Reologia aplicada ao estudo cinético da densificação de compósitos de matriz Ce-Sialon reforçados com inclusões de SIC e de alumina - Frade, José Manuel Couceiro Barosa Correia (2021)
O Si3N4 é um cerâmico técnico estrutural, utilizado em particular a alta temperatura e em ambientes químicos hostis. Tal justifica-se, por um lado, pela boa combinação de propriedades físico-químicas que apresenta a baixas e elevadas temperaturas, e por outro lado, à abundância dos elementos que o constituem (silício e azoto). Contudo, a baixa tenacidade à fractura e a ausência de ductibilidade, características dos cerâmicos que os tornam susceptíveis à fractura catastrófica, podem limitar a utilização prática do Si3N4. Um modo de aumentar a fiabilidade destes materiais consiste no aumento da tenacidade através da inclusão de fases de reforço, que lhe interrompem a continuidade e activam vários mecanismos de tenacificação, como sejam, a deflexão de fissuras, a formação de ligamentos entre as inclusões e o possível arrancamento parcial das fases de reforço mecânico. Com o reforço por inclusões de elevada rigidez, espera-se que a dureza e a tenacidade à fractura aumentem em proporção com o volume da fase de reforço do compósito. Fracções volúmicas de inclusões elevadas dificultam, contudo, a densificação dos compósitos. A partir de um valor crítico de fracção volúmica de inclusões esféricas de 0.27, espera-se que a fase de reforço forme uma rede constrangedora de inclusões que se opõe progressivamente à densificação do compósito, podendo ser responsável pela obtenção de densidades finais baixas. A porosidade residual é uma fonte de defeitos mecânicos, que vai limitar a utilização prática dos materiais. Contudo, trabalhos recentes onde se fez o reforço de uma matriz à base de nitreto de silício com inclusões de alumina até fracções volúmicas elevadas (0.53), mostraram que é possível ultrapassar o limite definido acima, na compatibilização de fracções volúmicas de inclusões elevadas com densidades finais completas e, ainda, no incremento das tenacidades à fractura dos compósitos relativamente à da matriz livre de inclusões. No presente trabalho, pretende-se atingir um valor óptimo da fracção volúmica de inclusões de carboneto de silício e de alumina numa matriz de Ce-Sialon, compatível com uma densidade total do compósito e com elevados valores de dureza e tenacidade à fractura. Investiga-se a possibilidade de ser estudada e interpretada a cinética de densificação destes compósitos numa perspectiva reológica, sabendo-se que o escoamento viscoso funciona como mecanismo característico da densificação das matrizes de nitreto de silício. Deste modo, é executado um estudo reológico preliminar tendo como base suspensões aquosas de carbonatos de cálcio, modelando os efeitos da fracção volúmica de sólidos, morfologia, tamanho médio e distribuição de tamanhos de grão das partículas suspensas, nos parâmetros reológicos de viscosidade e tensão de cedência das suspensões. Posteriormente, foram preparadas suspensões em álcool isoamílico de misturas binárias de nitreto de silício com os vários tipos de inclusões, de forma a investigar os mesmos efeitos, mencionados acima, na resposta reológica destes sistemas. As conclusões extraídas destes estudos formam uma base da análise dos resultados da cinética de densificação dos compósitos. A opção pela matriz Ce-Sialon justifica-se por ter propriedades superiores às da matriz de Y-Sialon. A selecção do sistema codopante CeO2-AlN como aditivo de sinterização, justifica-se por formar à temperatura de 1350ºC uma fase líquida transiente que assiste a densificação e que posteriormente se dissolve em parte na estrutura da solução sólida, o que é importante do ponto de vista de um bom desempenho destes materiais a temperaturas elevadas. As inclusões de SiC são escolhidas pela sua dureza e inércia química, o que no caso das inclusões de alumina só é válido a temperaturas inferiores a 1400ºC. Estas inclusões foram adicionadas à composição inicial dos compósitos nas fracções volúmicas de 0.30, 0.40 e 0.50. Os compósitos foram preparados de modo a conseguir-se a melhor homogeneização possível, tendo para isso, sido sujeitos a comoagem. Neste sentido, as inclusões que apresentaram um estado de aglomeração elevado foram submetidas a beneficiação de modo a eliminá-lo. O processo de sinterização adaptado foi a prensagem a quente unidireccional, justificada pela natureza da ligação covalente do nitreto de silício, que torna difícil a sua densificação completa por processos de sinterização convencionais e, ainda, pelo facto de que a utilização de fracções volúmicas elevadas da fase de reforço, promovem diferenças significativas entre a matriz em retracção e as inclusões (não densificáveis), que baixam a sinterabilidade dos compósitos. Este aspecto foi particularmente notório nos compósitos de matriz Ce-Sialon reforçados com inclusões de carboneto de silício, em que apenas foi possível a obtenção de densidades próximas da total para a temperatura de sinterização, pressão aplicada e fracção volúmica de inclusões, de 1650ºC, 30MPa e 0.30, respectivamente. Nos compósitos de matriz Ce-Sialon reforçados com inclusões de alumina, foi possível a obtenção de densidades teóricas nas condições de temperatura de sinterização de 1500ºC, pressão aplicada de 30MPa e de fracções volúmicas de inclusões de 0.30, 0.40 e 0.50. Estes resultados evidenciam que a dissolução no líquido transiente destas inclusões e a sua integração na estrutura da matriz de β’-Si3N4, facilitam a densificação destes compósitos, com resultados directos nas densidades finais atingidas. A cinética da densificação dos compósitos foi caracterizada por recurso à dilatometria sob pressão. Foram investigadas as variáveis de processamento, temperatura de sinterização e pressão aplicada, na cinética de densificação, assim como os efeitos tipo e fracção volúmica de inclusões na composição inicial dos compactos. Estes resultados foram também analisados numa perspectiva reológica, no sentido de averiguar o efeito destas mesmas variáveis nos fenómenos reológicos que ocorrem durante a densificação dos compósitos. Foram ainda abordados, segundo a mesma perspectiva, os eventuais efeitos da morfologia e tamanho médio das inclusões na densificação dos compósitos. Com este estudo pretende-se investigar o conjunto de variáveis que promovem menores viscosidades em cada instante do ciclo de sinterização, aumentando a capacidade de densificação por escoamento viscoso dos sistemas compósitos. Concluiu-se que o estudo reológico preliminar das suspensões, só funciona como meio de previsão da densificação dos compósitos, durante o estágio intermédio de sinterização e quando as fases de reforço são inertes, como é o caso das inclusões de SiC. Os compósitos de matriz Ce-Sialon reforçados com alumina T2 foram os que apresentaram melhores características mecânicas com valores mais elevados de dureza e de tenacidade à fractura. A tenacidade à fractura aumenta com o aumento da fracção volúmica de inclusões. Os elevados valores de dureza e de tenacidade à fractura destes compósitos perspectivam-lhes uma elevada resistência ao desgaste abrasivo. No caso destes materiais virem a ser utilizados como ferramentas de corte de aços, também o elevado conteúdo em alumina, óxido saturado, estável na presença de ferro, perspectiva um bom desempenho ao desgaste difusivo ou ataque químico durante o corte, pois a fase de reforço é tida como quimicamente inerte em relação às ligas de ferro.