This dissertation is a research about the mechanical behavior of the human esophagus. This work is intended to be applied in the treatment of stenosis and other esophageal diseases that frequently require a procedure of forced dilation, that involves high pressures on the esophagus wall. This study proposes a constitutive model to simulate forced dilatations. This study includes the experimental characterization of the mechanical behavior of human esophagus. In addition, some theoretical questions and experimental issues were addressed and solved. This dissertation summarizes the previous work on esophageal tissues by other authors. Additionally, a short explanation about the microcontinuum theory developed in the last decades is given, as well as a summary of the general theory of nonlinear hyperelastic constitutive models (with large deformation). This study required extensive testing of esophageal tissue in order to characterize the in vitro mechanical behavior. The testing included mainly tensile tests and complementary inflation tests. Optical motion track analysis was used for accurate computation of the strains in the tissue. The results of the tests were used for adjusting the mechanical properties that characterize the mechanical behavior of esophagus in the proposed models of the literature. The statistical analysis of the data revealed, some significant correlations between anthropometric factors, such as the body mass index, and some mechanical properties were found in the analysis of the data. The typical values of the mechanical properties were used to perform some numerical finite element simulations based on the proposed models. In addition, a number of theoretical results were obtained concerning the residual stress and the predictions of statistical mechanics for a system of collagenous fibers inside a soft tissue. The main result is a constitutive non-linear microstretch anisotropic hyperelastic constitutive model with large deformations (and with residual stresses) to characterize the multi-layered tissue of human esophagus. This model is suitable for numerical simulation. / Esta tesis es una investigación sobre el comportamiento mecánico del esófago humano. Este trabajo se pensó para ser aplicado al tratamiento de la estenosis y otras afecciones esofágicas que, con frecuencia, requieren dilatación forzada, lo que supone altas presiones sobre la pared esofágica. Este estudio propone un modelo constitutivo para simular estas dilataciones forzadas. Este estudio incluye la caracterización experimental del comportamiento mecánico del esófago. Además, se han planteado algunas cuestiones teóricas y experimentales que han sido resueltas. Esta tesis resume el trabajo previo sobre tejido esofágico de otros investigadores. Además, se da una pequeña explicación sobre la teoría del medio microntinuo desarrollada en las últimas décadas y un breve resumen de la teoría general de modelos constitutivos hiperelásticos no-lineales (con grandes deformaciones). El estudio requirió experimentación de tejido para caracterizar el comportamiento in vitro. Los test incluyeron test de tracción y test de inflado. Se empleó rastreo óptico para un cálculo adecuado de la deformación. Los resultados de los test permitieron encontrar las propiedades mecánicas según dos modelos de esófago de la literatura. El análisis de los datos rebeló, algunas correlaciones significativas entre factores como el índice de masa corporal y algunas propiedades mecánicas. Los valores típicos de las propiedades fueron usados para algunas simulaciones numéricas basadas en los modelos propuestos. Además se han obtenido algunos resultados teóricos sobre la tensión residual y las predicciones de la mecánica estadística para un sistema de fibras de colágeno del tejido. El principal resultado es un modelo constitutivo de microestiramiento anisótropo no-lineal e hiperelástico para caracterizar el esófago Este modelo es adecuado para la computación numérica.

Cementitious materials such as mortar or concrete are brittle and have an inherent weakness in resisting tensile stresses. The addition of discontinuous fibers to such matrices leads to a dramatic improvement in their toughness and remedies their deficiencies. It is generally agreed that the fibers contribute primarily to the post-cracking response of the composite by bridging the cracks and providing resistance to crack opening. On the other hand, the multifield theory is a mathematical tool able to describe materials which contain a complex substructure. This substructure is endowed with its own properties and it interacts with the macrostructure and influences drastically its behavior. Under this mathematical framework, materials such as cement composites can be seen as a continuum with a microstructure. Therefore, the whole continuum damage mechanics theory, incorporating a new microstructure, is still applicable. A formulation, initially based on the theory of continua with microstructure Capriz, has been developed to model the mechanical behavior of the high perfor-mance fiber cement composites with arbitrarily oriented fibers. This formulation approaches a continuum with microstructure, in which the microstructure takes into account the fiber-matrix interface bond/slip processes, which have been recognized for several authors as the principal mechanism increasing the ductility of the quasi-brittle cement response. In fact, the interfaces between the fiber and the matrix become a limiting factor in improving mechanical properties such as the tensile strength. Particularly, in short fiber composites is desired to have a strong interface to transfer effectively load from the matrix to the fiber. However, a strong interface will make difficult to relieve fiber stress concentration in front of the approaching crack. According to Naaman, in order to develop a better mechanical bond between the fiber and the matrix, the fiber should be modified along its length by roughening its surface or by inducing mechanical defor-mations. Thus, the premise of the model is to take into account this process considering a micro field that represents the slipping fiber-cement displacement. The conjugate generalized stress to the gradient of this micro-field verifies a balance equation and has a physical meaning. This contribution includes the computational modeling aspects of the high fiber rein-forced cement composites (HFRCC) model. To simulate the composite material, a finite element discretization is used to solve the set of equations given by the multifield approach for this particular case. A two field discretization: the standard macroscopic and the micro-scopic displacements, is proposed through a mixed finite element methodology. Furthermore, a splitting procedure for uncoupling both fields is proposed, which provides a more convenient numerical treatment of the discrete equation system. The initiation of failure in HPFRCC at the constitutive level identified as the onset of strain localization depends on the mechanical properties of the all compounds and not only on the matrix ones. As localization criteria is considered the bifurcation analysis in combination with the localized strain injection technique presented by Oliver et al. It consists of injecting a specific localization mode during the localization stage, via mixed finite element formulations, to the path of elements that are going to capture the cracks, and, in this way, the spurious mesh orientation dependence is removed. Model validation was performed using a selected set of experiments that proves the via-bility of this approach. The numerical examples of the proposed formulation illustrated two relevant aspects, namely: 1) the role of the bonding mechanism in the strain hardening be-havior after cracking in the HPFRCC and 2) the role that plays the finite element formulation in capturing the displacement localization in the localization stage.

