TEORIA DA SINTERIZAÇÃO
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- Glória da Costa Tuschinski
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1 PMT5783 TEORIA DA SINTERIZAÇÃO Samuel Toffoli PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 1
2 SINTERIZAÇÃO Pressão devida à curvatura PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 2
3 Partículas de látex coalescendo durante a secagem Microscopia TEM: Látex estireno-acrilato de butila-ácido acrílico produzido em único estágio. Agente de contraste: acetato de uranila Dissertação de Mestrado: José Carlos Rodrigues, PMT- EPUSP, 2004 Microscopia TEM: Látex estireno-acrilato de butila-ácido acrílico produzido em único estágio Agente de contraste: Acetato de uranila + RuO 4 Dissertação de Mestrado: José Carlos Rodrigues, PMT-EPUSP, 2004 PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 3
4 14 FACES: 6 faces quadradas + 8 faces hexagonais 24 VÉRTICES: 2 ângulos de 120º 1 ângulo de 90º MAS, no mundo real : Cristais nunca se arranjam direito Grãos nunca são do mesmo tamanho Número de faces nas estruturas com grãos tridimensionais varia de 9 a 18 PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 4
5 Changfa Guo, Yong Hu, Haisheng Qian, Jiqiang Ning, Shijie Xu Magnetite (Fe 3 O 4 ) tetrakaidecahedral microcrystals: Synthesis, characterization, and micro- Raman study Materials Characterization 62(2011), PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 5
6 SINTERIZAÇÃO Pressão devida à curvatura Portanto: Grãos com menos de 6 lados contornos côncavos ( grão tende a encolher) Grãos com mais de 6 lados contornos convexos ( grão tende a crescer) PMT5783 Fundamentos (sempre do de ponto Ciência de vista e Engenharia do centro do de grão) Materiais 6
7 SINTERIZAÇÃO Definições Chiang: sintering refers to the process of firing and consolidating a body shaped from powder particles Richerson*: the densification of a particulate ceramic component is technically referred to as sintering. Sintering is essentially a removal of the pores between the starting particles (accompanied by shrinkage of the component), combined with growth together and strong bonding between adjacent particles. The following criteria must be met before sintering can occur: 1. A mechanism for material transport must be present 2. A source of energy to activate and sustain this material transport must be present *D.W. Richerson Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design Marcel Dekker, Inc., New York, PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 7
8 SINTERIZAÇÃO Definições Chiang: sintering refers to the process of firing and consolidating a body shaped from powder particles Richerson*: the densification of a particulate ceramic component is technically referred to as sintering. Sintering is essentially a removal of the pores between the starting particles (accompanied by shrinkage of the component), combined with growth together and strong bonding between adjacent particles. The following criteria must be met before sintering can occur: 1. A mechanism for material transport must be present 2. A source of energy to activate and sustain this material transport must be present *D.W. Richerson Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design Marcel Dekker, Inc., New York, PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 8
9 SINTERIZAÇÃO SINTERIZAÇÃO EM FASE ÚNICA (Single Phase Sintering) Ocorre em 3 estágios, sem distinção clara entre eles: Estágio Inicial Estágio Intermediário Estágio Final PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 9
10 SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO INICIAL PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 10
11 SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO INICIAL Mecanismos: 1. Fluxo viscoso 2. Difusão no volume ou no reticulado (rede) 3. Evaporação e condensação 4. Difusão na superfície 0 < x/r < 0,3 Centros se aproximam Retração; Densificação Centros NÃO se aproximam Sem Retração; Sem Densificação Características: Partículas mantêm identidade A estrutura de poros é aberta e interconectada PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 11
12 SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO INICIAL PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 12
13 SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO INICIAL Equação de crescimento do pescoço, segundo Kuczynski x r n m f ( T). t Mecanismo n m f(t) Gráfico para verificar dependência com t Fluxo viscoso 2 1 Viscosidade t 1/2 Evaporação e condensação 3 1 Pressão de vapor t 1/3 Difusão na superfície 5 2 Difusividade t 2/5 Difusão no volume 5 2 Difusividade t 2/5 PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 13
14 Mecanismo único: Difusão SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO INTERMEDIÁRIO Características: ~ 70 90% r teórica Estrutura de poros ainda interconectada, mas cilíndricos. Partículas perdem identidade gradativamente Densificação Crescimento de grão (no final da etapa) Quando a porosidade cai para 8%, a rede aberta de poros se torna instável geometricamente e colapsa para poros esféricos. Quando poros tornam-se independentes Estágio Final PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 14
15 Mecanismo único: Difusão SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO FINAL Características: Porosidade < 8% Crescimento de grão Estrutura de poros fechada Poros tendem a tornar-se esféricos Lento Quando gás fica aprisionado nos poros, solubilidade do gás na matriz influencia a taxa de eliminação dos poros sinterização em vácuo OU uso de atmosfera solúvel no material que sinteriza Mas frequentemente desenvolvem lados curvados ver discussão mais adiante Pode ocorrer o fenômeno chamado crescimento exagerado de grãos (afinal de contas, quanto maior o grão, mais rápido ele cresce!!) PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 15
16 SINTERIZAÇÃO PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 16
17 SINTERIZAÇÃO a b c d Randall M. German Fundamentals of Sintering. In: S.J. Schneider Engineered Materials Handbook, Vol.4, Ceramics and Glasses ASM International, 1991 Representação esquemática dos 3 estágios do processo de sinterização: a) Particulado; b) 1º Estágio; c) 2º Estágio; d) 3º Estágio PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 17
18 SINTERIZAÇÃO Randall M. German Fundamentals of Sintering. In: S.J. Schneider Engineered Materials Handbook, Vol.4, Ceramics and Glasses ASM International, 1991 PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 18
19 SINTERIZAÇÃO COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA (Liquid Phase Sintering) Formação de líquido a alta temperatura transporte rápido sinterização alta Líquido forma-se e flui por entre as partículas Líquido elimina interfaces sol-vap Alguns poros podem ficar aprisionados no líquido O líquido precisa molhar completamente o sólido É necessária alguma solubilidade do sólido no líquido PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 19
20 Rearranjo (I): SINTERIZAÇÃO COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA Ocorre em 3 fases: Líquido flui e penetra; deslizamento de partículas; reempacotamento; densificação rápida Dissolução-Reprecipitação (II): Fase sólida dissolve-se no líquido, quantidade de líquido aumenta até saturar-se em componente sólido e líquido torna-se transportador de átomos da fase sólida Retração Final (III): Estado sólido apenas; crescimento de pescoço; crescimento de grão; aumento de tamanho do poro. PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 20
21 SINTERIZAÇÃO COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA III %r teo II I t PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 21
22 SINTERIZAÇÃO COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 22
23 SINTERIZAÇÃO COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 23
24 SINTERIZAÇÃO COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA Randall M. German Fundamentals of Sintering. In: S.J. Schneider Engineered Materials Handbook, Vol.4, Ceramics and Glasses ASM International, 1991 PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 24
25 EXEMPLOS de MICROESTRUTURAS PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 25
26 EXEMPLOS de MICROESTRUTURAS S.J. Bennison Grain Growth. In: S.J. Schneider Engineered Materials Handbook, Vol.4, Ceramics and Glasses ASM International, Cerâmica Físicae Engenharia de Materiais PMT5783 PMT2311 Fundamentos de Ciência 26
27 EXEMPLOS de MICROESTRUTURAS B.-N. Kim, K. Hiraga, K. Morita, H. Yoshida, Y. Kagawa Light scattering in MgO-doped alumina fabricated by spark plasma sintering Acta Materialia 58 (2010) PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 27
28 EXEMPLOS de MICROESTRUTURAS Porcelana Técnica PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 28
29 SINTERIZAÇÃO CONSIDERAÇÕES GERAIS É difícil conseguir-se 100% de densificação por sinterização, já que diversos fatores inibem a eliminação total dos poros. Portanto, é sempre importante manipular a microestrutura inicial do particulado e o ciclo de aquecimento. Geralmente a sinterização acontece por uma combinação de mecanismos Evitar-se crescimento dos grãos, porque isso diminui a taxa de densificação Não se esquecer que a a taxa (velocidade) de densificação diminui ao longo da sinterização (porque a superfície vai gradativamente reduzindo força motriz ) PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 29
30 SINTERIZAÇÃO CONSIDERAÇÕES GERAIS Cerâmicas covalentes (ou seja, aquelas em que as ligações entre os átomos são eminentementes covalentes) são particularmente difíceis de sinterizar, uma vez que as taxas de difusão nesses materiais são baixíssimas! Ex.: SiC Uma alternativa para contornar-se as dificuldades de densificação (particularmente em cerâmicas difíceis de sinterizar) é o uso de forças externas durante a sinterização: Prensagem a quente (hot pressing) Prensagem isostática a quente HIP (hot isostatic pressing) PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 30
31 SINTERIZAÇÃO Prensagem a quente D.W. Richerson Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design Marcel Dekker, Inc., New York, PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 31
32 SINTERIZAÇÃO Prensagem a quente PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 32
33 SINTERIZAÇÃO Prensagem isostática a quente D.W. Richerson Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design Marcel Dekker, Inc., New York, PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 33
34 SINTERIZAÇÃO Prensagem isostática a quente PMT5783 Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 34
35 SINTERIZAÇÃO PMT5783 PMT2311 Fundamentos - Cerâmica de Ciência Física e Engenharia de Materiais 35
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