Mestrado em Engenharia de MateriaisOs filmes de diamante depositados por deposição Química em Fase Vapor
(CVD) apresentam um grande potencial para aplicação como brocas para
odontologia.
No presente trabalho, brocas de cerâmicos à base de nitreto de silício, Si3N4,
foram produzidas a partir de pós comerciais, sinterizadas sem pressão
aplicada e maquinadas até à forma final, usando como modelo uma broca
comercial de aço. O nitreto de silício usado como substrato garante elevados
níveis de adesão para os filmes de diamante microcristalino e nanocristalino.
Antes de efectuar a deposição dos filmes de diamante, as brocas sofreram um
tratamento superficial por plasma de CF4 para aumentar a adesão dos filmes
ao substrato, seguindo-se uma riscagem em suspensão de pó de diamante
visando favorecer a nucleação do diamante durante a deposição.
Filmes de diamante foram depositados pela técnica de CVD assistida por
Filamento Quente (HFCVD) sobre brocas de Si3N4, começando por uma
camada de diamante microcristalino que apresenta excelente adesão nestes
cerâmicos, seguindo-se uma camada de diamante nanocristalino de baixa
rugosidade. Os filmes foram caracterizados microestruturalmente por SEM e
espectroscopia Raman. Por SEM foi possível observar a densidade e
homogeneidade dos filmes depositados e por espectroscopia Raman verificouse
a qualidade dos filmes depositados.
Antes da colocação de um implante dentário no leito mandibular é necessário
proceder à furação do osso com brocas de dimensão adequada. Para efectuar
os ensaios de furação foi utilizada uma máquina de ensaios mecânicos
universal, com um berbequim de velocidade variável acoplado. Para simular o
osso mandibular humano foi utilizado um bloco de espuma rígida de
poliuretano (ASTM F-1839). A velocidade de corte e o aumento local de
temperatura durante o corte são parâmetros essenciais para o sucesso do
implante. Nos ensaios de furação efectuados a velocidade de corte variou na
gama 50-1400 RPM, oscilando a velocidade de penetração entre 7,5 e 30
mm/min. O aumento de temperatura foi monitorizado durante o corte através
de dois termopares acoplados ao polímero, a alturas de penetração diferentes.
Pelos resultados obtidos foi possível concluir que as brocas de Si3N4
revestidas por HFCVD com a bicamada MCD/NCD apresentam melhor
desempenho, tanto a alta como a baixa velocidade de corte, quando
comparadas com as brocas comerciais de aço (AISI 420) usadas como
referência: força de avanço cerca de 4 vezes menor; aumento da temperatura
local inferior em cerca de 4ºC; possibilidade de corte a velocidades de rotação
reduzidas (100 RPM), o que permite a recolha de aparas de osso autógeno;
possibilidade de corte com elevada velocidade de penetração (30 mm/min), o
que reduz significativamente a duração do procedimento.
ABSTRACT: Diamond films deposited by Chemical Vapour Deposition (CVD) have a good
potential for applications such as odontological drill bits.
In the present work, Si3N4 based ceramic drill bits were produced starting from
commercial powders, sintered without applied pressure and machined until
final shape, using a commercial steel drill bit as reference.
The silicon nitride used as substrate provides high adhesion levels for micro
and nanocrystalline (NCD) diamond films. Before film deposition the ceramics
are submitted to a CF4 plasma treatment (plasma etching) to enhance the film
adhesion onto the substrate, followed by ultrasonic scratching the ceramics
surface with a diamond powder suspension to promote the nucleation of
diamond during deposition.
Diamond films were deposited by the CVD technique assisted by Hot Filament
(HFCVD) over Si3N4 drill bits, starting with a layer of microcrystalline diamond
that presents high adhesion levels on this ceramics, followed by a layer of NCD
that presents low roughness.
The coatings were characterized by Scanning Electronic Microscopy (SEM) e
Raman spectroscopy. SEM allowed the evaluation of films density and
homogeneity and Raman spectroscopy confirmed the quality of the films.
Before placing a dental implant in the mandible bone, it is necessary to drill the
bone to create a hole of adequate dimension. For the drilling experiments a
variable speed drill was used coupled to a Universal Testing Machine.
A block of rigid polyurethane foam (ASTM F-1839) was used to simulate the
human mandible bone. Cutting speed and the temperature rise during cutting
are key parameters for the success of the implant. In the drilling experiments
the cutting speed varied in the range 50 to 1400 RPM, and the penetration
speed between 7.5 to 30 mm/min. The temperature oscillation during cutting
was evaluated by two thermocouples placed in the polymer at different heights.
By looking at the results, it is possible to conclude that Si3N4 drill bits diamond
coated with a bilayer of MCD/NCD by HFCVD present a better performance,
both at low and high cutting speeds, with a smaller increase in temperature,
when compared to commercial steel drill bits (AISI 420), used as reference: the
applied force is lower in approximately 4 times; the local temperature rise is
smaller in about 4 ºC; possibility to cut using low rotation speeds (100 RPM),
which will allow the recovery of autogeneous bone; use of high penetration
speeds (30 mm/min), that will reduce the duration of the procedure