Los materiales cerámicos son ampliamente utilizados en las restauraciones dentales como implantes y prótesis debido a sus excelentes propiedades mecánicas y estéticas y a su buena interacción con el ambiente fisiológico en que actúan. La circona recubierta con porcelana dental feldespática está siendo cada vez más utilizada en restauraciones dentales. La circona se recomienda como material base, debido a su alta resistencia, tenacidad de fractura y fácil mecanizado en estado pre-sinterizado. La porcelana dental feldespática se usa como recubrimiento debido a su apariencia en color y translucidez que, en combinación con la circona, permiten obtener implantes dentales muy similares al diente natural. Sin embargo, por la fragilidad de estas porcelanas, se han reportado fallas prematuras cuando se exponen a ambientes húmedos bajo cargas de contacto como en las funciones orales. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis ha sido evaluar el comportamiento mecánico de la porcelana feldespática sobre circona dental (3Y-TZP) bajo solicitaciones de contacto, con el fin de entender los fallos observados en servicio y proponer cambios en el material para mejorar la resistencia de contacto. Los ensayos de contacto monotónico mostraron que el primer daño crítico en formarse fue la grieta anillo y a medida que se aumentaron las cargas de contacto se generaron grietas multianillo en la superficie. La caracterización mediante reconstrucción tomográfica de las grietas permitió observar la forma cónica de las grietas de contacto. Estas grietas bajo cargas altas de contacto fueron difíciles de reconstruir ya que estaban contenidas al interior del recubrimiento, sin embargo no alcanzaron la interfase con el sustrato de circona. La reconstrucción tomográfica asistida por FIB de la huella de nanoindentación con punta cubo, mostró que la trayectoria de la grieta se vio alterada en la vecindad de las partículas de leucita debido a los esfuerzos residuales de compresión, causando una deflexión en ésta. A partir de los ensayos de contacto estático y cíclico en aire y saliva artificial se observó que la corrosión bajo tensión es el mecanismo principal que conduce a la degradación, sin embargo, la fatiga mecánica esta también contribuyendo al agrietamiento del material. De la información obtenida de la literatura, se estimó el tiempo promedio hasta el fallo de las prótesis del contacto realista diente-prótesis, encontrándose que este tiempo oscila entre 1 y 4 años, lo cual coincide con datos clínicos reportados. Estos resultados muestran que el bruxismo es la principal causa de daño de las prótesis. Finalmente, con el interés de mejorar la respuesta mecánica de la porcelana, se realizaron adiciones de polvos de 3Y-TZP y SiO2 en diferentes porcentajes para generar segundas fases y por tanto, nuevas formulaciones porcelánicas. Con la adición de partículas de 3Y-TZP a la porcelana se consiguió aumentar la tenacidad de fractura y mejorar la resistencia al contacto. Sin embargo, para algunas formulaciones la transparencia se vio afectada. Por tanto, la adición de 1% de 3Y-TZP resultó ser la mejor combinación en apariencia estética y respuesta mecánica. Las partículas de SiO2 no afectaron la apariencia estética de la porcelana, de igual manera, tampoco mejoraron las propiedades mecánicas. / Ceramics materials are widely used in dental restorations as implants and prosthetics because their excellent mechanical and aesthetic properties and its good interaction with the physiological environment in which are exposed. Zirconia with feldspathic dental porcelain is being increasingly used as dental restoration. Zirconia is recommended as a framework material due to its high strength, fracture toughness and easy machinability in a pre-sintered state. Feldspathic dental porcelain is used as veneering due to its appearance in color and translucency, which, in combination with zirconia, allows obtaining dental implants similar to the natural tooth. However, due to the brittleness of these porcelains, premature failures are reported when subjected to moisture environments under contact loads, as in oral functions. The main objective of this thesis is to evaluate the mechanical behavior of feldspathic porcelain dental on zirconia (3Y-TZP) under contact solicitations, in order to understand the service failures observed and propose changes in the material to improve contact resistance. Monotonic tests showed that the critical damage first was ring crack and as the increased contact loads multiring cracks were generated on the surface. The characterization by tomographic reconstruction of cracks allowed to observe the conical shape of the contact cracks. These cracks under high contact loads were difficult to reconstruct since they were contained within the coating, but did not reach the interface with the zirconia substrate. FIB assisted tomographic reconstruction of cube corner nanoindentation imprints show that the crack path was altered in the vicinity of leucite particles due to compressive residual stresses, causing a deflection of the crack. From static and cyclic contact testing in air and artificial saliva, it was observed that stress corrosion cracking is the primary mechanism that leads to degradation, however, mechanical fatigue also contributes to produce cracking in the material. From information collected from the literature, the average time to failure of the prosthesis under realistic conditions was estimated, with time spans from 1 to 4 years, consistent with the reported clinical data. This result show that bruxism is a major cause of damage of the prosthesis Finally, with the aim of improving the mechanical response of porcelain, 3Y-TZP and SiO2 powders additions in different percentages were performed to generate second phases and therefore new porcelains formulations. With the addition of 3Y-TZP particles it was possible to increase the fracture toughness and improve the contact resistance. However, the translucency in some porcelains was affected. The addition of 1% of 3Y-TZP gave the best combination in aesthetic appearance and mechanical response. SiO2 particles did not affect the aesthetics of the porcelain and did not improve the mechanical properties.

