Dreikörperverschleiß und Oberflächenermüdung von Kompositfüllungswerkstoffen

In einer In-vitro-Untersuchung sollten Erkenntnisse über den
Verschleißvorgang kommerzieller und experimenteller
Füllungsmaterialien gewonnen werden. Schwerpunkte der Studie waren
die Verschleißquantifizierung, der Einfluss elastischer
Eigenschaften auf die Verschleißfestigkeit und die zugrunde
liegenden mikromorphologischen Verschleißmuster. Zur Erstellung
einer Datenbasis wurden kommerzielle Komposite mit
unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften verwendet. Von der
Firma Degussa/Dentsply wurden Blindproben experimenteller Komposite
mit Füllkörpervariationen des Hydroxylapatit- und
Präpolymerisatgehaltes sowie experimentelle Komposite mit
differierendem Anteil an porösen Füllkörpern und unterschiedlichem
Silanisierungsgrad zur Verfügung gestellt. Die Kompositmatrix war
für beide experimentellen Gruppen unterschiedlich. Die
Verschleißprüfung der Materialproben wurde in der ACTA-Maschine
(Fa. Willytec, München) als Dreikörperverschleiß durchgeführt, die
als internationaler Standard gilt [De Gee, 1994]. Die
Oberflächenermüdung der Materialien wurde von den
Verschleißmechanismen Abrasion und Erosion in der ACTA-Maschine
überlagert, daher erfolgte zusätzlich ein Zweikörperverschleiß zur
Oberflächenermüdung im Fatigue-Tester (Fa. Willytec, München). Alle
Proben wurden nach der Verschleißprüfung mit einem
computergesteuerten Perthometer vermessen. Daneben wurden 60
ausgewählte Proben vergleichend mit einem neu entwickelten
Probeneinsatz (Fa. Willytec, München) im Laserscanner
dreidimensional erfasst und, gleich den Perthometerdaten, mit dem
Programm Match 3D ausgewertet. Von allen Materialien wurde mit
Hilfe des Fischerscopes (Fa. Fischer, Sindelfingen) der
Elastizitätsmodul ermittelt. Zur Ergänzung der Verschleißdaten
wurden Aufnahmen der Probenoberflächen mit dem
Rasterelektronenmikroskop erstellt, um einen Einblick in
mikromorphologische Verschleißmechanismen zu erhalten. Das
Verschleißverhalten der Komposite wurde von den Füllkörpern
dominiert, mit vernachlässigbarem Einfluss der Matrix. Bei den
kommerziellen Kompositen war aufgrund der hohen E-Modul-Varianz
eine Korrelation der rheologischen Eigenschaften und des
Verschleißverhaltens gegeben. Die Verschleißdaten der
experimentellen Materialien korrelierten nicht mit dem E-Modul der
Materialien. Der prozentual geringe Hydroxylapatit- und
Präpolymerisatgehalt führte bei den experimentellen Kompositen
gegenüber der Kontrollgruppe ohne ihren Zusatz nicht zu einer
höheren Verschleißfestigkeit, was auf einen frühzeitigen Verlust
des unsilanisierten Hydroxylapatites und den überlagernden Einfluss
der Glasfüllkörper zurückzuführen ist. Die porösen Füller der
experimentellen Komposite beeinflussten das Verschleißverhalten in
beiden Testreihen unterschiedlich. Während in der ACTA-Maschine
kein oder ein geringer Anteil an porösen Füllkörpern zu einem
signifikant schlechtem Verschleißverhalten führte, ist diese
Korrelation nach der Oberflächenermüdung im Fatigue-Tester nicht
gegeben. Kein direkter Einfluss auf den Verschleiß der Komposite
konnte der Silankonzentration der porösen Füllkörper zugeschrieben
werden. Das Komposit mit 12 Gew.% porösen Füllern und
zehnprozentiger Silanisierung schien die optimale Zusammensetzung
in Bezug auf die Verschleißresistenz zu sein. Die
rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der experimentellen
Materialien zeigten füllkörperdominierte Oberflächendefekte. Neben
Füllkörperfehlstellungen, Matrixauswaschung an Korngrenzen oder dem
Lösen von Glasfüllkörpern, wurde bei den experimentellen Kompositen
der Verlust von Hydroxylapatitpartikeln beobachtet. Bei den
experimentellen Kompositen mit porösen Füllkörpern war die
Degradation der großen porösen Gläser in verschiedenen Stufen zu
erkennen. Angefangen mit Rissen auf der Oberfläche und angelösten
Randbereichen, traten Füllkörperfrakturen und der Verlust ganzer
Füllkörper auf. In der vorliegenden Arbeit konnten interessante
Wege der Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Kompositen
gewonnen werden und Verschleißmuster nach Zweikörper- und
Dreikörperbelastung belegt werden.