Tribological behavior of micro/nano structured tantalum surfaces by anodization method

Abstract

Tantalum is a metal which has shown to have excellent biocompatibility and bioactivity, making it a potential material for dental implant. Nano texturing can improve the performance of Ta dental implant as it promotes faster osseointegration. Nano texturing changes surface roughness which affects the tribological behavior. An electrochemical process called anodization was used to modify the surface of tantalum by introducing highly ordered nano pores on its surface. Anodization is a process that involves several parameters which can be easily modified to produce controlled surface texturing. The applied potential has a propotional relationship to pore diameter and Ta2O5 film thickness. Higher applied potential leads to larger pore diameters and thicker oxide layer. For the purpose of this thesis, tantalum was anodized at three different potentials, namely 15, 25 and 50 V. The purpose of this thesis was to test the effect of surface roughness induced by anodization, on the tribological properties of Ta, particularly its static friction behavior. The surface roughness parameter used for this study was the mean peak to valley height of profile (Rz). Reference samples used for comparison were polished Ta metal and chemically etched Ta. Structural analysis of the prepared Ta samples was performed by optical microscopy, surface morphology was characterized by scanning electron microscopy (SEM), the crystal structure was examined by X-ray diffraction (XRD), hardness was measured using Vickers hardness method and surface roughness measurements were made by a 3-D profilometer. Friction tests were performed using a standard tensile testing machine with electronic control of cross head motion. Highly ordered nano porous surface was formed by the anodization process. The size of pores increased when higher anodization potentials were used. The anodization process caused a change in surface roughness. The relationship between surface roughness and the static friction coefficient was studied and it was found that static friction coefficient showed a propotional relationship to surface roughness. Dynamic friction coefficient did not show a clear relation to surface roughness.

O Tântalo (Ta) é um elemento metálico com excelentes propriedades no que diz respeito a biocompatibilidade e bioatividade, demonstrando possuir um enorme potencial para ser usado em implantes odontológicos. A nano-texturização pode melhorar o desempenho de implantes dentários promovendo um aumento por parte da integração óssea. No entanto, a alteração da rugosidade superficial através desta técnica de superfície pode afetar o seu comportamento tribológico. No presente trabalho, foi utilizado um processo eletroquímico conhecido como anodização de forma a modificar a superfície do Ta através da introdução de nano poros, altamente ordenados. A anodização é um processo que envolve a utilização de vários parâmetros que podem ser facilmente modificados, permitindo obter um maior controle sobre a texturização da superfície do elemento. Existe uma relação diretamente proporcional entre o potencial aplicado (Volts-V) e o diâmetro dos poros assim como a espessura dos filmes de Ta2O5. Quanto maior for o potencial aplicado, maior será o diâmetro dos poros e mais espessa será a camada de óxido formada sobre a superfície de Ta. O presente trabalho tem como objetivo o estudo do efeito da alteração da rugosidade na superfície de Ta induzida por anodização, assim como, a influência sobre as propriedades tribológicas, em particular o seu comportamento à fricção estática. Para que este estudo fosse possível foi realizada a análise estrutural e morfológica de amostras anodizadas a três potenciais diferentes: 15, 25 e 50 V. A análise estrutural das amostras de Ta foi avaliada com recurso à técnica de difração de raios-X (DRX), a morfologia da superfície foi estudada por microscopia de varrimento eletrónico (SEM), a dureza classificada segundo a escala de Vickers e a rugosidade avaliada através de um perfilómetro 3-D. Os ensaios de desgaste foram realizados utilizando uma máquina de ensaios de tração com controlo numérico. Os resultados obtidos foram comparados com amostras de Ta sem qualquer tratamento superficial. O processo de anodização permitiu obter superfícies nano porosas extremamente ordenadas. O tamanho das porosidades aumentou com o aumento do potencial de anodização. A utilização do processo de anodização possibilitou uma alteração da rugosidade superficial. A relação entre a rugosidade superficial e o coeficiente de atrito estático, foi comparada, verificando-se que o valor de coeficiente de atrito é diretamente proporcional á rugosidade superficial. Em relação ao coeficiente de atrito dinâmico, não foi encontrado uma relação empírica com a rugosidade superficial.