En la present investigació es planteja una metodologia de caracterització de materials per alimentar el model constitutiu elastoplàstic de Von Mises amb enduriment isotròpic, per obtenir una millor resposta en simulacions computacionals estàtiques (CAE) de peces fabricades amb termoplàstics. Aquesta estratègia de caracterització ha de resultar simple pel que fa a aplicació, per a facilitar l’ús en l’exercici habitual d’indústria. Es presenten els models constitutius usualment utilitzats en el sector industrial per donar resposta a problemes de no linealitat de material en estàtica, per aquest tipus de polímers, que requereixin tan sol de l’assaig de tracció en la màquina universal. S’acompanya d’una declaració de les variables més influents sobre la resposta computacional. La metodologia proposa l’ús d’un Factor d’Escala Màster que permeti la reducció de la corba elastoplàstica per a una família de materials. Aquest factor de reducció s’utilitza, a la vegada, per la definició del límit de fluència i del mòdul secant elàstic de càlcul. S’ha avaluat el comportament mecànic d’una selecció de quatre materials, representatius de famílies utilitzades en sistemes d’interior d’automòbils, mitjançant mostres retallades de components reals. D’aquesta forma, es comprova el descens de les propietats mecàniques d’aquests materials en un context d’injecció usual en procés industrial. La nova estratègia de caracterització s’alimenta d’aquesta informació obtinguda en l’assaig de tracció. Es realitza la validació de la metodologia a través d’un assaig híbrid test-simulació sobre peça real injectada. Finalment s’ha efectuat un exercici de verificació de l’estratègia de caracterització sobre un conjunt real Mòdul Panell Porta, mitjançant correlació experimental. / En esta investigación se plantea una metodología de caracterización de materiales para alimentar el modelo constitutivo elastoplástico clásico de von Mises con endurecimiento isotrópico, para una mejor respuesta en simulaciones computacionales estáticas (CAE) de piezas fabricadas con termoplásticos. Esta estrategia de caracterización debe resultar simple en cuanto a aplicación, para facilitar el uso en el ejercicio habitual en industria. Se presentan los modelos constitutivos usualmente utilizados en el sector industrial para dar respuesta a problemas de no linealidad de material en estática, para este tipo de polímeros, que requieran tan solo del ensayo de tracción en máquina universal. Se acompaña de una declaración de las variables más influyentes en la respuesta computacional. La metodología propone el uso de un Factor de Escala Máster que permita la reducción de la curva elastoplástica para una familia de materiales. Este factor de reducción se utiliza, a su vez, para la definición del límite de fluencia y del módulo secante elástico de cálculo. Se ha procedido a evaluar el comportamiento mecánico de una selección de cuatro materiales, representativos de familias utilizadas en sistemas de interior de automóviles, mediante muestras recortadas de componentes reales. De esta forma, se comprueba el descenso de las propiedades mecánicas de estos materiales en un contexto de inyección usual en proceso industrial. La nueva estrategia de caracterización se alimenta de esta información hallada mediante el ensayo de tracción. Se realiza la validación de la metodología a través de un ensayo híbrido test-simulación sobre pieza real inyectada. Finalmente se lleva a cabo un ejercicio de verificación de la estrategia de caracterización sobre un conjunto real Módulo Panel Puerta, mediante correlación experimental. / This research project proposes a methodology for characterization of materials to feed the traditional elasto-plastic model with Von Mises isotropic hardening criterion. This is to achieve a better response in static computer simulations (CAE) for thermoplastic parts. This characterization strategy must be simple in application to facilitate regular use in industry. The models normally used in industry are presented to address issues of static material non-alignment for this class of polymers, only requiring the universal tensile strength machine test. It is accompanied by a statement of the most influential variables in the computational response. The methodology proposes the use of a Master Scale Factor that allows the reduction of the elasto-plastic curve for a class of materials. This reduction factor is used in turn to define the yield stress and the young modules. An evaluation of the mechanical behaviour from a selection of four materials is undertaken, representative classes of materials used in automotive interior systems. This was done by using samples cut from real components. Thus, the decrease of the mechanical properties of these materials in the context of the usual industrial injection process was evaluated. The new strategy characterization is fed by this information gained by the tensile strength test. A validation of the methodology is undertaken through a simulated hybrid test on an actual injected part. Finally, a verification exercise of the characterization strategy is conducted on a real door panel module assembly, through experimental correlation.

Uno de los actuales retos sociales, no sólo de Colombia, si no de la comunidad mundial, es el bienestar y mejora de la condiciones de vida de todos los habitantes del planeta. Aunque suene ambicioso, esta tesis quiere contribuir a la mejora de las condiciones de vida de aquellas comunidades que se encuentran en el abandono y la pobreza absoluta. Colombia, país suramericano con una población de 42 millones de habitantes aproximadamente, presenta un alto déficit de vivienda económica en la mayor parte de su territorio. La construcción de casas de autoconstrucción e informales degrada aún más el problema social de la vivienda y no aporta soluciones apropiadas que dignifiquen la vida del ser humano. En la mayoría de las ocasiones, la vivienda informal de bajo costo carece de condiciones de calidad; ésta se suele construir en zonas marginales, sin acceso adecuado a los servicios básicos de agua y energía. Además, y no en pocos casos, su construcción se hace en zonas donde las amenazas naturales son considerables, en particular las que proceden de fenómenos sísmicos y geológicos. Este tipo de viviendas, también, en algunos casos se construyen sin considerar normativas sismo resistentes y sin especificaciones técnicas adecuadas, lo que las hace inseguras y de escasa confiabilidad. Todo ello repercute en un incremento del riesgo sísmico debido a la vulnerabilidad de estas precarias construcciones. No abundan estudios ni se realizan investigaciones que busquen soluciones idóneas, con materiales autóctonos de bajo costo, con tecnologías sostenibles, que doten a estos habitáculos de un buen desempeño estructural. En consecuencia, la creciente demanda de vivienda de bajo costo y la escasez de oferta en esta franja del mercado de la construcción promueven el crecimiento de ciudades con barrios de tugurios. Colombia es uno de los países de Hispanoamérica donde la pobreza, la densidad de población, la cercanía de entornos edificados a sistemas de fallas activas, las precariedad de las construcciones, frecuentemente situadas sobre altas pendientes y, en general, la aparición de barrios de tugurios, hacen evidente la necesidad de estudiar nuevos materiales que permitan construir viviendas resistentes, dignas, seguras, económicas y sostenibles. Esta investigación va en esa dirección pero hace un particular énfasis en la evaluación de su resistencia y vulnerabilidad sísmicas para cuantificar el riesgo al que están expuestos sus habitantes.Por consiguiente, esta investigación avanza en el camino de facilitar un acceso a una vivienda digna. Para ello efectúa una propuesta de vivienda de ferrocemento, unifamiliar y de bajo costo. Esta proposición es válida, no sólo para Colombia, sino