Biomaterials in orthopedic bone plates : a review

This paper aims to review biomaterials used in manufacturing bone plates including advances in recent years and prospect in the future. It has found among all biomaterials, currently titanium and stainless steel alloys are the most common in production of bone plates. Other biomaterials such as Mg alloys, Ta alloys, SMAs, carbon fiber composites and bioceramics are potentially suitable for bone plates because of their advantages in biocompatibility, bioactivity and biodegradability. However, today either they are not used in bone plates or have limited applications in only some flexible small-size implants. This problem is mainly related to their poor mechanical properties. Additionally, production processes play an effective role. Therefore, in the future, further studies should be conducted to solve these problems and make them feasible for heavy-duty bone plates.

Phase diagram of the system Ca-Ti-O at 1200 K

Phase relations in the system Ca-Ti-O have been established by equilibration of several samples at 1200 K for prolonged periods and identification of phases in quenched samples by optical and scanning electron microscopy, XRD and EDS. Samples representing 20 compositions in the ternary system were analyzed. There was negligible solid solubility of Ca in the phases along the binary Ti-O, and of Ti in CaO. Four ternary oxides were identified: CaTiO3, Ca4Ti3O10 and Ca3Ti2O7 containing tetravalent titanium, and CaTi2O4 containing trivalent titanium. Tie-lines link calcium titanite (CaTi2O4) with the three calcium titanates (CaTiO3, Ca4Ti3O10 and Ca3Ti2O7), CaO, oxygen excess TiO1+delta and stoichiometric TiO. Tie-lines connect CaTiO3 with TiO2-x, Magneli phases TinO2n-1 (28 >= n >= 4), Ti3O5, Ti2O3 and TiO1+delta. CaO was found to coexist with TiO, and Ti-O solid solutions alpha and beta. The phase diagram is useful for understanding the mechanisms and kinetics of direct calciothermic reduction of TiO2 to metal and electrochemical reduction of TiO2 using graphite anode and molten CaCl2 electrolyte.

Roughness generated in surface grinding of metals

When a metal is surface ground the roughness generated is the summation of a function of the wheel roughness and the roughness due to wheel attrition and damage to the workpiece. We identify this function here as a maximum em,elope profile, which is fractal within certain cut off wavelengths determined by the dressing conditions of the wheel. Estimating the global displacement of the binder-grit-workpiece system from the maximum envelope power spectra, we determine the plastic indentation of the workpiece at characteristic length scales using simple contact-mechanical calculation. The estimated roughness corresponds well with that recorded experimentally for hard steel, copper; titanium and aluminium.

The Role of Strain Rate Response on Tribological Behavior of Metals

In an effort to study the role of strain rate response on the tribological behavior of metals, room temperature experiments were conducted by sliding commercially pure titanium and a-iron pins against an H-11 die steel flats of various surface textures. The steel flat surface textures were specifically prepared to allow for imposing varying amounts of strain rates at the contacting interface during sliding motion. In the experiments, it was observed that titanium (a harder material than iron) formed a transfer layer on H-11 steel surface textures that produced higher strain rates. In contrast, the titanium pins abraded the steel surfaces that produced lower strain rates. The iron pins were found to abrade the H-11 steel surface regardless of the surface texture characteristics. This unique tribological behavior of titanium is likely due to the fact that titanium undergoes adiabatic shear banding at high strain rates, which creates pathways for lower resistance shear planes. These shear planes lead to fracture and transfer layer formation on the surface of the steel flat, which ultimately promotes a higher strain rate of deformation at the asperity level. Iron does not undergo adiabatic shear banding and thus more naturally abrades the surfaces. Overall, the results clear indicated that a materials strain rate response can be an important factor in controlling the tribological behavior of a plastically deforming material at the asperity level. DOI: 10.1115/1.4007675]

