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ESTUDO DA CINÉTICA DE SINTERIZAÇÃO VIA RADIAÇÃO LASER

Z.S. Macedo1 A.C.Hernandes2

C. P.: 353; 49100-000 São Cristovão, SE. E-mail: [email protected] 1Universidade Federal de Sergipe, Departamento de Física

2Universidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, Grupo Crescimento de Cristais e Materiais Cerâmicos

RESUMO

Investigamos neste trabalho os aspectos que fazem da sinterização a laser um

processo ultra-rápido quando comparado à sinterização em forno elétrico. O tamanho

de grão, densidade e retração linear foram mapeados em função da potência do laser,

temperatura e tempo de sinterização, revelando uma diferença sensível nas taxas de

retração linear e densificação das amostras sinterizadas a laser, comparadas aos

resultados de estudos dilatométricos convencionais. O início da retração das cerâmicas

de Bi4Ti3O12 sinterizadas a laser ocorreu 220 °C abaixo do valor registrado na

sinterização em forno elétrico, e a densidade final de 98-99 % foi alcançada em alguns

minutos de patamar. O tamanho médio final dos grãos nas cerâmicas sinterizadas a

laser apresentou uma forte dependência com o tempo de patamar e, de uma maneira

geral, o estudo cinético da sinterização a laser resultou em valores de energia de

ativação aparente inferiores àquelas determinadas para a sinterização convencional.

Palavras-chave: laser, cerâmicas; cinética de sinterização; Bi4Ti3O12, Bi4Ge3O12

Anais do 48º Congresso Brasileiro de Cerâmica Proceedings of the 48th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

28 de junho a 1º de julho de 2004 – Curitiba-PR

1

INTRODUÇÃO

A sinterização pode ser descrita como o processo no qual um compacto é ativado

termicamente para formar um sólido único ( )1 . A força-motriz para a sinterização é a

redução da energia livre superficial do sistema, a qual pode ocorrer de duas formas:

pela redução da área superficial e das interfaces do compacto (crescimento de grãos)

ou pela substituição das interfaces sólido-gás por interfaces sólido-sólido (densificação),

que são menos energéticas. Tradicionalmente, a sinterização é dividida em três

estágios distintos: inicial, intermediário e final. O estágio inicial é definido como a parte

do processo onde ocorre o arredondamento das partículas, a formação dos pescoços

ou dos contornos entre os mesmos, com pouco crescimento de grãos, e significante

redução da área superficial livre e da porosidade. No estágio intermediário, ocorre

acentuado crescimento de grãos e fechamento de poros, acompanhado de

densificação. O estágio final é caracterizado pela eliminação de poros residuais e

crescimento de grãos, com pouca ou nenhuma densificação.

A equação fenomenológica que descreve a densificação em estágio inicial em

função da retração linear( )2 baseia-se no modelo simplificado de duas esferas em

contato. Usando a dependência entre fluxo de massa e retração linear, e a dependência

entre fluxo de massa e temperatura, obteve-se a seguinte equação para a sinterização

isotérmica em estágio inicial:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

RTQexpK

dtdYY o

n (A)

onde Y é a retração linear, K0 é uma constante, Q é a energia de ativação do processo,

T é a temperatura absoluta, R é a constante dos gases e n é o coeficiente de

sinterização, associado ao mecanismo predominante de difusão de massa. Este

modelo, válido para processos isotérmicos (2), foi adaptado para sistemas com taxa de

aquecimento constante ( , )3 4 , resultando na expressão:

YR)1n(

QdTdY

T 2

+= (B)

onde os valores n = 0, 1 e 2 associam-se aos mecanismos de fluxo viscoso, difusão

volumétrica e difusão via contorno de grão, respectivamente. Assume-se neste modelo



2

que o estágio inicial da sinterização é controlado por um mecanismo único, a difusão

superficial tem efeito irrelevante e não ocorrem variações significativas no tamanho

médio de grãos. O diagrama de T2dY/dT versus Y será linear quando estas condições

forem atendidas. De acordo com a equação (B), o coeficiente angular deste diagrama

será igual a Q/(n+1)R.

O valor da energia de ativação para estágio inicial de sinterização em sistemas

não isotérmicos pode ser obtido pelo método de Dorn (4), que considera a contração

durante um pequeno incremento de temperatura, e determina a energia de ativação

através da expressão:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

≈2

1

21

21YYln

TTTRTQ (C)

onde Y1 é a retração (Y = ∆L/L0) à temperatura T1 (em Kelvin) e Y2 é a taxa de

contração à temperatura T2 = T1 + dT.

