食物粒度和硬度对人牙釉质三体磨粒磨损特性的影响.doc

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1、食物粒度和硬度对人牙釉质三体磨粒磨损特性的影响2007年1月第32卷第1期润滑与密封LUBRICAT10NENGINEERINGJan.2007食物粒度和硬度对人牙釉质三体磨粒磨损特性的影响周丹郑靖周仲荣(西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室四川成都610031)摘要:在往复滑动摩擦磨损试验台上比照考察了三体磨粒磨损过程中,食物颗粒的粒度和硬度对人牙釉质摩擦学特性的影响.结果说明:当食物颗粒硬度较高时,随着粒度减小,稳态摩擦因数略有降低,牙釉质磨损外表形貌逐渐由剥落为主转变为犁削效应;对于低硬度食物颗粒,随着粒度增加,稳态摩擦因数显着降低,牙釉质磨损外表形貌那么由犁削效应转变为轻微擦伤.当

2、食物颗粒粒度相同时,食物硬度对牙釉质的摩擦与磨损行为均有明显影响,食物颗粒硬度越更高,稳态摩擦因数越高,磨损越严重.关键词:牙釉质;陶瓷;食物粒度;食物硬度;摩擦磨损中图分类号:TQ174文献标识码:A文章编号:02540150(2007)10503EffectoftheSizeandHardnessofFoodParticles0ntheThree.bodyWearofHumanEnamelZhouDanZhengJingZhouZhonflronfl(TribologyResearchInstitute,KeyLaboratoryofAdvancedTechnologiesofMateri

3、alsofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)Abstract:Amodifiedreciprocatingfrictionandweartesterwasperformedtoevaluatetheeffectofthesizeandhardnessoffoodparticlesonthethree?bodywearofhumanename1.Resultshowsthatthestablefrictioncoefficientshasalittlede?creaseandthe

4、wearsurfaceappearanceofenameltransformesfromdelaminationscarstosloughsduetothelowergrainsizewhenthehardnessoffoodparticlesishigh;buttothefoodparticleshavinglowhardness,thestablefrictioncoefficienthassignificantdecreaseandthewearsurfaceappearanceofenameltransformesfromsloughstoabrasionduetotheincreas

5、inggrainsize.Whenthesamefoodparticlessize,thefoodhardnesshasevidentimpactonthefrictionandwearbehaviorofen?amel,thehigherthehardnessoffoodparticles,thehigherthestablefrictioncoefficients,themoreseriousthewear.Keywords:humanenamel;porcelain;foodsize;foodhardness;frictionandwear咀嚼磨损是牙齿的主要磨损方式,通常分为开牙阶段和

6、闭牙阶段.在开牙阶段,作用在上下对颌牙外表的咬合力很低,牙齿磨损非常轻微;在闭牙阶段,由于咬合力作用,食物颗粒堆积在牙牙间充当第三体,牙釉质外表发生三体磨粒磨损.研究表明,食物颗粒的硬度对于口颌系统发育有着重要的影响,食物颗粒硬度过小可导致咀嚼功能下降,从而影响口颌系统结构和功能的发育.对北京某中学510名中学生牙列拥挤情况的调查发现,恒牙拥挤的患病率为45.5%,其中,由于食物过于细软导致的牙列拥挤占总拥挤人数的35.0%.可见,在Et常饮食中注意食物颗粒的硬度和粒度将有助于口颌系统的正常发育及牙齿保健.因此,考察食物颗粒硬度和粒度基金工程:国家自然科学基金资助工程(50275126).收稿

7、日期:20060518作者简介:周丹(1981),男,硕士研究生,E.mail:zhoudan198175126.eom.对天然牙摩擦磨损行为的影响显得十分重要.遗憾的是,鉴于试验手段的限制和重视程度缺乏,目前几乎未见相关报道.本文作者在往复试验台上,采用球一平面接触,以牙科陶瓷为对摩材料,考察人牙釉质在不同粒度,不同硬度食物颗粒存在下的摩擦学行为,为分析食物粒度和硬度对天然牙摩擦磨损行为的影响机制提供参考数据.1材料与方法1.1试验设备和试样在模拟口颌系统咀嚼行为的可控气氛往复式摩擦磨损试验台上进行体lJ-体磨损试验,摩擦副接触方式为球.平面接触,试验过程中摩擦力及位移随循环次数的变化由计算

