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

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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

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• Próxima aula ... Compósitos de matriz cerâmica e coatingscerâmicos

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Carbono e Compósitos para Altas Temperaturas – PMT-POLI/USPM2 C2

L

FIM