curs 1 - notiuni generale materiale fim

TIINA MATERIALELOR BIOCERAMICE

OBIECTIVE

Universitatea POLITEHNICA din BucuretiFacultatea de Inginerie Medical

Definirea i utilizarea unor noiuni fundamentaledin domeniul tiinei i ingineriei materialeloroxidice, cu aplicarea lor la biomaterialeleceramice;

Descrierea, compararea, clasificarea i alegereabiomaterialelor ceramice care ndeplinesc funciide utilizare definite;

OBIECTIVE

Alegerea, descrierea i mbuntirea rutei deprocesare potrivite (clasic- reacii n faz solid,i neconvenional metode pe cale umed(coprecipitare, sol-gel, etc), pentru o compoziiedat, n vederea obinerii unor caracteristicimicrostructurale i proprieti adecvate, avndn vedere o anumit funcie de utilizare ndomeniul biomedical;

OBIECTIVE

Descrierea proprietilor caracteristicebiomaterialelor ceramice (biocompatibilitate,proprieti ceramice, proprieti mecanice etc);

Selectarea i utilizarea metodelor experimentalecare permit caracterizarea materialelor (nspecial n ceea ce privete proprietilespecifice, definitorii pentru domeniul deutilizare), precum i interpretarea rezultatelorobinute;

OBIECTIVE

Corelarea noiunilor fundamentale structur -compoziie procesare proprieti n domeniulbiomaterialelor ceramice.

Utilizarea vocabularului tiinific specificdomeniului, n vederea comunicrii eficiente, nscris i oral;

Operarea cu mijloace de informare icomunicare, n mod pro-activ i responsabil, nvederea realizrii unui proces independent denvare i investigare tiinific n domeniu.

OBIECTIVE

TIINA MATERIALELOR BIOCERAMICE

Curs 1

NOIUNI GENERALE DETIINA MATERIALELOR

Universitatea POLITEHNICA din BucuretiFacultatea de Chimie Aplicat i tiina Materialelor

Catedra de tiina i Ingineria Materialelor Oxidice i Nanomateriale

I. Introducere - Perspectiv istoric:Piatra Bronz Fier

Materiale Avansate

5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 1900 1960 1990 2010

Era informaional(~15 ani)

Epoca siliciului(~35 ani)

Betoane/Oeluri(~60 ani)

Polimeri(~50 ani)

Epoca Fierului(~3300 ani)

Epoca Bronzului(~1800 ani)

Epoca Pietrei(~35000 ani)

C DC

Sursa: Norman Poire; Merril Lynch, 2002http://www.smalltimes.com/

I. Introducere - Perspectiv istoric

I. Introducere - Materialele viitorului

Nanomateriale Materiale biodegradabile Materiale inteligente

Materii prime

Sinterizare& Procesare Material

Design & AsamblareRecuperare

& Reciclare

Deeuri Aplicaii

I. Introducere - Definiie

tiina materialelor definete legile ifurnizeaz mijloacele necesare pentru a proiectai realiza diferite categorii de materiale, cuanumite funcii de utilizare.

Materialele sunt sisteme solide, care se definescprin agregate de atomi (molecule sau ioni) ncare forele de interaciune sunt mai importantedect agitaia termic. ntre particule (atomi, ioni, molecule) se stabilesc

anumite raporturi datorit modificrii straturilor deelectroni, cu formarea legturilor chimice.

I. Introducere - Clasificare

Materiale: naturale (roci, lemn, minerale diverse); transformate chimic (fibre celulozice, cauciuc natural,

carbon); sintetice (metale, ceramici, sticle, liani, materiale

plastice).

Materie

Solid Lichid Gaz

Anorganic Organic

Metale Sticle i ceramici

Polimeri Lemn

Structur Compoziie Proprieti

FUNCIA DE UTILIZARE

Obinere

I. Introducere - Materiale

Datele experimentale au artat c ntre atomi,ioni sau molecule exist fore de atracie i derespingere, care sunt dependente de distanantre aceste particule.

Suprapunerea unui potenial de respingerecoulombian (Er) i a unui potenial de atracie(Ea) conduce la potenialul de interacie (Ei),care descrie comportamentul general alsistemelor solide.

