DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS A BASE DE ALUMINA PARA USO EM BLINDAGEM

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1 DESENVOLVIMENTO DE MATERIAIS A BASE DE ALUMINA PARA USO EM BLINDAGEM A. C. Tabarelli¹ª, T. R. Elesbão¹, P. C. Justino¹, A. K. Alves¹, C. P. Bergmann¹ Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil ª andretabarelli@gmail.com RESUMO Cerâmicas a base de alumina têm sido muito utilizadas em peças de alta tecnologia, devido a sua dureza, boa resistência à corrosão e facilidade de processamento. Buscando contribuir para o desenvolvimento de novos materiais para proteção balística, este estudo analisou peças de alumina dopadas com diferentes proporções de nióbio, com o objetivo de avaliar a retração, densidade e a sua microestrutura. Os pós foram homogeneizados em um moinho planetário em presença de etanol. Após secarem em uma estufa a 110 C por 20h, os corpos-de-prova foram obtidos por prensagem uniaxial a 850psi.Sinterizou-se as peças em um forno elétrico a 1450 C por 3h, em atmosfera ambiente. Caracterizou-se a microestrutura por microscopia eletrônica de varredura, fases formadas por difração de raios X e densidade pelo método de Arquimedes. Observou-se que o nióbio estava presente nos contornos dos grãos e aumentando-se sua quantidade em até 5% apresentou melhorias na densidade e porosidade aparente. Palavras-chave: Alumina, Nióbio, Microestrutura. INTRODUÇÃO Materiais cerâmicos a base de alumina, vem sendo utilizados em aplicações de blindagem devido a sua dureza, resistência à fratura, baixa densidade e alta resistência à compressão (1,2). As características dos corpos cerâmicos são intimamente ligadas a sua composição química, suas proporções e tamanho de suas partículas, além da temperatura e tempo de sinterização (3). O tamanho de grão e a estrutura dos contornos de grão podem desempenhar um papel significativo na determinação do comportamento de desgaste de uma 900

2 cerâmica de alumina policristalina (2). A cominuição dos corpos cerâmicos tem por finalidade reduzir o tamanho médio das partículas, libertar as impurezas, reduzindo a porosidade da partícula, dispersando os aglomerados além de proporcionar uma homogeneização eficaz do material (4). A sinterização tende a fechar à porosidade, na sinterização por fase líquida, os grãos sólidos são parcialmente solúveis no líquido, o que proporciona uma força de capilaridade que aproxima os grãos ao mesmo tempo em que a temperatura elevada promove o deslizamento dos grãos sólidos. A fase líquida preenche os poros favorecendo assim a densificação. As altas taxas de difusão proporcionam uma sinterização com temperaturas menores (5,6). Para facilitar a sinterização da alumina que apresenta um alto ponto de fusão (2072 C) são utilizados aditivos que promovam uma redução da temperatura de sinterização. O pentóxido de nióbio (Nb 2 O 5 ) é utilizado como aditivo de sinterização da alumina, pois fornece altas taxas de retração e densidades elevadas, além de boas propriedades mecânicas em temperaturas abaixo da temperatura de sinterização da alumina (7). O Nb2O5, num intervalo de 1400 C a 1500 C, apresenta a transformação de estado sólido para líquido (8), promovendo uma sinterização com fase líquida para alumina a baixa temperatura. Embora o nióbio produza um aumento na sinterabilidade desse material, ele também promove um crescimento no tamanho de grão (9). Para esse crescimento ser controlado, deve ser formada a fase AlNbO 4 nos contornos de grão (10). De posse dessas informações, este trabalho utilizou nióbio, em várias concentrações, como aditivo de sinterização, diminuindo a temperatura, tempo de sinterização e buscando promover uma melhor densificação da alumina, bem como melhoria das propriedades mecânicas do cerâmico. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados nesse estudo foram alumina calcinada (Al 2 O 3 ) fornecida pela Alcoa (tendo como principal impureza 0,51% de Na 2 O) e o pentóxido de Nióbio (Nb 2 O 5 ), fornecido pela Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração, cujas especificações do fabricante são apresentadas na Tabela

