Giant energy density in [001]-textured Pb(Mg1/3Nb2/3)O-3-PbZrO3-PbTiO3 piezoelectric ceramics

Pb(Zr,Ti)O-3 (PZT) based compositions have been challenging to texture or grow in a single crystal form due to the incongruent melting point of ZrO2. Here we demonstrate the method for achieving 90% textured PZT-based ceramics and further show that it can provide highest known energy density in piezoelectric materials through enhancement of piezoelectric charge and voltage coefficients (d and g). Our method provides more than similar to 5x increase in the ratio d(textured)/d(random). A giant magnitude of d.g coefficient with value of 59 000 x 10(-15) m(2) N-1 (comparable to that of the single crystal counterpart and 359% higher than that of the best commercial compositions) was obtained. (C) 2013 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4789854]

Mapping Irreversible Electrochemical Processes on the Nanoscale: Ionic Phenomena in Li Ion Conductive Glass Ceramics

A scanning probe microscopy approach for mapping local irreversible electrochemical processes based on detection of bias-induced frequency shifts of cantilevers in contact with the electrochemically active surface is demonstrated. Using Li ion conductive glass ceramic as a model, we demonstrate near unity transference numbers for ionic transport and establish detection limits for current-based and strain-based detection. The tip-induced electrochemical process is shown to be a first-order transformation and nucleation potential is close to the Li metal reduction potential. Spatial variability of the nucleation bias is explored and linked to the local phase composition. These studies both provide insight into nanoscale ionic phenomena in practical Li-ion electrolyte and also open pathways for probing irreversible electrochemical, bias-induced, and thermal transformations in nanoscale systems.

Effect of titania addition on yttria-stabilised tetragonal zirconia ceramics sintered at high temperatures

In order to combine the mechanical properties of yttria-stabilised zirconia (ZrO2-3 mol% Y2O3; code Y-ZrO2) with the bioactivity of titania (TiO2), Y-ZrO2-TiO2, green compacts with 0-40vol.% TiO2 were sintered at 1300, 1400, and 1500degreesC for 4h, respectively. The microstructural features such as grains, pores, and phases were examined using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and energy dispersive spectroscopy (EDX). The mechanical properties such as hardness and toughness were also determined using the methods of Vickers indentation and Knoop indentation. All the composites showed the major tetragonal Y-ZrO2 phase regardless of the content of the added TiO2. However, rutile TiO2 phase was obtained at 1300degreesC, whereas zirconium titanate (ZrTi04) phase was found at 1400 and 1500degreesC. The Y-ZrO2-ZrTiO4 Composites sintered at 1500degreesC showed relatively high hardness (860-1000 kg/mm(2)) and toughness (4.0-4.5 MPa m(0.5)), whereas the Y-ZrO2-TiO2 composites sintered at 1300degreesC had slightly lower hardness (720-950kg/mm(2)) and fracture toughness (3.1-3.3 MPa m(0.5)). (C) 2004 Elsevier Ltd and Techna Group S.r.l. All rights reserved.

Static and dynamic degradation of sintered calcium phosphate ceramics

The chemical compositions of calcium phosphate materials are similar to that of bone making them very attractive for use in the repair of critical size bone defects. The bioresorption of calcium phosphate occurs principally by dissolution. To determine the impact of composition and flow conditions on dissolution rates, calcium phosphate tablets were prepared by slip casting of ceramic slips with different ratios of hydroxyapatite (HA) and ß-tricalcium phosphate (ß-TCP). Dissolution was evaluated at pH4 using both a static and dynamic flow regime. Both the composition of the HA:ß-TCP tablet and flow regime noticeably influenced the rate of dissolution; the 50:50 HA:ß-TCP composition demonstrating the greatest level of dissolution, and, exposure of the ceramic specimens to dynamic conditions producing the highest rate of dissolution. Understanding the impact of phase composition and flow condition with respect to the dissolution of calcium phosphate will aid in the development and improvement of materials for bone substitution.