II. Interaciuni n solide

Dependena potenialului de respingere, de atracie i de interaciune de distana r interatomic

Diagrama pune n eviden existena unei distane rontre spaiile dintre atomi, ioni sau molecule, pentrucare valoarea potenialului de interacie este minimi forele de respingere i de atracie sunt nechilibru. distane r>ro sunt mai importante forele de atracie; distane r

Diferitele tipuri de legturi care pot s sestabileasc ntre speciile de atomi, molecule sau ionicare formeaz un corp solid sunt unul din factoriicare determin diversitatea cristalin i deproprieti a materialelor.

Interaciunile ntre speciile care formeaz un corpsolid sunt legturi de rezonan ntre dou saumai multe legturi chimice fundamentale. oxizi: interaciuni de rezonant ionocovalente, cu un

aport mai important de legturi ionice; carburi: interaciunile de rezonan ntre legturile

covalente i metalice, cu o pondere mai mare alegaturilor covalente.

Interaciunile puternice sunt acelea cu caracterpreponderent ionic sau covalent.


Energia potenial de interaciune pentru sisteme cu legturi van der Waals (curba A), metalice (curba B) i ionice (curba C)

+

-

C

A

r

B

Putem observa cdistana de echilibrueste mai mic n cazulsistemelor cu legturiionice, n comparaiecu cele caracterizateprin interaciunimetalice sau Van derWaals. valoarea minim deenergie deinteraciune este multmai sczut; stabilitate ridicat asistemelor ionice.

Energia potenial de interaciune pentru sisteme cu legturi van der Waals (curba A), metalice (curba B) i ionice (curba C)

Cunoscnd interaciunile ntre particulele care formeaz un corp solid i modalitile prin care se realizeaz coeziunea lor, se poate realiza previzionarea i explicarea proprietilor sale fizico-chimice.

+

-

C

A

r

B

Pentru o distribuie spaial de sarcini electrice dat icunoscnd viteza electronilor i a nucleelor, se poatecalcula energia de legtur n reeaua unui corpsolid.

O form cristalin oarecare poate fi stabil numai dacenergia sa total este mai mic dect energia total aspeciilor constituente aflate n stare liber.

Diferena dintre energia sistemului de specii libere ienergia lor n faz condensat se numete energie delegtur.

La creterea temperaturii unui sistem, energia termictransmis sistemului i afecteaz starea de ordine, ipoate schimba starea de agregare i ca urmareproprietile.


Cristalin Amorf

III. Structura

Cristalin Amorf

Metale i polimeri

Ceramici Cteva metale i polimeri

Sticle

Compozite Compozite

Structura

III. Structura

Dispunerea atomilor, moleculelor sau ionilor ntr-

un solid cristalin (a), un solid amorf (b), un lichid (c)

i un gaz (d)

(a) (b)

(c)(d)

n solidele cristaline, n vecintateaimediat a unui atom, a unei molecule sau aunui ion se gsesc ntotdeauna entiti deacelai fel.

Aceti atomi (sau molecule/ioni) sunt aranjain spaiu n mod periodic, ceea ce corespundeunei ordini la mare distan.

Starea de ordine ideal, pentru care nuexist abateri de la aranjamentul cristalin,este greu de realizat.

III. Structura

Orice abatere de la regulageometric de dispunere nspaiu se numete defectde reea. Suprafaa cristalului real

reprezint un defect al reelei, deoarece presupune ntreruperea a jumtate dintre raporturile de coordinare (legare) pentru atomii suprafeei.

Dispunerea atomilor, moleculelor sau ionilor

ntr-un solid cristalin (a), un solid amorf (b), un lichid (c)

i un gaz (d)

(a)

III. Structura

Starea amorf a solidelor, considerat ca o starede dezordine ideal, este greu de realizat. Este deci mai potrivit ca toate solidele care nu

prezint caracteristicile strii cristaline s fiesocotite generic solide necristaline, n interiorulacestora solidul amorf reprezentnd o stare limit,ca i cristalul ideal n categoria solidelor cristaline.

Solidele deplin amorfe, cu structuri completdezordonate, sunt greu de obinut, deoarece toatesolidele prezint o tendin de ordonare i derealizare, n consecin, a unei simetrii ct mairidicate, cu o energie liber minim, care leconfer stabilitate.

III. Structura

ntr-un lichid sauntr-un solidnecristalin, poziiileentitilor vecine suntcorelate, dar ordineanu se regsete ladistane mari (Fig. b,c).

