Biomateriales

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Published on February 28, 2014

Author: ricknag

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Biomateriales

BIOMATERIALES 1 CLASE 1. 1. ESTADO DEL ARTE DE LOS BIOMATERIALES El uso de materiales para la elaboración de utensilios se asocia a la historia de la humanidad desde tiempos remotos y dio lugar al desarrollo de tecnologías, las que en muchos casos, definieron el avance de las grandes civilizaciones. El paso inicial del desarrollo de las nuevas disciplinas de la ciencia e ingeniería de materiales sucedió en la década del 50(siglo XX), con el uso de procedimientos empíricos para adaptar materiales convencionales a aplicaciones biomédicas. Esto fue generando respuestas a los desafíos planteados por la necesidad de producir dispositivos biomédicos de alto rendimiento El uso de materiales no biológicos en medicina es, sin embargo, muy anterior a la década del 50. Sus primeros antecedentes documentales se remontan al siglo XXX a.C., en el antiguo Egipto. También durante las civilizaciones clásicas de Grecia y Roma (siglo VII a.C. a siglo IV d.C.), se usaron materiales no biológicos, en particular, metales y otros materiales naturales para el tratamiento de heridas y de algunas enfermedades. Ya en la era moderna, en la Europa del siglo XVI se empleó el oro y la plata para la reparación dental y, más tarde, hilos de hierro para la inmovilización de fracturas óseas. Los avances tecnológicos de fines del siglo XIX, en particular el desarrollo de la anestesia, de la cirugía en condiciones estériles y de los rayos X, dieron un fuerte impulso a la búsqueda de metales que pudieran ser utilizados en el interior del cuerpo. Pero a poco tiempo de la aplicación de metales a este fin, aparecieron inconvenientes causados por la corrosión o porque los metales carecían de las propiedades mecánicas necesarias para que el dispositivo cumpliera adecuadamente la función para la que fue diseñado. Para superar estos inconvenientes se investigaron nuevas aleaciones metálicas, entre las que cabe mencionar las de cromo-cobalto y los aceros inoxidables con 18% de níquel y 8% de cromo (tipo 302). Hacia 1940 se mejoró la resistencia a la corrosión de los aceros mediante el agregado de 2 - 4% de molibdeno. Hacia 1960 se redujo la cantidad de carbono en estos aceros inoxidables a menos del 0,03% (tipo 316L), por lo que se logró una importante mejoría adicional. Posteriormente, la introducción del titanio y de sus aleaciones con Niobio y Tantalio, extendió el campo de aplicación de los metales. La aplicación de biomateriales no metálicos comenzó también tempranamente. Durante la Edad Media fueron utilizados en ligaduras destinadas a detener hemorragias y en algunos de los procedimientos quirúrgicos. Su desarrollo se aceleró a principios de este siglo con el descubrimiento de materiales para fabricar hilos de sutura capaces de ser degradados y absorbidos por el Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 2 organismo. Sin embargo, la investigación sistemática y planificada de los materiales útiles para la fabricación de prótesis e implantes sólo surge después de la segunda Guerra Mundial como consecuencia del avance del conocimiento en ciencia y tecnología de materiales. Un factor que impulsó fuertemente el desarrollo de materiales implantables durante este siglo fue el enorme aumento de su demanda producida por la necesidad de rehabilitar a millones de inválidos de guerra. Este aumento corrió en paralelo con avances en otros terrenos que crearon condiciones favorables para obtener soluciones eficaces. Entre ellas cabe mencionar a la investigación y desarrollo en general de nuevos materiales, es especial de los poliméricos, la disminución del riesgo de infecciones causada por la aparición de los antibióticos eficaces y los adelantos en el conocimiento de los procesos biológicos desencadenados como consecuencia del contacto de la materia viva con el biomaterial. La observación clínica de que la inclusión de partículas metálicas en los cuerpos de los soldados heridos era bien tolerada, otorgó a los médicos un criterio empírico que justificó el uso de implantes metálicos para corregir daños en el cráneo o para la fijación interna de fracturas. La comprobación de que los pilotos de guerra no sufrieron alteraciones en la funcionalidad del ojo frente a inclusiones oculares de astillas de poli(metilmetacrilato), polímero vítreo empleado en las ventanillas de los aviones, condujo al desarrollo de las lentes intraoculares fabricadas con este material. Estas son consideradas aún hoy en día como uno de los implantes más exitosos. El poli(metilmetacrilato) también se usa con éxito en cirugía ortopédica como cemento para la fijación de prótesis. Durante las décadas del 40 y el 50 del siglo XX, la investigación y el desarrollo de los implantes estuvo exclusivamente en manos de cirujanos. Algunos de los implantes concebidos y probados con la dirección de profesionales médicos están todavía en uso (por ejemplo: implante de cadera de Charnley, el cemento acrílico y las fibras de Blakemore para injertos vasculares). Durante la década del 60 se publicaron los primeros estudios sobre las lesiones provocadas por la presencia de un implante, e hizo su aparición el término biocompatibilidad para definir el grado de tolerancia del material por parte de la materia viva. La determinación de la biocompatibilidad para cada aplicación específica y para cada sistema formado por material y el medio biológico con el que estará en contacto, requiere la realización de una serie de ensayos de acuerdo con protocolos preestablecidos y del posterior análisis estadístico de los resultados obtenidos. A finales de los años 60, los ingenieros ingresaron en los laboratorios de clínica médica, quirúrgica y dental, y sus contribuciones comenzaron a aparecer en la literatura biomédica. El primer simposio de Biomateriales que se celebró en la Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 3 Universidad de Clemson (del estado de Carolina del Sur en los EE.UU.), en 1969, marca el punto de partida de la necesaria integración de las disciplinas complementarias a la ingeniería y a la medicina para el desarrollo de materiales biomédicos. La influencia del ingreso de la ingeniería al campo de los biomateriales se evidenció en la aplicación de técnicas para caracterizar la estructura y la superficie de los materiales, a los efectos de correlacionarlos con las respuestas biológicas observadas. También, con la incorporación de los materiales cerámicos para el reemplazo de partes óseas y con el desarrollo de materiales compuestos. La evolución del campo de los biomateriales tiene su razón de ser en la Bioingeniería, donde se ofrecen ejemplos en los que la manufactura beneficia directamente a la humanidad. Una de las cirugías ortopédicas realizadas con mayor frecuencia es el reemplazo de articulaciones de cadera artríticas (figura adjunta) con implantes quirúrgicos. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 4 Se debían encontrar materiales que pudieran implementarse en el cuerpo sin reacciones adversas, y que soportaran la sustancial carga dinámica (de millones de ciclos por año) impuestas por pacientes cada vez más jóvenes y activos. Los materiales para estas aplicaciones demuestran el beneficio de la transferencia de tecnología: varias aleaciones son descendientes directas de las usadas en motores a reacción. La forma de la cabeza esférica es crítica, y tuvieron que desarrollarse técnicas para el maquinado de alta precisión . También se debieron encontrar mejores formas de sujeción de la prótesis en el hueso, ya que las juntas adhesivas con frecuencia fallan después de algunos años de servicio. Una metodología más reciente utiliza la capacidad regenerativa del hueso para establecer enlaces, por tanto se tuvieron que desarrollar procesos de manufactura para proporcionar canales intrincados en la superficie de esas parte, en la cual puede crecer tejido nuevo. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 5 1.1. LA ELECTRONICA Y LOS BIOMATERIALES. El cuerpo humano actúa según lo que siente y como procesa la información que recibe del medio a través de sus sentidos. Interiormente también funciona sólo. Sabe exactamente lo que debe hacer porque esta programado para ello. Si algo falla, recibimos estímulos de nuestro propio interior que nos alerta de unas necesidades. ¿Se puede emular todo esto? Sensores ópticos, térmicos, acústicos, etc. Conocemos un montón de sistemas para obtener información de nuestro entorno. Pero dicha información, ¿se puede a traducir a impulsos nerviosos interpretables por nuestro cerebro? Bien, parece ser que algunas sensaciones sí. Con las fibras ópticas, es posible medir la presión y la temperatura. Los fotones no solo pasan de un punto a otro, sino que algunos de ellos vuelven al punto de partida, chocando con las otras partículas internas. Si una parte de las fibras ópticas es sometida a radiaciones de calor, la condición natural de las partículas se altera, y en consecuencia se puede notar una mutación de las radiaciones visibles. Así, es posible calcular la distancia entre el punto de partida y el punto de alta radiación. ¿Sería posible crear una película dérmica sensitiva a base de fibra óptica? La ciencia ficción está repleta de micromáquinas y nanomáquinas. La nanotecnología puede que algún día deje de ser ciencia ficción. ¿Podríamos contener en nuestra sangre nanomáquinas que actuasen como las plaquetas pero con mayor capacidad de regeneración? Esto ya no es demasiado, se estudia la posibilidad. Hace poco que han empezado a implantar unos pequeños circuitos en la cabeza de gente que padece de parkinson y problemas parecidos. Esto no es ciencia ficción. El último caso que se vio en las noticias fue el del hombre ciego al que le implantaron también en la cabeza un mecanismo para poder ver. Y es que poco a poco se van acercando las fronteras de lo digital y lo animal. El pasado 27-2-2000, se vio en las noticias un nuevo ingenio digital de silicio que incorporaba células humanas. Su objeto era el de obtener más información sobre las células humanas, ya que el dispositivo se conectaba a un ordenador con el que se hacían las pruebas. Y hablando de extraer información del cuerpo humano, también existe en USA unos pequeños transmisores (esto es parecido a ciencia-ficción sobre nanotecnología.), que se inyectan en la sangre e informan a un ordenador del nivel de glucosa, etc., en la sangre. Pretendían ampliar el sistema para poder hacerlo circular también por el sistema linfático. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 6 Respecto a los implantes artificiales, ya vimos el día 15-3-2000 el primer implante de cornea realizado en España que ha permitido a un hombre que llevaba ciego 40 años recuperar la visión. 2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES. 2.1. INTRODUCCIÓN. 2.1.1. Clasificación De Los Materiales La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente: 2.1.1. a. Metálicos Ferrosos No ferrosos 2.1.1. b. No metálicos Orgánicos Inorgánicos 2.1.1. a.1. Metales Ferrosos Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el hierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio. Los principales productos representantes de los materiales metálicos son: Fundición de hierro gris, Hierro maleable, Aceros, Fundición de hierro blanco, Sus temperaturas de fusión van aproximadamente desde los 1360 º C hasta los 1425 º C y uno de sus principales problemas es la corrosión. 2.1.1. a.2. Metales no Ferrosos Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción, beneficio y tratamiento de sus minerales, como Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 7 su refinamiento se han logrado disminuir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años. Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufacturas y aplicaciones sofisticadas son: Aluminio, Cobre Magnesio, Níquel, Plomo, Titanio, Niobio, Zinc, Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño), el latón (cobre - zinc), aleaciones especializadas de titanio y otros metales pesados en aplicaciones como biomateriales. 2.1.1.b. Materiales no Metálicos 2.1.1.b.1. Materiales de origen orgánico, 2.1.1.b.2. Materiales de origen inorgánico. 2.1.1.b.1. Materiales orgánicos Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son: Polímeros, Productos del petróleo, Madera, Papel, Hule, Piel. 2.1.1.b.2. Materiales de origen inorgánico Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetal o no están relacionados con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 8 general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufacturas y biomateriales son: Los minerales, El cemento, La cerámica, El vidrio, El grafito (carbón mineral). Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirán directamente en el costo de los materiales y los artículos que integraran. Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un material. Como aspecto importante de cualquier material de Ingeniería es su estructura, debido a que sus propiedades están directamente relacionadas con esta característica. Por ejemplo, la madera es muy fácil ver la estrecha relación que existe entre la estructura y propiedades, el Pino Amarillo Meridional presenta largas celdas ahuecadas o fibras, que están formadas principalmente de celulosa y están alineadas con el grano de la celulosa y se encuentran cementadas juntas por otro material orgánico más débil llamado lignina. Por la presentación anterior este material se puede hender con facilidad a lo largo de su grano; esto es, paralelo a las celdas. La madera es también mucho más fuerte en compresión o tensión paralela a su grano que en compresión o tensión perpendicular al mismo. Es un buen material para excelentes columnas y vigas, pero no es realmente apropiado para miembros tensores requeridos para soportar grandes cargas, porque la baja resistencia de la madera al corte paralelo a su grano dificulta la colocación de sujetadores en los extremos los que no soportarán la tracción. Como resultado, los puentes de madera y otras grandes estructuras en este material, con frecuencia se construyen Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 9 introduciéndoles varillas de tensión en acero para soportar las cargas que dan este esfuerzo1. 2.2. LOS METALES Los metales es el Grupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas: Estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido; Opacidad, excepto en capas muy finas; Buenos conductores eléctricos y térmicos; Brillantes, una vez pulidos, Estructura cristalina, en estado sólido. Los Metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal —boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, teluro, polonio y astato— tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como amalgamas. 