Os modelos propostos para os estágios intermediário e final da sinterização

freqüentemente consideram um mecanismo único para crescimento de grãos e

densificação. No caso isotérmico, a dependência entre tamanho médio de grãos e

temperatura obedece à equação fenomenológica

RTQ

0n

0n etKGG

−=− (D)

onde K0 é a constante de proporcionalidade, R é a constante dos gases, T é a

temperatura absoluta e Q é a energia de ativação aparente, e n representa o

mecanismo de sinterização, que vale 1 para difusão por fluxo viscoso, 2 para difusão

volumétrica e 3 para difusão ao longo do contorno de grão.

A equação (D), que descreve o crescimento de grãos em ensaios isotérmicos,

pode ser convertida para ensaios com taxa de aquecimento constante. Nesta

conversão, cada intervalo de temperatura em função do tempo deve ser interpretado

como uma pequena isoterma quando dt→0 ( )5 .

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=−

−−

0

RTQ2

0

RTQ2

0nT

nT RT

2QeRTQ

RT2Qe

RTQ

aQRKGG 0

0 (E)



3

Desta forma, a energia de ativação (Q) e o mecanismo de crescimento de grãos

(n) para sistemas com taxa de aquecimento constante podem ser determinados. Neste

trabalho, utilizamos os modelos de sinterização não isotérmica para os estágios inicial e

intermediário (equações B, C e E), e o modelo isotérmico (equação D) para o estágio

final da sinterização a laser dos compostos Bi4Ti3O12 (BIT) e Bi4Ge3O12 (BGO). Nosso

objetivo foi identificar a relação dos parâmetros de sinterização e a rapidez

característica da sinterização a laser.

MATERIAIS E MÉTODOS

A síntese dos pós cerâmicos foi feita pelo método de reação do estado sólido,

envolvendo os procedimentos de moagem e calcinação dos pós precursores. Após a

síntese, os pós eram prensados uniaxialmente sob a forma de pastilhas com 6 mm de

diâmetro e 2 mm de espessura. Uma solução aquosa de polivinil álcool 0,1g/ml foi

utilizada como agente ligante. Os corpos cerâmicos à verde apresentaram densidade

relativa de 55±5 %.

A sinterização empregou um laser de CO2 (Synrad 57-1), em modo contínuo,

como principal fonte de aquecimento. O feixe, cujo diâmetro era de (4.0 ± 0.5) mm para

a sinterização do Bi4Ti3O12 (BIT) e (5.5 ± 0.5) mm para o Bi4Ge3O12 (BGO), era mantido

fixo sobre o corpo cerâmico. No procedimento de sinterização a laser, as pastilhas eram

inicialmente pré-aquecidas a 350 °C a uma taxa de 50 °C/min, utilizando-se um

aquecedor elétrico. Em seguida, com a temperatura do aquecedor mantendo-se

constante, executava-se um programa de irradiação a laser, que consistia em duas

rampas de potência e dois patamares. O primeiro patamar, em P = 5 W, tinha o objetivo

de eliminar suavemente o ligante orgânico, e o segundo patamar ocorria a uma

potência Pmáx, em função da qual estudou-se a microestrutura e a retração linear dos

corpos cerâmicos. Durante as rampas, a potência era aumentada a uma taxa de 2.7

W/min, resultando no aquecimento dos corpos cerâmicos a uma taxa de 43 °C/min. A

escolha desta taxa baseou-se em diversos testes para verificar a maior taxa que

poderia ser adotada sem causar dano à microestrutura. Após irradiar a primeira face, a

pastilha era virada e o processo se repetia na outra face.



4

Para o estudo cinético da sinterização, acompanhou-se a evolução da densidade,

retração linear e tamanho médio de grão em função dos valores de potência do laser e

do tempo de duração do segundo patamar. Medidas de temperatura foram realizadas

na superfície do corpo cerâmico durante o programa de irradiação, utilizando-se um

termopar tipo S (Pt - Pt 10% Rh) com diâmetro de 0.1 mm, em contato direto com o

corpo cerâmico. O tamanho médio de grãos das cerâmicas foi determinado pelo

método de interceptos lineares( )6 , a partir das imagens de microscópio eletrônico de

varredura.