Interlaboratory studies on in vitro test methods for estimating in vivo resorption of calcium phosphate ceramics

A potential standard method for measuring the relative dissolution rate to estimate the resorbability of calcium-phosphate-based ceramics is proposed. Tricalcium phosphate (TCP), magnesium-substituted TCP (MgTCP) and zinc-substituted TCP (ZnTCP) were dissolved in a buffer solution free of calcium and phosphate ions at pH 4.0, 5.5 or 7.3 at nine research centers. Relative values of the initial dissolution rate (relative dissolution rates) were in good agreement among the centers. The relative dissolution rate coincided with the relative volume of resorption pits of ZnTCP in vitro. The relative dissolution rate coincided with the relative resorbed volume in vivo in the case of comparison between microporous MgTCPs with different Mg contents and similar porosity. However, the relative dissolution rate was in poor agreement with the relative resorbed volume in vivo in the case of comparison between microporous TCP and MgTCP due to the superimposition of the Mg-mediated decrease in TCP solubility on the Mg-mediated increase in the amount of resorption. An unambiguous conclusion could not be made as to whether the relative dissolution rate is predictive of the relative resorbed volume in vivo in the case of comparison between TCPs with different porosity. The relative dissolution rate may be useful for predicting the relative amount of resorption for calcium-phosphate-based ceramics having different solubility under the condition that the differences in the materials compared have little impact on the resorption process such as the number and activity of resorbing cells.

Obtaining and characterization of single crystals and ceramics of PZT

É conhecido que as propriedades electromecânicas do zirconato titanato de chumbo, PbZrxTi1-xO3 (PZT), alcançam um máximo na região morfotrópica. Este trabalho foi desenvolvido na tentativa de explicar as causas deste máximo e a sua dependência com a microestrutura. Para conhecer essas causas, que provocam o aparecimento de um máximo nas propriedades electromecânicas foi necessário estudar cerâmicos com composições próximas da zona morfotrópica. Os cerâmicos foram caracterizados do ponto de vista dieléctrico e estrutural e o máximo da constante dieléctrica na região morfotrópica foi confirmado, assim como a sua dependência do tamanho do grão. A posição do máximo de permitividade está relacionada com o ponto onde ocorre a transição de fase da estrutura romboédrica para tetragonal. Para conhecer as propriedades intrínsecas do PZT surgiu a necessidade de produzir monocristais destes compostos com dimensões e qualidade adequadas à medição das suas propriedades. No presente trabalho, fizeramse crescer monocristais de PZT com boa qualidade e dimensões relativamente elevadas, usando um método de solução a alta temperatura, com um fluxo de [PbO-KF-PbCl2]-B2O3, numa razão molar de 60/40 entre PZT e fluxo. Primeiro, optimizaram-se as condições de processamento, testando-se diferentes perfis de temperatura e percentagem de fluxo para promover o crescimento e melhorar a qualidade dos cristais de PZT. As condições identificadas como óptimas foram usadas para depois fazer crescer cristais de PZT. Os cristais obtidos evidenciaram uma morfologia cúbica com dimensões típicas de - 3 x 3 x 3 mm3.

