Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP
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Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas
- “Non-Oxide Ceramics”
PMT-POLI / USP
LM2C2
- “Non-Oxide Ceramics”
Aula extra
Prof. Dr. Guilherme F. B. Lenz e Silva
PMT-POLI/USP
Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
LM2C2 – Laboratório de Moagem de Alta Energia, Materiais de
Carbono e Compósitos para Altas Temperaturas – PMT-POLI/USPM2 C2
L
Materiais para altas temperas
• Metais e elementos de alto ponto de fusão
( boro, C, tungstênio, etc.)
• Aços e ligas especiais
• Óxidos
• Carbetos, boretos, silicetos e nitretos:
“Non-oxide ceramics”Compósitos:
CMM: compósitos de matriz metálicaCMM: compósitos de matriz metálicaCMC: compósitos de matriz cerâmica
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http://www.keramverband.de/brevier_engl/5/5_2.htm
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Seleção para aplicações em altas temperaturas
• Propriedades mecânicas: limite de resistência, creep, fragilização à quente, resistência ao choque térmico, etc.
• Propriedades químicas: resistência à oxidação, • Propriedades químicas: resistência à oxidação, vapor de água, nitrogênio, etc.
• Propriedades físicas: temperatura de fusão, densidade, etc.
• Disponibilidade & Custo
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Mechanical
tribology PhysicalChemical
corrosion
FUNCTIONAL MATERIALSSTRUCTURAL MATERIALS
Metals and Alloys
PolymersCeramics and Glasses
Steel-cord tyres
CFRP GFRP
Filled polymers
Wire-reinforced cementCermetsMMCs
Composites
MATERIAL
tribologyfatigueKIC
σy
UTSE
Thermal
αKHTm
TTransition
Environmental
recyclingenergy consumptionwaste
Other
feellook
Physical
opticalmagneticelectrical
corrosionoxidation
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Seleção de Materiais
Metais x Cerâmicas
Oxide dispersion strengthened (ODS) alloys: Ligas de níquel, Fe-Al-Cr e ligas de platina
Lingotes de ligas ODS
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Fórmula Nome Ponto
fusão (oC)
Estutura
Al2O3 Alumina 2015 Trigonal
Al 660 CFC
Al4C3 2200(decomp. 1400 oC)
Romb.
AlB2 e AlB12 1655 Hexagonal
AlN 2200 Hexagonal
MgO Magnésia 2800 Cúbica
Mg Magnésio 650 Hexagonal
Fórmula Nome Ponto fusão
(oC)
Estutura
ZrO22715 monoclínico
Zr 1852 HCC
ZrC 3532 cúbico
ZrB23246 Hexagonal
ZrN 2980 cúbico
C 3500 Hexagonal
B 2076 α,β,γ,Τ
B O 450~510 Trigonal e Mg2C3 ???? Instável
MgB2 ~800 Hexagonal
Mg3N2 ~1500 -
SiO2 1713 Cristob.
Si Silício 1410 Cúbico
SiC Carbeto de silício
2730 polimorfismo
SiB6 e SiB4 ???? -
Si3N4 1900 Decomp.
B2O3 450~510 Trigonal e monoclínico
Nb 2468 CCC
Nb2O5 1460 Monoclínico
Th 1842 CFC
ThO2 3050 Cúbico
W 3410 CCC
WO2 1700decompõe
Monoclínico
WO3 1473 Monoclínico
Seleção:
- Estabilidade química ( oxigênio, água, vapores ácidos, enxofre, etc.)- Ponto de fusão- Produtos da oxidação/corrosão- Estabilidade térmica, etc.
[O] óxidos
Al4C3 - carbeto de alumínio
Instável:
Al2O3
AlSi2
Al
[C] carbetos
[N] nitretos[B] boretos
[Si] silicetosInstável:
Al4C3 + H2O – Al(OH)3 + CH4
AlN
“cooler” circular de AlN
AlB2 e AlB12
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Rotas de síntese
http://www.morgantechnicalceramics.com/products-materials/process-animations
Principais fornecedores
•
http://www.ceradyne.com/materials/materials.aspx
Algumas propriedades comparativas ...
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Carbetos
• Tipos de carbetos:
Covalentes: pouca diferença de eletronegatividade
Intersticiais: grande diferença de eletronegatividade, dimensão atômica
Ex: B, Si
Ex: Ti, V, Cr (exceção), Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Weletronegatividade, dimensão atômica
adequada a formação de compostos intersticiais
Intermetálicos: normalmente instáveis e hidrolisáveis (água ou ácido diluídos)
- Grupo VI a VIII:
Iônicos “salt like” : Grupos I, II e III: altos pontos de fusão, hidrolisáveis
Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
Ex: Fe, Co, Ni ...
Ex: CaC2, Al4C3, Be2C,
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Formação de carbetos
• Diferença de eletronegatividade
• Regra de Häag
Covalentes
Intersticiais
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Carbetos intersticiais
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Carbetos Covalentes: SiC e B4C
a) Carbeto de boro
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Carbeto de silício
(α)6H-SiC4H-SiC
(β)3C-SiC
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http://www.lspceramics.com/Silicon_Carbide_Brochure.pdf
SiCp = 35 bar.
