Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/21878
Title: Understanding corrosion mechanisms of novel biodegradable magnesium alloys
Other Titles: Compreensão dos mecanismos de corrosão de novas ligas biodegradáveis de magnésio
Author: Rocha, Patrick Thierry Almeida da
Advisor: Yasakau, Kiryl
Zheludkevich, Mikhail Larionovich
Keywords: Engenharia de materiais
Biodegradação
Electroquímica
Biomateriais
Ligas de magnésio
Corrosão
Fluidos corporais - Simulação
Defense Date: 27-Oct-2016
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: A biodegradação de biomateriais em ordem a conseguir uma dissolução completa de um determinado equipamento após a realização do seu propósito, tem sido visto como uma ideia atrativa pela comunidade cientifica, devido ao elevado potencial nas melhorias a qualidade de vida do paciente e devido aos custos pós operatorios que podem ser melhorados. O comportamento de biodegradação é consequência da elevada susceptibilidade à corrosão, inerente às ligas metálicas como o magnésio. Esta característica deve-se à instabilidade química causada pela inserção das ligas num ambiente agressivo às mesmas. Esta afirmação continua a ser verdadeira no caso em que ligas de mágnesio são introduzidas no corpo humano, em contacto com iões agressivos ao metal, presentes nos fluídos corporais. O trabalho de investigação proposto nesta tese, tem como temática o estudo de mágnesio puro, ligas de Mg-XGd e Mg-XGd-YMn, onde o rácio estequiométrico dos elementos é X=2,5 e Y=1. As ligas usadas não se encontram comercializadas, mas existe um forte interesse no seu uso como material biodegradável devido às boas propriedades mecânicas apresentadas pelas mesmas. No entanto as taxas de corrosão necessitam de ser modeladas de forma a viabilizar o seu uso como biomaterial, e uma melhor compreensão sobre os mecanismos de corrosão podem ajudar no design de futuras ligas. O foco deste trabalho consiste em desvendar a natureza da corrosão e devido a isso diversos fatores serão estudados, usando diferentes técnicas de caracterização i) Observar a microestrutura e os microconstituintes presentes, o seu tamanho, morfologia e composição elemental, usando para tais fins técnicas de MEV e EDS. A rugosidade e o potential Volta apresentada pelos diversos constituintes da microstrutura será levado a cabo por técnicas de MFA e SKFM. ii) Técnicas eletroquímicas, como a eletroquímca de impedância e polarização dinâmica, serão usadas de forma a perceber o comportamento do sistemas em diversos meios eletrolíticos. Tempos longos de imersão foram realizados durante medições de Impedância eletroquímica. iii) A composição quimica e o estudo de fases dos produtos de corrosão são realizados usando técnias de EDS e DRX, o que permite identificar os tipos de produtos preferencialmente formados durante o processo de corrosão. iv) Uma série de outras técnicas proporcionaram uma informação mais consistente sobre o comportamento de corrosão nas ligas de mágnesio, como a evolução do hidrogénio e a observação das secções de corte. A reproducibilidade foi estudada usando uma amostragem em diversas técnicas. Entretanto este trabalho é baseado numa comparação qualitativa que permite entender e desvendar o porquê, como e qual o tipo de corrosão que é apresentado pelos diversos sistemas em estudo. Os resultados obtidos pelas diversas técnias revelaram que os fenómenos de corrosão são dependentes do tipo de ambiente e das suas condições. A presença de níveis de impurezas superiores aos limites de tolerância, como o ferro, mostram que a taxa de corrosão é aumentada na presença dos mesmos, visto que aumenta a actividade catódica dos intermetálicos. O manganês como elemento de liga reduz esse efeito, diminuindo a respetiva taxa de corrosão. A formação de produtos de corrosão é dependente do pH do meio, e assim, a precipitação de compostos vai diferir com o eletrólito em uso. O sistema ternário e o magnésio puro demonstraram taxas de corrosão aproximadamente de 0,18 mm/a a 330h de imersão, imerso na solução de PBS. Estas taxas de corrosão podem ser adequadas para aplicações biomédicas.
Biomaterials bring valuable improvements to the biomedical field. The idea behind the biodegradation behaviour of a biomaterial which can be used as an implant in the human body has attracted the attention of the scientific community, due to various benefits which may improve quality of life of injured humans. The biodegradation behaviour of metals arises from the high susceptibility to corrosion of metallic alloys in the human body, which are in contact with aggressive ions presented by human body fluids. This especially concerns magnesium and its alloys. Magnesium alloys must comply with the requirements which are put on the biodegradable materials. Among such requirements one can name mechanical properties and controlled corrosion activity. Investigation in this work performed on several Mg samples, including a pure magnesium (HP Mg), Mg-XGd and Mg-XGd-YMn systems with variation in stoichiometry ratio of elements, X=2 and 5 and Y=1. These are non-commercial Mg alloys which may present interest due to their potential as biodegradable materials. A tailoring of the corrosion rate is required to reduce the corrosion rate of such alloys. For that, it is incredibly wise to understand the corrosion mechanisms in different electrolytes and conditions. To study the influence of factors which affects corrosion a series of characterization techniques were used. At first microstructure and microconstituents as intermetallics, their size, shape and elemental composition, were evaluated using SEM and EDS. Roughness and Volta potential of the different phases present in the microstructure were studied using AFM/SKFM technique, which allows to correlate the Volta potential with local corrosion of intermetallics and to observe dissolution and precipitation processes at the microscale. Also, electrochemical measurements, such as Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), potential dynamic polarization, were conducted accessing corrosion behaviour of systems in different electrolytes during short immersion times. For electrochemical characterization, in the extended time of immersion EIS was used. To obtain the corrosion rate, it was used the hydrogen evolution method. Then corrosion products chemistry was studied using X-ray diffraction and energy dispersive spectroscopy techniques, which allow to identify the type of products formed in the different electrolytes and to correlate their formation with corrosion behaviour. Cross section analysis and identification of corrosion morphology were accessed on samples after EIS tests. Reproducibly of measurements were ensured by studying a set of replica samples. This work is based on qualitative/qualitative comparison of results which allowed a better understanding why, how and which corrosion is present in the different systems. The different techniques used revealed that corrosion is highly dependent on the environment and the conditions of measurements. The presence of high levels of impurities as iron induces high levels of corrosion by increasing the cathodic activity of intermetallic. Manganese as an alloying element reduces the effect of the impurities in corrosion. Corrosion products formation is pH dependent, and so, the precipitation of corrosion products compounds from different electrolytes may be beneficial or nonbeneficial to corrosion. The ternary system and the HP Magnesium demonstrate corrosion rates approximately 0.18 mm/year in PBS solution, which can be adequate for biomedical applications.
Description: Mestrado em Engenharia de Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/21878
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DEMaC - Dissertações de mestrado

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