Clinopyroxene based glasses and glass-ceramics for functional applications

As piroxenas são um vasto grupo de silicatos minerais encontrados em muitas rochas ígneas e metamórficas. Na sua forma mais simples, estes silicatos são constituídas por cadeias de SiO3 ligando grupos tetrahédricos de SiO4. A fórmula química geral das piroxenas é M2M1T2O6, onde M2 se refere a catiões geralmente em uma coordenação octaédrica distorcida (Mg2+, Fe2+, Mn2+, Li+, Ca2+, Na+), M1 refere-se a catiões numa coordenação octaédrica regular (Al3+, Fe3+, Ti4+, Cr3+, V3+, Ti3+, Zr4+, Sc3+, Zn2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+), e T a catiões em coordenação tetrahédrica (Si4+, Al3+, Fe3+). As piroxenas com estrutura monoclínica são designadas de clinopiroxenes. A estabilidade das clinopyroxenes num espectro de composições químicas amplo, em conjugação com a possibilidade de ajustar as suas propriedades físicas e químicas e a durabilidade química, têm gerado um interesse mundial devido a suas aplicações em ciência e tecnologia de materiais. Este trabalho trata do desenvolvimento de vidros e de vitro-cerâmicos baseadas de clinopiroxenas para aplicações funcionais. O estudo teve objectivos científicos e tecnológicos; nomeadamente, adquirir conhecimentos fundamentais sobre a formação de fases cristalinas e soluções sólidas em determinados sistemas vitro-cerâmicos, e avaliar a viabilidade de aplicação dos novos materiais em diferentes áreas tecnológicas, com especial ênfase sobre a selagem em células de combustível de óxido sólido (SOFC). Com este intuito, prepararam-se vários vidros e materiais vitro-cerâmicos ao longo das juntas Enstatite (MgSiO3) - diopsídio (CaMgSi2O6) e diopsídio (CaMgSi2O6) - Ca - Tschermak (CaAlSi2O6), os quais foram caracterizados através de um vasto leque de técnicas. Todos os vidros foram preparados por fusão-arrefecimento enquanto os vitro-cerâmicos foram obtidos quer por sinterização e cristalização de fritas, quer por nucleação e cristalização de vidros monolíticos. Estudaram-se ainda os efeitos de várias substituições iónicas em composições de diopsídio contendo Al na estrutura, sinterização e no comportamento durante a cristalização de vidros e nas propriedades dos materiais vitro-cerâmicos, com relevância para a sua aplicação como selantes em SOFC. Verificou-se que Foi observado que os vidros/vitro-cerâmicos à base de enstatite não apresentavam as características necessárias para serem usados como materiais selantes em SOFC, enquanto as melhores propriedades apresentadas pelos vitro-cerâmicos à base de diopsídio qualificaram-nos para futuros estudos neste tipo de aplicações. Para além de investigar a adequação dos vitro-cerâmicos à base de clinopyroxene como selantes, esta tese tem também como objetivo estudar a influência dos agentes de nucleação na nucleação em volume dos vitro-cerâmicos resultantes á base de diopsídio, de modo a qualificá-los como potenciais materiais hopedeiros de resíduos nucleares radioactivos.

Assessment of biocompatibility of selected ferroelectric ceramics

Desde há muitas décadas que é sabido que os organismos vivos, em especial os tecidos, reagem fisicamente a estímulos eléctricos, podendo esses efeitos reproduzirem-se numa libertação de químicos endógenos, ou deformar a sua estrutura física. O tecido ósseo por si só é considerado um material/tecido piezoeléctrico, deformando-se mecanicamente quando lhe é induzido um estímulo eléctrico e vice-versa, ou seja, produz um potencial eléctrico quando sofre uma tracção ou compressão mecânica. A hipótese de que um material ferroeléctrico possa vir a produzir efeitos no desempenho deste tipo de tecidos é então proposta, como por exemplo, para uma melhor, mais rápida e eficaz regeneração óssea. Estes mesmos materiais ferroeléctricos podem porventura alterar as cargas de superfície dos tecidos vivos de modo a atrair, atrasar ou até impedir o fluxo iónico de elementos químicos específicos responsáveis pelo processo de regeneração. São escolhidos então o niobato de lítio e o tantalato de lítio como cerâmicos ferroeléctricos e foi estudada pela primeira vez a sua bioactividade in vitro, esperando-se encontrar pistas relativas à sua bioactividade in vivo. Estes cerâmicos ferroeléctricos foram seleccionados devido às suas importantes propriedades piezoeléctricas e ferroeléctricas. Estas propriedades podem abrir um novo e importante leque de aplicações biomédicas caso estes cerâmicos sejam bioactivos. Este trabalho foi dividido em 3 fases: (i) sintetização dos pós de niobato de lítio e tantalato de lítio, (ii) caracterização dos pós e (iii) preparação das amostras e (iv) estudo da bioactividade destes cerâmicos ferroeléctricos. Os pós foram produzidos através de um processo simples de mistura/moagem seguido de calcinação. Foram estudadas as fases cristalinas presentes através de Difracção de raios-X (DRX) e avaliadas as características morfológicas destes pós, nomeadamente o diâmetro de partículas e área superficial específica. De modo a simular o ambiente do plasma humano, foi produzido sinteticamente um “Simulated Body Fluid” (SBF). Seguidamente as amostras foram imersas nesse ambiente líquido por 1, 3, 7, 15 e 21 dias. Após remoção dos pós foram realizadas uma série de análises de modo a estudar a sua bioactividade. De entre estes testes destacam-se a microscopia electrónica de varrimento (SEM/EDS), DRX e espectroscopia de Infravermelho por transformada de Fourier com reflectância total atenuada (FTIR-ATR). Embora não tenham sido detectadas alterações no DRX realizado aos pós, verificou-se a formação de aglomerados de fosfato de cálcio na superfície dos pós através do SEM, resultados estes, reforçados pelo EDS e FTIR-ATR. Estes precipitados de fosfato de cálcio indiciam a capacidade destes pós cerâmicos ferroeléctricos se comportarem como bioactivos em contacto com tecidos ósseos in vivo.

