Material con gradación funcional

En ciencia de los materiales, los materiales de gradiente funcional ( MGF ) se caracterizan por una variación gradual en su composición y estructura a lo largo del volumen, lo que conlleva cambios correspondientes en sus propiedades. Estos materiales pueden diseñarse para funciones y aplicaciones específicas. Para su fabricación, se utilizan diversos métodos, como el procesamiento en masa (partículas), el procesamiento de preformas, el procesamiento por capas y el procesamiento por fusión.

El concepto de FGM se consideró por primera vez en Japón en 1984 durante un proyecto de avión espacial, donde una combinación de materiales utilizados serviría como barrera térmica capaz de soportar una temperatura superficial de 2000 K y un gradiente de temperatura de 1000 K en una  sección de 10 mm. ^{[ 1 ]} En los últimos años, este concepto se ha popularizado en Europa, particularmente en Alemania. Desde 2006, se financia un centro de investigación colaborativa transregional (SFB Transregio) para explotar el potencial de la gradación de monomateriales, como acero, aluminio y polipropileno, mediante procesos de fabricación termomecánicamente acoplados. ^{[ 2 ]}

Los materiales de gradiente funcional (FGM) pueden variar en composición y estructura, por ejemplo, en porosidad, o en ambas, para generar el gradiente resultante. Este gradiente puede clasificarse como continuo o discontinuo, presentando un gradiente escalonado.

Existen varios ejemplos de MGF en la naturaleza, como el bambú y el hueso, que alteran su microestructura para crear un gradiente de propiedades del material. ^{[ 3 ]} En los materiales biológicos, los gradientes pueden producirse mediante cambios en la composición química, la estructura, las interfaces y la presencia de gradientes que abarcan múltiples escalas de longitud. Específicamente, dentro de la variación de las composiciones químicas, se sabe que la manipulación de la mineralización, la presencia de iones inorgánicos y biomoléculas , y el nivel de hidratación causan gradientes en plantas y animales. ^{[ 4 ]}

Las unidades estructurales básicas de los FGM son elementos o ingredientes materiales representados por maxel . El término maxel fue introducido en 2005 por Rajeev Dwivedi y Radovan Kovacevic en el Centro de Investigación para la Fabricación Avanzada (RCAM). ^{[ 5 ]} Los atributos de maxel incluyen la ubicación y la fracción de volumen de los componentes materiales individuales.

El término maxel también se utiliza en el contexto de los procesos de fabricación aditiva (como la estereolitografía , la sinterización selectiva por láser , el modelado por deposición fundida, etc.) para describir un vóxel físico (una combinación de las palabras "volumen" y "elemento"), que define la resolución de construcción de un proceso de prototipado rápido o de fabricación rápida, o la resolución de un diseño producido mediante dichos medios de fabricación.

La transición entre los dos materiales puede aproximarse mediante una relación de ley de potencias o una ley exponencial:

Ley de potencia:${\displaystyle E=E_{o}z^{k}}$dónde${\displaystyle E_{o}}$es el módulo de Young en la superficie del material, z es la profundidad desde la superficie y k es un exponente adimensional (${\displaystyle 0<k<1}$).

Ley exponencial:${\displaystyle E=E_{o}e^{\alpha z}}$dónde${\displaystyle \alpha <0}$indica una superficie dura y${\displaystyle \alpha >0}$indica superficie blanda. ^{[ 6 ]}

Existen numerosas aplicaciones para los materiales de gradiente funcional (FGM). El concepto consiste en crear un material compuesto mediante la variación de la microestructura de un material a otro con un gradiente específico. Esto permite que el material combine las mejores propiedades de ambos. Ya sea para resistencia térmica, a la corrosión, maleabilidad o tenacidad, se pueden aprovechar ambas características del material para evitar la corrosión, la fatiga, la fractura y el agrietamiento por corrosión bajo tensión .

Existe una gran variedad de posibles aplicaciones e industrias interesadas en los materiales genéticamente modificados (MGM). Estas abarcan desde la defensa, con el estudio de armaduras protectoras, hasta la biomedicina, con la investigación de implantes, pasando por la optoelectrónica y la energía.

La industria aeronáutica y aeroespacial, así como la industria de circuitos informáticos, están muy interesadas en la posibilidad de utilizar materiales que puedan soportar gradientes térmicos muy elevados. ^{[ 7 ]} Esto se suele conseguir mediante el uso de una capa cerámica conectada con una capa metálica.

La Dirección de Vehículos Aéreos ha realizado una prueba de flexión cuasiestática con muestras de titanio/ boruro de titanio de gradiente funcional, cuyos resultados se pueden ver a continuación. ^{[ 8 ]} La prueba se correlacionó con el análisis de elementos finitos (FEA) utilizando una malla cuadrilateral, donde cada elemento posee sus propias propiedades estructurales y térmicas.

