Proprietatile de suprafata in metale si aliaje

Proprietati de suprafata

Proprietatile de suprafata in metale si aliaje se manifesta in cazul proceselor de aliere in stare lichida, in procesele de sinterizare la formarea straturilor metalice poroase si in cadrul procesarii materialelor compozite, la limita de separare matrice-fibra (particule).

1 Energia si tensiunea superficiala

Conform teoriei atomice, tensiunea superficiala se datoreaza fortelor de atractie spre interiorul topiturii ce actioneaza asupra atomilor din stratul superficial. Ea apare la zona interfazica lichid-gaz, lichid-lichid si lichid-solid. Stratul superficial se caracterizeaza printr-o energie potentiala de suprafata, proportionala cu marimea suprafetei. Aceasta energie-numita energie superficiala sau tensiune superficiala - este continuta intr-un strat de la suprafata topiturii cu grosimea de cateva diametre atomice.

Tensiunea superficiala se poate defini ca lucrul mecanic necesar pentru a mari suprafata lichidului cu o unitate. Variatia energiei libera a suprafetei unei topituri metalice poate fi exprimata cu relatia:

dG = dW - dA

unde:

W - lucrul mecanic necesar pentru marirea suprafetei;

A - suprafata lichidului;

- tensiunea superficiala.

La suprafata unei topituri metalice (fig. 4.20) moleculele situate in aceasta zona au un exces de energie deoarece nu sunt echilibrate de moleculele vecine, deci vor poseda in exces o energie fata de masa lichidului. Energia superficiala si se masoara in dyne/cm sau N/m si pentru unele metale lichide are valorile prezentate in tabelul 4.10. (in comparatie cu apa la 20⁰C).

Tabelul 4.10 Tensiunea superficiala pentru materialele lichide

Tensiunea superficiala la interfata lichid-solid se manifesta in cadrul proceselor de producere a materialelor compozite cu matrice metalica lichida si ranfort sub forma de fibre sau pulberi, in procesul de fixare a implantelor cu cimenturi in structuri osoase, etc.    In cazul acestor sisteme intre fazele solide si lichide au loc interactiuni de natura superficiala prezentate schematic in fig. 4.21.

Fig. 4.21. Fenomenul de umectare la interfata lichid-solid

a) lichidul uda suprafata solida; b) lichidul nu uda suprafata solida

Daca pe o suprafata solida este depusa o picatura lichida, aceasta din urma se comporta ca in fig. 4.21 adica uda sau nu uda suprafata solida.

La echilibru, suma tensiunilor superficiale dintre cele trei faze (lichid, solid, gaz) din planul solidului ar trebui sa fie egale cu 0, lichidul fiind liber sa se deplaseze pana la fixarea sa intr-o stare de echilibru conform relatiei:

unde:

unghiul θ se numeste unghi de contact;

g_GS - tensiunea superficiala dintre suprafata solida si gazoasa (atmosfera);

g_LI - tensiunea superficiala la interfata lichid-solid;

g_GL - tensiunea superficiala la interfata gaz-lichid.

Dupa valoarea unghiului θ umectarea unei suprafete se poate realiza astfel:

- daca θ =0 rezulta umectarea completa;

- daca 0 < θ <90⁰ avem umectare partiala;

- daca θ >90⁰ nu are loc umectarea suprafetei de catre picatura lichida.

Valorile unghiului de umectare lichid-solid pot fi determinate experimental in procesele de obtinere a diferitelor biomateriale (compozite, aliaje, etc). Pentru a se obtine sisteme de materiale de tip compozit sau alte materiale poroase este necesar ca valorile unghiului θ sa asigure umectarea partiala a fazei solide; adica θ sa fie cuprins intre 0 si 90⁰.

Pentru a se imbunatati proprietatile de umectare intre faza solida si faza lichida se pot utiliza substante tensioactive care scad tensiunea superficiala si asigura o buna umectare a particulelor solide de catre faza lichida. Asa este cazul umectarii .particulelor de grafit cu cupru sau alte metale pentru obtinerea compozitului metal - grafit. De asemenea daca in metalul (aliajul) topit se adauga unele substante tensioactive (superficial active) valoarea tensiunii superficiale a topiturii scade (fig. 4.22.) si in consecinta se imbunatatesc sensibil proprietatile de umectare.   