Os valores de densidade, retração linear e tamanho médio de grão das amostras

de referência foram obtidos através de ensaios dilatométricos (dilatômetro NETZSCH –

402 PC) e sinterização convencional em forno elétrico. Os ensaios de dilatometria

foram feitos em atmosfera de ar sintético, sob taxas de 5 e 10 °C/min, em intervalos de

temperatura de 25 °C a 950 °C para o BGO e 25 °C a 1100 °C para o BIT.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 1 apresenta a retração linear (Y = ∆L/L0) e sua derivada (dY/dT), como

função da potência e temperatura de sinterização a laser (Fig. 1a e 1b), e como função

do tempo e temperatura de sinterização em forno elétrico (Fig. 1c e 1d). Comparando-

se estes resultados, pode-se verificar que uma das características marcantes do

processamento de cerâmicas a laser é a ocorrência do início da densificação e máxima

taxa de retração em temperaturas muito menores do que as observadas no processo

convencional. O início da retração das cerâmicas de BIT sinterizadas a laser ocorreu

220 °C abaixo do valor registrado na sinterização em forno elétrico. Este resultado

revela que o uso de altas taxas de aquecimento acelera o início do processo de

sinterização, o que se confirma nas próprias curvas dilatométricas apresentadas na

Figura 1c, onde a derivada da retração linear atingiu o máximo (em módulo) a uma

temperatura menor quando se usou uma taxa de aquecimento mais alta.

Comportamento similar também já foi observado em processos de sinterização em

forno microondas, que, da mesma forma que a sinterização a laser, empregam altas

taxas de aquecimento ( )7 .



5

0 10 20 30-20

-15

-10

-5

0

590350Temperatura média (°C)

Y (∆

L/L 0)

(%)

Potência (W)

-5

-4

-3

-2

-1

830740

d/dT Y (1/°C)

0 5 10 15 20 25 30-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

Y (∆

L/L 0)

(%)

740Temperatura média (°C)

350 550 690 826

Potência (W)

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

(b)

d/dT Y (1/°C)

BGO-L

(a) (b)

600 700 800 900 1000 1100

-20

-15

-10

-5

0

Y (∆

L/L 0)

(%)

Taxa percentual de retração

10 K/min 5 K/min

Temperatura ( °C)

-25

-20

-15

-10

-5

0

d/dT Y (1/°C)

10 K/min 5 K/min

Retração relativa (%)

600 700 800 900-25

-20

-15

-10

-5

0

d/dT Y (1/°C)

10 K/min 5 K/min

Temperatura (°C)

-42

-36

-30

-24

-18

-12

-6

0Y

(∆L/

L0)

(%)

Taxa de retração (dY/dT) 10 K/min 5 K/min

Retração linear ∆L/L0 (%)

(c) (d)

Figura 1: Retração linear e sua derivada. (a) e (b) em função da potência e da temperatura de sinterização a laser (taxa de aquecimento de 43 K/min). (c) e(d) em função do tempo e temperatura de sinterização em ensaios dilatométricos (taxas de aquecimento de 5 e 10 K/min).

Na figura 2 é possível acompanhar a evolução da densidade e microestrutura

das cerâmicas de BIT sinterizadas a laser, em função da potência do feixe e do tempo

de patamar. Os corpos cerâmicos atingiram densidade em torno de 88 % durante a

rampa de aquecimento, chegando rapidamente a 99±1 % após 5 minutos de patamar

sob potência de 30 W. Em relação à evolução microestrutural, observou-se que, além

da dependência do tamanho de grão com a temperatura, existia durante o processo

uma certa heterogeneidade entre as regiões central e periférica do corpo cerâmico,

decorrente do gradiente radial de temperatura na superfície irradiada. Este gradiente de



6

temperatura surge devido à distribuição gaussiana de intensidades do feixe( )8 . Como a

parte central da superfície irradiada recebe uma maior densidade de potência, o

processo de eliminação de porosidade ocorre primeiro nesta região. A região periférica

é aquecida por absorção do laser, mas com menor densidade de potência, e também

pelo fluxo de calor a partir do centro. A heterogeneidade da microestrutura é reduzida à

medida que se aumentam a potência do feixe ou o tempo de irradiação, como pode ser

visto na Figura 2 e, ao final do processo, o corpo sinterizado possui uma microestrutura

bastante homogênea..

ce

ce

ce

0 5 10 15 20 2550

60

70

80

90

1002010 3030550

Potência (W)

BIT-L

dens

idad

e re

lativ

a (%

)

Tempo (min)

Figura 2: Densidade relativa e microestrutura das cerâmicas de BIT sinterizadas a laser, em função do tempo de sinterização e da potência.