también para otras regiones del mundo. La investigación ha sido diseñada y desarrollada en tres partes. En la primera, El material ferrocemento y la vivienda, se estudia la historia del material, su definición, su potencial en la prefabricación, sus aplicaciones en viviendas de bajo costo y, finalmente, se caracterizan sus propiedades mecánicas. En la segunda parte, Comportamiento sísmico del ferrocemento, se describen los materiales, los elementos y las estructuras que son utilizados para la construcción de las viviendas. Posteriormente, se lleva a cabo una campaña de ensayos para evaluar su comportamiento sísmico y estimar los parámetros estructurales de los paneles prefabricados. Además, se realiza una campaña de ensayos sobre paredes y módulos a escala real. Se analizan los resultados y se identifican las propiedades mecánicas de este tipo de viviendas. También se propone y se calibra un modelo matemático para simular el comportamiento histerético que exhiben este tipo de viviendas cuando soportan cargas cíclicas.Finalmente, en la tercera parte, Una aproximación a la evaluación de la vulnerabilidad sísmica, se hace un estudio de su fragilidad. Para ello se inspeccionaron 146 viviendas prefabricadas de pared delgada a base de cemento situadas en zonas donde la amenaza sísmica es entre intermedia y alta. Así se definió un modelo de vivienda tipo y se implementó una metodología probabilística que tiene en cuenta, de forma natural, las incertidumbres en la acción sísmica, en las características del material y en los parámetros estructurales de las viviendas. La simulación masiva del comportamiento dinámico no lineal de la vivienda tipo, ha permitido estimar curvas de fragilidad y matrices de probabilidad de daño.Un último capítulo de síntesis recoge las principales conclusiones y apunta futuras líneas de investigación. De acuerdo con los resultados de la presente investigación, las primeras grietas en las viviendas aparecen para una deriva aproximada del 0.12 %, mientras que el daño moderado, definido por fallos en la malla y el mortero, aparece para una deriva del 0.8%. Aproximadamente, estas derivas corresponden a cargas de 15 y de 37 kN, respectivamente. Para este tipo de edificaciones, la actual normativa sísmica colombiana, NSR-98, establece una deriva límite del 0.5 %. Teniendo en cuenta que el coste de reparación de una casa que ha sufrido un daño moderado es relativamente alto (40%) parece importante apuntar hacia dos posibles soluciones. La primera consistiría en disminuir la rigidez; la segunda establecería una deriva menor. En ambos casos, el daño esperado y, en consecuencia, el coste de reparación, disminuirían drásticamente. A nuestro parecer, la clave para incrementar la capacidad de deformación, sin daño, de este tipo de viviendas, está en flexibilizar las conexiones. El modo de fallo característico observado en las viviendas prefabricadas de ferrocemento consistió en la formación de un mecanismo de colapso con articulaciones plásticas alrededor de las zonas de conexión estructura-cimentación y cubierta-estructura, principalmente en las conexiones de cubierta, generando inestabilidad en la vivienda. Este trabajo ha permitido detectar también puntos críticos del diseño y construcción de este tipo de viviendas que es necesario estudiar y, creemos, son fácilmente mejorables. Nos referimos a los dispositivos y técnicas de conexión. Los resultados de la evaluación de la vulnerabilidad mostraron que la mayoría de las viviendas tienen una probabilidad de daño leve superior al 90%, mientras que la suma de las probabilidades de los estados de daño moderado y severo es inferior al 5%. El comportamiento sísmico de este tipo de viviendas es bueno. Con todo, y al mismo tiempo, es necesario precisar que estos resultados se refieren a la vivienda típica tal como ha sido definida y modelada en este estudio. A pesar de la idoneidad del ferrocemento, los defectos constructivos y el nulo mantenimiento observados en el trabajo de campo pueden generar una mayor vulnerabilidad de la prevista. El modelo de vivienda de bajo costo aquí propuesto constituye una alternativa válida, viable, resistente y segura, que debe contribuir a paliar la problemática de facilitar el acceso a una vivienda digna, asequible y sostenible en países en vías de desarrollo en general y en Colombia en particular.

The use of concrete in disposal facilities to store low- and intermediate-level nuclear waste requires that the durability of this material is optimal for the lifetime of these repositories. One of the most important processes that put such durability at risk is the attack of concrete by water with low mineral content and neutral pH, altering its microstructure (decalcification, dissolution of cement phases, increased porosity and loss of barrier properties ). Therefore, to yield reliable estimations of the durability of cement-based materials we need to increase our knowledge of the reactivity of these materials. Within this context, in this Thesis, the dissolution kinetics of the calcium silicate hydrate (C-S-H) -the main binding phase in all cement-based systems- and the processes responsible for mortar alteration have been studied. The dissolution kinetics of C-S-H gel was determined by flow-through experiments. Demineralized water caused C-S-H dissolution and changes in the composition of the solutions. It was observed that the C-S-H gel dissolved incongruently when the Ca/Si ratio was high and congruently as the Ca/Si ratio decreased to the tobermorite-like stoichiometric Ca/Si ratio of 0.83. A dissolution rate law for C-S-H gel with Ca/Si ratio equal to 0.83 was proposed based on the dissolution rates normalized to the final BET surface area. Additionally, reactive transport modeling of the changes in aqueous chemistry allowed the fitting of the rate constants for C-S-H with Ca/Si ratio ranging from 1.7 to 0.83. Solid examination by SEM-EDX and EPMA showed some variability of the Ca/Si ratios of the analyzed particles, suggesting the existence of compositional domains with variable Ca/Si ratios. 29Si MAS-NMR spectra showed an increase in polymerization of the reacted C-S-H, and also the formation of Si-rich domains in some cases, mainly under slow flow conditions. Additionally, the changes in the microstructure of the dissolving C-S-H gel were characterized by small angle neutron scattering (SANS). The SANS data were fitted using a fractal model. The SANS specific surface area (ST) tended to increase with time up to 31 days. Thereafter, it diminished as the C-S-H gel dissolved. The rest of the fitted parameters (particle diameter (Do), fractal exponents (DV and DS), etc.) reflect a more open and ordered nanostructure of the gel. To study the altered mortar (64% cement I42.5R / SR and 36% fly ash) two types of experiments were performed. On one hand, Column experiments using mortar fragments of ¿ 2 mm in size were performed with CO2-free atmosphere at room temperature. Variation of the chemical composition and the inspection of the mortar fragments by means of optical inspection, SEM and XRF-before and after the experiments- allowed interpretation of the occurring dissolution and precipitation reactions. The aqueous chemical data were modeled using the CrunchFlow reactive transport code in which the obtained dissolution rate law for the C-S-H gel and the associated kinetic parameters were incorporated. On the other hand, evaporation experiments with mortar samples , under controlled N2 atmosphere, temperature and relative humidity, were performed at the laboratory scale to study the effect that the evaporation-induced water flow through on the mortar. First, variation in the water flux and temperature along the evaporation experiments was modeled with the multiphase flow and heat transport code CodeBright. Secondly, the multicomponent reactive transport code Retraso coupled to CodeBright