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(English) The engineering design process uses a systemic model that stands out for a common pattern that has evolved from Archer (1968), through French (1985), Nigel Cross (2000) and Michael F. Ashby (2009). Although in this design process the engineer applies different methods, techniques and tools for the selection of an optimal material, to date, these do not place materials science as a starting point in the design process. Additionally, an industrial revolution that comes from understanding a new material, energy and technological scale is happening. It is defined as the nanoscale by recent scientific advances in various areas of knowledge such in the field of materials. It is a historical moment in which there are more scientific discoveries from new materials than those obtained in previous historical periods. Therefore, the need to face the design process from an approach that positions advanced materials as an engine of innovation is considered relevant. This creates a challenge since this industrial revolution, by coexisting with an accelerated pace of technological, scientific and social development, requires a vision in which materials are not only considered in the final stages of selection but from the beginning of the design process in a transversal way. This challenge requires that the advanced materials must be considered in the starting point in the design process to inspire the creation of innovative future scenarios. In this framework, one of the clearest examples of materials is graphene. Research on graphene and graphene materials is one of the fastest growing areas and although it is in the process of research and development, it augurs a great disruptive potential. The main objective of this Doctoral Thesis is to define a systemic model in an engineering design process that considers advanced materials from the beginning. This process must be carried out from a scientific perspective that seeks to understand the innovative possibilities to ge, (Español) El proceso de diseño en la ingeniería utiliza un modelo sistémico que destaca por un patrón común que ha ido evolucionando desde Archer (1968), pasando por French (1985), Nigel Cross (2000) y Michael F. Ashby (2009) hasta la actualidad. Aunque en este proceso de diseño el ingeniero o la ingeniera aplica diversos métodos, técnicas y herramientas para la selección de un material óptimo, hasta la fecha, estos no colocan a la ciencia de los materiales como punto de partida en el proceso de diseño. Por otra parte, ocurre que en estos momentos se está planteando una revolución industrial que viene dada de entender una nueva escala matérica, energética y tecnológica que es definida por recientes avances científicos en diversas áreas de conocimiento y también en el campo de los materiales. Es un momento histórico en que existen más descubrimientos científicos desde los nuevos materiales que los obtenidos en períodos históricos anteriores. Por lo tanto, se considera relevante la necesidad de afrontar el proceso de diseño desde un enfoque que posicione a los materiales avanzados como un motor de innovación. Esto genera un reto ya que esta revolución industrial, al cohabitar con un ritmo acelerado del desarrollo tecnológico, científico y social, requiere de una visión en la cual los materiales no sean solo contemplados en las fases finales de selección sino desde el inicio de manera transversal. Dicho reto, requiere que sean las posibilidades de los materiales avanzados, el punto de partida en el proceso de diseño, de modo que inspire a la creación de innovadores escenarios futuros. En este marco, uno de los ejemplos más claros viene dado por el grafeno. La investigación sobre grafeno y materiales grafénicos es una de las áreas de mayor crecimiento y aunque está en pleno proceso de investigación y desarrollo, augura un gran potencial disruptivo. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es definir un modelo sistémico en un proceso de diseño en la ingeniería que po, Postprint (published version)

Ni-free Ti alloys are a potential strategy to overcome the risk of Ni-adverse reactions and rigidity mismatch for implant materials. Here, we report the biological behavior induced for two promising candidate alloys—Ti19.1Nb8.8Zr (MS temperature of 46°C and elastic modulus of 74 GPa) and Ti41.2Nb6.1Zr (elastic modulus of 67 GPa)—on cultured MG63 cells, as well as their physical and chemical properties. Contact angle results revealed the hydrophobic character of the former alloy (59.02° ± 2.35°) attributed to the presence of the martensitic phase, while the latter one presented a hydrophilic response (67.77° ± 2.78°). Results showed also that the cell adhesion response (after 4 and 8 h of incubation) in both substrates was not statistically different to that obtained in the cp Ti as control material. These surfaces induced well spread cell morphology with cytoplasmic extension like filopodia of up to 100 µm even at short culture times and presented an uninterrupted proliferation after longer incubation times (9 days). A decrement in the proliferation rate was appreciated from the Ti19.1Nb8.8Zr surface at that time, which was attributed to an earlier activation of the cell differentiation stage, as confirmed by the twofold increment of alkaline phosphatase activity. The results also evidenced that the presence of a 2 nm thick layer of amorphous Nb2O5, which was detected on both alloys, has a significant effect on cell behavior favoring the cell adhesion and morphology response of the new alloys studied, Postprint (published version)