Scace & Slack
http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/thermal.html
SiC
Melting point3C-SiC 3103 (40) K
p = 35 bar.Peritectic decomposition temperature
Scace & Slack (1960)
4H-SiC 3103 ± 40 K at 35 atmTairov & Tsvetkov (1988)
6H-SiC 3103 ± 40 Kat 35 atm. see also Phase diagram
Tairov & Tsvetkov(1988)
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Propriedades mecânicas
HMPC: High melting point
compounds (nanostructured)
τ (%): porosidade
L (nm): tamanho do grão
Microdureza Vickers (Hv)Microdureza Vickers (Hv)
Tenacidade a fratura KIC
Processo Acheson
Principais processos:
• Acheson;
• Lely (1955)
- Lely modificado
• Crescimento Epitaxial
1859-1931
https://www.ifm.liu.se/semicond/new_page/research/sic/Chapter3.html
• Crescimento Epitaxial
- Feixe molecular
- CVD
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Fluxo de produção de SiC
Gest. Prod. vol.12 no.1 São Carlos Jan./Apr. 2005
http://www.treibacher.com.br Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
Carbeto de boro
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Aplicações: proteção balística
Ceralloy® 546 Boron Carbide is the lightest technical ceramic material (2.5 g/cm³) as well as the hardest (second only to diamond). This fully dense boron carbide is produced by hot pressing and is characterized as follows:
•Light Weight •High Hardness •High Hardness •Erosion Resistance •High Modulus •Neutron Absorber
Ceralloy® 546 Boron Carbide is used for the following applications:
http://www.ceradyne.com/materials/boron-carbide.aspx
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B4C
Difícil
Demorado
Caro
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CaB6
Boretos refratários : TiB2, ZrB2, HfB2, CrB2, MoB2
Boretos
28
AlB2
Supercondutor
Their crystal structure and chemical bonding depend strongly on the metal element M and on its atomic ratio to boron. When B/M ratio exceeds 12, boron atoms form B12 icosahedra which are linked into a three-dimensional boron framework, and the metal atoms reside in the voids of this framework. Those icosahedra are basic structural units of most allotropes of boron and boron-rich rare-earth borides. In such borides, metal atoms donate electrons to the boron polyhedra, and thus these compounds are regarded as electron-deficient solids.
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•One of the main reactions for industrial production is:6
CaO + 3 B2O3 + 10 Mg → CaB6 + 10 MgO
Other methods of producing CaB6 powder include:•Direct reaction of calcium or calcium oxide and boron at 1000°C;
Ca + 6B → CaB6
•Reacting Ca(OH)2 with boron in vacuum at about 1700 °C ( carbothermalreduction);11
Síntese de hexaboreto de cálcio
reduction);11
Ca(OH)2 +7B → CaB6 + BO(g) + H2O(g)
•Reacting calcium carbonate with boron carbide in vacuum at above 1400 °C (carbothermal reduction)
•Reacting of CaO and H3BO3 and Mg to 1100°C. 5
•Low-temperature (500 °C) synthesisCaCl2 + 6NaBH4 → CaB6 + 2NaCl + 12H2 + 4Na
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
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Silicetos
• Exemplo: Super Kanthal
• Dissiliceto de molibdênio
Silicetos refratários: MoSi2, WSi2, Cr3Si2
Application Properties
Heating elements air furnaces
Gas burner
Diesel engine glow plugs
Molten metal lances
Aerospace gas turbine engines blade outer seal
•High melting point 2030 C
•Excellent oxidation resistance
•Moderate density 6.24 g cm-3
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http://www.caret.hokudai.ac.jp/labo/hightemp-e.html
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Nitretos
Nitretos Refratários:
Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, B, Al, Si.
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AlN
TiN
�High melting point�High strength �Wear resistance �High electric conductivity
�Coating material�Cermet material�High heat resistance�Decorative purposes
ApplicationApplicationPropertiesProperties
�High thermal conductivity�Excellent electrical isolation
PropertiesProperties
�Electronic substrate
ApplicationApplication
TiAlN
�Excellent electrical isolation�High heat resistance�High-corrosion resistance
�Power device�Heatsink
�Coating material�Mold tool�Optical apparatus
ApplicationApplication
�High vickers hardness (TiAlN>TiN)�High oxidation onset temperature�High-corrosion resistance
Powder colorPurple / Broun
Vickers hardness 2800 HV
Oxidation temperature
788゜C
Frictional coefficient 0.8
PropertiesProperties
Nitreto de alumínio
Microestrutura donitreto de alumínio
Nitreto de silício
trigonal α-Si3N4.
Nitreto de silício sintereizado sob
hexagonal β-Si3N4
cubic aγ-Si3N4
Si3N4 bearing parts
Nitreto de silício sintereizado sob alta pressão de nitrogênio (100 Bar)
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Processamento e aplicações: nitreto de silício
Exemplo de Aplicações
PMT-POLI / USP
LM2C2
• Próxima aula ... Compósitos de matriz cerâmica e coatingscerâmicos
Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
LM2C2 – Laboratório de Moagem de Alta Energia, Materiais de
Carbono e Compósitos para Altas Temperaturas – PMT-POLI/USPM2 C2
L
FIM