2.3. PROPIEDADES FÍSICAS Los metales muestran un amplio margen en sus propiedades físicas. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto es rosáceo, el cobre rojizo y el oro amarillo. En otros metales aparece más de un color, y este fenómeno se denomina pleocroísmo . El punto de fusión de los metales varía entre los - 39 C del mercurio y los 3.410 °C del Wolframio. El iridio, con una densidad relativa de 22,4, es el más denso de los metales. Por el contrario, el litio es el menos denso, con una densidad relativa de 0,53. La mayoría de los metales cristalizan en el sistema cúbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonal y en el tetragonal. La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta a temperatura ordinaria la plata. La conductividad en los metales se puede reducir 1 Robert E. Hill. Principios de Metalurgia Física, Cap. I, Pag. 15, Segunda Edición, C.E.C.S.A., México, 1979. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 10 mediante aleaciones. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse. Ciertas aleaciones, como las de platino e iridio, tienen un coeficiente de dilatación extremadamente bajo. Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque existen ciertas variaciones de uno a otro, en general los metales tienen las siguientes propiedades: dureza o resistencia a ser rayados; resistencia longitudinal o resistencia a la rotura; elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir deformación; maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo; resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas, y ductilidad o posibilidad de deformarse sin sufrir roturas. TABLA PERIODICA. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 11 2.4. PROPIEDADES QUÍMICAS Es característico de los metales tener valencias positivas en la mayoría de sus compuestos. Esto significa que tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan. También tienden a formar óxidos básicos. Por el contrario, elementos no metálicos como el nitrógeno, azufre y cloro tienen valencias negativas en la mayoría de sus compuestos, y tienden a adquirir electrones y a formar óxidos ácidos. Los metales tienen energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes. De este modo, los metales forman sales como cloruros, sulfuros y carbonatos, actuando como agentes reductores (donantes de electrones). 2.5. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA En sus primeros esfuerzos para explicar la estructura electrónica de los metales, los científicos esgrimieron las propiedades de su buena conductividad térmica y eléctrica para apoyar la teoría de que los metales se componen de átomos ionizados, cuyos electrones libres forman un “mar” homogéneo de carga negativa. La atracción electrostática entre los iones positivos del metal y los electrones libres, se consideró la responsable del enlace entre los átomos del metal. Así, se pensaba que el libre movimiento de los electrones era la causa de su alta conductividad eléctrica y térmica. La principal objeción a esta teoría es que en tal caso los metales debían tener un calor específico superior al que realmente tienen. En 1928, el físico alemán Arnold Sommerfeld sugirió que los electrones en los metales se encuentran en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados. En el mismo año, el físico estadounidense de origen suizo Felix Bloch, y más tarde el físico francés Louis Brillouin, aplicaron esta idea en la hoy aceptada “teoría de bandas” para los enlaces en los sólidos metálicos. De acuerdo con dicha teoría, todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos. Por ello se requiere un amplio reparto de electrones entre los átomos individuales. El reparto de electrones se consigue por la superposición de orbítales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes. Esta superposición va recorriendo todo el metal, formando amplios orbítales que se extienden por todo el sólido, en vez de pertenecer a átomos concretos. Cada uno de estos orbítales tiene un nivel de energía distinto, debido a que los orbítales atómicos de los que proceden, tenían a su vez diferentes niveles de energía. Los orbítales, cuyo número es el mismo que el de los orbítales atómicos, Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 12 tienen dos electrones cada uno y se van llenando en orden de menor a mayor energía hasta agotar el número de electrones disponibles. En esta teoría se dice que los grupos de electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de orbítales. Cada banda tiene un margen de valores de energía, valores que deberían poseer los electrones para poder ser parte de esa banda. En algunos metales se dan interrupciones de energía entre las bandas, pues los electrones no poseen ciertas energías. La banda con mayor energía en un metal no está llena de electrones, dado que una característica de los metales es que no poseen suficientes electrones para llenarla. La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 13 CLASE 2. LOS MATERIALES COMPUESTOS 1. ESTADO DEL ARTE. Los materiales compuestos no son de uso reciente. En el antiguo Egipto ya se fabricaban ladrillos incorporando paja en el barro con el fin de transferir a las fibras la carga aplicada. El concreto puede ser considerado un material compuesto de matriz cerámica y más si este se encuentra reforzado con varillas de acero, práctica utilizada desde ya hace bastante tiempo. Mas reciente, pero no tanto, es el uso de llantas de caucho reforzadas con hilos de acero o nylon y el plástico reforzado con fibra de vidrio. El interés por la investigación de los materiales compuestos, partió en los años 50 y se basó en tres factores principales e importante: Las predicciones de la física del estado sólido que planteaban una resistencia potencial extremadamente alta (más de 106 psi.), Módulos de elasticidad del orden de 108 psi. en cristales de alta perfección estructural, como lo expresaban en ese momento los escritos de Hume-Rothery en Inglaterra y Frederick Seitz en Estados Unidos. La economía floreciente de las potencias mundiales como los países que conformaban La Unión Soviética, Estados Unidos, Japón, Alemania, Francia e Inglaterra, y obviamente la demanda de los diseños de materiales con menor peso, mayor rigidez y mayor resistencia específica para uso en estructuras aeroespaciales, automotriz, equipos deportivos y otras aplicaciones diversas. Entonces las grandes corporaciones de occidente invirtieron en enormes y sofisticados laboratorios, formando centros de investigación alrededor de físicos y no de metalurgistas, lo que "catapultó" la electrónica a su "nueva era" y prácticamente convirtió, en los E.U., la Ingeniería metalúrgica en ciencia de los materiales, haciéndole perder a dicho país la espina dorsal de su industria pesada. Por otro lado, la "guerra fría" entre URSS y E.U obligaba a una lucha por la supremacía en el espacio y los medios de defensa; esto hizo que los respectivos gobiernos invirtieran enormes recursos económicos en la aeronáutica militar y la tecnología espacial para el desarrollo de materiales capaces de soportar la conversión de la energía cinética de los vehículos en energía térmica. 