3 Tabela 1 Especificações das matérias primas. Fornecedor Tipo Pureza Densidade solta Área superficial Al 2 O 3 Alcoa Calcinada A1 98,7% 1g/cm³ 7,2 m²/g Nb 2 O 5 CBBM HP311 98,5% 1,4 g/cm³ 1,5 m²/g A alumina foi dopada com proporções de óxido de nióbio que variaram de 1,5 a 7% em peso. A homogeneização dos pós se deu em moinho planetário em presença de etanol por 30 minutos. Os pós foram secos em estufa a 110 C por 20 horas, sendo posteriormente desaglomerados com o auxílio de uma peneira 60 mesh. A conformação dos corpos de prova se deu em prensa uniaxial com pressão de 850psi, sendo utilizado um molde metálico retangular formando peças com aproximadamente 60 x 20 x 5,5mm. Posteriormente as amostras foram sinterizadas em um forno elétrico (Jung modelo 0916) a 1450 C por 180 minutos, partindo-se da temperatura ambiente e atingindo a temperatura de patamar em 285 minutos. A determinação da densidade relativa e porosidade aparente dos corpos de prova cerâmicos foram efetuadas com a metodologia baseada no princípio de Arquimedes, sendo utilizada água deionizada em temperatura ambiente para imergir as peças. Foram feitas análises do tamanho das peças antes e após a sinterização, sendo avaliada a retração linear que as peças sofreram em relação ao porcentual de dopagem de nióbio nas peças de alumina. Para a caracterização microestrutural das amostras, utilizaram-se técnicas de microscopia eletrônica de varredura (Hitachi, modelo TM3000), espectroscopia por energia dispersiva de raios X (Oxford Instruments, modelo Swift ED3000) e análise granulométrica por dispersão a laser (CILAS, modelo 1180 Liquid). As fases cristalinas foram determinadas por difração de raios X (Philips X Pert MPD). RESULTADOS E DISCUSSÃO A medida do diâmetro médio das partículas das matérias primas está apresentada na Tabela 2 abaixo. 902

4 Tabela 2. Distribuição do tamanho de partículas das matérias primas utilizadas. D. 10% D. 50% D. 90% D. médio Al 2 O 3 56,32 96,62 144,98 98,27 Nb 2 O 5 6,79 26,63 47,22 27,11 * Unidade m Os valores de densidade aparente e de retração linear das amostras sinterizadas a 1450 C por 180 minutos estão apresentados na Figura 1a e 1b, respectivamente. Fig. 1. (a) Densidade relativa em função da proporção de nióbio e (b) Porosidade aparente e retração linear em função da proporção de nióbio. As amostras que não possuem adição de óxido de nióbio tiveram uma densidade média relativa de 56%, enquanto o maior valor (97,2%) foi alcançado nas amostras contendo 5% em peso de óxido de nióbio. As amostras com 7% de nióbio apresentaram valores levemente inferiores àquelas obtidas com 5% de Nb 2 O 5, ficando em 91,5% de densidade média relativa. O aumento do teor de nióbia nas amostras, resultou numa maior retração linear, essa retração foi acompanhada de uma diminuição da porosidade aparente das amostras. Pode ser observado que com a dopagem de 7% em peso de nióbia as peças de alumina apresentaram uma leve diminuição no valor da retração linear e um aumento da porosidade aparente. As Figuras 2 a 6 apresentam as imagens obtidas ao MEV das amostras sinterizadas a 1450 C por 180 minutos. 903

5 Fig. 2. Imagem (MEV- 2500x) da superfície da amostra de alumina pura (0% Nb 2 O 5 ), sinterizada a 1450 C (a) e o respectivo espectro EDS (b). Fig. 3. Imagem (MEV- 2500x) da superfície da amostra de alumina contendo 1,5% em peso de Nb 2 O 5, sinterizada a 1450 C (a) e o respectivo espectro EDS (b). Fig. 4. Imagem (MEV- 2500x) da superfície da amostra de alumina contendo 2,5% em peso de Nb 2 O 5, sinterizada a 1450 C (a) e o respectivo espectro EDS (b). Fig. 5. Imagem (MEV- 2500x) da superfície da amostra de alumina contendo 5% em peso de Nb 2 O 5, sinterizada a 1450 C (a) e o respectivo espectro EDS (b). 904

