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LE DOSSIER • ZIRCONE

Richard Fouquier Prothésiste Dentaire

POURQUOI JE M'ACCROCHE

À LA ZIRCONE!

QUI EST L'AUTEUR ? Richard FOUQUIER Prothésiste dentaire Richard Fouquier est né le 29 avril 1956 en région parisienne. Après un baccalauréat scienti-fique il se lance dans un DEUG de physique chimie pour finalement s'intéresser de plus près à la prothèse, en 1978 il passe son CAP, et n'arrêtera plus d'approfondir ses connaissances enchaînant les diplômes, BM4 en 1982, Degree in Dental technologies 1997 (Londres), D.U. de Maxillo en 1997...

Il multiplie les interventions lors de stages et de conférences, est candidat finaliste au concours du « Meilleur Ouvrier de France » 2000, il est également vice-président du Club français de Céramique Dentaire.

Richard Fouquier a dirigé plusieurs labos en France avant de s'expatrier de 2000 à 2003 dans un cabinet de prostho-dontics à Portland (Maine, USA), où il a eu l'occasion d'être en contact direct avec les patients.

Depuis, Richard est revenu en France où il a crée en 2004 le laboratoire RVF à Gap, puis à Embrun depuis fin 2007.

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UNE NOUVELLE PRATIQUE À INTÉGRER ! C'est une évidenee, la zircone est un nouveau maté-riau qui va se généraliser dans notre pratique cou-rante, c'est donc aussi une nouvelle pratique spéci-fique qu'il va falloir intégrer !

Mais comment pratiquer une marière si on ne la connaît pas, et de quelle façon la manipuler si on ne nous explique pas comment faire ?

Au fil des années, les liaisons métal-céramique s'étaient fiabilisées, améliorées, au point de ne plus être un problème, mais voilà que cette défiance que

nous avions eu pour ce "mariage" se reproduit aujour-d'hui au sujet de l'association zircone-céramique. A travailler la zircone de façon similaire ou appa-rentée à celle de la céramo-métal, on ne peut que rencontrer des soucis et se mettre à la critiquer, à la fuir, voire à la condamner !

La première approche sera donc de mieux connaître cette matière d'un point vue chimique et physique, puis de revenir aux fondamentaux des principes d'ac-croche de deux matières différentes entre elles, c'est ce que nous vous proposons ici...

HISTOIRE SIMPLIFIÉE DE LA ZIRCONE Ayant remarqué la grande stabilité, la haute résis-tance et la finesse de cristallisation du zirconium et de son oxyde, les chimistes ont eu l'idée d'en faire un diamant artificiel en tant qu'outil pour l'industrie déstiné à la taille, à l'abrasion, etc.

Sa très haute résistance mécanique et thermique a conduit les industriels à en ajouter aux verres tradi-tionnels pour obtenir des matériaux ayant les mêmes propriétés tel le Pyrex.

Par la suite ces mêmes propriétés ont été mises à profit dans des domaines comme l'aéronautique, où l'on s'en est servi pour fabriquer les boucliers ther-miques des capsules Apollo en vue de protéger leur

entrée dans l'atmosphère.

La chirurgie médicale s'est donc intéressée à ce maté-riau pour ces mêmes raisons et sa biocompatibilité,

mais des problèmes d'affaiblissement survenus suite

à de mauvaises procédures d'usinage en ont freiné

le développement.

Par extension la chirurgie dentaire implantaire s'est aussi intéressée à ce matériau pour ses qualités méca-niques, pour sa biocompatibilité mais aussi pour ses

propriétés optiques.

Malheureusement les problèmes rencontrés en chi-

rurgie médicale ont refroidi les ardeurs de notre industrie implantaire.

Dans un même temps, l'industrie dentaire restaura-tive s'intéressait à cette céramique technique au regard de ses propriétés optiques et mécaniques en vue d'une alternative aux infrastructures métalliques

alors même que les technologies numériques d'usi-

nage se développaient.

C'est ainsi que la zircone a fait progressivement son

entrée dans nos laboratoires.

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LE MATERIAU ZIRCONE Le zirconium, N 40 du Tableau de Classification Périodique des Eléments selon Mendeleïev peut être considéré comme un métal. Élément pur, et non composite, sans masse vitreuse, il est constitué de cristaux très petits, appelés « cris-talites », de taille trois fois inférieure à ceux du fer. Très dur, il peur être plus fin et plus lisse qu'un acier. Il n'est pas avide d'oxygène, donc résistant à l'oxy-

darion, même sous l'effet d'action ou d'agents oxy-dants courants. Pour pouvoir utiliser le zirconium, trop stable à l'état naturel, on est contraint de le traiter industriellement à une température extrêmement haute pour arriver à l'oxy-der, ce qui le rendra plus combinable et c'est ainsi que l'on obtient cette poudre blanche appelée zircone.

fis-.