2. MATERIALES COMPUESTOS Los materiales compuestos se forman o se producen cuando se introducen fibras o partículas de un elemento, compuesto o material determinado en Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 14 una matriz polimérica, cerámica o metálica que actúa como aglomerante y respaldo. Y se tienen metal-metal, metal-cerámico, metal-polímero, cerámico-cerámico, cerámico-polímero o polímero-polímero. Las propiedades de los materiales compuestos son superiores y posiblemente únicas en algún aspecto específico, a las propiedades de los componentes por separado. Los nuevos propiedades: capaces de temperaturas térmico y a creep. materiales normalmente deben poseer varias de las siguientes ser excepcionalmente livianos, poseer enormes resistencias y ser funcionar en ambientes corrosivos y oxidantes severos a que pueden alcanzar hasta los 2000 °C, resistencia al choque la fatiga térmica y mecánica, resistencia a la termofluencia o Se han creado grupos de nuevos materiales y se han mejorado los de tecnología reciente o de avanzada, es así como actualmente se cuenta entre otros con polímeros ingenieríles como el Kevlar 49, cerámicas estructurales y electrónicas como el Sialon, Si3N4, y superconductores de altas temperaturas, metales de avanzada tales como nuevos aceros, aleaciones Al-Li, aleaciones intermetálicas y sistemas de materiales compuestos de matriz metálica, polimérica o cerámica. 3. PROPIEDADES Y USOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS. Las propiedades mecánicas y físicas de los materiales compuestos son muy superiores a los de los tradicionales u homogéneos. Presentan mejores relaciones de resistencia/peso, rigidez/peso, mejor resistencia a la fatiga y tenacidad a la fractura. Los materiales compuestos presentan aplicaciones ventajosas en la ingeniería estructural por la relación resistencia a peso, que realmente no se ha explotado aún de manera extensa debido a las dificultades encontradas en obtención de homogeneidad y consistencia en la producción. No obstante, en la actualidad se cuenta con técnicas para la producción de filamentos de uso corriente en las tecnologías médicas, aeroespaciales y satelitales, que en principio podrían utilizarse para aplicaciones no espaciales. Otros usos: motores de cohetes y conos de proa de los misiles; en las alas, fuselaje, piso, tren de aterrizaje de aviones; en los sistemas de frenos, válvula, asientos de válvulas, pistones, bielas, piezas de carrocería, ejes de transmisión, parrillas y árbol de levas de automóviles; cascos, cubiertas, mástiles y cables de amarre de embarcaciones; recipientes, recipientes a presión y dúctos de la industria química; biomateriales, aislantes, cajas de interruptores, paneles de control, cañas de pescar, raquetas de tenis, palos de golf, cascos y canoas. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 15 4. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA Los materiales compuestos de matriz metálica, frente a los metales monolíticos, presentan más altas relaciones de resistencia/peso, rigidez/densidad, mejor resistencia a la fatiga, mejores propiedades a temperaturas elevadas (mayor resistencia y menores tasas de fluencia lenta), mejor resistencia al desgaste y menores coeficientes de expansión térmica. También tienen asociados mayores costos de producción, métodos de producción mas complejos, tecnologías relativamente inmaduras y experiencia en servicio limitada. Los materiales compuestos de matriz metálica científicamente y de manera aplicada en forma muy cuarenta años. Sin embargo, solo en los años noventa materiales de ingeniería que pueden competir en forma han sido investigados activa desde hace unos se han considerado como real con los tradicionales. Como material de la matriz, las aleaciones ligeras o livianas de aluminio, magnesio y titanio se encuentran a la cabeza en cuanto a su uso mas frecuente. También son bastante comunes las aleaciones de cobre y las superaleaciones base níquel. Los refuerzos mas empleados son las fibras de SiC, SiO2, B, B/SiC y C y alambres de W, Ti y Mo. En los últimos años se ha avanzado mucho en el entendimiento de los fenómenos del comportamiento de estos materiales y de los métodos que deben ser utilizados para su obtención. Estos son cada vez más y mejores. Los materiales compuestos de matriz metálica se utilizan en estructuras y antenas de vehículos espaciales e hipersónicos, en puertas, estructura primaria, álabes de hélices, alerones y superficies de control de los aviones; bloques de motor, bastidores, amortiguadores y ballestas de automóviles; escobillas, electrodos para baterías, contactos y cables de uso eléctrico; sillas de ruedas, biomateriales, componentes ortopédicos y de ortodoncia, bicicletas y artículos deportivos, substratos para aplicaciones electrónicas, etc. 5. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA El éxito en la fabricación de la fibra de grafito y resinas epóxicas en los años 70, que se utilizaron en la fabricación de raquetas para tenis, cañas de pescar y palos de golf entre otros usos, impulsó la siguiente onda de desarrollo de filamentos orgánicos de alto módulo. Se patentaron muchas fibras orgánicas de alto peso molecular y alto módulo de elasticidad. La tecnología del trenzado de fibras permitió posteriormente el uso comercial de cables sintéticos que empezaron a competir con los de acero en tecnologías como las marinas y submarinas. Las matrices más comunes de los materiales compuestos de matriz polimérica son el polipropileno, el nylon y el policarbanato. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 16 Los principales materiales de refuerzo utilizados son el vidrio, carbón (grafito), algodón, nylon y aramida en forma de filamentos, fibras distribuidas al azar, orientadas o tejidas, y metales en forma de hilos. Los materiales compuestos de matriz polimérica han sido los que han tenido una comercialización más pronta después de su desarrollo, debido a que encuentran un uso muy variado, basado en sus propiedades de resistencia química y a agentes atmosféricos y ambientales, su mala conductividad eléctrica, su bajo peso específico, su buena resistencia mecánica y facilidad de fabricación. Sin embargo, presentan la desventaja de un uso limitado a temperaturas altas. El uso más exitoso en la historia de los materiales compuestos sintéticos lo constituye sin duda el de las llantas de caucho en las cuales se han utilizado como refuerzos fibras de vidrio, a cero, poliéster, rayón y actualmente aramida. Los materiales compuestos de matriz polimérica se emplean en forma muy amplia en la navegación deportiva, mercante y militar, en la fabricación de implementos deportivos, en la industria automotriz, etc. 6. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ CERÁMICA Desde hace unos 25 años se sabe que los materiales compuestos de matriz cerámica no presentan el comportamiento de falla catastrófica, común en los materiales cerámicos monolíticos, consecuencia de su elevada fragilidad. Por esta razón, se empezó a fabricar materiales cerámicos reforzados con fibras continuas o discontinuas, que permitieran un incremento considerable de la tenacidad a la fractura, manteniendo su resistencia mecánica, al calor y a los agentes químicos. 