Estudo do comportamento tribológico de materiais compósitos à base de titânio reforçado com partículas cerâmicas para aplicação em implantes articulares

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica

A necessidade de materiais com propriedades semelhantes às das articulações humanas leva ao surgimento de novas alternativas no que diz respeito a materiais para próteses. O grande problema dos materiais existentes prende-se com o facto de apresentarem diferentes mas persistentes fraquezas. A oferta de materiais é variada e, como tal, cada um apresenta os seus prós e contras. Os principais problemas centram-se na propensão para a fratura, desgaste e consequentes partículas de desgaste que podem causar complicações oncológicas, sendo que todos estes aspetos devem ser contornados. O presente trabalho teve como principal objetivo a caracterização tribológica de materiais metálicos e compósitos de matriz metálica reforçados com partículas cerâmicas de alumina de diferente geometria e condição superficial recorrendo à avaliação das suas propriedades de atrito e de desgaste, tendo este estudo sido complementado com a realização de testes de dureza Vickers. Os materiais considerados foram processados no âmbito do projeto de investigação em que o presente estudo se enquadra e os testes tribológicos de deslizamento linear alternativo foram realizados num tribómetro com a configuração esfera-placa à temperatura de 37 ⁰C ± 1 ⁰C. Como contra corpo foi utilizada uma esfera de alumina e o deslizamento decorreu na presença de uma solução salina (PBS). A frequência de oscilação foi de 1 Hz e, a carga normal aplicada variou, tendo assumindo os valores de 3, 9, 15 e 25 N. Procedeu-se à quantificação do coeficiente de atrito e do coeficiente de desgaste para todos os testes, bem como à análise dos mecanismos de desgaste através de microscopia eletrónica de varrimento. Feita a análise dos resultados obtidos, concluiu-se que dos compósitos testados apenas um, correspondente ao reforço com partículas não revestidas e de forma irregular, apresentou valores de resistência ao desgaste superiores ao material de referência (liga Ti6Al4V) nos testes sujeitos a 3 N. Assim, de um modo geral, a adição à liga Ti6Al4V de partículas de reforço de alumina no estado superficial e forma tal como foram consideradas no presente estudo, não trouxe melhorias em termos de comportamento tribológico do compósito, tanto a nível de atrito como de desgaste. Este resultado foi atribuído à má adesão entre as partículas cerâmicas e o material da liga metálica da matriz. Contudo, a melhoria da resistência ao desgaste dos compósitos para uma condição particular de processamento e de teste, desperta interesse pela continuação da investigação iniciada no presente estudo em torno deste tipo de materiais.

The need for materials with similar properties to the human joints leads to the emergence of new alternatives to materials for prostheses. The biggest problem with materials that already exist is related with the fact that they have different but persistent weaknesses. The material offer is varied and all of them have its pros and cons. Most serious issues are related to the propensity to fracture, wear and its consequents particles that can cause oncological complications, these are all issues to overcome. The aim goal of this study consisted in the tribological characterization of metallic and composite materials based on a metallic matrix reinforced with ceramic particles by assessment of its friction and wear properties, this study has been completed with Vickers hardness tests. The materials considered were processed under the investigation project where the current study fits and the tribological tests with reciprocating sliding were performed in a tribometer with a ball on plate configuration, under a physiological temperature 37 ⁰C ± 1 ⁰C. As a counter body, an alumina ball was used and the sliding occured in the presence of a saline solution (PBS). Reciprocating motion frequency was 1 Hz and applied normal loads varying between 3, 9, 15 and 25 N were used. The next procedure was to quantify the friction coefficient and wear coefficient for all tests and the analysis of wear mechanisms through scanning electron microscopy. After the analysis of the obtained results was realized, it was concluded for all composites tested, that only one, which corresponds to the reinforcement with uncoated particles and irregular shape, presents wear resistance values higher than reference material (Ti6Al4V) on tests subjected to 3 N. Thus, in general, the addition to titanium matrix with ceramic reinforcement particles with superficial and shape states, just like has been considered on present study does not bring improvement in terms of composite tribological behaviour, which includes friction and wear. This result was attributed to poor adhesion of the ceramic particles and metallic matrix. However, the improvement of composite wear resistance for a particular processing and test condition, arouses interest for the continuation of research initiated in the present study surrounding this type of material.

Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) - Projetos EXCL/EMS-TEC/0460/2012 e UID/EEA/04436/2013