L’Enginyeria de l’Esport és una disciplina relativament nova que, en alguns països, ja s’ha començat a desenvolupar abastament. Es tracta d’una disciplina que compta ja amb formacions acadèmiques a nivell universitari, amb bibliografia especialitzada i amb determinats llocs de treball que, fins a dia d’avui, es centren dins la indústria que s’encarrega de desenvolupar material esportiu. És possible, que en un futur, la figura de l’Enginyer de l’Esport sigui present dins l’organigrama medicotècnic d’un club esportiu, en centres d’alt rendiment esportiu o en centres de medicina de l’esport. Els aparells de valoració de la composició corporal basats en la tecnologia d’absorciometria d’energia dual de raigs X (DXA), s’han utilitzat tradicionalment en centres mèdics per valorar la densitat mineral òssia de pacients amb risc de patir osteoporosis. A tall d’innovació, aquesta tecnologia s’està començant a utilitzar en centres de medicina de l’esport. L’objectiu en aquest cas és el de valorar la composició corporal dels esportistes de cara a posseir fonaments sòlids que justifiquin la presa de decisions mèdiques i de rendiment esportiu. L’Enginyer de l’Esport pot ser de gran utilitat tant durant el procés d’implantació d’una eina tecnològica d’aquest tipus com durant les possibles investigacions mèdiques que es realitzin a posteriori.

Nowadays, β type Ti-based alloys have been developed for load transfer clinical applications due to their superelasticity, shape memory effect, low elastic modulus and high damping capacity [1]. These properties promote bone regeneration and make them promising candidates for being used in load transfer implantology. The objective of the present work is to achieve a material with shape memory properties and/or low elastic modulus. The influence of cold work on the thermoelastic martensitic transformation and elastic modulus of the Ti-16.2Hf-24.8Nb- 1Zr alloy has been investigated to determine optimal conditions. The homogenized vacuum arc melted button was heat treated at 1100ºC during 2 hours and quenched. Samples of each alloy were microstructurally and mechanically characterized after being cold rolled from 5 up to 95%. The elastic response for each condition was evaluated by instrumented nanoindentation by using a Berkovich tip and a spherical tip. A decrease in elastic modulus was observed when increasing the cold work percentage. The lowest value, 44 GPa, similar to that of cortical bone, was found in the 95% cold worked condition., Postprint (published version)

Electronic structure calculations based on density functional theory have been applied to clusters of titanium with different alloying elements in order to obtain quantum parameters that give some information on the interaction between the mother and alloying atoms. Average values of these parameters weighted with the molar fractions have been calculated for 146 titanium alloys that exhibit shape memory and/or low elastic modulus. These values have been mapped in order to identify zones that group the alloys with either property. This information was used as a guide for designing seven new alloys with desired properties. These have been microstructurally and mechanically characterized; the results confirm the usefulness of the method., Postprint (published version)

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En esta memoria se presenta un estudio de la caracterización de aleaciones binarias NiTi basado en la técnica de nanoindentación instrumentada. El principal objetivo de esta caracterización es el cálculo los módulos elásticos, así como la interpretación de la transformación de fase martensítica mediante el análisis de las curvas P-h y las imágenes obtenidas a partir de técnicas de FIB y TEM. Las temperaturas de transformación -de las aleaciones comerciales objeto de estudio- han sido caracterizadas gracias a la técnica del DSC, y posteriormente comparadas con los valores facilitados por el fabricante, evidenciando la influencia de la historia termomecánica de la aleación en la respuesta de la transformación. La técnica de nanoindentación instrumentada -empleando dos tipos de indentador- ha permitido no sólo la determinación a escala nanométrica de parámetros como el módulo elástico y la dureza por el método de Oliver y Pharr, sino también la evaluación de la capacidad de recuperación de las aleaciones frente a las deformaciones introducidas por el indentador con el cálculo de los índices de recuperación. Esto, junto con las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de las zonas bajo la huella de nanoindentación que se han obtenido mediante la técnica de FIB, han permitido demostrar la concordancia con la realidad de las teorías que en la literatura se pueden hallar sobre los mecanismos de deformación y las zonas de afectación bajo la punta del indentador. Queda, por tanto, demostrado mediante dichas imágenes, que bajo el indentador y en función de las cargas aplicadas, se produce acomodación de deformaciones por transformación martensítica en la zona adyacente al contacto. Finalmente concluir que la técnica de nanoindentación permite caracterizar la transformación martensítica de las aleaciones estudiadas así como parámetros mecánicos como son la dureza y el módulo elástico.