7. PROCESOS DE MANUFACTURAS Bajo la nomenclatura “material compuesto de matriz metálica (MMC)”. podrían incluirse dos grandes familias de materiales: A. Materiales destinados para aplicaciones de corte y desgaste (carburos cementados, aceros reforzados con carburos, etc.). B. Materiales de alta rigidez, resistencia y módulo específico normalmente destinados para aplicaciones estructurales de la industria automotriz o aeronáutica. El primer grupo de materiales se basa en matrices de metales de transición (Co, Fe, Ni) y el segundo en aleaciones ligeras (base Al, Ti, Mg). Para buen análisis, ambas familias tienen que ver con los materiales compuestos MMCs, En principio, se pueden combinar dos materiales cualquiera para formar un compuesto (metales, cerámicos, polímeros, etc.). La fabricación se determina en función de lo atractivas que sean las propiedades que presenta. En la figura 1, vemos las diferentes clases de materiales que pueden formar un material compuesto(1) Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 17 8. MATRICES UTILIZADAS PARA LA FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA Las funciones que tiene la matriz metálica en los materiales compuestos son las siguientes: Proteger las fibras o partículas del ambiente exterior (aire, humedad...) Propiciar la unión solidaria de los elementos que constituyen el refuerzo: unir las fibras entre ellas, pero separarlas para evitar la transmisión de grietas a través del compuesto, sobre todo en el caso de un refuerzo con fibras continuas. Repartir y transmitir las cargas de los elementos de retuerzo. En general para que la transmisión sea óptima, la matriz debe deformase plásticamente para tensiones netamente inferiores a las que esta sometida el compuesto y que su deformación sea inferior a la correspondiente a la rotura. La matriz nó deberá tener un módulo de elasticidad demasiado elevado. Por último las condiciones de utilización particulares del compuesto pueden exigir que la matriz presente buena resistencia a la corrosión o a la oxidación, o una buena resistencia mecánica en caliente Es prácticamente imposible nombrar todos los metales o aleaciones que se emplean en la fabricación de MMCs, bien en estado de desarrollo o bien industrialmente(Figura 2). Así, las aleaciones más comúnmente empleadas en materiales compuestos de matriz metálica son las ligeras: del aluminio (principalmente de las series 2000, 6000, 7000 y 8000). Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 18 FIGURA 2. El titanio y sus aleaciones (aunque en algunos casos presentan el problema de reacción química con el refuerzo durante el procesado a temperaturas elevadas, lo que deteriora las propiedades del compuesto obtenido) y el magnesio y sus aleaciones (que presentan graves problemas de corrosión). 9. REFUERZOS EMPLEADOS EN MATERIALES - COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA Las funciones que tiene un material de refuerzo en MMCs son las siguientes: Soportar las tensiones que se ejercen sobre el compuesto. Aumentar las características mecánicas de la matriz, su dureza y resistencia al desgaste (sobre todo en el caso del refuerzo con partículas). Mitigar los fallos de estas características con el aumento de temperatura. Frenar o detener la propagación de grietas a través del compuesto y el desarrollo de las fisuras. Las fases de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías; fibras continuas, whiskers y partículas. Generalmente, se habla de la gran mejora que desde el punto de vista de las propiedades mecánicas, pueden obtenerse mediante fibras continuas, reforzando en la dirección de la tensión aplicada, mientras que con whiskers y partículas, se experimenta una disminución de resistencia, pero se Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 19 tiene una gran isotropía en el material(2, 5,y 8) . En la tabla II podemos comparar el efecto que tiene sobre las propiedades de una misma matriz distintos tipos de refuerzos. TABLA 1 Propiedades relativas entre los diferentes matrices en materiales compuestos Características No atómico Estructura cristalina Pto ebullición oC Pto Fusión oC Densidad (g/cc) Cond. Eléctrica(%IACS) Resistividad eléct.( ) Calor latente fusión(Jg-1) Cof. Exp Lineal(x10-6 K-1) Cal.Espec.25oC(JK-1Kg-1) Cond. Térmica 0-100 oC Tipo de Material Dureza(HV) Cof. Poisson Resis. Tracción(MPa) Límite Elástico(MPa) Módulo Elático(GPa) materiales Al 13 CFC PROPIEDADES 2467 660 2.7 PROPIEDADES 64 2.67 PROPIEDADES 388 23.5 900 237 PROPIEDADES Blando - Duro 0.345 50 – 90 - 130 -195 10 – 35 - 110 -170 70.6 ligeros Mg 12 HC FÍSICAS 1090 650 1.7 ELÉCTRICAS 38 4.2 TÉRMICAS 362 26 1020 156 empleados como Ti 22 HC 882 oC CC 3287 1660 4.5 4 4.2 365 8.9 523 21.9 MECÁNICAS Blando - Duro 30 -35 - 30 - 35 0.291 185 232 69 100 44.7 Blando - Recocido 35 - 45 60 0.361 230 460 140 250 120.2 TABLA II Matriz Refuerzo Fracción (%Vol) Al-7Zn Al 2024 Al 6061 Al 2024 Al 6061 Al 6061 Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V Mg Mg Fibra Grafito Fibra Boro Fibra de SiC Al2O3 50 Whisker de SiC Partículas de SiC Borsic 40 SCSC-635 Sigma SM1240 Fibra de grafito Fibra de SiC 40 60 50 450 15 15 900 1600 35 40 50 Resistencia a la Tracción 90 1500 1500 175 480 370 205 240 1550 560 1300 Módulo Elástico Longitudinal(Gpa) 190 270 205 100 100 230 230 230 La figura 3 nos muestra un esquema de diferentes tipos de refuerzo utilizados en materiales compuestos de matriz metálica. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 20 LA FIGURA 3 Como es el material de refuerzo el que soporta las tensiones principales; las investigaciones suelen centrarse en fibras o partículas de excelentes características mecánicas (en particular elevada resistencia a la tracción y/o alto módulo de elasticidad y que conservan las propiedades mecánicas junto con la estabilidad química y la compatibilidad con la matriz: a temperatura elevada. 9.1. Fibras continuas Las fibras metálicas se emplean poco a causa de su posible ataque químico por parte de la matriz, los cambios estructurales por la elevación de temperatura (en particular la recristalización), la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb. Etc.). Por ello, se han desarrollado con gran profusión las fibras cerámicas, que presentan numerosas ventajas; no se disuelven en la matriz, su resistencia se mantiene a temperaturas elevadas, su módulo de elasticidad es alto, no se oxidan (con carácter general) y tienen baja densidad. Una de las primeras fibras continuas utilizada como refuerzo fue la BORSlC, que está constituida por fibras de Boro formadas sobre una alma de Wolframio y con un revestimiento de carburo de silicio. Las fibras más empleadas como refuerzo son las de boro, alúmina y cárburo de silicio. 9.2. Partículas El refuerzo de menor costo económico es la partícula, y es el que nos permite obtener una mayor isotropía de propiedades. El control del tamaño y la pureza son los principales requisitos para su empleo en materiales compactos. Refuerzos típicos en forma de partículas son la mica, óxidos (como SiO 2, TI O2, Zr02, MgO) carburos (como el TiC o el B4C) y nitruros (Si3N4). Los materiales más empleados son el grafito, la alúmina (Al2O3) y el carburo de silicio (SiC). En los últimos años se han empezado a utilizar como particulas de refuerzo intermetálicos principalmente de los sistemas Ni-Al y y Fe-Al. 9.3. Fibras discontinúas. Las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la producción de MMCs son mezclas de óxidos, comercializándose distintos diámetros entre 3 y 5 m. Las fibras discontinuas conducen a propiedades inferiores que las fibras continuas; por Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 21 lo que su coste se reduce(7 22 y 23) Los whiskers tienen diámetros menores de 1 m y pueden tener una longitud de hasta 100 m, por lo que puede considerárselos como refuerzos discontinuos. Los principales whiskers disponibles comercialmente son los de SiC y Si 3N4. El hecho de que normalmente se obtengan en Forma monocristalina, además de su pequeño diámetro, conduce a que tengan pocos defectos de fractura interna, y como consecuencia presentan mayores niveles de resistencia que otras fibras discontinuas, propiciándose su mayor uso(2,5); Recientemente, este crecimiento en su utilización se ha visto restringido en algunos países a causa de su carácter cancerígeno. 