was used to simulate the variation of solution composition along the samples during the experiments. The previously obtained C-S-H gel dissolution rate law and associated kinetic parameters were included in the model. / El uso de hormigón en instalaciones de almacenamiento de residuos radiactivos de baja y media actividad requiere que la durabilidad de este material sea óptima durante el tiempo de vida de estos depósitos. Uno de los procesos más importantes que puede poner en riesgo su durabilidad es el ataque del hormigón por agua de bajo contenido mineral y pH neutro, alterando su microestructura (descalcificación, disolución de las fases de cemento, aumento de la porosidad y pérdida de propiedades barrera). Por lo tanto, para obtener estimaciones fiables de la durabilidad de los materiales base cemento es necesario incrementar nuestro conocimiento de la reactividad de estos materiales. Dentro de este contexto, en esta Tesis, se han estudiado la cinética de disolución del silicato cálcico hidratado (gel C-S-H) -principal fase de unión en todos los sistemas base cemento- y los procesos responsables de la alteración de mortero. La cinética de disolución de gel C-S-H se determinó mediante experimentos de flujo continuo. El agua desmineralizada causó la disolución del gel C-S-H además de cambios en la composición de las soluciones. Se observó que el gel C-S-H disuelve incongruentemente cuando la relación Ca/Si es alta y congruentemente a medida que la relación Ca/Si disminuyó hacia la estequiometria de una tobermorita cuya relación Ca/Si es de 0.83. Se propuso una ley de velocidad de disolución para el gel con una relación de Ca/Si de 0.83 basada en las velocidades de disolución normalizadas con el área superficial final (BET). Adicionalmente, el modelado de los cambios en la química acuosa con el tiempo mediante transporte reactivo permitió el ajuste de las constantes de velocidad para el gel C-S-H con una relación de Ca/Si que varía entre 1.7 y 0.83. El análisis del sólido mediante SEM-EDX y EPMA mostró cierta variabilidad de las relaciones Ca/Si de las partículas analizadas, sugiriendo la existencia de dominios de composición con relaciones Ca/Si variables. Los espectros de 29Si MAS RMN mostraron un aumento en la polimerización del gel C-S-H reaccionado, y también la formación de dominios ricos en Si en algunos casos, sobre todo en condiciones de flujo lento. Los cambios en la microestructura del gel C-S-H se analizaron mediante dispersión de neutrones a bajo ángulo (SANS), mostrando un aumento con el tiempo hasta 31 días del área superficial específica de SANS (ST) y posterior disminución por efecto de la disolución. Los demás parámetros obtenidos del ajuste (diámetro de las partículas (Do), exponentes fractales (DV y DS), etc.) reflejan una nanoestructura del gel más abierta y ordenada. Para el estudio de la alteración del mortero (64% de cemento I42.5R/SR y un 36% de cenizas volantes) se realizaron dos tipos de experimentos. Por un lado, se realizaron experimentos de flujo continuo en columna (fragmentos de ¿ 2 mm de tamaño), en atmósfera sin CO2 a temperatura ambiente. La variación de la composición química y la inspección de los fragmentos de mortero por medio de la inspección óptica, SEM y XRF -antes y después de los experimentos- permitió interpretar que reacciones de disolución y precipitación habían tenido lugar. Los datos de la química acuosa se modelaron utilizando el código de transporte reactivo CrunchFlow en el cual fueron incorporados la ley de velocidad de disolución obtenida anteriormente y los parámetros cinéticos asociados al gel C-S-H. Por otro lado, se realizaron experimentos de evaporación con probetas de mortero, bajo condiciones controladas de atmósfera de N2, temperatura y humedad relativa, para estudiar el efecto que este flujo sobre el mortero. Los experimentos fueron modelados mediante el código CodeBright (variación en el flujo de agua y la temperatura) y posteriormente con el código Retraso acoplado a CodeBright para simular la variación de la composición de la solución a lo largo de las probetas de mortero, incluyendo la ley de velocidad de disolución del gel y los parámetros cinéticos asociados

The design of smart biomaterial devices plays a key role to improve the way conventional therapies are being delivered, and to promote the development of new approaches for advanced therapies, such as regenerative medicine and targeted drug release. Injectable biodegradable materials, such as those consisting of suspensions of polymeric particles, are highly versatile devices that can be delivered through minimally-invasive injections. The physic-chemical properties of the particles can be engineered to obtain smart scaffolds for tissue engineering, carriers for drug release and cell therapy. The aim of this Thesis is to develop a novel class of biodegradable and injectable particulate carriers based on polylactic acid (PLA), that are capable to trigger and guide specific responses from the cells and the biological milieu. First, a novel route to fabricate PLA-based microcarriers (MCs) was set and characterized. The production method involved green, non-harmful chemicals and it is easy to scale-up. Such technique allowed tuning MC size and size distribution in the range suitable for drug and cell delivery applications. The favorable regulatory status of the materials and reagents may also be beneficial for the translation of the MCs from bench to bedside. The principles guiding the fabrication procedure can inspire techniques to generate nanocarriers for controlled drug delivery. Recent studies point out the importance of drug-loaded and submicron-sized materials in the treatment of severe clinical conditions, such as persistent biofilm infections. These nanoparticles (NPs) can be endowed with smart functionalities to enhance drug delivery within the biofilm matrix. In this way, NPs encapsulating the antibiotic ciprofloxacin were produced and functionalized with DNase I. The NPs improved the antimicrobial activity of the encapsulated drug and promoted biofilm eradication, targeting and degrading directly the biofilm matrix. On the other hand, larger particles such as MC, display a high surface area for cell expansion. MCs can also deliver cells with therapeutic potential as ¿living drugs¿, ideally in a spatio-temporal controlled fashion. This is especially important, as, in standard cell therapies, direct injection of cells is accompanied by massive cell mortality that renders the treatment ineffective. PLA MCs suitable for Mesenchymal Stromal Cells (MSCs) homing have been produced and modified with different functionalization approaches. The physic-chemical properties of the MCs and bioactive coatings modulated cell adhesion, proliferation, and migratory potential in response to chemokines that regulate MSC tissue localization, like SDF-1a. The results highlight the importance of carriers design to control cell delivery, and provide important guidelines to instruct a new generation of efficient biomaterial carriers. Another exciting application of injectable, cell-laden MCs is to use them as building blocks to fabricate living tissues in vitro. Combining MC technology and bioprinting is an appealing strategy to generate tissues grafts with controlled architectures. The suspension of injectable PLA cell-laden MCs within gelatin-based hydrogels formed an extrudable, composite bioink. MCs acted as mechanical reinforcement for soft gels and as means for cell expansion to encapsulate high cell payload. MSCs were shown to form MC-MSCs aggregates, with enhanced cell-to-cell contact on surface functionalized PLA MCs, and differentiated towards the osteogenic lineage. This result suggests potential applications of MC-MSCs laden bioinks for bone tissue engineering, and the composite bioink is proposed as component to build multimaterial, 3D-printed osteochondral