Aquest projecte tractarà de conèixer el món de la paràlisi cerebral infantil,fent referència als tipus de paràlisi, les causes que la provoquen, els efectes i els tractaments que existeixen, així com les necessitats amb que es troben a diari els nens amb aquesta malaltia. A més a més s’observaran els diferents aparells de rehabilitació per aquests nens. Posteriorment al haver adquirit aquests coneixements es disposarà a la realització del disseny d’un dispositiu de rehabilitació per nens amb paràlisi cerebral, on es tindran en compte tots els factors que poden influir perquè els permeti aconseguir fer una teràpia física per millorar la seva condició i al mateix temps tingui una resposta emocional, on es pugui divertir.

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Con el propósito de obtener una aleación de Titanio libre de Níquel, que posea memoria de forma (capacidad de las aleaciones de recuperar su forma original por calentamiento tras haber sido deformadas) y además, un módulo elástico bajo, se propone la validación de un método teórico de cálculo de orbitales moleculares llamado DV-Xα y optimización mediante un método más actual conocido como DFT-KS-B3LYP. Posteriormente se lleva a cabo la fabricación de dos aleaciones base Titanio en horno de arco eléctrico con atmósfera controlada de Argón. Los materiales obtenidos fueron homogenizados a 1100ºC durante 12 horas, recocidas a 1000ºC y templadas en agua con hielo. El material fue caracterizado a través de Microscopía Óptica, Calorimetría Diferencial de Barrido, Fluorescencia de Rayos X, Difracción de Rayos X, Microindentación y Nanoindentación Instrumentada. La aleación Ti-11,11Nb-1,50Ta presenta transformación martensítica termoelástica entre 50ºC y 175º y la aleación Ti-16,70 Nb-2,59Ta muestra un módulo elástico de 86GPa. Las diferentes fases presentes en las aleaciones, las temperaturas de β-transus, ensayos de microdureza, además de ensayos de nanoindetación para la determinación de los módulos elásticos y del comportamiento memoria de forma han sido estudiadas y discutidas en el presente proyecto. Palabras claves: Titanio libre de níquel, módulo elástico, memoria de forma, Nanoindentación Instrumentada, método DFT-KS-B3LYP.

Las aleaciones con memoria de forma al ser unos materiales con nuevas propiedades abren ante sí un nuevo campo de aplicaciones tecnológicas respecto a los materiales convencionales. Estas aleaciones además de presentar las propiedades típicas de un metal, presentan otras propiedades que las hacen diferentes de estos como es la superelasticidad, el efecto memoria de forma y la capacidad de amortiguamiento. Se conocen diferentes familias de materiales con memoria de forma entre los que destacan los polímeros, los cerámicos y los metales. Dentro de los metales tres grupos son los más importantes: las aleaciones base NiTi utilizadas en la actualidad, sobre todo en el campo biomédico debido a su biocompatibilidad, las aleaciones base cobre muy utilizadas en investigación por sus buenas propiedades de memoria de forma, su bajo coste y su fácil preparación y por último las aleaciones férreas con memoria de forma que están en proceso de desarrollo, pero que su buena resistencia a la corrosión y bajo coste, las hace tener un futuro prometedor. En la presente investigación, todos los trabajos experimentales se han centrado en el estudio de las aleaciones base cobre CuZnAl. Se han estudiado tres aspectos poco conocidos en estas aleaciones como son la cinética de crecimiento de grano, el desgaste y la corrosión. Además todas las aleaciones estudiadas han sido preparadas en el laboratorio dando lugar al Capítulo II de la presente tesis. En el Capítulo III se caracteriza la cinética de crecimiento de grano de la aleación CuZnAl observando como el crecimiento de grano de esta aleación es muy rápido y como los tratamientos térmicos, provocan aumentos muy elevados en el tamaño de grano, que junto con la anisotropía de los diferentes cristales provocan una disminución de las propiedades mecánicas y fragilidad intercristalina. Para reducir este problema, se estudia el efecto de diferentes aleantes, con el fin de reducir el tamaño de grano. Asimismo se determina, el e, Postprint (published version)