Дэвид Рудо. Что такое прочность?

Мы только что послали письмо ключевым экспертным лидерам, которое специально ставит вопрос «Как на самом деле нам оценить прочность при армировании волокнами?» Пожалуйста, посмотрите прикрепленный документ, который описывает, как оценивать прочность в данной ситуации. Последняя страница этого документа демонстрирует, почему Ribbond Ultra лучше, чем Ribbond THM и Ribbond Original.
Надеемся, что этот документ будет представлен как можно большему числу влиятельных стоматологов, насколько это возможно. Хотелось бы, чтобы вы продвигали мнение ключевых экспертов, с которым вы ознакомитесь.
Ниже представленный текст является вступлением:

Вопрос прочности не так прост, как это может показаться. Продавцы используют слово «прочность» для продажи материалов, но достаточно часто их использование термина «прочность» вводит в заблуждение, так как приводит к отсутствию или недостатку значимости для предсказания клинического успеха.

Существует много различных качеств, которые создают то, что мы называем «прочностью». Задавая себе вопрос, насколько прочным является материал, нам необходимо знать, к какой определенной прочностной характеристике мы обращаемся. Также необходимо знать, как это определенное прочностное качество соотносится (или во многих случаях не соотносится) с предсказанием клинического успеха.

Один из передовых известных ученых с мировым именем, занимающихся материалами, профессор J.E. Gordon, написал в своей книге «Новая наука о прочных материалах», что, «самый страшный грех в технических материалах-это не недостаток прочности или недостаток жесткости, которые желаемы, как свойства конструкции, а недостаток вязкости, проще говоря, недостаток сопротивления к развитию трещин.» Говоря другими словами, материалы имеют тенденцию к переломам не из-за недостатка прочности на изгиб или жесткости, а скорее из-за недостатка вязкости разрушения. Gordon также написал: «…проблема, касающаяся прочности в том, что немного можно сказать по поводу, почему материалы прочные, но гораздо больше можно сказать, почему они хрупкие.»

Прикрепленный документ описывает разницу между прочностью на изгиб и сопротивлением к развитию трещин и дает рекомендации, как оценивать сопротивление к развитию трещин в материалах, армированных волокнами.

КАК ОЦЕНИТЬ ПРОЧНОСТЬ ДЕНТАЛЬНЫХ АРМИРУЮЩИХ ВОЛОКОН

Один из передовых известных ученых с мировым именем, занимающихся материалами, профессор J.E. Gordon, написал в своей книге «Новая наука о прочных материалах», что, «самый страшный грех в технических материалах-это не недостаток прочности или недостаток жесткости, которые желаемы, как свойства конструкции, а недостаток вязкости, проще говоря, недостаток сопротивления к развитию трещин.» Говоря другими словами, материалы имеют тенденцию к переломам не из-за недостатка прочности на изгиб или жесткости, а скорее из-за недостатка вязкости разрушения.

Будьте осторожны, пытаясь использовать тесты на прочность для предсказания клинической эффективности. Существует много различных качеств прочности. Если мы должны использовать специфическое качество прочности, пытаясь предсказать клинический успех, мы должны сначала понять, как определенная прочностная характеристика соотносится с клиническим эффектом. Для того, чтобы определить прочность нам также необходимо определить причины клинических поломок. Например, если вся цепочка также прочна, как ее самое слабое звено, то имеет смысл тестировать на предмет прочности это самое слабое соединение, а не ее самое прочное звено.

При оценке прочности материала, стоматологическая индустрия традиционно полагается на прочность при изгибе и на тесты коэффициентов гибкости. Однако, как предполагает J.E. Gordon, причина поломки может быть не из-за недостатка прочности на изгиб, а из-за недостатка вязкости разрушения. Поэтому, если материал ломается из-за «слабого звена», то это происходит по причине недостатка вязкости разрушения, а не из-за недостатка прочности на изгиб. Учитывая это, не должны ли мы тестировать вязкость разрушения материалов, а не прочность на изгиб? Этот документ описывает, как оценить вязкость разрушения для армирующих материалов. По этому описанию можно сделать вывод, о преимуществах работы с Ribbond Ultra по отношению к Ribbond Original.