No caso das cerâmicas de BGO, a densidade relativa do corpo cerâmico evoluiu

de 58 % para 83 % durante a rampa de potência de 5 a 20 W. Após 30 minutos de

patamar a 20W, a densidade atingiu 98±1 % do valor teórico. As cerâmicas de BGO

sinterizadas sob potência de 20±1 W atingiram boa homogeneidade microestrutural

após um patamar de 30 minutos.



7

A figura 3 apresenta os tamanhos médios de grão e densidade em função do

tempo de processamento e temperatura média das cerâmicas sinterizadas a laser, e

também em forno convencional. No caso do BIT, a sinterização com Pmax = 30 W

durante um patamar de 5 minutos resultou em cerâmicas com densidade de 99 ± 1 %, e

a partir deste ponto o crescimento de grão ocorreu a uma taxa bastante reduzida. O

tamanho médio final dos grãos de BIT foi 50 % inferior ao observado nas amostras de

referência (sinterizadas em forno). No caso do BGO, tanto o processamento a laser

quanto o convencional resultaram em valores semelhantes de tamanho médio de grão.

Os valores finais de tamanho de grão, densidade e condições de sinterização estão

resumidos na Tabela I.

0 10 20 30 400

2

4

6

8

10(a)

30 W / 5 min

Temperatura média (°C)830830830640350

Tempo (min)

BIT-L

tam

anho

de

grão

(µm

)

50

60

70

80

90

100

densidade relativa (%)

0 10 20 30 40 500

2

4

6

8

10

tam

anho

de

grão

(µm

)

Temperatura média (°C)740 740740350


BGO-L

Tempo (min)

60

70

80

90

100(b)

0 60 120 180 2400

2

4

6

8

10

tam

anho

de

grão

(µm

)

BIT-F

Tempo (min)

50

60

70

80

90

100(c)

Temperatura (°C)1050105077020


0 120 240 360 480 600 7200

2

4

6

8

10

tam

anho

de

grão

(µm

)

Temperatura (°C)840 840840300


BGO-F

Tempo (min)

50

60

70

80

90

100(d)

Figura 3: Tamanho de grão e densidade das cerâmicas de BIT e BGO, em função do tempo e temperatura de sinterização. No caso das cerâmicas sinterizadas a laser, a temperatura é uma média dos valores medidos no centro e na borda do corpo cerâmico. (a) BIT-L; (b) BGO-L; (c) BIT-F; (d) BGO-F.



8

Tabela I: Condições de sinterização, densidade e tamanho final de grão das cerâmicas processadas a laser e das referências sinterizadas em forno.

Material / modo de sinterização

Condições de sinterização

densidade relativa

Tamanho de grão (µm)

laser 30 W / 5 min 99±1 % 4.5 ± 2.5 BIT forno 1050 °C / 2 h 99±1 % 8 ± 3 laser 20 W / 30 min 98±1 % 4 ± 2 BGO forno 840 °C / 10 h 98±1 % 3 ± 1

A Figura 4 apresenta um dos gráficos de T2dY/dT vs. Y, que foram traçados para

as amostras sinterizadas a laser e para as cerâmicas de referência. Nestes gráficos, os

pontos que se ajustaram a uma reta foram identificados e usados para o cálculo da

energia de ativação, através da equação (C). Estes pontos correspondiam a valores de

retração linear entre 3 e 10 %, aproximadamente, que é o intervalo típico para o estágio

inicial de sinterização. Após calcular a energia, seu valor foi usado para determinar o

coeficiente de sinterização (n).

Os valores calculados de Q e n obtidos para o estágio inicial são apresentados

na Tabela II para todas as amostras estudadas. Os resultados revelaram uma

tendência à redução da energia de ativação (Q) na sinterização a laser. Nos resultados

obtidos para o BGO, a incerteza experimental não permitiu afirmar que houve uma

redução efetiva no valor de Q. No entanto, os valores determinados para a sinterização

do BIT nesta etapa inicial foram claramente reduzidos pelo emprego do processamento

a laser.