graft models. Taken together, the injectable devices developed in the Thesis constitute promising and highly versatile biomaterial platforms for biomedical applications, and can be employed in a wide array of tissue engineering, and cell and drug delivery strategies. / El diseño de dispositivos basados en biomateriales inteligentes, juega un papel fundamental a la hora de mejorar las terapias convencionales, así como en el desarrollo de nuevas estrategias para la medicina regenerativa y la liberación controlada de fármacos. Materiales inyectables biodegradables, tales como las suspensiones de partículas poliméricas, constituyen dispositivos versátiles, que se pueden suministrar por medio de inyecciones mínimamente invasivas. Las propiedades físico-químicas de las partículas pueden ser modificadas para obtener andamios inteligentes para la ingeniería de tejidos, transportadores para liberación de fármacos y cultivo y terapia celular. El objetivo de esta Tesis es el desarrollo de una nueva clase de partículas transportadoras inyectables y biodegradables, basadas en ácido poliláctico (PLA), que sean capaces de desencadenar y guiar respuestas específicas por parte de las células y del entorno biológico. Primero, se ha creado y caracterizado una nueva ruta para fabricar microstransportadores (MCs) basados en PLA. Este método de producción utiliza reactivos verdes y no-tóxicos, y es sencillo de adaptar para la fabricación a gran escala. Esta técnica permite controlar parámetros fundamentales en las MCs, tales como su tamaño y dispersión, que pueden ser controlados dentro de los rangos adecuados para aplicaciones de liberación de fármacos y células. El hecho que los materiales y reactivos utilizados están bien aceptados por las agencias reguladoras, puede favorecer el traslado de las partículas fabricadas desde la investigación hasta la práctica clínica. Los principios de este método pueden adaptarse a otras técnicas de fabricación para generar nanotransportadores (nanopartículas, NPs) de fármacos. Estudio recientes subrayan la importancia de biomateriales submicrométricos cargados con compuestos bioactivos en el tratamiento de enfermedades, tal como las infecciones provocadas por biofilms. Estas NPs pueden ser modificadas con funcionalidades inteligentes, para mejorar la distribución del fármaco en la matriz del biofilm. De esta manera, se han producido NPs que encapsulan el antibiótico ciprofloxacino, modificadas superficialmente con DNasa I. Estos transportadores tienen como diana la matriz que compone el biofilm y pueden degradarla, incrementando la actividad antibacteriana del ciprofloxacino y promoviendo la erradicación de los biofilms. Por otra banda, las partículas más grandes, como las MCs, poseen una superficie adecuada para la expansión celular. Las MCs se pueden usar para transportar “drogas vivas”, es decir células con potencial terapéutico, posiblemente controlando su distribución espacial y su cinética de liberación. Esto es de particular importancia, porque la ineficiencia de muchas terapias celulares actuales se debe a la gran cantidad de células que no sobreviven una vez inyectadas in vivo. Se han producido MCs de PLA modificadas por diferentes estrategias de funcionalización y aptas para suportar en su superficie células madres mesenquimales (MSCs). La biofuncionalización y las propiedades físico-químicas de las MCs juegan un papel fundamental en la adhesión y proliferación célular, así como la capacidad de las MSCs de migrar en respuesta a estímulos quimiotácticos, que regulan su localización en los tejidos, tal como el SDF-1α. Los resultados subrayan la importancia del diseño de las MCs para controlar la liberación de las células, y a la vez aportan información para desarrollar una nueva y más eficiente generación de transportadores de células. Otra aplicación prometedora de las MCs inyectables es su uso como bloques de construcción para fabricar tejidos vivos in vitro. La combinación de la tecnología de las MCs con la bioimpresión 3D constituye una estrategia atractiva para obtener injertos de tejidos multimateriales con arquitectura controlada. Se han obtenido biotintas compuestas y capaces de ser extruidas mezclando materiales basados en hidrogeles de gelatina con las MCs de PLA cargadas con células. Las MCs actúan de refuerzo mecánico para el hidrogel y como vehículo para la expansión celular (por ejemplo, en un bioreactor “spinner flask”) para encapsular elevadas cantidades de células. Las MSCs forman agregados células-particulas, una vez sembradas en las superficies de las MCs, y estos complejos, ricos en contactos célula-célula, se demostraron capaces de suportar la diferenciación osteogénica de las MSCs. Este resultado sugiere potenciales aplicaciones de las biotintas cargadas de agregados de MCs y MSCs para la ingeniería del tejido óseo. Esta biotinta ha sido también utilizada como componiente para generar un modelo de injerto osteocondral, por medio de una técnica de impresión 3D. El conjunto de dispositivos inyectables desarrollados en esta Tesis constituyen una plataforma muy versátil y prometedora para aplicaciones biomédicas, en particular en estrategias de ingeniería de tejidos, y liberación de células y fármacos

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / The unique electro-mechanical coupling properties of ferroelectrics make them ideal materials for use in micro-devices as sensors, actuators and transducers. Nevertheless, because of the intrinsic brittleness of ferroelectrics, the optimal design of the electro-mechanical devices is strongly dependent on the understanding of the fracture behavior in these materials. Fracture processes in ferroelectrics are notoriously complex, mostly due to the interactions between the crack tip stress and electric fields and the localized switching phenomena in this zone (formation and evolution of domains of different crystallographic variants). Phase-field models are particularly interesting for such a complex problem, since a single partial differential equation governing the phase-field accomplishes at once (1) the tracking of the interfaces in a smeared way (cracks, domain walls) and (2) the modeling of the interfacial phenomena such as domain-wall energies or crack face boundary conditions. Such a model has no difficulty for instance in describing the nucleation of domains and cracks or the branching and merging of cracks. Furthermore, the variational nature of these models makes the coupling of multiple physics (electrical and mechanical fields in this case) very natural. The main contribution of this thesis is to propose a phase-field model for the coupled simulation of the microstructure formation and evolution, and the nucleation and propagation of cracks in single crystal ferroelectric materials. The model naturally couples two existing energetic phase-field approaches for brittle fracture and ferroelectric domain formation and evolution. The finite element implementation of the theory is described. Simulations show the interactions between the microstructure and the crack under mechanical and electro-mechanical loadings. Another objective of this thesis is to encode different crack face boundary conditions into the phase-field framework since these conditions strongly affect the fracture behavior of ferroelectrics. The smeared imposition of these conditions are discussed and the results are compared with that of sharp crack models to validate the proposed approaches. Simulations show the effects of different conditions, electro-mechanical loadings and media filling the crack gap on the crack propagation and the microstructure of the material. In a third step, the coupled model is modified by introducing a crack non-interpenetration condition in the variational approach to fracture accounting for the asymmetric behavior in tension and compression. The modified model makes it