Выше представленный график демонстрирует результаты 4 шаговых тестов на растяжение-сжатие для неармированной композитной смолы, композитной смолы, армированной с помощью Ribbond Ultra, и композитной смолы, армированной Ribbond THM. Стоматологи возможно не привыкли к таким графикам с зубчатыми кривыми. Зубчатые шаги в графиках с Ribbond Ultra и Ribbond THM представляют собой небольшие разрушения, в которых трещина начинается и углубляясь, останавливается, благодаря уникальному узловому переплетению запатентованных волокон Ribbond. Рабочие характеристики в этом исследовании по тестированию армированных волокон являются специфическими по отношению к плетению, использованному в продуктах Ribbond. Стекло и материалы из кварцевых волокон не будут так эффективны в предотвращении развития трещин и будут вести себя, как хрупкие материалы.

Стоматологи привыкли видеть кривые растяжения-сжатия подобные зеленой кривой на этом графике. Это стандартная кривая для хрупких материалов, которая в данном случае является кривой для неармированной композитной смолы. Восходящая равномерная прямая линия, под углом идет вверх до момента достижения точки поломки, после этого материал ломается окончательно. Это указывает на то, что трещина начинается в хрупком материале, затем достигает критической длины и, распространяясь, вызывает катастрофический перелом.

ЛАБОРАТОРНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ ГИБКОСТИ ВОЛОКОН С НЕДОСТАТКОМ КЛИНИЧЕСКОЙ ЗНАЧИМОСТИ

Материалы, которые жесткие (негибкие), часто являются невязкими (хрупкими). Стекло как в большом объеме, так и в форме волокон являются хорошим примером материала, который, в основном, рассматривается как жесткий, но при этом, хрупкий. Армирование стекловолокном показывает сравнительно высокие модули гибкости в лабораторных тестах материалов, нокогда они используются для создания какой- либо структуры, именно недостаток вязкости разрушения, по-видимому, приводит к перелому.
Как J.E.Gordon, так и все инженеры, знают, что намного легче создать структуру с высокой вязкостью разрушения, используя гибкие материалы, чем создавать такую же структуру, используя прочные жесткие материалы. Вязкость можно создать путем расположения нежестких волокон таким образом, чтобы сформировалась волокнисто-композитная многослойная структура. Примером волокнисто-композитной многослойной структуры является плотное присоединение волокон к поверхностям зубов. Чем ближе волокна расположены к зубам, тем тоньше будет связывающий слой, и тем больше будет выражен эффект многослойности. Другой пример- это использование множественных слоев волокон, чтобы создать волокнисто-композитную многослойную балку в области отсутствия зубов.
Лабораторное тестирование материалов на прочность не обязательно объясняет, как материалы будут работать при использовании их для создания какой-либо структуры. В случае армирования волокнами адаптируемость волокон будет сильно влиять на способность материалов следовать замысловатым контурам для того, чтобы создать эффективную многослойность. Материалы с плохими свойствами к адаптации приводят к более толстым связывающим слоям и поэтому преимущество эффективности многослойных структур теряются. Мы настаиваем на том, что стекловолокна имеют больше памяти формы, чем волокна Ribbond и, таким образом не могут создать эффективных многослойных структур, в отличие от Ribbond.

ПРОЧНОСТЬ НА ИЗГИБ

Прочность на изгиб — это нагрузка, требуемая для изгибающего усилия, приводящего к поломке материала. Не существует универсальных определений, как обнаружить точку перелома при тестах прочности на изгиб. Например, некоторые тесты прочности на изгиб определяют перелом до того, как он возникнет, он изображается падением на кривой растяжения-сжатия. Другие протоколы определяют перелом на пике нагрузки предшествующей 5 % деформации (натяжению) тестируемого образца.

Если традиционный стоматологический тест прочности на изгиб будет определять эту прочность, как точку, когда кривая растяжение-сжатие впервые идет вниз, то прочность на изгиб у армированного волокнами Ribbond Ultra тестового графика может регистрироваться в точке приблизительно на уровне 32 N. Это падение на кривой растяжение – сжатие связано с первой трещиной в материале. Однако, намного важнее то, что происходит после того, как возникнут эти начальные трещины.