First principles study of metal contacts to monolayer black phosphorous

Atomically thin layered black phosphorous (BP) has recently appeared as an alternative to the transitional metal dichalcogenides for future channel material in a metal-oxide-semiconductor transistor due to its lower carrier effective mass. Investigation of the electronic property of source/drain contact involving metal and two-dimensional material is essential as it impacts the transistor performance. In this paper, we perform a systematic and rigorous study to evaluate the Ohmic nature of the side-contact formed by the monolayer BP (mBP) and metals (gold, titanium, and palladium), which are commonly used in experiments. Employing the Density Functional Theory, we analyse the potential barrier, charge transfer and atomic orbital overlap at the metal-mBP interface in an optimized structure to understand how efficiently carriers could be injected from metal contact to the mBP channel. Our analysis shows that gold forms a Schottky contact with a higher tunnel barrier at the interface in comparison to the titanium and palladium. mBP contact with palladium is found to be purely Ohmic, where as titanium contact demonstrates an intermediate behaviour. (C) 2014 AIP Publishing LLC.

Laser Melted TiC Reinforced Nickel Aluminide Matrix in situ Composites

Titanium carbide reinforced nickel aluminide matrix in situ composites were produced using a newly patented laser melting furnace. Microstructure of the laser melted TiC/(Ni3Al–NiAl) in situ composites was characterized by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). Results showed that the constituent phases in the laser melted in situ composites are TiC, Ni3Al and NiAl. Volume fraction of TiC and NiAl increase with increasing content of titanium and carbon. The growth morphology of the reinforcing TiC carbide has typically faceted features, indicating that the lateral growth mechanism is still predominant growth mode under rapid.

Comportamento do titânio comercialmente puro obtido por diferentes processamentos submetidos a soluções fluoretadas

O objetivo deste estudo in vitro foi analisar o comportamento superficial do titânio comercialmente puro (grau 2 ASTM) usinado e obtido pelo processamento de metalurgia do pó sob a ação de diferentes soluções fluoretadas, através da análise do grau de corrosão em microscopia óptica (MO) e da rugosidade superficial. Além disso, o estudo se propôs a comparar essas análises com os resultados obtidos com o titânio fundido da dissertação de mestrado de Barros (2004). Todas as amostras receberam procedimento metalográfico padrão e foram divididas em grupos: Gr.1- saliva artificial com pH 7.0 (controle), Gr.2- gel de flúor fosfato acidulado a 1,23% com pH 3.5, Gr.3- gel de NaF a 2% com pH 6.5, Gr.4- solução de NaF a 0,05% com pH 4.0 e Gr.5- solução de NaF a 0,05% com pH 7.5. As amostras foram expostas a estas soluções por 1, 4, 8 e 16 min, intercaladas com imersão em saliva artificial por 24 h, e depois foram observadas em MO e MEV, a cada intervalo de tempo. As imagens em MO, 100x, foram classificadas através de escores de 0 a 4, conforme o grau de corrosão. A rugosidade foi analisada utilizando o parâmetro Ra. Os resultados da análise de MO foram tratados estatisticamente pelo teste qui-quadrado e da rugosidade pelo teste F de Snedecor e de Bonferroni (p<0,05). Nos três tipos de amostras, o Gr2 apresentou a corrosão mais severa, e os Gr.4 e 5 apresentaram os menores graus de corrosão. Entretanto, nas amostras usinadas o Gr5 apresentou uma corrosão menos acentuada em relação ao Gr4. No Gr3 houve um aumento da corrosão em função do tempo, sendo que as amostras fundidas mostraram este aumento mais rapidamente. Houve um aumento significativo na rugosidade superficial no Gr.2 nos três tipos de amostras. Nos diversos grupos, os valores de rugosidade superficial das amostras fundidas foram significantemente maiores que os das usinadas e as de metalurgia do pó. Os autores concluíram que as soluções fluoretadas de uso odontológico são danosas às superfícies do titânio fundido, usinado e metalurgia do pó, principalmente as soluções com alta concentração de fluoreto.