8、机控制并全程记录.平面试样材料为人牙.人牙试样制作方法见参考文献4,试样外表粗糙度为R.0.2Bin,整个制备过程在2h内完成.偶件为直径12Bin,硬度HV1450的氮化硅(Si,N)陶瓷球,组成(质量分数计).每2007年第1期周丹等:食物粒度和硬度对人牙釉质三体磨粒磨损特性的影响51为C1.0%,Si0.26%,Mn0.30%,Cr0.25%,Ni0.20%.选用氮化硅为偶件是因为氮化硅是近年来口腔临床常用的牙科陶瓷材料,具有优越的生物相容性和耐磨性.1.2试验方法及参数摩擦磨损试验在25进行,试验条件如下:法向荷载F=7.84N,往复位移D=500m,频率厂=2Hz,总循环时间为100

9、rain.每20min循环后中断试验并卸载,使得球形试件与平面试件脱离接触,间隔15min后在同一接触位置重新加载继续进行试验.三体磨粒磨损的试验介质为模拟的食物颗粒,选用高硬度的沙子和低硬度的荞麦.取荞麦,沙子原料打磨一定时间后,依次通过不同孔径的分样筛,充分筛摇各分样筛,取残留在40目,80目,160目上的食物颗粒待用.用激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)观察分析磨斑形貌,测量磨损磨损体积.2结果与讨论2.1簿行为图1示出了磨粒为沙子和荞麦时牙釉质与陶瓷球对摩时稳态摩擦因数随粒度变化的关系曲线.可萄见,当磨粒为沙子时,随着沙子粒度从40目减小到160目,稳态摩擦因数图l牙釉质/陶瓷球在不同从

10、0?36下降到0?32左右,磨粒存在时摩擦因数随变化幅度较小.当磨粒为粒度变化的关系曲线荞麦时,随着荞麦粒度减小,稳态摩擦因数显着降低;随着粒度从40目减小到80目,稳态摩擦因数从0.25递减到0.15左右,当粒度减小到160目时,稳态摩擦因数仅为0.1.显然,当磨粒为硬度较高的沙子时,粒度对稳态摩擦因数的影响较小;当磨粒为硬度较低的荞麦时,粒度对稳态摩擦因数的影响较为明显.图1中的曲线还显示,当磨粒粒度同为40目时,沙子为磨粒时的稳态摩擦因数约为0.36,高于磨粒为荞麦时的稳态摩擦因数(约0.25);当磨粒粒度同为80目时,磨粒为沙子时的稳态摩擦因数比磨粒为荞麦时的稳态摩擦因数约高0.19;

11、当介质的粒度同为160目时,磨粒为沙子时的稳态摩擦因数比磨粒为荞麦时的稳态摩擦因数约高0.22.可见,当磨粒粒度相同时,高硬度磨粒对应的稳态摩擦因数高于低硬度磨粒的稳态摩擦因数,而且,随着粒度减小,二者的差距增大.2.2瞻损行为fc)160目沙于图2沙子为磨粒时牙釉质磨痕外表形貌LCSM照片图2示出了沙子为磨粒时天然牙釉质磨损外表形貌LCSM照片.可见,当沙子粒度为40目时,牙釉质磨损外表呈现显着剥落;当沙子粒度减小到80目时,牙釉质磨损外表的剥落减轻,出现犁削效应;当沙子粒度为160目时,牙釉质磨损外表形貌以擦伤为主,伴随轻微剥落.(a)40目荞麦(b)80目养麦fC)I60目养麦图3荞麦为

12、磨粒时牙釉质磨痕外表形貌LCSM照片图3示出了荞麦为磨粒时天然牙釉质磨损外表形貌LCSM照片.可见,当荞麦粒度为40目时,牙釉质磨损外表呈现显着犁削效应,局部有轻微剥落.当荞麦粒度减小到80目时,牙釉质磨损外表呈现擦伤;当荞麦粒度为160目时,牙釉质磨损外表形貌主要表52润滑与密封第32卷现为轻微划痕,磨损不明显.图4示出了不同磨粒存在时牙釉质的磨损体积.可见,牙釉质外表的磨损体积,随着沙子粒度的减小而显着降低,随荞篓麦粒度的减小而略有降龋低,即沙子磨粒对应的牙釉质磨损体积降低幅度明图4显大于荞麦磨粒.图4还不同磨粒存在时牙釉质的磨损体积显示,在粒度相同时,沙子磨粒对应的牙釉质磨损体积显着大于

