Al 2 O 3 ZrO 2 TiO 2 Apatita
1.6. MECANISMOS DE REFORZAMIENTO EN MATERIALES CERÁMICOS: AUMENTO DE LA TENACIDAD
1.6.2. MECANISMOS DE LARGO ALCANCE
1.6.2.1. Mecanismo de ligamentos resistentes
El mecanismo de ligamentos resistentes consiste en añadir una segunda fase a la matriz de tal forma que actúe como obstáculo o barrera para el avance de la grieta. Existen diferentes morfologías empleadas como reforzamiento entre las que caben destacar: (i) partículas rígidas (figura 1.19.a)[184, 185], (ii) láminas (figura 1.19.b)[186‐ 188], (iii) fibras (figura 1.19.c)[189‐192] y (iv) partículas dúctiles (figura 1.19.d)[193], aunque también pueden darse combinaciones de estas morfologías[194]. Entre todas estas opciones, una de las más efectivas para aumentar la tenacidad de los materiales cerámicos consiste en la incorporación de partículas metálicas dúctiles[195]. Estudios previos[196, 197] han mostrado que el principal mecanismo de reforzamiento responsable del aumento de la tenacidad en los materiales compuestos cerámica‐ metal es el puenteo de grieta producido por la deformación elasto‐plástica de las
partículas metálicas. Esta característica que presentan los materiales compuestos cerámica‐metal con una adherencia óptima entre las dos fases puede dar lugar a un comportamiento de crecimiento estable de grieta (curva‐R)[198, 199]. En este tipo de comportamiento, las partículas metálicas ejercen tracciones de cierre que reducen el factor de intensidad de tensiones aplicado en la punta de la grieta, oponiéndose a que la grieta se abra más o se propague. Para que el reforzamiento tenga lugar, la grieta que avanza a través del material debe verse atraída hacia la partícula reforzante, de esta forma la partícula se puede descohesionar parcialmente de la matriz y deformarse plásticamente, absorbiendo la energía de propagación de la grieta con la formación de ligamentos resistentes que provocan un aumento de la tenacidad.
Para que se produzca la desviación de la grieta hacia las partículas reforzantes el coeficiente de expansión térmica y el módulo elástico de las mismas han de ser menores que el de la matriz, lo cual ocurre en la mayoría de los casos de materiales compuestos cerámica‐metal. El nivel de reforzamiento debería aumentar con el incremento de partículas reforzantes, sin embargo, existe un límite superior a partir del cual se producen desventajas en algunas propiedades como la resistencia mecánica, el comportamiento frente a la corrosión o a alta temperatura. Por otro lado, un contenido en partículas metálicas por encima del 20 % en volumen produce un
Figura 1.19. Mecanismo de reforzamiento por puenteo de grieta mediante: (a) partículas rígidas, (b) láminas, (c) fibras y (d) partículas dúctiles.
(a)
(c)
aumento sustancial de la conductividad eléctrica[200]. Este hecho ha sido estudiado en base a la teoría de la percolación[201], la cual establece un valor umbral de concentración de fase dentro de una matriz a partir de la cual se forma una red interconectada de la fase dispersa, modificando propiedades del material final. En el caso de los materiales compuestos cerámica‐metal, la principal modificación que se realiza al alcanzar el punto de percolación consiste en el aumento de la conductividad eléctrica, lo que habilita al material, por ejemplo, a poder ser mecanizado mediante técnicas de electroerosión. Por otro lado también parece lógico pensar que el reforzamiento será mayor cuanto mayor sea límite elástico del metal y el tamaño de partícula del mismo, sin embargo, si el tamaño de partícula es demasiado grande, la diferencia entre los coeficientes de expansión térmica entre el metal y la cerámica puede derivar en la formación de microgrietas
Algunos ejemplos de materiales compuestos cerámica‐metal son los que se han realizado con matriz de alúmina reforzada con níquel[202, 203], plata[204, 205], molibdeno[195, 196], cobre[206, 207], niobio[208, 209] y cromo[210]. Aunque también se han realizado estudios con matrices de vidrio, vitrocerámicas, hidroxiapatita y mullita.