Традиционные протоколы тестов прочности на изгиб не рассказывают нам всю историю. Представленный график показывает, что тестовая кривая Ribbond Ultra действительно функционирует хорошо после этих первых трещин и продолжает функционировать до момента пиковой нагрузки приблизительно в 120 N.

Прочность на изгиб у Ribbond Ultra достигает своей пиковой нагрузки приблизительно при 120 N и 4,4 % растяжения. Растяжение 4,4 % находится в рамках, при которых большинство людей рассчитывают на то, что протез будет функционировать на приемлемом уровне.

ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ

Продолжение функционирования тестовых образцов армированных волокнами Ribbond после множественных образовавшихся трещин существует, благодаря такому качеству прочности, как вязкость разрушения. Волокна Ribbond привносят вязкость разрушения в волокнисто-композитную структуру. Как ранее было установлено, ученые, изучающие структуры волокно-композит и преподаватели, (такие как J.E. Gordon), рассматривают вязкость разрушения, как более точный индикатор эффективности промышленного усиления волокном, по сравнению с прочностью на изгиб и модулями гибкости.
Вязкость разрушения – это свойство материала поддерживать структурную целостность, несмотря на повреждения, вызванные развитием трещин. Эта целостность сохраняется благодаря остановке катастрофического развития трещин, поэтому материал продолжает функционировать, все еще оставаясь клинически пригодным.
Вязкость разрушения не является термином широкого использования в стоматологии, но это термин, который мы инстинктивно осознаем. Общеизвестным примером материалов с вязкостью разрушения является дерево. Дерево имеет очень много внутренних трещин, но существование трещин, в основном, не вызывает его катастрофического падения. Другим примером вязкости разрушения материала являются зубы. Многие зубы имеют трещины. Однако, существование трещин не обязательно означает, что трещина будет распространяться до той точки, в которой зуб окончательно сломается.

ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Материалы, обладающие вязкостью разрушения способны противостоять повреждению и не ломаться. Все больше и больше энергии требуется, чтобы вызвать продолжающееся развитие трещины. Эта вязкость разрушения представлена с помощью зубчатых пиков на кривых графиков тестов армирования волокнами Ribbond. Для образования трещины нужна энергия, и каждый штрих вверх в зубчатой линии, показанной на этой кривой, представляет собой энергию, которая была поглощена с тем, чтобы начать новую трещину. Отдельные трещины прекращаются и останавливаются на прочном узелковом пересечении волокон Ribbond.

Если приглядеться к верхней кривой для волокон Ribbond Ultra, мы можем увидеть близкое группирование этих начинающихся трещин. Объем энергии, требуемый для окончательного перелома не находится на пике кривой (приблизительно 120 N). На самом деле, это полная совокупная энергия, измеряемая с помощью накопленной длины поднимающихся вверх пиков на кривой. Традиционные протоколы тестов на изгиб не объясняют феномен этой совокупной энергии при тестировании армирующих материалов волокон Ribbond, обладающих вязкостью разрушения.

РАБОТА РАЗРЫВА

Важным критерием в науке о материалах является работа разрыва. Работа разрыва — это как много работы или энергии требуется для разрыва материала. Область, находящаяся под кривой растяжение-сжатие представляет собой количество работы или энергии, которое необходимо затратить для разрыва материала. Вы можете увидеть, что работа на разрыв для тестовых кривых армированных волокон Ribbond Ultra (общая площадь под кривой) является выше в геометрической прогрессии, чем тестовые кривые неармированной композитной смолы.

КЛИНИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ КЛИНИЧЕСКОГО ПЕРЕЛОМА У МАТЕРИАЛОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ВЯЗКОСТЬЮ РАЗРУШЕНИЯ.

Правильно сконструированные армированные волокном стоматологические протезы или шины будут продолжать функционировать после достижения пиковой нагрузки. Материал будет функционировать адекватно до тех пор, пока его не согнут до той степени, когда это будет последним приемлемым уровнем его работы. Каждый клинический случай отличается. Стоматолог или пациент в отдельном случае может обнаружить повреждение структурной целостности, но эти повреждения в разных случаях могут иметь различные формулировки клинической эффективности.