6 Fig. 6. Imagem (MEV- 2500x) da superfície da amostra de alumina contendo 7% em peso de Nb 2 O 5, sinterizada a 1450 C (a) e o respectivo espectro EDS (b). Pela análise das imagens obtidas ao MEV, pode-se perceber uma melhor compactação da microestrutura nas amostras com maiores teores de nióbio (5% e 7%) que se deve provavelmente a fase líquida que auxiliou na densificação do cerâmico. Ainda pelas imagens de MEV é possível visualizar a porosidade aberta, que diminui com o aumento do teor de nióbio. A microestrutura das amostras apresentaram grandes variações nos tamanhos de grãos, sendo desejada uma maior homogeneidade entre os tamanhos, para melhorar as propriedades exigidas por materiais para uso em proteção balística. Pela análise de espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS), pôdese identificar as regiões mais claras visualizadas ao MEV como contendo nióbio e, as mais escuras contendo óxido de alumínio (Alumina) Pela análise de difração de raios X (Figura 8) feita após a sinterização a 1450 C, pode-se notar a formação da fase NaNbO 3, essa fase se deve a interação entre a nióbia presente nas amostras dopadas com o sódio, a principal impureza da alumina utilizada. A fase NbO 2 foi identificada nas amostras com 5% em peso de nióbia e a identificação da fase AlNbO 4, prevista nessa reação foi detectada apenas na amostra contendo 7% em peso de nióbia. 905

7 Figura 8. Difratograma das amostras sinterizadas a 1450 C por 180 minutos. CONCLUSÕES Pode-se concluir com esse estudo que o óxido de nióbio promoveu uma maior densificação das cerâmicas de alumina. Nas análises de DRX foi observado a formação da fase NaNbO 3, essa fase se deve a interação entre a nióbia presente nas amostras dopadas com o sódio, a principal impureza da alumina utilizada. As amostras com 5% em peso de nióbia apresentaram a maior densificação, embora apenas a fase com 7% em peso de nióbia tenha apresentado a formação da fase niobato de alumínio (AlNbO 4 ). AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Alcoa e a Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração pelo fornecimento das matérias primas utilizadas nesse estudo, ao IBP, ao ANP (PRH-38), a CAPES e ao CNPQ pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS 1. YADAV, S; RAVICHANDRAN G. Penetration resistance of laminated ceramic/polymer structures. International Journal of Impact Engineering; v. 28, p ,

8 2. DOGAN, C.P., HAWK J.A. Role of composition and microstructure in the abrasive wear of high-alumina ceramics, Wear, p , SCHULLER, E. C. BIANCHI, P. R. Influência de defeitos e diferentes processos de fabricação nas propriedades mecânicas finais de cerâmicas, Cerâmica v 54, p , REED, J. S. Principles of ceramics processing, John Wiley & Sons, SILVA, A. G..P, ALVES C. J. A sinterização rápida: sua aplicação, análise e relação com as técnicas inovadoras de sinterização, Cerâmica v44 n 290, GERMAN R. M., PAVAN S., SEONG J.P. Review: liquid phase Sintering J Mater Sci, v 44: p. 1 39, SANTOS, W.N.; FILHO, P.I.P.; TAYLOR, R. Effect of addition of niobium oxide on the thermal conductivity of alumina. Journal of the European Ceramic Society. v. 18, n. 7, p , KOFSTAD AND SVEIN ESPEVIK. Low-pressure oxidation of niobium at 1200º -1700ºC, Journal of the Electrochemical Society, v 112, p , ACCHAR, W. Produção de alumina sinterizada com adições de nióbia. Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais) Instituto Militar de Engenharia, RANDALL, M. G. Sintering theory and practice, John Wiley & Sons: New York/Chichester/ Brisbane / Toronto / Singapore, DEVELOPMENT OF ALUMINA MATERIALS FOR USE IN BLINDAGE ABSTRACT The alumina ceramics have been widely used in high-tech parts, due to its hardness, good corrosion resistance and ease of processing. In order to contribute to the development of new materials for ballistic protection, this study examined parts of alumina doped with different proportions of niobium, with the objective of evaluating the shrinkage, density and its microstructure. The powders were homogenized in a planetary mill in the presence of ethanol. After drying in an oven at 110 C for 20h, the body-specimens were obtained by uniaxial pressing at 60MPa. Is sintered parts in an electric furnace at 1450 C for 3 h in ambient atmosphere. The microstructure was characterized by scanning electron microscopy, phase formed by X-ray diffraction and density by the Archimedes method. It was observed that niobium was present in the grain boundaries and increasing its amount is within 5% showed improvements in the density and apparent porosity. Key-words: Alumina, Niobium, Microstructure 907