現代の樹脂系複合材料における機械的特性の微細構造依存性とその関連性

Microstructural dependence of mechanical properties and their relationship in modern resin-based composite materials.

抄録

目的:

本研究の目的は，化学組成の変化が少ない樹脂ベース複合材（RBC）の機械的挙動に対する微細構造の影響を明らかにし，相互依存性の可能性を検証することである．

OBJECTIVE: The aim of the study was to determine the influence of the microstructure on the mechanical behavior of resin-based composites (RBC) with little variation in chemical composition, and to verify a possible mutual dependency.

研究方法:

フィラーの化学組成が類似しているが（Ba-Al-B-F-Si-glass, SiO）、平均粒子径（0.7µm～1.8µm）と最大粒子径（5µm～20µm）が異なる4種類のRBCを選択した。破壊靱性／Kは，NTP（Notchless Triangular Prism）試験で評価した。曲げ強度/FSと弾性率/Eは3点曲げ試験で測定した。また，フラクトグラフィ解析により，破壊モードと破壊原因を明らかにした。準静的および粘弾性パラメータは，DMAモジュールを装備した深さ検知式インデンテーション試験で評価した。一元配置および多元配置の分散分析（ANOVA），Tukey正直有意差（HSD）の事後検定（α=0.05），ワイブル統計を適用した。

METHODS: Four RBCs with similar chemical composition of fillers (Ba-Al-B-F-Si-glass, SiO), but with different mean (0.7 µm to 1.8 µm) and maximum particle size values (5 µm to 20 µm) were selected. Fracture toughness/K was evaluated in an NTP (Notchless Triangular Prism) test. Flexural strength/FS and modulus/E were measured in a 3-point-bending test. A fractographic analysis determined the fracture mode and origin. Quasi-static and viscoelastic parameters were assessed by a depth-sensing indentation test equipped with a DMA-module. One and multiple-way analysis of variance (ANOVA), Tukey honestly significant difference (HSD) post-hoc tests (α = 0.05), and Weibull statistics were applied.

結果:

微細構造と有機マトリックスの化学組成の影響は，測定された特性において異なる重みを持っていた。無機フィラー量は，最も高いK（η=0.813）に影響を与え，次いでFS（η=0.768）とE（η=0.611）であった。20µmまでの大きなフィラーの割合が多い最適なフィラー分布が、高いFSとEのデータに貢献している。材料の信頼性（ワイブルパラメータm）は，破壊の起源に依存しなかった。無機フィラーを小さくし、プレポリマーのフィラーを1%大きくすることで、破壊靱性が向上する。分析されたRBCは咀嚼周波数によく適応していた。

RESULTS: The influence of the microstructure and the chemical composition of the organic matrix is weighted differently in the measured properties. The inorganic filler amount influences highest K (η=0.813), followed by FS (η=0.768) and E (η=0.611). An optimized filler distribution with a high proportion of larger fillers up to 20 µm contributes to high FS and E data. The reliability of the material (Weibull parameter m) did not depend on the origin of fracture. Smaller inorganic fillers and the addition of 1% larger pre-polymer fillers improve the fracture toughness. Analysed RBCs were well adapted to chewing frequencies.

結論:

RBCの特性は、微細構造とモノマーマトリックスのわずかな変化で調整できる。

CONCLUSIONS: The properties of RBCs can be tuned by little variation in microstructure and monomer matrix.

臨床的意義:

臨床的に成功している材料のリバースエンジニアリングは、将来のRBCをより良く設計するために使用することができる。

CLINICAL SIGNIFICANCE: Reverse engineering of clinically successful materials can be used to better design future RBCs.