De forma general, el método más sencillo para producir materiales compuestos cerámica‐metal consiste en la preparación de la mezcla de los polvos, compactación y sinterización en atmósfera reductora o inerte para evitar la oxidación del metal. Sin embargo independientemente del método de procesamiento utilizado, el aspecto más importante es la adherencia de la interfase cerámica‐metal y el grado de descohesión. Si la adherencia es muy fuerte, no se produce descohesión impidiendo la deformación plástica, por otro lado, si la adherencia es muy débil la partícula se despegará de la matriz por completo y la grieta atravesará la partícula sin más reforzamiento que el que pueda producirse por deflexión. Cuando la adherencia es la adecuada la partícula se deforma plásticamente produciéndose un estrechamiento de la misma (formación de cuellos) que es el responsable del reforzamiento. Finalmente, para que el reforzamiento sea más efectivo la grieta debe alcanzar a la partícula en el centro de la
misma de tal forma que exista el máximo volumen de metal a ambos lados para que pueda deformarse.
1.7. OBJETIVOS
En general, todos los biomateriales se desarrollan para mantener un equilibrio entre sus propiedades mecánicas y la relación bioquímica del material con los tejidos. Ambas áreas son de gran importancia para que se llegue a implantar con éxito el material. Sin embargo, en la mayoría (si no en todos los casos) de los implantes integrados en un sistema biológico, se requiere un mayor rango de propiedades, por ejemplo, similitud entre sus propiedades elásticas, que no existan problemas de diagnóstico, etc. Por tanto, existe una necesidad clínica que sólo puede ser llevada a cabo con el diseño de materiales que exhiban una combinación de múltiples propiedades. Este objetivo se puede conseguir mediante la combinación de materiales disimilares en un solo material que puede mostrar propiedades superiores comparados a los materiales monolíticos que los constituyen[201]. La mayoría de los materiales así obtenidos muestran un aumento notable de las propiedades mecánicas, siendo un conocido ejemplo los materiales compuestos cerámica‐metal también denominados cermets.
La mayor ventaja de los cermets es que pueden combinar las propiedades disimilares de los materiales cerámicos y los metálicos en un solo material. Debido a la gran cantidad de posibles combinaciones de sus componentes, este campo es muy creativo y ofrece la posibilidad de desarrollar nuevos materiales con un rango de propiedades que generan varias funciones, es decir, que sean materiales multifuncionales. Estas funcionalidades, relacionadas con el campo de la cirugía reconstructiva de tejidos duros, pueden ser por ejemplo, altas propiedades estructurales (resistencia mecánica, dureza, bajo desgaste, etc.), combinadas con una compatibilidad mecánica entre el material y los tejidos que reemplaza, ausencia de problemas de diagnóstico relacionados con los procedimientos de resonancia magnética nuclear, unidos a la conductividad eléctrica de los materiales compuestos que posibilita su mecanizado por electroerosión (contenido de metal cerca del punto de percolación 20% en volumen de fase metálica), etc.
La multifuncionalidad puede ser integrada dentro de un material en diferentes escalas dimensionales aumentando su complejidad y su interconectividad según descienden estas. Esta posibilidad revela claramente el poder de los materiales compuestos para generar estructuras complejas que están organizadas jerárquicamente en nano, micro y meso niveles para cubrir las necesidades de los diferentes sistemas.
Otra ventaja de los materiales compuestos cerámica‐metal radica en la posibilidad de que pueda darse más de un mecanismo de reforzamiento a la vez. Estos mecanismos pueden interactuar provocando, en ocasiones, una interacción sinérgica. Los primeros estudios teóricos sobre las interacciones sinérgicas fueron realizados por Amaziago y Budiansky[211] basándose en los resultados experimentales de Li et al.[212] y Chen et al.[213]. Posteriormente han surgido más trabajos de este tipo que han puesto claramente de manifiesto que la combinación de múltiples mecanismos de reforzamiento puede provocar un mayor incremento de la tenacidad y la resistencia mecánica que el que correspondería a cada mecanismo por separado.
El principal objetivo de la presente investigación será el desarrollo de materiales biocompatibles compuestos cerámica‐Nb micro y nanoestructurados con una mayor estabilidad frente al envejecimiento acelerado, bajo desgaste y propiedades mecánicas superiores a los materiales cerámicos que se emplean actualmente en aplicaciones biomédicas estructurales (tejido duro) y una mayor biocompatibilidad comparada con los metales que se utilizan actualmente (Co‐Cr, acero, etc.). Para ello, se ha utilizado como principal herramienta el diseño microestructural, con el que se pretende controlar simultáneamente la morfología y distribución de los diversos componentes disimilares a diferentes escalas, y establecer relaciones sinérgicas entre los diferentes mecanismos de reforzamiento.
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