L'allumina è un materiale fragile pertanto le proprietà meccaniche sono fortemente dipendenti dalla presenza di difetti che agiscono come concentratori di stress (ad esempio difetti superficiali, cricche, eterogeneità microstrutturali e porosità).
In particolare la resistenza a flessione dipende fortemente dalla porosità.
Le porosità aperte permettono la penetrazione di liquidi e di gas influenzando la resistenza dell'allumina e la durata dei restauri con essa realizzati. La continua esposizione a fluidi biologici sarebbe poi in grado di indurre la crescita di difetti strutturali intrinseci di dimensioni subcritiche.114 L'introduzione di polveri di elevata purezza ed i limiti massimi fissati dalla norma ISO 6474 (Fig. 29) per il contenuto di ossidi di metalli alcalini e di silice hanno solo in parte ridotto i problemi legati all'affidabilità del materiale.
Figura 29: Proprietà meccaniche dell’allumina per uso biomedicale. Modificato da:Shen J. "Advanced Ceramics for Dentistry" Butterworth-Heinemann-Elsevier 2014:226.
Uno degli approcci possibili per migliorare l'estetica, l'affidabilità e la durabilità dei materiali ceramici prevede la realizzazione di materiali dotati di una granulometria più fine. La resistenza e l'affidabilità di un materiale non dipendono comunque solamente dalla dimensione dei grani ma anche dalla quantità di difetti presenti nel materiale. I difetti possono derivare dalle materie prime oppure da errori nel metodo di produzione. Fatta eccezione per alcuni tipi di impianti dentali che venivano realizzati ricorrendo a monocristalli, in campo dentale viene solitamente utilizzata α-Al2O3 dotata di una granulometria fine.
La tipologia di formatura più diffusa è la pressatura seguita da una sinterizzazione a temperature che variano da 1600 a 1700°C. La resistenza alla fatica e la tenacità alla frattura delle ceramiche policristalline a base di α-Al2O3 sono influenzate dalle dimensioni dei grani e dalla percentuale di dopanti (es. MgO), cioè dalla purezza del materiale. Un aumento della granulometria media infatti non solo diminuisce le proprietà meccaniche ma determina anche una minor resistenza alla fatica del materiale quando viene esposto ai fluidi biologici.115,116
L'acqua è in grado di promuovere la propagazione subcritica delle fratture sia nei cristalli singoli di Al2O3 117 che nell'allumina policristallina.118 La propagazione subcritica delle cricche si verifica preferenzialmente lungo i bordi del grano o in regioni che contengono impurezze segregate a livello dei bordi del grano.119
Notevoli progressi in termini di resistenza all'usura120 e di proprietà meccaniche sono stati raggiunti nel corso degli ultimi dieci anni con la riduzione della granulometria al di sotto di 1 μm.121
Figura 30: a) Immagine di un corona completa in allumina; b) La stessa corona vista al SEM. La freccia rossa indica il punto nel quale è partita una cricca. Tratta da: Shen Kosmacˇ "Advanced Ceramics for Dentistry" Chapter 5: "Clinical Failures of Ceramic Dental Prostheses", pagina 85.
I limiti dell'allumina micro-strutturata per uso odontoiatrico sono legati agli insuccessi clinici che il materiale mostra sopratutto quando viene sottoposto alla fatica ciclica determinata dai carichi masticatori. Il tipo più frequente di insucesso dell'allumina è rappresentato dalla frattura fragile del materiale (Fig. 30). Come tutti i materiali ceramici anche l'allumina contiene dei difetti di diverso tipo: vuoti, agglomerati ed inomogeneità di composizione. I vuoti vengono frequentemente riscontrati nelle sottostrutture in allumina ed in alcuni casi possono raggiungere anche i 20–30 μm di
durante il processo di formatura e che permangono una volta completato il processo di sinterizzazione.
Fugura 31: Una porosità di oltre 20 μm è presente all'interno di un restauro in allumina per uso dentale. Immagine tratta da:Shen Kosmacˇ "Advanced Ceramics for Dentistry" Chapter 5, "Clinical Failures of Ceramic Dental Prostheses", pagina 90.
Le inomogeneità di composizione, pur determinando difetti che sono visibili al SEM (Fig. 32), sono identificabili in modo certo solo tramite l'analisi EDS. Derivano spesso da una contaminazione dell'allumina durante la produzione delle sottostrutture con altri elementi (per esempio il Calcio) e possono determinare micro-cracks locali in grado di ridurre la resistenza del materiale.