Development of lithium disilicate based glass-ceramics

O principal objectivo deste estudo foi o desenvolvimento de vitrocerâmicos à base de dissilicato de lítio no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 contendo uma razão molar SiO2/Li2O muito afastada da do dissilicato de lítio (Li2Si2O5) usando composições simples e a técnica tradicional de fusão-vazamento de vidro de forma a obter materiais com propriedades mecânicas, térmicas, químicas e eléctricas superiores que permitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. Investigou-se o fenómeno de separação de fases, a cristalização e as relações estrutura-propriedades de vidros nos sistemas Li2O-SiO2, Li2O-Al2O3-SiO2 e Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Os vidros nos sistemas Li2O-SiO2 e Li2O-Al2O3-SiO2 apresentaram fraca densificação e resultaram em materiais frágeis, contrastando com a boa sinterização dos vidros no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Pequenas adições de Al2O3 e K2O ao sistema Li2O-SiO2 permitiram controlar a separação de fases devido à formação de espécies de Al(IV) que confirmaram o papel de Al2O3 como formador de rede. Os compactos de pó de vidro das composições contendo Al2O3 e K2O tratados termicamente resultaram em vitrocerâmicos bem densificados, apresentando dissilicato de lítio como a principal fase cristalina, e valores de resistência mecânica à flexão, resistência química e condutividade eléctrica (173-224 MPa, 25-50 mg/cm2 e ~2´10-18 S/cm, respectivamente) que possibilitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. A adição de P2O5, TiO2 e ZrO2 ao sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 como agentes nucleantes revelou que os vidros contendo apresentaram cristalização em volume, com a formação de metassilicato de lítio a temperaturas mais baixas e dissilicato de lítio para as temperaturas mais elevadas, enquanto a adição de zircónia reduz o grau de segregação, aumenta a polimerização da matriz vítrea e desloca o valor de Tg para temperaturas superiores, inibindo a cristalização.

Diopside-fluorapatite-wollastonite based bioactive glasses and glass-ceramics

Bioactive glasses and glass–ceramics are a class of biomaterials which elicit special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissue. This particular trait along with good sintering ability and high mechanical strength make them ideal materials for scaffold fabrication. The work presented in this thesis is directed towards understanding the composition-structure-property relationships in potentially bioactive glasses designed in CaOMgOP2O5SiO2F system, in some cases with added Na2O. The main emphasis has been on unearthing the influence of glass composition on molecular structure, sintering ability and bioactivity of phosphosilicate glasses. The parent glass compositions have been designed in the primary crystallization field of the pseudo-ternary system of diopside (CaO•MgO•2SiO2) – fluorapatite (9CaO•3P2O5•CaF2) – wollastonite (CaO•SiO2), followed by studying the impact of compositional variations on the structure-property relationships and sintering ability of these glasses. All the glasses investigated in this work have been synthesized via melt-quenching route and have been characterized for their molecular structure, sintering ability, chemical degradation and bioactivity using wide array of experimental tools and techniques. It has been shown that in all investigated glass compositions the silicate network was mainly dominated by Q2 units while phosphate in all the glasses was found to be coordinated in orthophosphate environment. The glass compositions designed in alkali-free region of diopside – fluorapatite system demonstrated excellent sintering ability and good bioactivity in order to qualify them as potential materials for scaffold fabrication while alkali-rich bioactive glasses not only hinder the densification during sintering but also induce cytotoxicity in vitro, thus, are not ideal candidates for in vitro tissue engineering. One of our bioglass compositions with low sodium content has been tested successfully both in vivo and in preliminary clinical trials. But this work needs to be continued and deepened. The dispersing of fine glass particles in aqueous media or in other suitable solvents, and the study of the most important factors that affect the rheology of the suspensions are essential steps to enable the manufacture of porous structures with tailor-made hierarchical pores by advanced processing techniques such as Robocasting.