Material que repele sangue é uma nova aposta na área de biomateriais

Um assunto recorrente aqui no Engenheiro de Materiais são os biomateriais e sabemos que um grande problema na aplicação dos mesmos é a falta de biocompatibilidade com nosso corpo. Dessa forma, existe muito estudo em cima da produção de materiais biocompatíveis. No último ano foi publicado um artigo na Healthcare Materials sobre um material super repelente a sangue, obtendo alta biocompatibilidade.

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Sangue, plasma e água sobre a superfície do material desenvolvido. Créditos: Kota lab/Colorado State University

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Titânio e suas ligas

O titânio e suas ligas vêm se destacando comercial e industrialmente devido a suas excelentes propriedades, tais como elevada razão resistência mecânica/peso, manutenção de sua resistência mecânica em temperaturas elevadas e excepcional resistência à corrosão. As principais aplicações destas ligas são nas indústrias aeroespacial e biomédica, em ambientes extremamente corrosivos e para a produção de equipamentos industriais avançados utilizados para a geração de energia e transporte.

O titânio possui duas estruturas cristalinas, isto é, o material apresenta alotropia. Uma das fases, denominada fase α, apresenta estrutura hexagonal compacta e é estável à temperatura ambiente, enquanto a segunda fase, conhecida por fase β, é cúbica de corpo centrado e é estável em temperaturas superiores a 882°C.

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Células unitárias das formas alotrópicas do titânio.

Assim como ocorre para os aços, alguns elementos de liga podem ser adicionados ao material metálico com o intuito de favorecer a formação de uma das fases. No caso do titânio, os elementos alumínio, gálio e estanho têm caráter alfagênio, isto é, favorecem a estabilidade da fase α.  Já o vanádio, nióbio e tálio são betagênios, atuando na redução da temperatura de transformação alotrópica, o que favorece a formação de fase β em temperaturas mais baixas do que 882°C. Desse modo, a adição de elementos de liga ao titânio e a realização de tratamentos térmicos nestas ligas permite a obtenção de diversas microestruturas e propriedades, permitindo a obtenção de três classes de ligas de titânio: α, β e α+β.  Normalmente deseja-se a fase α quando se necessita de resistência à fluência e a fase β para aplicações em que são necessárias boa resistência mecânica e à fadiga. Já a liga α+β, mais popular dentre as ligas de titânio, combina as melhores características de ambas as fases. A figura abaixo nos mostra algumas ligas comerciais de titânio, bem como uma comparação entre algumas de suas propriedades.

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Influência do percentual das fases α e β nas propriedades de ligas de Ti. Fonte: FROES, 2015.

As ligas de titânio são difíceis de produzir, o que as torna caras. A fusão deste material, por exemplo, deve ser feita em um recipiente especial para evitar contaminação, já que o material torna-se tão reativo quando aquecido em altas temperaturas que sofre contaminação por praticamente todos os materiais com os quais tem contato. Uma opção, portanto, é utilizar um cadinho de cobre resfriado por água, onde o titânio em contato com o cobre solidifica e o restante permanece fundido, protegido de contaminação. Outra dificuldade que pode ser mencionada é no processo de usinagem destes materiais. Além de possuírem um baixo módulo de elasticidade, o titânio e suas ligas têm baixa condutividade térmica, assim tendem a provocar um aumento significativo da temperatura na interface com a ferramenta durante a usinagem, aumentando o desgaste da mesma. Além disso, a elevada reatividade química mencionada anteriormente faz com que reajam com quase todos os materiais utilizados como ferramentas.

Ainda assim, apesar do preço e das dificuldades envolvidas em trabalhar com titânio, o metal é considerado bastante viável para algumas aplicações, como aquelas que mencionamos no começo deste post. Por quê? O que o torna especial?

A resposta é simples.. além de uma elevada resistência à corrosão, suas ligas apresentam uma combinação importantíssima de propriedades: resistência mecânica e baixa densidade. Ainda que não seja tão leve quanto o alumínio ou tão resistente quanto os aços, o titânio ganha destes dois materiais quando trata-se de relação resistência mecânica/peso, como podemos ver na figura.

Resistência-densidade

Comparativo entre propriedades mecânicas de ligas de titânio, liga de alumínio, aços inoxidáveis e titânio puro. Fonte: FROES, 2015.

