The role of a compliant adhesive interlayer in determining critical conditions for radial fracture at the undersurfaces of brittle coatings bonded to substrates of dissimilar materials is investigated.
Brittle layer structures are introduced for engineering and bio-mechanical applications. Contact damage of model brittle bilayer are classified as near contact damage (cone crack or yielding) and far field damage (radial crack or substrate yielding). Analysis extended to trilayer of multilayer are briefly described and preliminary analysis of adhesive interlayer are presented. In practical applications, all-ceramic dental restoration are considered and problems are defined. Dental cements are introduced as materials type.
Semi-empirical relations for the critical loads are derived by treating the adhesive as a part of an effective substrate, thereby reducing the problem to that of a bilayer. This is modification from bilayer equation and consistency with bounding condition. Analytical solution are available from same concept of effective modulus but semi empirical equation is preferred because of its simplicity and suitability.
A finite element analysis of a model silicon/epoxy/glass system is used to evaluate adjustable parameters in the analytical relations. The stress contour of trilayer shows that tensile stress is more concentrated at undersurface of coating, compare to bilayer. FEA results of different adhesive thickness and modulus can be explained with semi-empirical equation. There are some discrepancy between FEA results and prediction from equation, but still equation accommodates main trends of effect of adhesive interlayer.
Model bilayer and trilayer were fabricated by controlling the adhesive parameters. Hertzian indentation test used to estimate the failure of layer structure. In situ experimental observations of crack initiation on the same material system are used to verify these relations. Thin and stiff thickness adhesive interlayer performs high resistance to radial cracking. Delamination of layer structure is primary limiting factor of stable layer structure.
Effect of adhesive interlayer in dental system are investigated with experimental and analytical method. As analysis of dental system by semi-empirical equation, good bonding should be assumed prior to adhesive interlayer thickness and modulus. Adhesive thickness then should considered when low modulus adhesive is used to join dental crown to dentin. Experimental results shows evidence of prediction from semi-empirical equation. Adhesive thickness and modulus have insignificant influence on radial cracking. However adhesion strength affects on critical load of radical cracking dramatically. Adhesion strength is required for stable dental system and adhesive thickness and modulus are secondary contribution on failure of dental system.
취성 코팅 소재는 일반적으로 내부 재료를 보호하기 위한 목적으로 구조적 및 화학적으로 안정한 코팅층을 접착제로 접합하여 형성시킨다. 이러한 취성 코딩 재료에서 접착층이 코팅층 방사 균열 임계 파괴 조건에 미치는 영향에 대해서 연구하였다.
세라믹 재료는 기계적 및 화학적 안정성에 의해서 공학 및 생체 재료로서 응용되고 있다. 인공 치아 소재는 세라믹 재료와 덴틴의 이중층 구조를 이루고 있다. 이러한 취성 층상 구조는 이중층 구조로서 모델링되었으며, 접촉 하중 하에서 손상 거동은 접촉 인접 지역의 원추형 균열과 코팅층의 하부의 방사형 균열로 규명되었다. 취성층의 두께와 재료 선택에 위한 지침이 제시되어 있으며 안정한 구조를 설계하는 바탕이 된다. 치아의 손실이 있는 경우 인공 치아는 주로 금속 재료를 사용하였으나, 심미적인 측면의 요구로 인하여 모든 소재를 세라믹을 이용하는 치아 구조가 도입되고 있다. 인공 치아는 일반적으로 두 층의 세라믹으로 이루어진다. 내부의 세라믹 층은 강도 및 탄성율이 높아 파괴에 대한 저항성을 목적으로 사용되고 외부의 세라믹 재료는 자연 치아와 같은 색깔을 갖는 심미적 목적으로 사용된다. 이러한 세라믹 재료는 치아용 접착제를 사용하여 접합하게 된다. 따라서 접착제에 의해서 생성되는 접착층이 인공 치아 구조에 안정성에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 한다.
본 연구에서는 취성 이중층 구조에서 중간 접착층이 코팅층 바닥 하부 방사 균열에 영향을 준다는 가정하에 코팅층의 방사 균열에 대한 임계 하중에 대한 준 경험식을 수치해석 결과와 비교하여 제시하였다. 방사 균열을 발생시키기 위한 임계 하중은 코팅층의 강도, 두께 및 코팅층과 지지층의 탄성율에 의해서 결정되므로 접착층과 지지층을 한 층으로 간주하고 이때의 복합 탄성율은 중간 접착층과 지지층의 두께와 탄성율의 함수로 표현될 수 있다고 가정하였다. 이 함수를 결정하기 위해서 유한요소법을 이용하여 이중층 및 삼중층 재료에서 구형 압자를 이용하여 하중을 주고 코팅층 하부 바닥면의 응력 상태를 계산하였다. 이 결과를 바탕으로 복합 탄성율이 접착층의 두께와 탄성율에 어떠한 영향을 받는지 고찰하였으며, 이 거동을 기술하기 위해서 Weibull 함수를 채택하였고 필요한 상수를 결정하였다. 여러 조건에서 유한요소법의 결과와 도출된 준 해석식에 의한 에측은 전체적으로 일치하는 경향을 보여주어 준해석식의 범용성을 확인하였다.
또한 실험적 결과를 이용하여 준해석식의 적합성을 확인하기 위해서 실리콘 단결정을 코팅 재료로, 유리를 지지층으로 하는 이중층을 설계하였고 접착층으로는 에폭시가 사용되었다.접착층은 일정 두께로 조절 되었으며 이에 따른 방사균열을 일으키기 위한 임계 하중을 변화를 얻었으며 이 값이 준해석식에 의한 예측과 비슷한 경향을 보인다. 다른 종류의 접착재료를 사용하여 접착층의 탄성율을 변화시켰으며 이 실험 결과 또한 준해석식의 에측과 부합하였다. 방사 균열에 영향을 미치는 요소로 접착 강도 또한 중요한 요소임이 확인되었다. 이 접착 강도는 실험식의 변형에 의해서 수치적 값으로 환산될 수 있으며 상대 평가가 가능하였다. 접착 강도가 약한 경우 방사 균열을 일으키는 임계 하중 값이 급격히 감소하고 있는 것이 관찰되었다.
이러한 결과를 바탕으로 세라믹 인공 치아 재료에서 접착층의 영향을 고찰하였다. 알루미나를 코팅층으로 하고, 덴틴과 비슷한 탄성율을 갖는 덴탈 복합 소재를 지지층으로 사용하였으며 현재 치과용으로 사용중인 여러 덴탈 접착제를 이용하여 층상구조를 제작하고 임계하중을 측정하였으며 준경험식과 비교 고찰하였다. 높은 탄성율의 접착 소재가 사용되는 경우 접착층 두께가 20 μ에서 400 ㎛으로 증가하는 경우 임계 하중에 대한 영향은 미미할 수 있으나, 탄성율이 낮은 접착층의 경우 (3 - 5 GPa) 두께층의 증가는 대략 20% 의 임계하중 감소를 가져올 수 있다. 또한 현재 사용되고 있는 치과 접착재료의 탄성율을 범위에서 (3 - 10GPa) 임계 하중의 값은 크게 15% 까지 차이를 발생시킨다. 그러므로 세라믹 인공 치아 재료의 시술에서 파괴에 대한 안정성을 향상시키기 위해서 얇은 두께와 높은 탄성율의 접착층이 요구된다고 결론 지울 수 있다.