Estudo da desativação térmica de catalisadores à base de óxidos mistos de cério e zircônio

Em termos ambientais, os catalisadores automotivos se destacam pelos resultados altamente significativos alcançados após seu uso obrigatório em veículos leves. No entanto, as condições térmicas em que eles operam podem levar a um processo de perda de atividade significativa, após certo tempo de operação. Dentro desse contexto, este trabalho estudou o efeito da temperatura na desativação térmica de catalisadores automotivo modelo. Foram preparados catalisadores baseados em óxido misto de cério e zircônio na proporção 50% em mol de cério e zircônio (CZ). A partir dele foram produzidos os catalisadores Pd-CZ e Pd-CZ-LaAl. O catalisador Pd-CZ foi produzido pela impregnação do CZ com Pd na concentração de 0,5% m/m de CZ. O catalisador Pd-CZ-LaAl foi produzido a partir de uma mistura física do Pd-CZ com o suporte LaAl (alumina dopada com La na concentração de 1,9 % m/m de Al2O3), seguida de calcinação a 500˚C. Foram realizados envelhecimentos a 900C e 1200C em mufla com atmosfera oxidante por 12 e 36h. Os catalisadores foram caracterizados por um conjunto de técnicas físico-químicas. Foram realizadas análises de fisissorção de N2 para a medição da área específica e o estudo da evolução do diâmetro e volume de poros das amostras novas e envelhecidas. Análises de difração de raios X (DRX) foram feitas de forma a acompanhar possíveis transições de fases após o envelhecimento das amostras. Foi realizada análise química para validar a composição das amostras e ensaios de análise térmica para o catalisador CZ visando identificar a temperatura onde ocorre o fenômeno de segregação de fases. Realizaram-se ensaios de redução a temperatura programada (RTP) visando quantificar o consumo de hidrogênio e associá-lo à evolução da redutibilidade das amostras após o envelhecimento térmico. Finalmente, a avaliação catalítica foi realizada com base nas reações de oxidação do CO e do propano e de redução do NO pelo CO, através da obtenção de curvas de lightoff. As análises de DRX mostraram que o envelhecimento a 900C ocasionou alterações de fases da alumina, mas não foi verificada segregação de fases no CZ. Já a 1200C observou-se a referida segregação de fases, que coincide com a drástica queda na área específica das amostras, em alguns casos observando-se o colapso das propriedades texturais do catalisador. As análises de RTP mostraram que, em determinadas condições, o envelhecimento térmico promove a redutibilidade do sistema CZ e a introdução de Pd torna o catalisador mais facilmente redutível o que é evidenciado pelo deslocamento dos picos de redução para temperaturas mais baixas em comparação ao CZ puro. Os testes catalíticos mostraram que a introdução do Pd é um fator fundamental para a conversão do propano. Os catalisadores contendo Pd também converteram melhor o CO. Para os catalisadores envelhecidos a 1200C, o único resultado positivo foi no caso do Pd-CZ-LaAl que apesar deste tratamento térmico, ainda converteu o CO, propano e NO. Desta forma o catalisador Pd-CZ-LaAl apresentou resultados mais satisfatórios e isto evidencia que a mistura com LaAl melhora o desempenho e a estabilidade térmica do catalisador em altas temperaturas (acima de 300C).

Desarrollo de una solución CAD/CAM para la fabricación automatizada de brocas.

[ES]Este proyecto se basa en la idea de llevar a cabo un código CAM de un diseño anterior (CAD). El modelo CAD consiste en una broca, que está diseñado específicamente para perforar materiales apilados, como el titanio y fibra de carbono que son ampliamente utilizados por la industria de la aviación en la actualidad. Para lograr este objetivo se sería necesario contar con los recursos adecuados, licencias de software, soporte de fábrica y por supuesto el conocimiento de la materia. Este texto tiene como objetivo la ceración del código CAM, así como demostrar la rentabilidad de este método de mecanizado alternativo.