Reparem que no gráfico do lado esquerdo, as ligas de titânio mostram-se inferiores aos aços inoxidáveis em termos de propriedade mecânica, mas superiores ao alumínio.  No entanto, ao dividirmos a resistência à tração do material por sua densidade, as ligas de titânio passam a ser superiores aos aços inoxidáveis e alumínio, apresentando a melhor relação resistência/peso, ou resistência específica. O titânio puro, por sua vez, não apresenta resistência considerável em nenhuma das análises, o que ressalta a importância de sempre continuar aprendendo e pesquisando sobre elementos de liga, fundamentais para a fabricação de qualquer componente metálico de elevado desempenho.

Referências:

FROES, F.H. – Titanium: physical metallurgy, processing, and applications-ASM International (2015)

HASÇALIK, A.; ÇAYDAŞ, U. Electrical discharge machining of titanium alloy (Ti–6Al–4V).Applied Surface Science, v. 253, n. 22, p. 9007-9016, 2007.

RIBEIRO, M. V.; MOREIRA, M. R. V.; FERREIRA, J. R. Optimization of titanium alloy (6Al–4V) machining.Journal of Materials Processing Technology, v. 143, p. 458-463, 2003.

CHE-HARON, C. H.; JAWAID, A. The effect of machining on surface integrity of titanium alloy Ti–6% Al–4% V.Journal of Materials Processing Technology, v. 166, n. 2, p. 188-192, 2005.

YAMADA, Makoto. An overview on the development of titanium alloys for non-aerospace application in Japan.Materials Science and Engineering: A, v. 213, n. 1, p. 8-15, 1996.

MAX Phases – Cerâmicas com propriedades metálicas.

Nunca metais e cerâmicas estiveram tão próximos em comportamento como ocorreu após a síntese dos chamados Max Phases, descobertos na década de 90 e ainda hoje alvo de inúmeros estudos. Esse grupo de carbetos ou nitretos ternários abrange mais de 60 composições, representadas pela fórmula geral M(n+1)AXn, na qual M é um metal de transição, A é um elemento da família A (geralmente IIIA ou IVA), X é Carbono ou Nitrogênio e n é um número  que pode variar de 1 a 3. Esta fórmula geral, que apresenta os elementos M, A e X mencionados anteriormente e mostrados na Figura abaixo, é a razão pela qual o material possui este nome.  A Figura também apresenta as 60 MAX Phases descobertas até então.

Tabela

Fonte: An Introduction to MAX Phases – Prof. Michel Barsoum

Os materiais cerâmicos com que estamos habituados são frágeis, isolantes térmicos e elétricos e apresentam uma plasticidade extremamente baixa, diferentemente das características apresentadas por grande parte dos metais. Assim,  por serem bons condutores térmicos e elétricos (normalmente melhores do que o titânio), apresentarem boa resistência ao choque térmico, boa usinabilidade,  maior tenacidade do que as cerâmicas convencionais, elevada plasticidade a elevadas temperaturas e, em alguns casos, boa resistência à fadiga,  os MAX Phases são considerados verdadeiras pontes entre materiais metálicos e cerâmicos.  Outras propriedades comuns e de grande interesse tecnológico presentes nesses carbetos e nitretos ternários são o baixo peso, resistência à fluência e à corrosão e coeficientes de expansão térmicas relativamente baixos.

Devido às suas propriedades, as aplicações dos MAX Phases envolvem principalmente situações em elevadas temperaturas, como bicos queimadores de gás, refratários dúcteis e usináveis ou também componentes resistentes à irradiação de nêutrons na indústria nuclear, recobrimento para contatos elétricos e utensílios de cozinha antiaderentes.  No entanto o uso deste grupo de materiais ainda não é tão difundido devido ao alto custo. Como são processados normalmente a partir de pós  elementares ou de carbetos binários,  o preço final desses materiais é extremamente dependente do preço dessas matérias primas, e apresenta-se em torno de 500 dólares por quilograma. Ao final do processamento, os MAX Phases podem ser obtidos na forma de pó, espumas, filmes finos, revestimento ou em sólidos que serão posteriormente trabalhados para adquirir a geometria dos componentes desejados. É esperado que com o desenvolvimento tecnológico e com o aumento da demanda futura para os MAX Phases, sejam desenvolvidas novas formas de síntese a partir de pós de menor custo, aumentando a competitividade da classe de materiais.

Fontes:

An Introduction to MAX Phases;

MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics.