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Thèse Année : 2001

Contribution à la caractérisation des propriétés mécaniques et microstructurales des liaisons céramique-métal utilisées pour les applications des matériaux dentaires

Résumé

The utility of dental porcelain, as a restorative, can be extended in the PFM technique, as a strengthening mechanism for porcelain. Several layers of dental porcelain are fused to a metal casting. The coefficient of thermal expansion of these porcelains must be suitably matched with that of the alloy and the melting range of the alloy must be raised sufficiently above the fusion temperature of the porcelain for a successful operation.
This study deals with the evaluation of the mechanical behaviour at the interface of a glassy-ceramic coated onto palladium alloy substrate. Microstructural characterisations and residual stresses evaluations are carried out in the different layers of the sample. Residual stress measurements have been realised by neutron diffraction and high-energy synchrotron radiation to characterise the mechanical state of the sample.
The mechanical properties of metallic layers greatly depend on the residual stresses induced by the manufacturing of the coating. It is therefore very important to characterise these stresses. Some general aspects of the evaluation of residual stress are reported. A micro-mechanical model used in the study and a quick theoretical calculus are also presented.
Diffraction measurements have been performed in different zones in the sample, in particular, neutron diffraction to analyse both the glassy ceramic surface and the bulk of the leucite and of the palladium alloy; high energy synchrotron radiation for the metal/ceramic interfaces. In this way, they have allowed to obtain the best information in different regions of the analysed sample. For these experimental techniques, measurements carried out at the interface between two different materials are difficult to analyse due to great parasitic peak shifts which are obtained in such condition.
Therefore, it is important to correct the parasitic peak shifts which appear in these cases and which are not linked to the stress state of the scanned volume. This effect can be much greater than the peak shifts induced by the stresses. To solve this problem a complete modelling of 2-axis spectrometers, based on Monte Carlo calculations, has been developed either for neutrons or for synchrotron radiation. It allows also to optimise the experimental conditions and to define precisely the true volume of the neutron gauge.
The microstructure of a leucite dental glass-ceramic and of the palladium alloy substrate were finally investigated using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometry (EDS). The Transmission Electron Microscope technique (TEM) was also employed to study the structural properties of both materials.
L'importance des porcelaines dentaires (pour les méthodes de reconstruction) est liée à l'utilisation de la technique de la Porcelaine Fondue sur Métal (PFM) pour améliorer la résistance des dépôts de céramique.
Plusieurs couches de porcelaine sont déposées sur un métal élaboré par moulage. Le coefficient de dilatation thermique de ces porcelaines doit être le plus proche possible de celui de l'alliage. La température de fusion de l ‘alliage doit, de plus, être supérieure à celle de la céramique pour réussir l'opération.
Cette étude porte sur l'évaluation du comportement mécanique à l'interface d'une céramique déposée sur un substrat d'alliage de palladium. Une caractérisation microstructurale et l'évaluation des contraintes résiduelles ont été menées sur différentes couches de l'échantillon. Des évaluations de contraintes ont été réalisées par diffraction neutronique et par rayonnement synchrotron à haute énergie pour caractériser l'état mécanique de l'échantillon. En effet, les propriétés mécaniques des couches métalliques dépendent grandement des contraintes résiduelles induites par l'application du revêtement. Il est alors essentiel de caractériser ces contraintes. Nous présentons ici les aspects généraux de l'évaluation des contraintes résiduelles, un modèle micro-mécanique appliqué dans notre étude et un bref calcul théorique.
Des mesures par diffraction ont été réalisées dans différentes zones de l'échantillon. En particulier, nous avons employé la diffraction neutronique pour analyser la surface et l'épaisseur de la céramique vitreuse et le
coeur du substrat métallique, et le rayonnement synchrotron à haute énergie pour étudier l'interface céramique - métal. De cette façon, nous avons obtenu les meilleures informations sur les différentes régions de l'échantillon analysé.
Pour ces techniques expérimentales, les mesures conduites aux interfaces entre deux différents matériaux sont très difficiles à analyser à cause des déplacements parasites importants du pic de diffraction qui existent dans ces conditions. Ces déplacements ne sont pas liés à l'état de contraintes du volume balayé et peuvent être plus importants que les effets induits par les contraintes. Nous avons développé, pour résoudre ce problème, une modélisation complète des spectromètres 2-axes, basée sur une simulation de type Monte Carlo. Cette modélisation est effectuée à la fois pour les spectromètres de neutrons, et pour les installations utilisant le rayonnement de synchrotron. Elle permet d'optimiser les conditions expérimentales et de définir précisément la taille et la position du volume sonde.
La microstructure de la céramique dentaire et de l'alliage de palladium a été enfin étudiée en utilisant la diffraction des rayons X (DXR), la Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et la Spectrométrie à Dispersion d'Energie (EDS). La Microscopie Electronique à Transmission (TEM) à été aussi employée pour étudier les propriétés structurales des matériaux.

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  • HAL Id : tel-00229712 , version 1

Citer

Adele Carrado. Contribution à la caractérisation des propriétés mécaniques et microstructurales des liaisons céramique-métal utilisées pour les applications des matériaux dentaires. Physique [physics]. Université de Reims - Champagne Ardenne, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00229712⟩
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