Estudo de catalisadores modelo à base de CeO2-ZrO2 dopado com cobre para controle de emissões de NOx

Convencionalmente, metais nobres são empregados como metais ativos em catalisadores automotivos, mas o uso de cobre vem sendo estudado pelo fato de promover sítios ativos para adsorção química e redução de NOx. Diante deste contexto, esta dissertação visa testar novas formulações de catalisadores, com foco em seu desempenho na reação de redução do NO pelo CO e sua seletividade a N2. Foram avaliados o método de adição de cobre no preparo e os teores de cobre utilizados na preparação. Os métodos de adição utilizados foram impregnação a seco (IS), reação em estado sólido (RS) e coprecipitação (CO). Os teores de cobre estudados ficaram entre 0,36 e 6,9% (m/m). Além disso, foi estudado o impacto no desempenho do catalisador após envelhecimento térmico a 950C por 12h. Foram empregadas as seguintes técnicas de caracterização textural e físico-química como espectrometria de absorção atômica, fisissorção de N2, difração de raios X, espectroscopia Raman e redução a temperatura programada. Os catalisadores também foram avaliados na reação de redução do NO pelo CO. A análise textural indicou que o método de coprecipitação levou a características texturais diferentes dos outros catalisadores. Análises de DRX mostraram a formação de CuO cristalino para teores iguais ou superiores a 3,3% (m/m) de cobre. As análises de Redução a Temperatura Programada (RTP) indicaram que ocorreu uma forte interação na interface entre o suporte e as espécies de cobre dispersas, acompanhada da diminuição da temperatura de redução do CuO e da redução parcial da céria em temperaturas mais baixas. Os testes catalíticos mostraram um melhor desempenho dos catalisadores (IS) que apresentaram conversões mais elevadas em menores temperaturas. Com relação ao envelhecimento, observou-se uma diminuição significativa da eficiência dos catalisadores. Uma comparação com catalisadores à base de metal nobre mostrou um bom desempenho dos catalisadores à base de cobre, com a vantagem destes apresentarem emissão de N2O restrita a baixas temperaturas

Avaliação da microestrutura, microdureza e resistência à corrosão de juntas soldadas de uma liga de Ni-Cr obtidas através de diferentes processos de soldagem

Este trabalho avaliou o comportamento eletroquímico do metal de base (MB) de uma liga a base de níquel-cromo em relação a juntas soldadas desta liga obtidas pelos processos de brasagem (BRA) e Tungsten Inert Gas (TIG), imersos em saliva artificial com pH 2,5 e 5,5. Foram também realizados ensaios de microdureza e caracterização microestrutural, por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e análise química semi-quantitativa por EDS, nos grupos MB, TIG, BRA e no cordão de solda a laser (LAS). O MB apresentou uma matriz rica em níquel e cromo, distribuída em um arranjo dendrítico típico, apresentando inclusões metálicas de silício e titânio, além de porosidades. As soldas TIG e LAS revelaram uma microestrutura mais refinada que o MB, mostrando, entretanto, uma mesma composição química e distribuição de seus elementos. A solda BRA apresentou diferenças marcantes em sua microestrutura, composição química e distribuição de seus elementos em relação ao MB. Os dados de microdureza Vickers (HV), potencial de corrosão (Ecorr) e densidade de corrente de corrosão (jcorr) foram analisados com ANOVA e teste de Tukey (p<0,05). Para determinação da influência do pH quanto a resistência à corrosão dos grupos MB, TIG e BRA, empregou-se o teste t de Student (p<0,05). O MB apresentou menor média de microdureza (256,13 9,39 HV), seguido pelos grupos TIG (271,53 8,07 HV), LAS (303,73 13,93 HV) e BRA (551,99 37,73 HV). Em pH 2,5 as médias do Ecorr (mV) para o MB, TIG e BRA foram, respectivamente, -67,9 8,43, -52,78 16,74, e -284,33 19,04; e em pH 5,5, médias de -54,03 21,15, -62,08 20,16 e -278,8 28,96. Os valores médios de jcorr (A.cm-2) para o MB, TIG e BRA em pH 2,5 foram, respectivamente, 2,49 0,95, 5,584 1,64 e 27,45 4,9; e em pH 5,5, médias de 1,929 0,83, 4,267 1,51 e 54,2 11,96. Os grupos MB e TIG apresentaram boa resistência à corrosão, com maior módulo de impedância em relação ao grupo BRA. As diferenças no pH da saliva artificial não alteraram o comportamento corrosivo dos grupos MB e TIG. Entretanto, observou-se uma redução marcante na jcorr e no módulo de impedância nas soldas obtidas pelo processo de brasagem. O grupo BRA apresentou corrosão galvânica ao ser analisado formando par com o MB, mostrando uma jcorr de 5,3 A.cm-2. Entretanto, o mesmo não foi observado quando o MB foi associado à solda TIG, onde a jcorr foi cerca de 150 vezes menor. O grupo BRA, além de apresentar um comportamento eletroquímico muito diferente do MB, revelou diferenças marcantes quanto a composição química, aspecto microestrutural e microdureza. As juntas TIG e LAS mostraram semelhanças químicas e microestruturais em relação ao MB, sendo que na solda TIG esta semelhança foi ainda mais evidente. Além disto, a solda TIG apresentou um comportamento eletroquímico muito semelhante ao MB e, portanto, parecendo ser mais recomendável para soldar ligas odontológicas de níquel-cromo em relação aos demais processos de soldagem aqui avaliados.