13、荞麦磨粒对应的牙釉质磨损体积.3结论(1)随食物颗粒硬度增大,牙釉质三体磨粒磨损的稳态摩擦因数增大;当食物颗粒硬度相同时,牙釉质三体磨粒磨损的稳态摩擦因数随食物粒度减小而减小,特别是低硬度的荞麦颗粒,随着粒度减小,牙釉质的稳态摩擦因数显着降低.(2)当食物颗粒硬度较高时,随着粒度减小,牙釉质磨损外表形貌逐渐由显着剥落转变为犁削效应为主;对于低硬度食物颗粒,随着粒度减小,牙釉质磨损外表形貌由犁削效应转变为轻微擦伤.(3)当食物颗粒粒度相同时,食物硬度对天然牙釉质三体磨粒磨损的摩擦行为与磨损行为均有明显影响;食物颗粒硬度越高,稳态摩擦因数越高,磨损越严重.参考文献【1】RGEvery,WGKuhn

14、e.BiomodalWearofMammalianTeethinEarlyMammalsJ.London:AcademicPress,1971:2327.【2】王碧娟.食物硬度对口颌系统发育的影响J.国外医学口腔医学分册,2003,30(5):411413.【3】续美如,赵东海.510名初中生恒牙拥挤状况调查J.中国学校卫生,2001,22(1):6566【4】郑靖,石心余,周仲荣人牙釉质在人工唾液润滑下与不同对偶件对摩时的摩擦学性能研究J.摩擦学,2004,124(2):139143.ZHENGJing,SHIXinyu,ZHOUZhongrong.StudyonTribologicalBe

15、haviorofHumanEnamelSlidingagainstVariousCounterpartsunderLubricationofArtificialSalivaJ.一bology,2004,124(2):139143.【5】JZheng,ZRZhou,JZhang.OnthefrictionandwearbehaviorofhumantoothenamelanddentinfJ.Wear,2003,255:967974.(上接第49页)数为SPRING一1.force,用条件转换函数实现2个阶段作用力的转换,那么摩擦缓冲器等效作用力的表达式为:if(VX(CM):0.603:l:(

16、SPRING一1.force),0,一0.903:l:(SPRING一1.force)(9)基于上述方法,建立了考虑摩擦缓冲装置作用:的机枪系统虚拟样机模型.经过仿真分析,武器I3自动机的运动特性数据与靶场试验数据吻合得较一SPRING_i.forceSF0RCEl&Elemen1ForreX好,也证明了该虚拟样机图4缓冲簧簧力及摩擦缓模型建立的准确性.在一冲器作用力变化图个自动机工作循环中,枪尾缓冲簧簧力及摩擦缓冲器作用力的变化曲线如图4所示,可以看出,摩擦缓冲器作用力在自动机后坐和复进2个阶段的方向,峰值和变化趋势是不同的.4结束语摩擦缓冲装置在武器系统,工程机械,机车系统中都有着

17、广泛的应用.在对包含类似装置的系统进行虚拟样机建模及仿真工作时,本文的分析处理方法可以作为借鉴,以真实反映系统的工作特性.参考文献【1】戴成勋,勒天佑,朵英贤.自动武器设计新编M.北京:国防工业出版社,1990.【2】欧学炳,殷仁龙,王学颜.自动武器结构设计M.北京:北京理工大学出版社,1995.【3】戴旭东,谢友柏.考虑摩擦学行为的机械产品虚拟样机实现方法J.润滑与密封,2005(2):118121.DaiXudong,XieYoubai.AMethodtoDevelopMechanicalProductVirtualPrototypeConsideringTfibologicalBehav

18、iorJ.LubricationEngineering,2005(2):118121.【4】贾长治,陈永才,狄长春,等.基于漏液和漏气分析的装备工作功能评估J.润滑与密封,2003(1):5355.JiaChangzhi,ChenYongcai,DiChangchun,eta1.ResearchonEvaluationofWorkingFunctionBasedonFaultAnalysisofLiquidandGasLeakingofMilitaryEquipmentJ.LubricationEngineering,2003(1):5355.【5】邢俊文,陶永忠.MSC.ADAMS/View高级培训教程M.北京:清华大学出版社,2004.一j._)/(柢鞲避5050l100