Figura 32: Campioni di allumina che presentano inomogeneità di composizione. Nell'immagine al SEM di destra sono visibili dei micro-cracks.Tratta da: Shen Kosmacˇ "Advanced Ceramics for Dentistry" Chapter 5, Clinical Failures of Ceramic Dental Prostheses, pagina 92.
Il miglioramento dell'affidabilità del materiale può essere perseguito attraverso differenti strategie:
-Stretto controllo delle polveri di partenza
-Riduzione dei difetti prodotti nel corso delle varie fasi di lavorazione (formatura, sinterizzazione, rifinitura)
-Individuazione della presenza di difetti nel prodotto finito 122
L'assenza di plasticità dei materiali ceramici cristallini è dovuta alla presenza di forti legami chimici (di tipo ionico e covalente). Nei metalli la deformazione plastica è permessa dal movimento di difetti di linea presenti nella struttura cristallina (dislocazioni) lungo determinati piani di scorrimento. I materiali ceramici avanzati policristallini legati ionicamente mostrano un comportamento fragile e tendono a sviluppare cricche ai bordi dei grani.
La rottura meccanica dei materiali ceramici policristallini avviene per la presenza di difetti che si trovano all'interno della struttura.
I fattori in grado di promuovere l'innesco delle fratture comprendono la generazione di cricche superficiali dovute ai processi di rifinitura o la presenza di porosità, inclusioni o di grani di dimensioni eccessive.123 Infatti, nei materiali ceramici policristallini, i pori agiscono come centri di concentrazione degli sforzi; quando viene superato un valore critico avviene l'innesco e la propagazione di una cricca in grado di determinare la
sezione resistente sulla quale viene applicato il carico diminuendo lo sforzo che il materiale può sopportare (Fig. 33).
Figura 33: Effetto della porosità sulla resistenza a trazione. Tratta da: COBLE, R. L. and KINGERY, W. D. (1956), Effect of Porosity on Physical Properties of Sintered Alumina. Journal of the American Ceramic Society 1956; 39: 377–385.
Ulteriori fattori in grado di influenzare la resistenza meccanica sono la composizione chimica, microstruttura e condizioni della superficie.124
In generale tutti i cristalli contengono difetti ed imperfezioni. Per difetto cristallino si intende un'irregolarità del reticolo con dimensioni dell’ordine di un diametro atomico. I difetti possono essere classificati come:
• Difetti puntuali (zero dimensionali - vacanze, difetti interstiziali, impurezze) • Difetti lineari (monodimensionali - dislocazioni)
• Difetti di superficie (bidimensionale – difetti interfacciali)
I difetti puntuali prevedono la mancanza di un atomo nel reticolo (difetto vacanza). I difetti di punto dei cristalli ionici risultano maggiormente complessi in quanto possono assumere due diverse varianti dal momento che deve essere mantenuta la neutralità elettrica. Pertanto quando due ioni di carica opposta tendono ad allontanarsi da un cristallo ionico viene a crearsi una vacanza catione-anione che è comunemente conosciuta come difetto Schottky. Quando è invece un catione positivo che tende a spostarsi in un sito interstiziale, si viene a creare contemporaneamente la vacanza di un catione nel sito dello ione. Questo tipo di difetto vacanza-interstiziale prende il nome di difetto di Frenkel.
I difetti di linea determinano una distorsione del reticolo cristallino concentrata attorno ad una linea.
Tra i difetti di superficie principali ricordiamo: le superfici esterne, i bordi di grano ed i geminati. Le superfici esterne vengono considerate difetti dal momento che sono legate ad altri atomi solo da un lato e pertanto sono più esposte al deterioramento dovuto la contatto con l'ambiente esterno. I bordi del grano sono difetti di superficie che caratterizzano i materiali policristallini e che si formano nei punti dove entrano in contatto grani dotati di un diverso orientamento spaziale. I bordi del grano rappresentano zone di cattivo arrangiamento atomico tra grani adiacenti e sono caratterizzati da un'energia superficiale più elevata. Dal momento che costituiscono zone dotate di una minore densità, rappresentano zone privilegiate per la formazione e crescita di precipitati. Infine i geminati si vengono a costutuire se in una regione esiste un'immagine speculare di una struttura cristallina dall'altra parte di un piano o di un bordo del grano.