El Programa Estratégico de Investigación en Materiales y Procesos Avanzados (AMPSRA) ha realizado análisis sobre la producción de un recubrimiento de barrera térmica utilizando ZrO2 y NiCoCrAlY. Sus resultados han sido satisfactorios, pero no se han publicado los resultados del modelo analítico.

La definición del término que se refiere a los procesos de fabricación aditiva tiene su origen en el RMRG (Rapid Manufacturing Research Group) de la Universidad de Loughborough en el Reino Unido . El término forma parte de una taxonomía descriptiva de términos relacionados directamente con diversos aspectos de los procesos de fabricación aditiva CAD - CAM , establecida originalmente como parte de la investigación realizada por el arquitecto Thomas Modeen sobre la aplicación de dichas técnicas en el contexto de la arquitectura.

El gradiente del módulo elástico modifica esencialmente la tenacidad a la fractura de los contactos adhesivos. ^{[ 9 ]}

Además, se ha puesto mayor énfasis en cómo aplicar los FGM a aplicaciones biomédicas, específicamente a implantes dentales y ortopédicos. Por ejemplo, el hueso es un FGM que presenta un cambio en la elasticidad y otras propiedades mecánicas entre el hueso cortical y el hueso esponjoso . Lógicamente, los FGM para implantes ortopédicos serían ideales para imitar el comportamiento del hueso. Los FGM para aplicaciones biomédicas tienen el beneficio potencial de prevenir concentraciones de tensión que podrían conducir a fallas biomecánicas y mejorar la biocompatibilidad y la estabilidad biomecánica. ^{[ 10 ]} Los FGM en relación con los implantes ortopédicos son particularmente importantes ya que los materiales comunes utilizados (titanio, acero inoxidable, etc.) son más rígidos y, por lo tanto, presentan el riesgo de crear condiciones fisiológicas anormales que alteran la concentración de tensión en la interfaz entre el implante y el hueso. Si el implante es demasiado rígido, corre el riesgo de causar reabsorción ósea , mientras que un implante flexible puede causar estabilidad y la interfaz hueso-implante. Se han realizado numerosas simulaciones FEM para comprender los posibles gradientes mecánicos y de FGM que podrían implementarse en diferentes implantes ortopédicos, ya que los gradientes y las propiedades mecánicas son altamente específicos de la geometría. ^{[ 11 ]}

Un ejemplo de FGM para su uso en implantes ortopédicos es la matriz polimérica reforzada con fibra de carbono (CRFP) con zirconia estabilizada con itria (YSZ). La variación de la cantidad de YSZ presente como relleno en el material dio como resultado una relación de gradación de resistencia a la flexión de 1,95. Esta alta relación de gradación y la alta flexibilidad general muestran un gran potencial como material de soporte en implantes óseos. ^{[ 12 ]} Se están explorando varios FGM que utilizan hidroxiapatita (HA) debido a su osteoconductividad , que ayuda a la osteointegración de los implantes. Sin embargo, la HA presenta una menor resistencia a la fractura y tenacidad en comparación con el hueso, lo que requiere que se utilice junto con otros materiales en los implantes. Un estudio combinó HA con alúmina y zirconia mediante un proceso de plasma de chispa para crear un FGM que muestra un gradiente mecánico, así como una buena adhesión y proliferación celular. ^{[ 13 ]}

Se han desarrollado métodos numéricos para modelar la respuesta mecánica de los FGM, siendo el método de elementos finitos el más popular. Inicialmente, la variación de las propiedades del material se introdujo mediante filas (o columnas) de elementos homogéneos, lo que dio lugar a una variación discontinua de tipo escalón en las propiedades mecánicas. ^{[ 14 ]} Posteriormente, Santare y Lambros ^{[ 15 ]} desarrollaron elementos finitos de gradiente funcional, donde la variación de la propiedad mecánica tiene lugar a nivel de elemento. Martínez-Pañeda y Gallego extendieron este enfoque al software comercial de elementos finitos. ^{[ 16 ]} Las propiedades de contacto de los FGM se pueden simular utilizando el Método de Elementos de Contorno (que se puede aplicar tanto a contactos no adhesivos como adhesivos). ^{[ 17 ]} También se ha implementado la simulación de dinámica molecular para estudiar materiales de gradiente funcional. M. Islam ^{[ 18 ]} estudió las propiedades mecánicas y vibracionales de nanocables de Cu-Ni de gradiente funcional utilizando simulación de dinámica molecular.

La mecánica de las estructuras de materiales con gradiente funcional ha sido considerada por muchos autores. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} Sin embargo, recientemente se ha desarrollado un nuevo modelo micromecánico para calcular el módulo de Young elástico efectivo para un compuesto de placas reforzadas con grafeno. El modelo considera las dimensiones promedio de las nanoplacas de grafeno, la fracción de peso y la relación grafeno/matriz en el elemento de volumen representativo. El comportamiento dinámico de este compuesto polimérico con gradiente funcional reforzado con rellenos de grafeno es crucial para aplicaciones de ingeniería. ^{[ 23 ]}