La zircone (oxyde de zirconium) dispose aussi d'une structure régulière et révèle une grande stabilité, lais-sant peu de place à des impuretés pourtant possibles. Cependant, certaines températures élevées portent atteinte à la zircone.

LA CHIMIE DE LA ZIRCONE ET SON REVERS Comme à l'état métallique, l'énergie électronique de l'oxyde de zirconium participe à sa cohésion cristal-line, impliquant une conductivité électrique, un élec-tromagnétisme et la possibilité d'une polarité dans toute pièce faite de cette matière. Cependant, tout est une question d'équilibre et le fait d'avoir des petits cristaux structurels très homo-généisés bénéfiques pour sa solidité induit par contre une diffusion électronique de peu d'amplitude, et donc peu d'énergie rétentive en surface libre (force de Van Der Vaals). De plus, la zircone est très avide de sa propre éner-gie, et lui en ôter la rendra fragile.

ADIEU... LES LIAISONS CHIMIQUES?

Nos protocoles de travail doivent donc être conçus pour en préserver les propriétés et ne pas gâcher son potentiel électronique et énergétique. Attention il faut garder à l'esprit que c'est un maté-riau solide, mais sujet à l'affaiblissement.

SCHEMAS DES STRUCTURES CRISTALLOGRAPHIQUES QUADRATIQUE (OU TETRAGONALE) ET MONOCLINIQUE

Maille quadratique a = b / c

a = |J = y = 9Q

Maille monocllnique a • b /• c

u = p = 90 - y * 90 •

: Ion oxy-gtoo O2* O : ,0ft Zi*~

Pour créer un système céramo-zircone fiable, nous

ire pourrons donc pas compter sur une liaison chi-

mique ou micromécanique

• ni par oxydation de surface (celle-ci n'étant possible qu'en process industriel)

• ni par les forces de Van Der Vaals qui sont trop faibles.

Nous ne pourrons donc au mieux que profiter des deux phénomènes restants :

Tout d'abord mettre à profit la différence raison-nable de CET entre la zircone et la céramique qui

« frittant » sur l'armature procurera une compression rétentive, tout en veillant à ne pas provoquer des contraintes et tensions internes excessives, et d'autre part et avant tout exploiter le phénomène d'adhé-

rence des matériaux.

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BONJOUR... L'ADHERENCE! Une expérience révèle le phénomène d'adhérence.

Quand on applique deux plaques de verre l'une sur l'autre, l'intimité entre leurs surfaces est telle qu'on ne peut les séparer par arrachement et qu'il peut être très difficile de le faire par glissement si aucun film d'air ne subsiste.

D'un autre côté, si ces deux plaques sont imparfai-tement adaptées l'une à l'autre, il suffira d'y appor-ter un film d'eau pour les rendre inséparables, dans ce cas ce n'est plus de l'adhérence mais un collage car un matériau d'interposition vient combler les espaces de séparation trop importants.

Par l'effet d'échange de diffusion électronique*, tout rapprochement de la surface de deux corps à une distance très proche, usuellement inférieure ou éga-le à 10* Angstrôm** (10'' = un millionième), pro-voque une adhérence plus ou moins forte et intense en fonction de l'état de surface, de la taille des objets et des espaces de séparation résultant de la forme des deux corps rapprochés.

Cette adhérence est bien connue sous le nom de « soudure » en prothèse dentaire. Par un frottement préliminaire, on peut augmenter la diffusion électronique de surface, voire accentuer les phénomènes électromagnétiques pendant une durée limitée. On favorisera ainsi une adhérence magnétique qui pourra donc se produire avant 10*' Angstrom mais variant selon la matière considérée.

SOUDURE ET BRASURE Le tel rapprochement de deux surfaces bien lisses de même nature, sans apport de matière sera une adhé-rence que nous connaissons sous le nom de « sou-dure » en prothèse dentaire, bien meilleure sur une surface polie. L'assemblage de deux parties trop distantes et de formes différentes par l'apport d'un matériau en fusion (liquide) d'une autre nature, donc cherchant des liaisons, sera un collage, dit « brasure » en pro-thèse dentaire, bien meilleure sur une surface rugueu-se offrant plus d'étendue (caoutée).