2 Adeziunea

Adeziunea reprezinta in sens fizic, legarea a doua suprafete din materiale diferite, care formeaza impreuna o coeziune omogena, lipsita de diferente structurale. Termenul de adeziune mai poate fi definit ca un mecanism care apare la interfata de contact a doua materiale aflate in faza condensata. Astfel de mecanisme produc o interactiune energetica si structurala care asigura rezistenta materialului compus la actiunea fortelor exterioare.

In domeniul implan-tologiei, fenomenul de adeziune este utilizat in legarea implantului de suprafata osoasa cu cimenturi acrilice care constituie agentul de cimentare (implant - os). Pentru a obtine o rezistenta maxima la interfata dintre straturile legate este necesar ca grosimea stratului de adeziv sa fie optima, asa cum se constata in graficul din figura.

A doua conditie necesara pentru realizarea fenomenului de adeziune consta in umectarea suprafetelor solide de catre mediul adeziv, in acest caz valoare energiei de adeziune este data de relatia:

w_a= g_SL(1 + cosq

Fenomenul de adeziune are la baza lui tipuri de interactiuni intre adezivul utilizat si suprafetele adiacente, astfel poate exista:

adeziune fizica determinata de forte de interactiune de tip Van der Waals, care reprezinta forte de legare dintre electrozii de atomi diferiti, pe baza unor atractii electrice multipolare produse de interactiuni electrice nesaturate;

adeziune produsa de stratul dublu electric determinat de transportul electric de sarcina in materialele aflate in contact. Pentru materialele metalice acest fenomen se explica prin mobilitatea electronilor liberi ai stratului exterior, care interactioneaza cu ionii materialului adeziv, rezultand suprafete incarcate electric (pozitiv sau negativ) care contribuie la realizarea adeziunii;

adeziune bazata pe interactiunea chimica dintre materialul adeziv si suprafata aflata in contact. Asa de exemplu,    in cazul utilizarii cimentului acrilic depus pe suprafata implantului se dezvolta lanturi polimerice care reactioneaza cu suprafetele aflate in contact.

In aplicatiile medicale si stomatologice adezivii sunt considerati ca un remediu temporar, care realizeaza inlocuirea celulelor batrane cu unele noi, favorizand dezvoltarea tesuturilor sanatoase si legarea lor de implantul aplicat. Acest fenomen a condus la dezvoltarea implanturilor poroase care permit tesuturilor vii sa creasca in interstitii, realizandu-se un sistem viabil intre implant si tesutul viu.

3 Autopasivarea

Pasivarea este un proces chimic sau electrochimic caracterizat prin formarea pe suprafata metalica a unui film proiector care izoleaza metalul de mediul inconjurator. Toate metalele prezinta aceasta proprietate - de a reactiona cu mediul - dar numai anumite elemente metalice formeaza filme autoprotectoare, caracterizate prin urmatoarele particularitati:

aderente la metalul de baza;

autoregenerative;

dense, nepermeabile la actiunea mediului;

inerte cu mediul (nu da reactii chimice sau biologice).

Proprietatile de pasivare sunt esentiale in privinta utilizarii metalelor in domeniul medical si determina decisiv proprietatile de biocompatibilitate. Printre metalele cu proprietati de autopasivare se mentioneaza: titanul, zirconiul, tantalul si niobiul. Aceste elemente fac parte din asa-numita grupa a metalelor refractare, adica formeaza filme superficiale foarte stabile din punct de vedere chimic.

Stabilitatea oxizilor si altor compusi metalici este data de energia libera de formare a acestor combinatii chimice (tabelul 4.11):

Tabelul 4.11 Energia libera de formare a unor combinatii chimice stabile din punct de vedere chimic, pe suprafata metalelor biocompatibile

Din tabelul de mai sus rezulta ca cele mai stabile combinatii oxidice le prezinta Al, Ti, Zr, Cr, care de altfel sunt utilizate cu succes ca metale biocompatibile in realizarea diverselor componente protetice si implantologice.