AVALIAÇÃO DE CERÂMICA DENSA A BASE DE NITRETO DE ALUMÍNIO SINTERIZADA VIA SPS

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DE CERÂMICA DENSA A BASE DE NITRETO DE ALUMÍNIO SINTERIZADA VIA SPS L. A. F. Peçanha Jr. 1, L. Simão 2, A. L. D. Skury 3, M. P. Oliveira 4, S. N. Monteiro 5 Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro 2,3,4 Instituto Federal do Norte Fluminense 1 Instituto Militar de Engenharia 5 simao_larissa@yahoo.com.br RESUMO O nitreto de alumínio é um material de ampla aplicação tecnológica, entretanto, a obtenção de compactos densificados de AlN exige altas temperaturas e longos tempos de sinterização. No presente trabalho, compósitos TiB 2 -AlN de alta densidade foram sinterizados via técnica SPS com objetivo de agregar propriedades ao nitreto de alumínio e reduzir parâmetros de processamento. Foi possível avaliar diferentes temperaturas de sinterização e sua influência na densificação, dureza e morfologia dos compósitos. Os valores máximos de densidade relativa e dureza obtidos foram 98,8% e 14,3GPa, respectivamente. Palavras-chave: Compósito, Sinterização, Densificados. INTRODUÇÃO O nitreto de alumínio é um dos poucos sólidos não metálicos de alta condutividade térmica. Material que já é muito utilizado na indústria microeletrônica em) dispositivos ópticos. Com o desenvolvimento tecnológico em seu processamento passou a ser estudado para aplicações termomecânicas, principalmente devido à associação de propriedades significativas, entre elas, alta resistência mecânica e estabilidade a temperaturas elevadas. A sinterização do nitreto de alumínio (AlN) é um processo complexo devido as fortes ligações de caráter covalente Al-N que diminuem o coeficiente de difusão de seus respectivos 2049

2 elementos. Geralmente, a cerâmica de AlN com densificação elevada só pode ser preparada à alta temperatura e com longo tempo de sinterização [3; 6]. A combinação de alto ponto de fusão, elevada dureza e coeficiente de expansão térmico relativamente baixo tornam o diboreto de titânio (TiB 2 ) um importante material para aplicações de alta performance. Entretanto, a densificação do TiB 2 é muito difícil e complexa devido a elevada energia das ligações químicas entre o titânio (Ti) e o boro (B) e o baixo coeficiente de difusão. Assim, o transporte de massa para a ocorrência de uma boa densificação é restrito, o que dificulta significativamente a sinterização [1; 5]. Compósitos a base de diboreto de titânio (TiB 2 ) e nitreto de alumínio (AlN) vêm demonstrando propriedades interessantes quando comparados aos seus materiais de partida, um exemplo é a melhor relação entre resistência mecânica e tenacidade à fratura. Entretanto, a obtenção deste compósito por técnicas convencionais exige temperaturas elevadas e longos tempos de sinterização. Nestas condições, invariavelmente observa-se o crescimento anormal dos grãos que deteriora suas propriedades mecânicas. Como solução para este problema, técnicas alternativas de sinterização estão sendo empregadas na tentativa de reduzir os parâmetros de sinterização destes compósitos [7]. A Sinterização por plasma pulsado (SPS - Spark plasma sintering) vem obtendo sucesso na consolidação de materiais conhecidos por difícil sinterização. A SPS é uma técnica de consolidação de pós com aplicação simultânea de pressão uniaxial e corrente contínua pulsada através de uma amostra comprimida em matriz de grafite, tornando possíveis sinterizações a temperaturas relativamente baixas em curto espaço de tempo [2;4]. No presente trabalho, compósitos de AlN e TiB 2 foram consolidados por sinterização via plasma pulsado (SPS) e a densificação e dureza atingidas pelos compósitos em diferentes temperaturas de sinterização foram avaliadas. METODOLOGIA Comercialmente disponíveis, AlN e TiB 2 foram utilizados como pós de partida com 10,0 μm de tamanho médio. Estes foram misturados manualmente utilizando almofariz e pistilo durante 30 minutos para obter uma mistura com 70% de AlN e 30% de TiB 2. Depois de secagem a 60 C durante 8 h, a mistura resultante foi 2050

3 colocada em molde de grafite com diâmetro interno de 10,5 mm e em seguida sinterizada via SPS (equipamento DR. SINTER LAB Jr., modelo SPS 211 LX) sob pressão uniaxial de 80 MPa a vácuo e temperaturas de sinterização de 1500 C (15AlN), 1600 C (16AlN), 1700 C (17AlN), 1800 C (18AlN) e 1900 C (19AlN). Folha de grafite foi utilizada para não ocorrer contato entre a mistura, molde e pistões. A velocidade de aquecimento foi 200 C/minutos para toda sinterização, com permanência de 10,0 minutos na temperatura máxima. As densidades das amostras resultantes foram medidas de acordo com o Princípio de Arquimedes. Uma amostra para cada temperatura de sinterização foi cortada transversalmente utilizando disco diamantado de alta precisão e após terem sido embutidas com resina baquelite, foram preparadas metalograficamente utilizando-se pastas diamantadas de diferentes granulometrias. A região de corte teve sua dureza Vickers (HV) medida à temperatura ambiente sob uma carga de 98 N. A região polida foi observada por microscopia confocal e teve sua composição química analisada por difração de Raios-x. O difratômetro operou com tubo de cobre, cuja linha Ka possui um comprimento de onda de 1,5418Å. RESULTADOS Os compósitos foram obtidos, em média, com 10,0 mm de diâmetro e 3,0 mm de espessura. Após o processo de sinterização as amostras passaram por um escaneamento tridimensional (Fig. 1). A Figura 1c permite observar leve inclinação nas faces do sinterizado, fenômeno resultante da aderência irregular de material, proveniente da folha de grafite, nas faces dos pistões. O acúmulo de material tornase significativo depois de repetidas sinterizações com o mesmo pistão. Um fator que deve ser considerado para futuras aplicações termomecânicas. 2051

4 (a) (b) (c) Figura 1. Escaneamento 3D da superfície de uma das amostras, onde: (a) Perspectiva isométrica; (b) vista da face superior; (c) Vista lateral esquerda (MWS Services). A figura 2 mostra os difratogramas das amostras sinterizadas. Como era esperado, os picos de AlN e TiB 2 aparecem em maior quantidade, além da presença de nitreto hexagonal de boro (hbn), alumina (Al 2 O 3 ), nitreto de titânio (TiN) e o boreto Al 2 B. Figura 2. Difratograma das amostras sinterizadas com 70% AlN: [ ] TiB 2 ; [Φ] hbn; [ ] AlN; [ ] Al 2 O 3 ; [Δ] AlB 2 ; [ ] TiN. Devido a formação de óxido de titânio (TiO 2 ) e oxido de boro (B 2 O 3 ), na superfície do diboreto de titânio, algumas reações são esperadas e justificam as fases formadas. 2052

5 A formação de AlB 2 e TiN pode ser explicada pela reação (A) que é termodinamicamente favorável em condições de sinterização: AlN + TiB 2 AlB 2 + TiN (A) A presença de Al 2 O 3, e também do TiN, pode ser justificada pela reação: 3TiO 2 (S) + 4AlN (S) 3TiN (S) + 2 Al 2 O 3(S) + 1/2N 2(g) (B) O gás N 2 gerado pela reação (B) reage com TiB 2 para formação de hbn: TiB 2 (S) + 3/2N 2(g) TiN (S) + 2BN (S) (C) Outra possibilidade para formação de hbn seria a reação (D): 2AlN (S) + B 2 O 3(S) Al 2 O 3(S) + 2BN (S) (D) Entretanto, esta reação é pouco provável, uma vez que a camada de B 2 O 3 tende a evaporar antes de possibilitar a reação devido às temperaturas utilizadas. Sendo assim, o B 2 O 3 também não contribuiu para formação de TiN e a presença discreta do nitreto de titânio se deve a pouca disponibilidade de TiO 2, presente apenas em uma fina camada sobre o pó de TiB 2, que é o principal responsável pela sua formação. A figura 3 mostra a densidade relativa em função da temperatura para as amostras sinterizadas. As amostras sinterizadas alcançaram densificação de 98% para temperaturas de 1900 C. As temperaturas de 1800 C e 1700 C também obtiveram densidade relativa elevada (97% e 93% respectivamente). Já as temperaturas de 1600 C e 1500 C não foram suficientes para obter densificações acima de 90%. Observa-se a elevação da densificação com o aumento da temperatura de sinterização e há maior diferença de densificação entre amostras sinterizadas a 1500 C e 1900 C. 2053

6 DUREZA (GPa) Densidade Relativa (%) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Temperatura ( C) Figura 3. Densidade relativa dos compósitos em função das temperaturas. A figura 4 mostra a dureza em função da temperatura para as amostras sinterizadas. Uma vez que, a densificação influencia diretamente a dureza dos sinterizados, os compactos resultaram em maior dureza com maiores temperaturas de sinterização, sendo que as amostras sinterizadas a 1800 C e 1900 C alcançaram praticamente a mesma dureza. Em contrapartida, não foi possível obter superfície plana suficiente, durante a etapa de preparação, que permitisse uma indentação confiável para determinar a dureza das amostras sinterizadas a 1500 C Temperatura ( C) Figura 4. Dureza dos compósitos em função da temperatura de sinterização. 2054

7 Importante mencionar que a dureza do nitreto de alumínio monolítico é aproximadamente 10,6 GPa. Desta forma, a adição de diboreto de titânio e a temperatura de 1900 C na sinterização via SPS possibilitou um aumentou de 30% na dureza em relação ao monolítico. Temperaturas inferiores (1700 C e 1800 C) também permitiram um ganho de dureza com a obtenção dos compósitos. Imagens do relevo superficial (Fig. 5) confirmam maior porosidade nas amostras sinterizadas a 1500 C (Fig. 5a) quando comparada a amostra sinterizada a 1900 C (Fig. 5b). (a) (b) Figura 5. Relevo superficial das amostras sinterizadas (a) 1500 C e (b)1900 C. CONCLUSÕES Densos compósitos de AlN-TiB 2 foram obtidos por SPS sob uma pressão uniaxial de 80 MPa e 10 minutos de sinterização. Adição de diboreto de titânio ao nitreto de alumínio proporcionou aumento de dureza quando comparado aos monolíticos de AlN. Outras investigações devem ser realizadas para melhor avaliar o compósito obtido. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Basu, B; Raju, G. B., Suri, A. K. (2006) Processing and properties of monolithic TiB 2 based materials. International Materials Reviews, v. 51, n. 6, pp

8 [2] Groza, J. R.; Garcia, M.; Schneider, J. A. (2001) Surface effects in field-assisted sintering. Journal of Materials Research,pp [3] Molisani, A. L; Yoshimura, H. N.; Goldenstein, H.; Watari K. (2006) Effects of CaCO 3 content on the densification of aluminum nitride. J Eur Ceram Soc, v. 26, p [4] Munir, Z. A.; Anselmi-Tamburini, U.; Ohyanagi, M. (2006) The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: a review of the spark plasma method. Journal of Materials Science 41, pp [5] Munro, R.G. (2000) Materials properties of titanium diboride. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, Washington, v. 105, p [6] Park, Y. W.; Choi, S. C. (1993) Sintering behavior and microstructural morphology of AlN system. Third Euro-Ceramic, San Vicente, Spain, p [7] Zhang, X. Y.; Tan, S. H.; Jiang, D. L. (2005) AlN TiB 2 composites fabricated by spark plasma sintering. Ceramics International, v. 31, p EVALUATION OF SINTERED DENSE CERAMIC OF ALUMINIUM NITRIDE VIA SPS ABSTRACT The Aluminium Nitride is a material with wide technological application, nevertheless, obtaining its densified compact requires high temperature and long sintering time. In this study, composite materials of TiB 2 -AlN with high density were sintered via SPS with the purpose to aggregate properties to AlN and to decrease processing parameters. Thus, different sintering temperatures and its influence on densification, hardness and microstructure of the composite were evaluated. The maximum determined values to relative density and hardness were 98,8% and 14,3GPa, respectively. Keywords: Composite, Sintering, Densified. 2056