possible to explain anisotropic crack growth in ferroelectrics under Vickers indentation loading. This model is also employed for the fracture analysis of multilayer ferroelectric actuators, which shows the potential of the model for future application. The coupled phase-field model is also extended to polycrystals by introducing realistic polycrystalline microstructures in the model. Inter- and trans-granular crack propagation modes are observed in the simulations. Finally and for completeness, the phase-field theory is extended for the simulation of conducting cracks and some preliminary simulations are also performed in three dimensions. Salient features of the crack propagation phenomenon predicted by the simulations of this thesis are directly compared with experimental observations. / Los materiales ferroeléctricos poseen únicas propiedades electro-mecánicas y por eso se utilizan para los micro-dispositivos como sensores, actuadores y transductores. No obstante, debido a la fragilidad intrínseca de los ferroeléctricos, el diseño óptimo de los dispositivos electro-mecánicos es altamente dependiente de la comprensión del comportamiento de fractura en estos materiales. Los procesos de fractura en ferroeléctricos son notoriamente complejos, sobre todo debido a las interacciones entre campos de tensión y eléctricos y los fenómenos localizados en zona de fractura (formación y evolución de los dominios de las diferentes variantes cristalográficas). Los modelos de campo de fase son particularmente útiles para un problema tan complejo, ya que una sola ecuación diferencial parcial que gobierna el campo de fase lleva a cabo a la vez (1) el seguimiento de las interfaces de una manera suave (grietas, paredes de dominio) y (2) la modelización de los fenómenos interfaciales como las energías de la pared de dominio o las condiciones de las caras de grieta. Tal modelo no tiene ninguna dificultad, por ejemplo en la descripción de la nucleación de los dominios y las grietas o la ramificación y la fusión de las grietas. Además, la naturaleza variacional de estos modelos facilita el acoplamiento de múltiples físicas (campos eléctricos y mecánicos en este caso). La principal aportación de esta tesis es la propuesta de un modelo campo de fase para la simulación de la formación y evolución de la microestructura y la nucleación y propagación de grietas en materiales ferroeléctricos. El modelo aúna dos modelos de campo de fase para la fractura frágil y para la formación de dominios ferroeléctricos. La aplicación de elementos finitos a la teoría es descrita. Las simulaciones muestran las interacciones entre la microestructura y la fractura del bajo cargas mecánicas y electro-mecánicas. Otro de los objetivos de esta tesis es la codificación de diferentes condiciones de contorno de grieta porque estas condiciones afectan en gran medida el comportamiento de la fractura de ferroeléctricos. La imposición de estas condiciones se discuten y se comparan con los resultados de modelos clasicos para validar los modelos propuestos. Las simulaciones muestran los efectos de diferentes condiciones, cargas electro-mecánicas y medios que llena el hueco de la grieta en la propagación de las fisuras y la microestructura del material. En un tercer paso, el modelo se modifica mediante la introducción de una condición que representa el comportamiento asimétrico en tensión y compresión. El modelo modificado hace posible explicar el crecimiento de la grieta anisotrópica en ferroeléctricos. Este modelo también se utiliza para el análisis de la fractura de los actuadores ferroeléctricos, lo que demuestra el potencial del modelo para su futura aplicación. El modelo se extiende también a policristales mediante la introducción de microestructuras policristalinas realistas en el modelo. Modos de fractura inter y trans-granulares de propagación se observan en las simulaciones. Por último y para completar, la teoría del campo de fase se extiende para la simulación de las grietas conductivas y algunas simulaciones preliminares también se realizan en tres dimensiones. Principales características del fenómeno de la propagación de la grieta predicho por las simulaciones de esta tesis se comparan directamente con las observaciones experimentales.

Transparent electrodes (TEs) are the essential elements of many optoelectronic devices such as solar cells, touch screens, organic LEDs, and LCDs. Consequently demand for TEs is growing very steeply and the market value presently stands at 8 billion USDs. The state-of-art indium tin oxide (ITO) has an excellent trade-off between optical transparency and electrical sheet resistance but suffers from several drawbacks, mainly the increasing cost due to indium shortage, and inadequate flexibility due to poor mechanical ductility. This thesis presents the development of a new class of TEs based on ultrathin metal films (UTMFs). The work started from understanding the fundamental aspects of UTMF growth and properties, and then focused on different UTMF based geometries, composition, and combination for potential applications in different optoelectronic applications. Single component ultrathin Ni and Cr films were shown to possess significantly high transparency in the ultraviolet (175–400 nm) and mid-infrared (2.5–25 μm) regions making them viable TE for devices such as UV photodiodes, and IR pyroelectric detectors. The natural oxidation process, which is a major concern for metal films, has been exploited to achieve stable metallic films by inducing a protective oxide layer. In another proposed novel design, incorporating an ad hoc conductive grid, the sheet resistance of UTMFs can be reduced by more than two orders of magnitude with negligible loss in transparency, which in turn eliminates the inverse trade-off relationship between optical transparency and electrical conductivity of continuous metal based TEs. A TE structure based on the ultrathin conductive Cu films with an application specific functionalized capping layer of Ti or Ni layer has been demonstrated. The properties of the TE can be tuned accordingly and show excellent stability against temperature, and oxidation. The suitability of Ag-Cu alloy films as TE as an alternative to ITO has been also investigated. The optical spectrum of such alloy films follows the average optical behavior of single component Cu and Ag layers, thus resulting in a much flatter optical response in the visible region. UTMFs combined with Al doped ZnO (AZO), which is possible ITO replacement, has also been demonstrated to show the possibility of hybridizing the two technologies. A bilayer Ag/AZO has been developed which can overcome the high reflection of metals and retain their good electrical behavior, while maintaining a minimum total film thickness. In another structure, UTMF capping layer were used to improve the stability of AZO. It was found that an ultrathin oxidized Ni capping layer with a thickness at percolation threshold greatly enhances the stability of AZO layer in harsh environment without affecting the electro-optical properties / Los electrodos transparentes (TEs) son elementos básicos de muchos dispositivos optoelectrónicos, tales como células solares, pantallas táctiles, LEDs orgánicos i LCDs. En consecuencia, la demanda de éstos TEs está creciendo paulatinamente y con un valor de mercado actual de 8 billones de dólares (USD). El estado del arte del óxido de estaño dopado con Indio (ITO) ofrece un excelente compromiso entre transparencia óptica y resistencia eléctrica de hoja pero también tiene inconvenientes, principalmente de precio debido a la escasez del Indio, así como de una inadecuada flexibilidad debida a una baja ductilidad mecánica. En esta tesis se presenta el desarrollo de una nueva clase de TEs basados en capas ultradelgadas de metales (UTMFs). El trabajo empieza des de la comprensión de los aspectos fundamentales relacionados con el crecimiento de los UTMF y sus propiedades, para luego focalizarse en diferentes geometrías, composición y combinaciones para diferentes aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica. Las capas ultradelgadas monocomponentes de Ni y de Cr han mostrado tener significativamente alta transparencia en el rango ultravioleta (175-380nm) y en el Infrarrojo mediano (2.5-25um), haciéndolos, por tanto, TE viables para dispositivos tales como fotodiodos de UV y detectores piroeléctricos del IR. El proceso natural de oxidación, el cual es un problema central para las capas metálicas, ha sido aprovechado para conseguir capas metálicas estables gracias a una capa protectora de óxido. En otro novedoso diseño, gracias a la incorporación ad hoc de una malla conductora, la resistencia eléctrica de hoja de los UTMFs puede ser disminuida hasta dos órdenes de magnitud y con una pérdida de transmisión despreciable, y por lo tanto, elimina el compromiso limitante entre transparencia óptica y conductividad eléctrica de los TE basados en capas metálicas continuas. Una estructura de los TEs, basada en una capa conductora ultradelgada de Cu, la cual puede ser funcionalizada para aplicaciones específicas con capas protectoras de Ti o Ni, ha sido demostrada. Las propiedades del TE pueden ser modificadas bajo control y muestran una excelente estabilidad a la temperatura y la oxidación. La idoneidad de la aleación Ag-Cu como capa alternativa al ITO para los TE ha sido también investigada. El espectro óptico de esta aleación sigue el comportamiento óptico medio de las capas monocomponentes de Ag y Cu, y por lo tanto se obtiene una respuesta óptica mucho mas plana en la región del espectro visible. Los UTMFs en combinación con ZnO dopado con Al (AZO), el cual es una opción factible como sustituto del ITO, ha demostrado la posibilidad de hibridar ambas tecnologías. Una bicapa de Ag/AZO ha sido desarrollada, la cual evita el problema de la alta reflexión de los metales y mantiene a su vez sus buenas propiedades eléctricas con un espesor total de capa mínimo. En otra estructura, la capa protectora de los UTMF ha sido utilizada para mejorar la estabilidad del AZO. Se ha visto que una capa protectora ultra-delgada y oxidada de Ni con un espesor igual a su límite de percolación, mejora notablemente la estabilidad de las capas de AZO, manteniendo sus propiedades electro-ópticas, incluso en condiciones severas

In this thesis, the microstructure and mechanical properties of bulk samples manufactured with nanocrystalline iron powder are analyzed. This iron powder was obtained by a severe plastic deformation process carried in a planetary ball mill. The pieces of bulk material were obtained by a static warm consolidation process. These samples present high hardness but a brittle behavior and no ductility. Heat treatments were applied within a temperature range between 625ºC to 675ºC during 30 minutes in a conventional route, in order to increase the ductility through the development of a bimodal grain size distribution. This microstructure is generated by a heterogeneous grain growth process. This kind of microstructure consists of coarse grain of several microns in diameter surrounded by ultra-fine grains. Such microstructures allow the material to exhibit a higher ductility while maintaining high strength. This increase in the ductility takes place thanks to the dislocation activity inside the coarse grains. The microstructures were characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and Electron Backscattering Diffraction (EBSD). As for the mechanical properties, these were measured by micro hardness testing and micro tensile tests. In addition to the formation of bimodal microstructures, the aim of the treatments is to improve the metallurgical bonding of the iron particles and remove the presence of flaws inside the pieces originated during the consolidation process as far as possible. In the present study alternative methods for compacts heat treating are analyzed and compared with the conventional route. The new methods proposed in the present work, are Ultra-Fast Annealing and Hot Isostatic Pressing. The first system applies high temperatures, above 680ºC, using high heating rates of 100ºC/second. These parameters allow performing the heat treatment in very short periods, between 20 and 35 seconds. The second method, Hot Isostatic Pressing, applies high temperature and pressure simultaneously. Aside from this, the influence of oxygen content on the mechanical properties of conventionally treated samples was studied. During mechanical milling, some oxygen contamination of the iron powder inevitably occurs. Oxygen is introduced into the iron during mechanical milling and subsequent consolidation, forming oxide particles. The location, size and volume fraction of the particles affects the microstructural development of the material during the heat treatments and affects the mechanical properties of the samples during the micro tensile tests. / En la presente tesis se analizarán las microestructuras y las propiedades mecánicas de compactos fabricados a partir de un polvo de hierro con microestructura nanocristalina. Este polvo se obtiene a partir de un proceso de severa deformación plástica mediante molienda mecánica en un molino planetario de bolas. Las piezas másicas obtenidas a partir de este material por consolidación estática en tibio serán el material base sobre el que se aplicarán tres tipos de tratamientos posteriores. En general, poseen una alta dureza pero presentan una gran fragilidad y una ductilidad nula. En primer lugar se aplican tratamientos térmicos convencionales en horno a temperaturas entre 625ºC y 675ºC a tiempos de 30 minutos. Respecto a la resistencia, se pretende mejorar el proceso de unión metalúrgica entre las partículas de hierro y eliminar en la medida de lo posible los defectos de origen pulvimetalúrgico presentes en el material. Mediante la formación de una distribución bimodal de grano durante los tratamientos térmicos, se espera incrementar la ductilidad del material. Este tipo de microestructura se genera por un proceso de crecimiento heterogéneo de grano, en el cual se forman granos de tamaño micrométrico rodeados de una matriz de grano ultrafino. Esta microestructura permite al material desarrollar una mayor ductilidad, manteniendo una alta resistencia. Las microestructuras se caracterizarán mediante microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión y EBSD. En cuanto a las propiedades mecánicas, estas se medirán mediante microindentaciones y ensayos de microtracción. En el presente trabajo se estudiaran procedimientos alternativos para el tratamiento térmico de los compactos y se compararan con la vía convencional. Los nuevos sistemas propuestos en esta tesis son en primer lugar, un tratamiento de recocido ultrarápido que se ha denominado Ultra-Fast Annealing, que consiste en tratamientos a temperatura mayor a la convencional, por encima de 680ºC, aplicando velocidades de calentamiento de 100ºC/segundo. Estas condiciones permiten realizar el tratamiento térmico en tiempos muy cortos, entre 20 y 35 segundos. En segundo lugar, una variante del llamado Hot Isostatic Pressing, donde se aplican alta temperatura y presión simultáneamente. Por otro lado, se estudiará la influencia del contenido de oxígeno sobre las muestras consolidadas y tratadas convencionalmente. Durante el proceso de molienda mecánica, inevitablemente se produce una cierta contaminación por oxígeno del polvo de hierro. El oxígeno se introduce en el hierro durante la molienda mecánica y posterior consolidación, formando partículas de óxido. La ubicación, fracción en volumen y tamaño de estas partículas afectará la evolución microestructural del material durante los tratamientos térmicos, y afectará las propiedades mecánicas de las probetas durante los ensayos de microtracción