10. INTERFASE MATRIZ REFUERZO. .La interfase matriz-refuerzo condiciona las propiedades mecánicas finales de los compuestos. La transmisión y reparto de las cargas aplicadas al material compuesto se efectúa por la unión existente entre matriz y refuerzo. Si la unión no es buena, la matriz soporta la mayor parte de Ias tensiones y la función de los refuerzos será nula. La interfase es, pues, una región de composición química variable, que constituye la unión entre la matriz y el refuerzo, y que asegura la transferencia de las cargas. aplicadas entre ambos(4, 22-27) Los principales parámetros necesarios para obtener una interfase “ideal” son: El mojado (entendiendo como mojado la aptitud de un líquido a extenderse sobre un sólido, propiedad de interés cuando el conformado pasa por la infiltración de una preforma-refuerzo por un fundido-matriz) entre la matriz y el material de retuerzo debe ser bueno. Aquí interviene la naturaleza termodinámica de los diferentes elementos y, en especial, sus energías superficiales. Deben existir fuerzas de unión suficientes para transmitir los esfuerzos de la matriz al refuerzo. Las uniones deben ser estables en el tiempo y sobre todo en el rango de temperaturas de utilización del compuesto. Las zonas de reacción entre la matriz y el refuerzo deben ser reducidas y no afectar a los elementos de refuerzo, Los coeficientes de dilatación térmica de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de tensiones internas a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas. Es difícil clasificar los distintos tipos de uniones, aunque se puede realizar una clasificación según el tipo de reacción química que se desarrolla entre la matriz y los refuerzos; una clasificaciób a priori sería: La matriz, y los materiales de refuerzo son no reactivos pero insolubles. La matriz, y los materiales de refuerzo son no reactivos pero solubles, La matriz y los elementos de refuerzo reaccionan para formar un tercer componente en la interfase. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 22 11. PRINCIPALES FAMILIAS DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METÁLICA (MMCs) 14.1. Materiales compuestos con matriz de aluminio y sus aleaciones (AIMCs) Su excelente resistencia, ductilidad y comportamiento frente a la corrosión ya son bien conocidos y pueden modificarse para satisfacer los requisitos de muchas aplicaciones distintas. Entre las aleaciones de aluminio, las aleaciones endurecibles por precipitación (Al-Cu-Mg y Al-Zn-Mg-Cu) son de especial interés. La más importante y reciente incorporación a estas aleaciones es la de las aleaciones de Al-Li. El particular efecto del litio es que cuando se alea con aluminio, simultáneamente decrece la densidad y aumenta el módulo de elasticidad de la aleación. Por lo tanto, no sorprende que la industria aeroespacial esté interesada en los compuestos de matriz Al-Li(34 Y 35) . Aunque la fabricación de compuestos de matriz de aluminio reforzado con fibras continuas es bastante compleja y cara, se utiliza en algunas aplicaciones, principalmente en la industria aeroespacial. Hoy en día, se pone un gran énfasis en la mejora de la eficiencia de las técnicas de producción en masa y la reducción de costos de producción. Una alternativa interesante es la de los materiales compuestos de base aluminio reforzado con partículas, que ofrecen propiedades más modernas(desde el punto de vista de la mecánica) pero son mucho más barata que los materiales reforzados con fibras continuas. La tabla III, presenta costos relativos de métodos de procesado y tipos de refuerzos en materiales compuestos. TABLA III PROCESO Unión por Difusión Pulvimetalurgia Método Spray Proceso en estado líquido COSTO     REFUERZO Monofilamento whiskers Fibra corta Partículas Por último, el hecho de que estos MMCs presenten buenos desarrollos desde el punto de vista de procesos secundarios, tales corno el mecanizado o la soldadura, además de su posible reciclado en el caso de los compuestos reforzados con partículas, hace interesante que el uso de estos materiales en la vida cotidiana sea de alto interés. 11.1.1. Aluminio reforzado con partículas Otra tendencia de la investigación de Al-MCs es el desarrollo de técnicas más baratas, especialmente para refuerzos discontinuos. El elevado consumo de aluminio monolítico permite el desarrollo de tecnologías eficientes y viables económicamente. Muchas de estas tecnologías se pueden aplicar perfectamente en la producción de Al-MCs. En la actualidad, pueden utilizarse métodos convencionales de conformado, como el caso de la extrusión, forja y laminación. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 23 Los procesos convencionales en estado líquido, como es el caso de varios métodos de fundición, y los métodos de metalurgia de polvo se utilizan para la obtención de Al-MCs reforzados con partículas. Nuevos procesos como depositación por spray y las técnicas in situ son particularmente más eficientes y económicas, por lo que se estudian con profusión. Las partículas de carburo de silicio (SiC) son uno de los refuerzos discontinuos más comúnmente utilizados en AI-MCs a pesar de que la densidad del SiC es ligeramente mayor que la del aluminio. Este alto interés se debe a su bajo precio, al hecho de poseer una buena gama disponible y de proporcionar al compuesto alta resistencia y módulo elástico. El aumento de la resistencia al desgaste es también un tema a considerar. Otro tipo de refuerzo utilizado en Al-MCs la alúmina. En comparación con el SiC es mucho más inerte y también más resistente a la corrosión y conveniente para fabricación y uso a elevadas temperaturas. Para resolver el problema de mojabilidad de la alúmina en el líquido, la matriz puede alearse y el refuerzo recubierto. Un proceso de producción en este sentido son los métodos de rociado (spray), donde una fase líquida, atomizada por el gas, rocía la preforma, recubriéndola e infiltrándola. 11.1.2. Obtención de materiales compuestos de matriz de aluminio por formación en in sítu El clásico ejemplo de procesado in sítu de compuestos es la solidificación unidireccional de aleaciones eutécticas donde un componente es fabricado en forma de fibra o tira dentro de otro. Sin embargo los nuevos procesos que se están desarrollando se basan en dos principios: las reacciones controlada entre una aleación de metal líquido y un gas y la consiguiente formación de refuerzos en el metal líquido y las reacciones endotérmicas entre componentes para formar los refuerzos. Este último proceso se refiere a la síntesis autopropagante a elevadas temperaturas(SHS). Un ejemplo de reacciones controladas en el líquido es el proceso de oxidación en in sítu (uno de los más conocido es el proceso Primex, desarrollado por Lanxide Corp, figura 4). En este proceso el aluminio líquido se oxida para formar una mezcla de alúmina y aluminio. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 24 FIGURA 4 11.2. Materiales compuestos con matriz de titanio y sus aleaciones (TiMCs). Un metal estructural importante, utilizado en aplicaciones aerospaciales es el titanio. Es más denso que el aluminio y es el metal con mejor relación de resistencia/densidad de entre todos los llamados ligeros(Al, Mg, Be) y que de un acero de tipo medio. Por su elevado punto de fusión mantiene su resistencia a altas temperaturas, mucho mayores que del aluminio. Además la resistencia a corrosión y oxidación es buena y es el material ideal para la fabricación de motores a propulsión en la industria aerospacial. El problema de Ti-MCs y su producción está relacionado, con la extremada reactividad de la matriz. Durante el procesado a elevadas temperaturas, las reacciones entre la matriz y el refuerzo son difíciles de evitar y Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 25 consecuentemente los recubrimiento de fibras con de especial interés. Por otro lado, La demanda de recubrimientos restringe la aplicación de refuerzos discontinuos. Si el titanio ya es muy caro, la producción de Ti-MCs lo es mucho más. Esto restringe las aplicaciones más genéricas a nivel de ingeniería. 11.3. Materiales compuestos con matriz de magnesio y sus aleaciones (Mg-MCs) Se han desarrollado de acuerdo con criterios similares a los de las aleaciones de aluminio. El magnesio es el más ligero de los metales estructurales, siendo, aproximadamente, un 35 % más ligero que el aluminio. EI magnesio está presente en una gran gama de aleaciones y es relativamente fácil de colar. Además, las propiedades mecánicas y rigidez de los Mg-MCs son comparables con los materiales de base aluminio y no sorprende los muchos esfuerzos que se invierten en el desarrollo del magnesio. Sin embargo las propiedades frente a la corrosión de este material son pobres. Este problema se puede minimizar mediante técnicas de pintura y recubrimiento. Avances recientes en la tecnología de Mg-MCs, con matrices de alta pureza, han mejorado sustancialmente las características de corrosión de los Mg-MCs. Pese a todo no se utilizan en ambientes muy Corrosivos. En la actualidad, los recubrimientos galvánicos mejoran la velocidad de corrosión del material reforzado con carbono, pese a las fibras pueden separarse de la matriz. Debido a la ligereza que se persigue en estos MMCs, se emplean muchas veces como refuerzos fibras de carbono, aunque la alúmina, el carburo de silicio y la fibra de boro son las más investigadas. El mayor problema es la baja mojabilidad del carbono por l}el magnesio líquido. 11.4. Otros materiales compuestos Recientemente, se han desarrollado materiales compuestos de base hierro para reducir costos en componentes resistentes al desgaste en la industria química y en industrias de procesado. En estos casos, en los que la resistencia a la corrosión es particularmente deseada, además de la resistencia al desgaste, se pueden utilizar como material matriz varios tipos de acero inoxidable y superaleaciones. Pese a que se encuentran en la frontera entre los metales y las cerámicas o en una hipotética clasificación dentro de los materiales compuestos podrían estar con los de matriz cerámica,. Los intermetálicos presentan resistencia a elevadas temperaturas y su resistencia a la oxidación es mucho mayor que la ofrecida por los materiales compuestos de matriz de titanio. Entre los más prometedores materiales resistentes a altas temperaturas están los íntermetálicos como: Ni 3Al, NiAl, Ti3AI y MoSi2. Poseen elevada resistencia, elevado módulo elástico y buena resistencia a la fluencia. La mayor desventaja de estos materiales es su baja ductilidad a temperatura ambiente. Una manera de mejorar la ductilidad del Ni3Al es mediante adiciones de Boro(44). Otra posibilidad potencial de aumentar la tenacidad es mediante la utilización de refuerzos para obtención de materiales compuestos. La ductilidad de los Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 26 intermetálicos puede ser mejorada mediante refuerzos con fibras continuas. De nuevo, el problema fundamental es cómo evitar la indeseable reacción entre la matriz y el refuerzo(5) 12. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS El control de las propiedades mecánicas reside en el concepto de la combinación de materiales metálicos tradicionales con fases de refuerzo. Bajo condiciones ideales, el compuesto exhibe un límite superior de propiedades mecánicas y físicas definida por la regla de las mezclas(3) Pc PmFm Pr Fr donde Pc, Pr y Pm son los valores de una propiedad determinada en el material compuesto, el refuerzo y la matriz respectivamente, y F es la fracción volumétrica en cada caso. El valor inferior debe ser determinado en cada caso. Es importante conocer cuando una propiedad de un material compuesto sigue la regla de las mezclas. Normalmente se cumple cuando fibras continuas como refuerzo (en la dirección de las fibras), y con interfaces entre refuerzo y matriz con buena unión. Combinando matrices y refuerzos que exhiban propiedades apropiadas se pueden obtener cambios importantes en resistencia, módulo elástico, tenacidad a la fractura, densidad, etc. La clave del control de estas propiedades depende en parte del éxito en la selección del refuerzo. Una de las tendencias seguidas en la fabricación de MMCs es bajar el costo, que generalmente se consigue a costa de bajar el nivel de propiedades. 12.1. Propiedades mecánicas 12.1.1. Comportamiento mecánico a temperatura ambiente 12.1.1.1. Módulo de elasticidad Los refuerzos cerámicos discontinuos de alto módulo, añadidos a matrices metálicas, producen un aumento a la rigidez del compuesto. del mismo modo, la orientación preferente del Whisker y fibras cortas en el compuesto provocan también un aumento de la rigidez en la dirección de alineamiento. El módulo de elasticidad no aumenta de forma lineal con la fracción de volumen de refuerzo, como en el caso de alineamiento uniaxial de refuerzo continuos. su incremento esta acondicionado por el grado de alineamiento y la orientación de las fibras en la dirección del ensayo. 12.1.1.2. Límite elástico. La adición de refuerzos discontinuos en valores del 5% o más, producen un aumento del límite elástico en una gran variedad de aleaciones de aluminio. En algunos casos, se puede obtener pequeños aumentos en el límite elástico por la combinación del tipo de refuerzo y la elección adecuada de la matriz. El tamaño de las partículas tiene un papel importante en el límite elástico. En general, refuerzos de pequeños tamaños propician altos valores en esta Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 27 propiedad(por ejemplo adición de partículas de 3 m pueden aumentar el límite elástico en 60 – 70 Mpa cuando se comparan con los refuerzos de 25 m) 12.1.1.3. Endurecimiento. El comportamiento mecánico de los MMCs viene caracterizado por los elevados valores de la velocidad de endurecimiento tras el límite elástico. Esto se explica microestructuralmente en términos de transferencia de carga entre la matriz y el refuerzo. Se ha observado que esta velocidad aumenta con la relación longitud/diámetro de las partículas de refuerzo, lo que parece indicar la existencia de una transferencias de carga más efectiva para estas morfología. 