Этот график имеет «хвостовые» части кривых растяжение-сжатие, указывающих на гипотетическую точку, которую можно рассматривать, как точку, где структура будет за приемлемым уровнем использования из-за изгибания. С этой точки зрения, работа разрыва может быть определена путем измерения общей площади под определенной кривой растяжения-сжатия.
Материалы, обладающие вязкостью разрушения, могли бы уже достичь эту пиковую нагрузку, но клинически, материалы с вязкостью разрушения могут быть все еще клинически пригодными, несмотря на то, что пиковая нагрузка уже пройдена. Традиционные тестовые протоколы гибкости тоже не объясняют этого явления.

Этот график показывает работу разрыва (общая площадь под кривой) для волокон Ribbond THM.

ПРЕИМУЩЕСТВА ВОЛОКОН RIBBOND-ULTRA ПО СРАВНЕНИЮ С RIBBOND-THM И RIBBOND-ORIGINAL

Хотя вязкость разрушения является более важной характеристикой для ученых, занимающихся композитными волокнами, чем прочность на изгиб и модули гибкости, это не означает, что эти характеристики не востребованы.
Модуль гибкости — это измерение жесткости, которое означает сопротивление материала к изгибанию. Или, перефразируя это другим образом, это коэффициент сгибания.
Волокна Ribbond Ultra были разработаны таким образом, чтобы быть, как достаточно жесткими, так и обладать вязкостью разрушения. Траектория кривой графика волокон Ribbond Ultra относительно прямая, и следует за подобной кривой (коэффициент сгибания) хрупкой неармированной композитной смолы. Это указывает на модули гибкости подобные тем, как у неармированных образцов композитной смолы. Неармированная композитная смола ломается при 30N. Кривая волокон Ribbond Ultra остается относительно прямой до того момента, пока не достигается нагрузка в 85 N, перед тем, как коэффициент сгибания значительно изменится. Хотя коэффициент сгибания изменяется при 85 N для волокон Ribbond Ultra, кривая все еще поддерживает основную траекторию, идущую вверх, и достигающую пика примерно при 120 N и при растяжении 4,4 %.

Волокна Ribbond THM имеют подобные модули гибкости примерно до 34 N, до тех пор, пока направление их основной кривой значительно изменится.
Хотя волокна Ribbond Original не были включены в эти тесты, они продемонстрировали бы более низкие модули гибкости, и также более низкую прочность на изгиб. Как и другие продукты Ribbond, волокна Ribbond Original показали бы значительно более высокие значения вязкости разрушения, чем тестовые кривые неармированного материала.

Волокна Ribbond Ultra имеют более высокие модули гибкости, чем волокна Ribbond THM и Ribbond Original. Пиковая нагрузка волокон Ribbond Ultra также намного выше, чем Ribbond THM и Ribbond Original. Более значительно то, что если мы измеряем общую площадь под кривыми пиковых нагрузок, волокна Ribbond Ultra имеют большую общую площадь измерения, что также предполагает большую работу разрыва.
Другие достоинства волокон Ribbond Ultra заключаются в том, что слой получается тоньше и более комфортный для пациента, волокна имеют лучшие характеристики адаптации. Будучи более управляемым, материал позволяет добиться более близкого расположения к зубам и лучшего повторения их контуров, что приводит к более тонкому связывающему слою и лучшему эффекту многослойности.

Волокна Ribbond Ultra имеют более высокие модули гибкости, чем волокна Ribbond-THM и Ribbond Original. Пиковая нагрузка волокон Ribbond Ultra также намного выше, чем Ribbond THM и Ribbond Original. Более значительно то, что если мы измеряем общую площадь под кривыми пиковых нагрузок, волокна Ribbond Ultra имеют большую общую площадь измерения, что также предполагает большую работу разрыва.
Другие достоинства волокон Ribbond Ultra заключаются в том, что слой получается тоньше и более комфортный для пациента, волокна имеют лучшие характеристики адаптации. Будучи более управляемым, материал позволяет добиться более близкого расположения к зубам и лучшего повторения их контуров, что приводит к более тонкому связывающему слою и лучшему эффекту многослойности.