老化。另外，引发剂、催化剂，添加剂中的有些组分也会促进高分子材料老化。聚合过程中分解出来的金属离子，以及微量有害金属杂质，也会严重危害高分子材料的耐老化性能。外部因素中，日光、辐照、热、臭氧、相对湿度等都可以加速老化。另外在环境介质中，通过生物的复杂作用，也可以将有机物分子分解，该过程常被称为生物降解（biodegradation）。生物降解有两个主要因素，即酶和自由基，通过它们的介导导致的聚合物降解已经得到了充分的证明。当然除此之外可能还有其他的未经证明的因素。

5．化学性粘结 化学性粘结是指固体与固体最重要的结合方式。与化学性粘结相关的因素是润湿作用，润湿状态越好，粘结效果越佳。化学性粘结要求被粘物体与粘结剂在原子水平上产生共价键和离子键结合，因此在口腔环境内进行的化学性粘结，对材料的性能要求是非常高的，一是口腔环境的影响，二是牙质与口腔材料之间大多有亲水性和疏水性之分。有关各种材料与牙体组织的粘结问题详见前面各章节。

四、生物学性质

作为与人体组织直接接触的材料，牙科树脂和水门汀材料必须具有良好的生物性能。

1．生物安全性 口腔材料必须对人体安全，这是首要的原则。安全性表现在：无毒、无刺激（对牙髓组织安全）、无变态反应性、无致癌性、无致畸变性及无生物退变性，代谢或降解产物对人体无害，无蓄积性。

牙科树脂与水门汀材料属于非置入C型材料，即与无损伤黏膜、牙体硬组织表面或内部接触，又暴露于口腔内，接触时间＞30d。

针对生物安全性的试验包括体外细胞毒性试验和体内全身毒性及局部置入试验。全身毒性试验包括：系统毒性试验、急性皮肤毒性试验、变态反应试验、吸入毒性试验、遗传毒性试验、细胞毒性试验、置入后局部反应试验。针对口腔材料的特殊试验有牙髓和牙本质试验、盖髓和牙髓切断试验以及根管内试验。

高分子材料中各种添加物以及未完全反应的剩余单体一旦在口腔内溶出经常会对人体组织和细胞造成不良影响甚至导致坏死，水门汀材料在硬化之前也会对人体组织产生不良化学刺激。此外即使材料本身没有任何毒性但是表面粗糙等不良物理刺激也会对人体组织产生不良影响。

2．对人体组织的亲和性 材料除了必须无毒、无刺激之外，如果与人体组织具有良好的亲合性就能更好地发挥作用。人体组织的极性较大，与人体组织极性越相近材料与细胞的接触角越小，润湿性能越好，亲和性也就越佳。

高分子材料亲水基团越多，亲和性也就越佳，与牙体组织的粘结性能越好。

3．生物相容性 生物相容性指某种材料在特殊的部位、针对某种目的与宿主同处于静动态变化环境中互相作用而保持相对稳定不被排斥的性质。这是一种综合性质，包括生物化学、力学以及电学等方面的内容，但是针对生物相容性的检测尚未形成标准而量化的试验方法，其概念和内容也尚未取得广泛共识。

五、加工成型性和临床操作性（内容从略）