(b)

(c)

Dispunerea atomilor, moleculelor sau ionilor ntr-un solid amorf (b) i un lichid (c)

III. Structura

Solidul vitros se obine prin rcirea rapid aunei topituri cu o anumit compoziie. Se caracterizeaz prin ordine la mic distan (se

pstreaz simetria din gruparea coordinativ lanivelul ctorva grupri) i dezordine la mare distan(fragmentele reelei sunt dispuse diferit).

III. Structura

Pe baza conceptului de profil energetic, Weyl i Marboe sugereaz imagini ale strii energetice corespunztoare diferitelor grade de ordonare a substanelor solide.

Structurile solide necristaline, nefiind structuri de echilibru, se caracterizeaz prin profile energetice mai ridicate dect cele ale solidelor cristaline, depinznd de starea lor de dezordine.

Diagrama Weyl

III. Structura diagrama Weyl

Pentru substanele necristaline, obinute, de exemplu, prin condensarea vaporilor pe o suprafa foarte rece, profilul energetic este complet neregulat, reflectnd o stare de nalt dezordine (Fig. e.).

Diagrama Weyl


Starea limit corespunztoare cristalului ideal este dat de curba a din figura: n acest caz, profilul energetic corespunde unei structuri de echilibru, care tinde s se realizeze la temperaturi joase.

Diagrama Weyl


Formarea unor defecte de reea determin variaii ale energiei poteniale curba bdin figura (cristalul real).

Starea energetic a cristalului real nu este aadar constant n toat reeaua, i corespunde unei valori superioare a energiei pentru cristalul ideal.

Diagrama Weyl


n cazul unei substane dincare s-a obinut sticl prinsubrcirea (rcirea rapid)topiturii corespunztoare,profilul energetic esteprezentat prin curba d.

Prin tratamente termiceadecvate se ajunge la o starestructural reflectat printr-unnivel energetic mai sczut iprin variaii mai puinimportante ale energieipoteniale de la un punct laaltul n interiorul structurii(Fig. c).

Diagrama Weyl


III. Structura solide cristaline

Din punct de vederegeometric, un cristalse prezint sub formaunui poliedru convexdelimitat de suprafeeplane.

O

c

b

a

x

y

z

O

c

b

a

x

y

z

Unghiurile x0y=, y0z= i z0x= sunt oarecare,deci nu neaprat egalecu 90.

Nodul origine estereprezentat de punctul0, definind triedrul 0xyz. O

c

b

a

x

y

z

O

c

b

a

x

y

z

Un solid cristalin este un ansamblu de atomi, de ioni sau de molecule aranjate n mod regulat n raport cu cele 3 direcii 0x, 0y,0z, constituind o reea de translaie triperiodic pentru care:


Celul elementar: paralelipiped de volum minim,cu ajutorul cruia poate fi reconstituit ntregulcristal.

Celula elementar

Nodurile reelei


Parametrii celulei elementare sunt:lungimile a, b i c ale vectorilor necoplanaricaracteristici axelor 0x, 0y i 0z, care leagoriginea (punctul 0) de primul atom ntlnitpe fiecare din axe.

O

c

b

a

x

y

z

O

c

b

a

x

y

z


Pentru fixarea poziieiunui plan reticular nraport cu axelecristalografice sefolosesc indicii Miller:un grup de trei cifre,invers proporionale cudistanele intersectatede plan pe axele dereferin(http://chemistry.bd.psu.edu/jircitano/Miller.html).

Plane cristaline n sistemul cubic


Se dau ntotdeauna naceeai ordine : primul n raport cu

axa a; al doilea cu axa b; al treilea cu axa c;

Se scriu ntre parantezerotunde.

Pentru generalizri sefolosesc literele (hkl).

Plane cristaline n sistemul cubic


Oricare ar fi translaiile, nu pot exista dect 7 celuleelementare: cele 7 sisteme cristaline.

Aceste celule elementare sunt numite primitive (senoteaz cu P).

Ele nu conin noduri dect n cele 8 vrfuri i suntcaracterizate de : valorile unghiurilor (, , ) ale triedrului

de baz; lungimile a, b, c ale laturilor triedrului de

baz; vectorii .cba ,,


Nr.crt. Sistemul de cristalizare Relaii caracteristice

1. Sistemul cubic

2. Sistemul tetragonal

3. Sistemul hexagonal

4. Sistemul rombic

cba o90

cba

cba

cba

o90 o90

o120

o90

Sisteme cristaline

Nr.crt. Sistemul de cristalizare Relaii caracteristice

5. Sistemul romboedric (trigonal)

6. Sistemul monoclinic

7. Sistemul triclinic

cba

cba o90

o90

cba

o90

o90

Sisteme cristaline

Numrul de coordinaie este numrul (N),al celor mai apropiai vecini X ai unui atom A,n edificiul poliatomic AXn.