1 Capacité des électrons d'une molécule à aller explorer une molécule voisine ce qui établit une liason.

Un Angstrom : un dixmillionième de mm

ZIRCONE : L'ADHÉRENCE DANS L'INTIMITE Il faut savoir que dans le cas de la zircone, la diffu-sion électronique vue par Van Der Vaals est trop faible.

En fait, l'électromagnétismc naturel de ce matériau réduit l'éloignement des électrons "exploreurs" en une simple trajectoire, au ras de la surface du soli-de, rotationnelle dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et se comportant comme une addi-tion de petits courants magnétiques de surface, dits « courants de Foucault ».

Ces courants sont très forts mais bien au-dessous des 1 O*" Angstrom usuels et ils ne seront très actifs à l'égard de la matière environnante qu'à condition qu'elle en soit assez proche. Pour pouvoir les exploi-ter au mieux il faudra donc chercher l'intimité la plus serrée possible, bien en deçà de10(' Angstrom.

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Nous l'avons vu, il n'y a pas de phase vitreuse dans la zircone, mais il y en a dans la céramique, c'est un fondant qui permet un bon fluage des masses com-

posites des Vitrocéramiques.

Les vitrocéramiques proposent des phases vitreuses importantes. Quand elles sont renforcées à la leucite, elles sont moins transparentes et de plus haute fusion. Quand la masse vitreuse possède moins de leucites, la céramique est plus transparente, de plus basse fusion mais aussi plus fragile. Donc cette masse vitreuse, très fluide aura le rôle de l'eau entre nos deux plaques de verre de l'expérience décrite plus haut, et si ses qualités de fluage sont bonnes l'intimité avec la zircone sera alors optimisée d'autant plus que les particules de leucite y baignant et ainsi rap-prochées pourront exploiter ces courants de Foucault.

Cependant, ce fluage sera fonction de la tempéra-ture, et le bon compromis à trouver sera :

La bonne céramique avec la bonne proportion de phase vitreuse, avec la bonne température de cuis-son, la bonne translucidité et stabilité au fil des cuis-sons. Et tout cela sur le bon protocole de prépara-tion des surfaces de zircone.

En effet, la céramique apportée ensuite, quel que soit son protocole de cuisson, viendra se combiner par sa phase vitreuse à la phase vitreuse de la pre-mière couche préalablement répandue sur la surfa-ce de la zircone. Si cette surface initiale est mal préparée ou alté-rée, la combinaison vitreuse ne servira à rien et ne pourra conduire qu'à une séparation des maté-riaux.

A LA SURFACE DE LA ZIRCONE Difficile d'apprécier visuellement si l'état de surface est bon, tant les aspérités sont petites puisqu'à l'échelle cristalline de ce matériau.

De plus, il faut que les cristaux restent complète-ment incorporés en surface et surtout pas disjoints de la masse principale.

En l'absence d'apport d'énergie qui génère la diffu-

sion électronique "réparant" les liaisons intermolé-culaires, la moindre amorce de disjonction se trans-formera en séparation définitive.

Heureusement en cas de casse superficielle, la zir-cone étant avide en énergie, elle déforme sa struc-ture cristalline ordonnée en une autre structure de cristaux déformés et plus volumineux capables de combler de petits espaces de séparation ou des micro fissures, mais un apport d'énergie est nécessaire pour que sa structure se modifie et change ses propriétés physiques !

Une fissure se propageant engendre une énergie suf-fisante au changement de forme cristalline et elle est donc suffisante à sa propre réparation, mais cette propriété a tout de même ses limites.

Des fêlures de fatigue (sans apport d'énergie) peu-vent quand même se produire avec le temps et il faut donc épargner la zircone et la préserver de toute mauvaise pratique !

GRATTAGE ET MEULAGE Un grattage mal mesuré peut provoquer des fissures, des éclatements, des arrachements, certes, partiel-lement compensés par les apports d'énergie dus à

l'impact du meulage. Une vitesse de rotation contrôlée permettra de fai-re la différence entre destruction et préservation des propriétés de la zircone.

La sensation d'efficacité du meulage est supérieure à haute vitesse, voire avec une turbine, mais bien trop

violente.

Alors apporter de l'eau semble pouvoir permettre de travailler sans risques, cependant c'est une illusion.

Oui, le milieu aqueux empêche la propagation des ondes de choc et absorbe partiellement l'excès de chaleur dû aux impacts entre les reliefs et la fraise mais seulement en périphérie du point meulé et en

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LE DOSSIER • ZIRCONE

À vouloir trop bien faire on risque l'échec...