12.1.1.4. Resistencia a la tracción. La resistencia a la tracción de materiales compuestos de matriz metálica reforzados con partículas depende de la relación entre dimensiones, fracción de volumen y distribución del refuerzo, de la aleación base, los tratamientos térmicos y de la unión refuerzo-matriz. Los valores de resistencia de MMCs obtenidos con whiskers son superiores a los alcanzados con adiciones de -Al203 de fibra corta. La resistencia a la tracción en la dirección de- extrusión de compuesto reforzados con whiskers llega a duplicar los valores alcanzados en aleaciones conformadas no reforzadas. Esto evidencia el efecto de alineamiento preferente de Whiskers por extrusión. Se puede alcanzar un mayor aumento de resistencia del tamaño de las partículas llegando a un incremento de un 10%, cuando comparamos partículas de 5 y 23 m de tamaño En contrapartida, con eI aumento de resistencia tenemos una reducción de la ductilidad, principalmente cuando superamos el 10% de cantidad de refuerzo. Un t amaño más pequeño del refuerzo favorece la ductilidad. 12.1.1.5. Fractura EL examen de las superficies de fractura revela fractura dúctil de la matriz en la interface fibra-matriz y fractura frágil del retuerzo. La menor ductilidad se obtiene para aleaciones de gran resistencia (Al-Cu-Mg) reforzadas con elevadas fracciones en volumen de partículas de gran relación Longitud/diámetro y alta fuerza de unión interfacial refuerzo-matriz. La utilización de matrices de menor resistencia (Al-4Cu) y la reducción de la fuerza de unión retuerzo-matriz, resulta en un aumento de la ductilidad. La utilización de whiskers mejora la tenacidad a la fractura en comparación con el uso de fibras cortas. 12.1.2. Propiedades mecánicas a temperaturas elevadas. Los MMCs experimentan un aumento en el módulo y resistencia a elevadas temperaturas respecto a las aleaciones no reforzadas. En el caso de la matriz de aluminio la resistencia del compuesto puede sobrepasar los 200 MPa a Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 28 temperaturas de 300 oC durante cortos periodos de tiempo. La exposición a tiempos mayore y ciclos térmicos produce la aparición de inestabilidades dimensionales. 12.1.2.1. Fatiga En general, la mejora en el comportamiento a la fatiga es una de las características que atractivos los MMCs. En este tipo de ensayos, Las grietas se inician, generalmente, en la interfase matriz/refuerzo, especialmente en agrupaciones de partículas de refuerzo. Uno de los aspectos más determinantes de la respuesta a la fatiga de los MMCs es el tamaño de partícula de refuerzo aunque su efecto depende del tipo de ensayo en particular. 12.2. Propiedades térmicas 12.2.1. Coeficiente de expansión térmica El valor del coeficiente de expansión térmica en MMCs depende de la fracción en volumen de refuerzo. Así como de su morfología y distribución en la aleación base. El valor del coeficiente de expansión térmica puede verse modificado por el estado de precipitación de la matriz. 12.2.2. Conductividad térmica La conductividad térmica de la aleación monolítica se reduce con un refuerzo cerámico discontinuo. La importancia de esta reducción depende, principalmente, de la fracción en volumen y distribución del refuerzo. En la tabla IV se resumen algunas de las propiedades mecánicas de los MMCs. Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 29 TABLA IV Material Al-Cu Al-Cu+Al2O3 Vf=0.2 fibra Al-Cu-Mg (T6) 2014 Al-Cu-Mg+SiC (T6), Vf=0.1,10 m partíc. Al-Cu-Mg (T4) 2014 Al-Cu-Mg+SiC (T4), Vf=0.17, 3 m partíc Al-Cu-Mg (T6) 2124 Al-Cu-Mg+SiC (T6), Vf=0.17, 3 m partíc Al-Si-Mg+SiC (T6), 6061 Al-Si-Mg+SiC (T6), Vf=0.1, 10 m partíc Al-Zn-Mg-Cu (T6), 7075 Al-Zn-Mg-Cu+SiC(T6), Vf=0.12, 10 m partíc Al-Li-Cu-Mg(T6),8090 Al-Li-Cu-Mg+SiC(T6) Vf=0.17, 3 m partíc Método de Fabricación Módulo de Elasticidad MPa MPa MPa Alargamiento Sqeeze cast Sqeeze cast 70.5 95.4 174 238 261 374 14 2.2 Spray (Chapa) Spray (Chapa) Polvos laminados (chapa) Polvos laminados (chapa) Polvos laminados (chapa) Polvos laminados (chapa) Spray laminado (chapa) Spray laminado (chapa) Spray+extrucción Spray+extrucción Spray (Chapa) Spray (Chapa 73.8 432 482 10.2 93.8 437 484 6.9 72.4 360 525 11.0 99.3 420 610 8.0 18 73.1 425 474 8.0 26 99.0 510 590 4.0 17 69.0 240 264 12.3 91.9 321 343 3.8 71.1 617 659 11.3 92.2 597 646 2.6 70.5 420 505 6.5 104.56 510 550 2.0 0.2 máx Tenacida d A la Fractura 12.3. Comportamiento tribológico de los MMCs reforzados con partículas El comportamiento tribológico de un material compuesto depende de las propiedades microestructurales del material y de la condición de carga y contacto (tribosistema). Bajo situaciones abrasivas y de deslizamiento, los materiales que contengan una elevada fracción de volumen de refuerzos duros exhiben elevada resistencia al desgaste. Para situaciones que combinan situaciones de carga e impacto, en la microestructura aparece alguna superficie de fatiga. 12.3.1. Fricción y deslizamiento Jaime José Acuña Polanco Ing. M. Sc. Metalurgia, Matricula profesional No 05231-17896. 17/08/2012

BIOMATERIALES 30 El comportamiento de fricción y desgaste de materiales compuestos depende de la naturaleza de las partículas de refuerzo y tiene relación con el contenido en la matriz. Las partículas pueden ser blandas o duras comparadas con la matriz. Las partículas cerámicas típicas usadas como refuerzo son el carbono, SiC, Al 2O3, que tienen baja adhesión para un hipotético contramaterial. La rugosidad del contramaterial puede fácilmente surcar y/o carbonizar el material(esto no ocurre con otras partículas duras como Al 2O3 o SiC). Las partículas carbonizadas son partículas blandas que contienen carbono y otros minerales(óxidos duros), y los compuestos que contienen fases carbonizadas exhiben mayor desgaste. El aluminio es más duro que las partículas carbonizadas pero más blando que el SiC, y los compuestos Al-Al2O3 muestran mayor desgaste que un compuesto de aluminio y partículas carbonizadas. Sin embargo compuestos de base de aluminio que contengan grafito tienen un menor desgaste, debido a que el grafito no es solamente blando sino que tiene cizalla a lo largo del plano basal de su estructura hexagonal compacta, susceptible al ambiente y a la acción de lubricantes sólidos. Compuestos que tiene lubricantes sólidos como el grafito tienen bajo desgaste debido a que se tranfieren a la tribosuperfcíe con la consiguiente formación de una película entre la matriz del compuesto y el contramaterial. 12.3.2. Fricción y desgaste abrasivo La resistencia a la abrasión normalmente se determina por diferentes: a) ensayo de bajas tensiones con una rueda de genes y b) ensayo con altas tensión, como son pin-on-disk y pin-on-drum. dos ensayos En el ensayo de bajas tensiones, las partículas no frenan, y en el ensayo de altas tensiones, las partículas frenan. Las partículas abrasivas son generalmente redondeadas o trituradas en varios tamaños. El tamaño y la forma de las partículas abrasivas, así como la dureza son importantes parámetros para determinar el desgaste. Cuando el tamaño de las partículas abrasivas es inferior a 1 m el mecanismo de desgaste que determina es el abrasivo. 12.3.3. Mecanismos de desgaste abrasivo en compuestos que con tienen partículas duros Un compuesto típico de este grupo es un MMC/grafito o el MMC/MoS2. La formación de una

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