Numrul (N) este diferit de raportulstoechiometric n al speciilor A i X. SiO2: N = 4, n= 2.

Pentru legtura ionic, numrul N este funciede raportul sarcinilor i respingerilorelectrostatice, i, n anumite limite, deraportul razelor ionice.


Poliedre de coordinaie

RC/RANumr de

coordinaie Poliedru

0,155 2 Linie

>0,155 3Triedru

>0,225 4Tetraedru

>0,414 6Octaedru

>0,732 8Cub

>1,000 12Dodecaedru

Un monocristal este un solid cristalin n careorientarea reelei este aceeai n toate punctele,oricare ar fi dimensiunea cristalului. Un microcristal este un monocristal de foarte mici

dimensiuni. Un eantion policristalin este un ansamblu de

microcristale, orientate ntmpltor unul fa dealtul, legate ntre ele i delimitate de interfee(cazul rocilor, metalelor i materialelorceramice).


Nano-monocrystal de magnetit

N. Pinna, S. Grancharov, P. Beato, P. Bonville, M. Antonietti, M. NiederebergerChem. Mater. 2005, 17, 3044 Structura cristalin a oxidului de wolfram

cu aranjare tip mozaic

J. Polleux, N. Pinna, M. Antonietti , M. Niederberger, JACS, 2005, 127, 15595


Un solid, fie cristalin, fie amorf, nu este niciodatperfect, din punct de vedere al: nivelului de ocupare al nodurilor de reea; modului n care este format cristalul; strii sale de puritate etc.

Defectele sunt abateri de la un aranjament perfectal particulelor n nodurile reelei.

III. Structura defecte n solide cristaline

Defecte punctuale


Vacane Atomi strini n interstiii

Defecte liniare


Dislocaii marginale

Defecte de suprafa


Limite de faz

Defecte de structur


Cristalizarea se face:

1. din soluii apoase proces influenat desubrcire i de prezena interfeelor strine2. din faz solid datorit modificrilor de volumcare nsoesc transformrile de faz apar deformriale reelei cristaline3. fenomenul de maturare modificri n stareacristalin recristalizare - primar sau secundar

IV. Cristalizarea

IV. Cristalizarea

Sinterizarea proces prin care un solidpolidispers aglutineaz, se consolideaz i sedensific sub influena temperaturii, cu sau frapariia contraciei. Procesul presupune o scdere a potenialuluitermodinamic.

Vitrificare procesul de sinterizare n prezenafazei lichide, permanent nsoit de contracie.

V. Sinterizare, vitrificare

Sinterizarea Fr variaie de volum transferul de mas se faceprin difuzie superficial sau prin sublimare/condensare Cu variaie de volum transferul de mas se faceprin fluaj i difuzie de volum


V. Sinterizare

Vitrificarea Sisteme cu faze solide insolubile n topitur transferul de mas se face prin deplasareplastic i vscoas Sisteme cu faze solide solubile n topitur transferul de mas se face prin procese desolubilizare/cristalizare (difuzie de volum).


Reprezint modalitatea de dispunere n corpulsolid a fazelor alctuitoare. Depinde n cea mai mare msur de modalitatea deprocesare i n mai mic msur de natura speciilor dinreea.

Material compozit ceramic

VI. Textura

Textura provizorie: caracterizeazmaterialul nainte de ardere, dupfasonare; Textura definitiv: caracterizeazmaterialul dup ardere; Textura degradat: caracterizeazmaterialul la ncheierea utilizriiceramicii.

Textura definitiv poate fi evaluat, apreciatcantitativ, prin:

Natura fazelor alctuitoareo Textura definitiv reprezint o nsumare a proprietilorfiecrei faze componente, sum ponderat de procentul ncare fiecare faz se afl n amestec.o Prezena incluziunilor tensioneaz reeaua cristalin, elefiind frecvent nconjurate de o reea de fisuri care apar ntimpul tratamentului termic, datorit diferenei de coeficientde dilatare termic ntre incluziune i matrice.