Estudo da redução do NO pelo CO usando catalisadores de ródio suportado em óxido misto de cério e zircônio e óxido misto derivado de hidrotalcita

Esta tese teve como objetivo avaliar o desempenho de catalisadores de Rh suportados em cério-zircônio (CZ) e em óxido misto de magnésio e alumínio (HT) derivado de hidrotalcita na reação de redução do NO pelo CO em meio estequiométrico. Os suportes puros e impregnados com Rh foram nomeados CZ, RhCZ, HT e RhHT. Os suportes foram preparados por coprecipitação e o metal nobre foi adicionado no teor de 0,15% (m/m) por impregnação a seco. Foram realizados testes de caracterização como fisissorção de N2, DRX, TPR, espectroscopia Raman, DRIFTS, TGA-DTA e TPD-CO/NO. Para a avaliação catalítica, foi utilizada uma mistura de 1%NO + 1%CO em He e a atividade e seletividade foram expressas através das concentrações dos gases envolvidos ao longo de uma rampa de temperatura desde a temperatura ambiente até 500C. Os resultados de caracterização indicaram nítidas diferenças estruturais e físico-químicas entre os dois tipos de catalisadores nas isotermas de adsorção de N2, nos perfis de redução e nos difratogramas, já dando indícios de que os mecanismos de reação seriam diferentes. Pelas análises de DRIFTS identifica-se a presença de bandas características de espécies de CO adsorvidas no Rh somente para o catalisador RhCZ a baixa temperatura, ressaltando a interação Rh-CZ, também evidenciadas pelos resultados de Raman, mas que provavelmente não ocorrem com o óxido misto de Al e Mg. Observou-se que o suporte de CZ foi mais ativo a baixas temperaturas que o suporte de HT, porém o catalisador RhHT foi mais seletivo a N2 a 350C e emitiu menos N2O ao longo da faixa de temperatura avaliada do que o catalisador RhCZ. Resultados de TPD de NO e comparações de curvas experimentais e teóricas envolvendo as concentrações de CO, CO2 e NOx durante os testes catalíticos, acompanhados também pelas análises de DRIFTS nas mesmas condições, indicam que a redução do Rh e a afinidade do catalisador pelo NO são importantes para favorecer a maior seletividade da reação de redução do NO pelo CO a N2.

The predicted compressive strength of a pyramidal lattice made from case hardened steel tubes

A sandwich panel with a core made from solid pyramidal struts is a promising candidate for multifunctional application such as combined structural and heat-exchange function. This study explores the performance enhancement by making use of hollow struts, and examines the elevation in the plastic buckling strength by either strain hardening or case hardening. Finite element simulations are performed to quantify these enhancements. Also, the sensitivity of competing collapse modes to tube geometry and to the depth of case hardening is determined. A comparison with other lattice materials reveals that the pyramidal lattice made from case hardened steel tubes outperforms lattices made from solid struts of aluminium or titanium and has a comparable strength to a core made from carbon fibre reinforced polymers. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.