Estruturas 3D porosas com gradiente de funcionalidade produzidas por Freeze-casting

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

As estruturas 3D porosas com gradiente de funcionalidade (FG) são materiais que despertam um interesse significativo em domínios distintos: biomateriais e materiais compósitos. Estas estruturas são constituidas por um esqueleto formado a partir de microesferas cerâmicas ocas, as quais se distribuem no espaço de acordo com uma lei pré-determinada de variação da fracção volumétrica do sólido. Estas estruturas podem ser aplicadas em materiais para substituição e regeneração óssea na área dos biomateriais, assim como na produção de compósitos de matriz metálica para aplicações estruturais. Tornando-se de extrema utilidade devido à capacidade intrínseca de exibirem comportamentos optimizados, como a sua leveza, tenacidade, absorção de vibrações e isolamento térmico. Conceptualmente, uma estrutura desse tipo poderá ser produzida mediante uma técnica como o freeze-casting, na qual uma suspensão aquosa de microesferas é congelada segundo um gradiente de temperatura. A pré forma obtida é sujeita a uma subsequente sinterização, de modo a garantir a sua integridade estrutural. Um benefício adicional desta técnica é o de permitir obter um gradiente de concentração de microesferas através da relação entre a força de impulsão a que as mesmas estão sujeitas em suspensão e o arrasto devido à progressão da frente de solidificação. Nesta dissertação foram analisadas estruturas 3D com um gradiente radial de funcionalidade. Estas foram produzidas por freeze-casting, o sistema utilizado para as produzir foi construído e desenvolvido igualmente neste trabalho. O sistema utilizado foi concebido de forma a poder produzir estruturas, quer com um gradiente radial, quer longitudinal. A este sistema é possível acoplar um sistema de microfluídica, igualmente desenvolvido e construído, para introdução e dispersão das microesferas ocas As estruturas obtidas foram caracterizadas mecânica e estruturalmente. No primeiro caso foram sujeitas a ensaios de compressão, enquanto no segundo caso a porosidade foi analisada através das imagens obtidas por microscopia óptica. Por se tratar de um trabalho inovador, não existindo ainda resultados publicados na literatura, os resultados obtidos não podem ser generalizados nem conclusivos, sendo por isso necessário efectuar uma investigação mais profunda sobre as propriedades deste tipo de estruturas 3D com FG, resultante de gradientes de porosidade, produzidas por freeze-casting. Contudo, através dos resultados obtidos, foi possível deduzir que uma maior quantidade de ligante faz com que a amostra apresente uma maior resistência a forças de compressão.