VI. Textura


Natura fazeloro Anisotropia dilatrii termice a cristalelor este o cauz

important pentru apariia microfisurilor.o Dac sticlele (izotrope n ceea ce privete toate

proprietile) i cristalele cubice (de asemenea izotrope)nu au dect un singur coeficient de dilatare termic,pentru cristalele cu simetrie mai sczut coeficientul dedilatare termic difer n funcie de direcia din cristal. n timpul tratamentului termic la limiteleintergranulare apar tensiuni, ce pot conduce la formareamicrofisurilor.

VI. Textura

Cristale aciculare de KCl Cristale cubice (compus organic)

Forma cristalelor (foioase, tabulare, dentritice,aciculare)

o Prin mpletirea cristalelor de forme diferite se obine otextur ce confer materialului o rezisten bun la ntindere.


Mrimea cristalelor este consecinaechilibrului geometric care se stabilete ntrefaze n procesele de reacie, nucleaie icretere a cristalelor.o Echilibrele geometrice nu se suprapun ntotdeauna cu

echilibrele fizice sau chimice, creterea cristalelor avndloc adesea dup ce acestea s-au ncheiat.

VI. Textura


Mrimea cristalelor

VI. Textura

o n procesele de cretere a cristalelorpot apare fenomene de ntreptrunderepentru cristalele aceleiai faze, sau defrnare a creterii pentru cristaleaparinnd fazelor diferite daunatere unor tensiuni mecanice care auconsecine negative asupracomportamentului mecanic almaterialului.

Cristale de nitrur de siliciu


Porozitatea este o faz de compoziie zero,caracterizat prin lipsa de interaciune ntrespeciile reelei porii reprezint deci odiscontinuitate n textura materialului, curezisten mecanic zero.o Marea majoritate a porilor au forme cilindrice i se

interconecteaz.

o Ei reprezint, n cele mai multe dintre cazuri, puncte deunde se iniiaz ruperea.

VI. Textura

Textura definitiv poate fievaluat, apreciat cantitativ, prin:

Porozitateao Nu valoarea porozitii este

determinant pentru caracteristicilemecanice ale materialului;

o Acestea sunt influenate de:o dimensiunea medie a porilor;o distribuia taliei porilor n jurul

acestei dimensiuni.

VI. Textura

Imaginea microscopic a unei probe de hidroxilapatit

sinterizat

Textura definitiv poate fievaluat, apreciat cantitativ, prin:

Porozitatea o porozitate important (~ 20%), darconstituit din pori de dimensiuni mici, estepreferabil unei poroziti mai sczute,dac aceasta presupune pori izolai dedimensiuni mari.

VI. Textura

Imaginea microscopic a unei probe de hidroxilapatit

sinterizat

o Porozitatea poate fi: Deschis: constituit de porii deschii ctre suprafaamaterialului; nchis: constituit de porii care nu comunic nici cu suprafaamaterialului i nici cu porii deschii; nchis la un capt: constituit de porii care comunic ntr-osingur direcie cu suprafaa.

a b c

Pori deschii (a), nchii (b) i nfundai (c)

Porozitatea deschis contribuie n mare msur la degradareatexturii prin coroziune, deoarece substanele corozive pot

ptrunde n pori i astfel suprafaa de contact cu agentul coroziv

crete, i deci i viteza de coroziune.

Porozitateao Dup aezare, porii pot fi: intergranulari (situai la limita ntre granule) intragranulari (situai n interiorul granulelor)

VI. Textura

Pori intergranulari deschii (prob de ceramic zirconic)

Pori intergranulari nchii(prob de porelan dentar)

Porozitateao Dup aezare, porii pot fi: intergranulari (situai la limita ntre granule) intragranulari (situai n interiorul granulelor)

VI. Textura

Pori intragranulari nchii (ceramic de titanat de bariu)


Densitatea relativ, definit ca raportul dintredensitatea aparent a corpului solid i ceateoretic a fazelor din care este acestaalctuit, exprim gradul de densificare.

VI. Textura

%t

ar

r densitate relativ [%]a densitate aparent [g/cm3]t densitate teoretic [g/cm3]


Densitatea relativo Cu ct valoarea densitii relative este mai apropiat de

1, cu att materialul este mai dens (are porozitate maimic), i deci are un comportament mecanic mai bun.

VI. Textura

curs 1 - notiuni generale materiale fim

Documents