Mauvais Bon PHASE VITREUSE PHASE VITREUSE

Surface de contact : -contact : -^ A * •M

Bulles de gaz : + Impuretés : +

Surface de contact : +

Bulles de gaz : - Impuretés : -

ZIRCONE ZIRCONE

LA M O U I L L A B I L I T E

C'est la propriété d'un matériau à accepter ou non qu'une autre matière liquide se répande ou non à sa surface.

Elle se mesure et se définit par un angle comme le montre l'exemple de la goutte d'eau sur une surface de polymère :

inférieur à 90° faible mouillabilité

Égal à 90° mouillabilité normale

Supérieur à bonne mouillabilité

Causes de mouillabilité faible

• état de surface trop rugueux

• état de surface tensio-négatif (ion -)

• état de surface gras ou souillé

Causes de bonne mouillabilité

• état de surface lisse et poli (avec faible magnétisme)

• état de surface très légèrement tensio-positif (ion +)

• état de surface propre

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surface, cependant, les dégâts invisibles sont bien là au-delà de la périphérie !

Des vitesses de rotation habituelles (18-25 000 trs) font rebondir les fraises, pierres et meules, les consommant sans véritablement attaquer la surface de la zircone, et pourtant c'est une agression des-tructrice de la surface, heureusement sans consé-quence pour la structure interne. De telles vitesses seront tout juste admissibles pour certaines étapes de polissage.

Avec les abrasifs adéquats (Komet , Dorshel , Dumont, Bcs...) des vitesses de 3 à 12 000 (souvent de 6 à 8 000 !) seront très efficaces, sans dommages significatifs pour la zircone, avec ou sans eau, mais mais il faudra veiller à ne pas échauffer la pièce que l'on travaille ce qui est chronophage. Dans le cas contraire, l'apport d'énergie sera trop

important en surface et augmentera trop l'intensité des « courants de Foucault » ce qui exacerbera en excès la polarité + réduisant la « mouillabilité » de la surface, condition impérative à une bonne application des masses primaires de céramique (voir encadré). 11 vaut donc mieux opérer le maximum des finitions possibles au stade préfritté plutôt qu'après cuisson.

De toutes les façons, moins on fraise la zircone

dure, mieux on se porte !

C'est bien pour ces raisons que l'industrie s'oriente maintenant de plus en plus vers le travail de zircones crues (non préfrittées)

ETAT DE SURFACE IDÉAL D'autre part, le grattage doit aussi donner une rugo-sité suffisante pour augmenter la surface de contact avec la masse apportée qui ainsi pourra être plus importante.

Attention, des aspérités trop prononcées donnent des gorges trop profondes, inaccessibles au flua-ge et qui emprisonnent des gaz, de l'air, des impuretés pouvant évoluer, polluer ou transiter dans les masses au fil des cuissons (schéma état de surface).

De plus ces aspérités trop profondes empêchent le contact au fond de ces zones réduisant ainsi la sur-face d'accroché et elles fragilisent donc la liaison sans parler de l'absence d'intimité nuisant aux courants de Foucault ; d'où un double problème : mauvaise rétention, et « surprises » dans la céramique...

LES OUTILS DE MEULAGE Le liant des meulettes doit être très particulier, neutre, sans oxyde, sans gras, sans colle ni autres composants dont il est difficile de se débarrasser après coup, sauf au prix de nettoyages agressifs et même dangereux, ceci explique le coût élevé des

outils spécifiquement dédiés à la zircone.

SABLAGE ET NETTOYAGES La zircone peut et doit se sabler à PAI203 50 m, 2 à 4 bars de pression à 1 cm de la buse, celui-ci doit enlever les éléments cristallites prêts à partir et don-ner un aspect satiné à la surface.

En revanche il n'est pas bon de l'ébouillanter et même interdit de lui faire subir un passage à l'ul-

trason.

Un bain d'ultrason produit un bombardement de

micro-bulles d'air à près de 1000 mètres/s, certes, sur une distance microscopique, mais très impactantes, qui provoquent des microfissures dans la zircone sans réel apport d'énergie, provo-cant donc de nombreux indices de fracture :

JAMAIS D'ULTRASONS, MÊME EN B O U C H E POUR DÉTARTRAGE !

En revanche, un traitement thermique judicieux per-mettra un brûlage des impuretés de surface ainsi qu'un apport d'énergie thermique qui réparera les petites agressions de surface dues au meulage.

LES LINERS Si l'application d'un liant coloré ou liner est prati-quée, c'est souvent la vraie première cause d'acci-

dent et les industriels s'en séparent de plus en plus.

En effet, ceux-ci n'étant pas constitués d'une phase

vitreuse importante, le fluage est limité, et d'autre part la rétraction de ces matériaux lors de la déshy-dratation les fait se décoller même après une appli-cation soigneuse, même à la spatule de verre, même

vibrée. On ne s'en aperçoit pas toujours, mais c'est alors une simple coquille posée sur une armature, aucune chance que cela tienne longtemps. La solution serait de le déshydrater très, très doucement (24 heures) ou bien mieux, de s'en passer carrément.

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LES POUDRES ZR LE CET Même si des céramiques destinées au titane ont été préa-lablement utilisées pour la zircone, il a bien fallu ajuster encore mieux le CET à cette indication zircone. Cependant des températures de fusion hautes ou basses sont proposées, et le contrôle du CET pour les haute fusion est difficile et instable. Celui des basse fusion est meilleur mais les céramiques sont plus fragiles. D'autre part, pour les hautes fusion on préconise des températures qui devraient normalement être déconseillées pour la zircone, ceci étant, pour de telles céramiques, c'est plus le protocole de chauffe et l'apport des calories par rapport à la masse à cui-re qui importent que la température (moins chaud mais plus longtemps revient au même).

Les basse fusion permettent de mieux respecter le maté-riau, elles sont mieux contrôlables en termes de CET, mais sont fragiles et supportent moins les cuissons répé-tées, perdant volume (rétraction) et translucidité.

11 y a bien sûr des poudres spéciales Zr meilleures que d'autres, au-delà du confort personnel ou des systèmes de marque dont on a l'habitude. II faut en essayer différentes pour trouver la meilleure fiabilité. Un CET mal maîtrisé par le fabricant ou une mau-vaise pratique génèrent une faible résistance à l'ef-fort, à la fatigue et à court terme la céramique cas-sera en bouche.

LA FATIGUE DU COSMÉTIQUE

Un CET trop faible

CONCLUSION : La zircone peut donner un résultat de tenue céra-mique plus qu'excellent, la céramique pouvant se retrouver très difficile à décrocher d'une chape à condition que l'on comprenne bien ce matériau et qu'on l'approche comme il convient.

La contre-indication majeure, comme souvent par le passé avec d'autres produits étant l'ignorance, l'incompréhension, la mauvaise pratique et pire encore l'application de protocoles destinés à d'autres matériaux.

Line fois ces écueils surmontés, la confiance revient face à un résultat fiabilisé quasi parfait.

Il engendre des tensions internes qui se caractérisent par des lignes de fractures dans le cosmétique. Sous l'ef-fet de l'occlusion, ces tensions augmentent, venant à bout des microfissures en les transformant en fracmrcs.

Un C E T trop élevé

Il va rendre la masse céramique trop lâche, sans com-pression autour de la chape, tout juste déposée elle encaissera seule les forces d'occlusion sans pouvoir vraiment les partager avec la chape, et en bougeant ainsi, la faible liaison possible avec son support se délit-tera, et elle se détachera comme une coquille d'oeuf.

TEINTE DE LA ZIRCONE Certaines colorations de la zircone semblent altérer les performances de surface, mais aussi le CET exter-

ne des éléments. Les teintes prononcées, dans la masse, ou par immer-sion, semblent être sources de préoccupation, alors que celles obtenues par imprégnation de surface sont acceptables et même plus puisqu'elles sembleraient augmenter la solidité des zones imprégnées (cf. étu-de faite pour Amann Girrbach).

LE MATÉRIEL POUR ZIRCONE Par ailleurs, il faudra impérativement du matériel (four, spatules, plaques, supports de cuisson...) des plus fiables et entièrement conçus pour la zircone, restant propre, sans contamination d'oxyde autre que ceux inclus aux poudres céramiques utilisées.

Donc, avoir un four de bonne facture pour la zircone.

Il faut absolument trouver le bon équilibre entre la matière, la pratique, la masse et le protocole, et là c'est l'expérience qui fait la différence. Devant l'incapacité de certains à aborder la zircone, ne cédons pas à leurs accusations de mauvais maté-riau car avec de bons principes, on peut même y associer de la résine !

Alors à vos spatules et pinceaux !

Nous étudierons ces phénomènes au travers des tests

réels dans un prochain article. Richard Fouquier

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