0 2 4 6 8 10 12 14 160

500

1000 (a) BIT-L

T2 dY/d

T

|Y| (%)0 5 10 15 20

0

1x103

2x103

3x103

4x103

(b)

T2 dY/d

T

|Y| (%)

BIT-F

Figura 4: Diagramas usados na análise do estágio inicial de sinterização. Os pontos usados correspondem à região linear do diagrama de T2dY/dT vs. Y. (a): BIT sinterizado a laser; (b) BIT sinterizado em forno, sob taxa de aquecimento de 5 K/min.



9

Tabela II – Parâmetros cinéticos da sinterização dos materiais Bi4Ti3O12 e Bi4Ge3O12, calculados pelo modelo de Woolfrey e Bannister para o estágio inicial da sinterização.

Material Método de

sinterização / taxa de aquecimento

n Q (kJ/mol)*

Laser 0.0±0.4 86±32 5 K / min 0.1±0.1 257±5 Bi4Ti3O12 Forno

10 K / min 0.7±0.1 274±12 Laser -0.1±0.5 183±65

5 K / min -0.2±0.3 220±85 Bi4Ge3O12 Forno 10 K / min -0.1±0.4 240±124

* O erro experimental corresponde à incerteza no ajuste dos pontos.

Valores de n próximos de zero foram determinados para o BGO, o que

corresponde a um mecanismo de transporte de massa por fluxo viscoso. Para o BIT, o

coeficiente de sinterização (n) ficou em torno de 0.7 para o BIT sinterizado em forno

elétrico e n = 0 nos dois outros dois casos.

A figura 5 apresenta os resultados obtidos para o estágio intermediário da

sinterização, pelo ajuste dos valores de tamanho de grão em função da temperatura,

usando a equação (E). Os valores determinados para energia (Q) e coeficiente de

sinterização (n) são apresentados na Tabela III. Pode-se observar que também neste

estágio a energia de ativação para o processo de sinterização a laser tende a ser

menor do que a do processo convencional. Para o BIT, esta redução foi muito pequena,

porém para o BGO a diferença nas energias calculadas foi mais expressiva, com

QBGO-L = 79 % QBGO-F. Devido ao menor valor de energia de ativação para crescimento

de grãos, ambos os materiais sinterizados a laser terminaram o estágio intermediário

com grãos maiores do que as cerâmicas sinterizadas no forno.

Lembrando que neste modelo o parâmetro n assume valores n = 1, 2 e 3 para

fluxo viscoso, difusão volumétrica e por contorno de grão, respectivamente, o valor n =

2, determinado para a sinterização do BIT a laser e em forno elétrico, indica transporte

de massa por difusão volumétrica via retículo cristalino. No caso do BGO, os valores

encontrados foram n = 1 para sinterização a laser e n = 0.9 para a amostra de

referência, caracterizando um mecanismo de sinterização por fluxo viscoso.



10

600 700 800 900 10000

2

4

6(a)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

Temperatura (K)

Data: BIT-LModel: estágio intermediárioChi^2 = 0.11Q = 115 ± 1 kJ/moln = 1.9

800 1000 1200

0

2

4

6(b)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

Temperatura (K)

Data: BIT-FModel: estágio intermediárioChi^2 = 0.39Q = 119 ± 2 kJ/moln = 1.8

600 700 800 900 10000

1

2

3

4(c)

Temperatura (K)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

Data: BGO-LModel: estágio intermediárioChi^2 = 0.04Q = 169 ± 1 kJ/moln = 1

900 1000 1100

0

1

2

3

4(d)Data: BGO-F

Model: estagio intermediarioChi^2 = 0.004Q = 212 ± 1 kJ/moln = 0.9

Temperatura (K)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

Figura 5: Determinação do mecanismo de sinterização por crescimento de grão, sob taxa constante de aquecimento: (a) BIT-L; (b) BIT-F, (c) BGO-L, (d) BGO-F. As taxas de aquecimento foram 0.17 K/s (no forno) e 0.9 K/s (taxa de aumento da temperatura média durante a sinterização a laser).

Tabela III – Parâmetros cinéticos da sinterização dos materiais Bi Ti O e Bi Ge O , calculado

4 3 12 4 3 12s para o estágio intermediário da sinterização.

Material Método de sinterização n Q* (kJ/mol) Laser 1.9 115±1 Bi4Ti3O12

Forno 1.8 119±2 Laser 1 169±1 Bi4Ge3O12

Forno 0.9 212±1 * O erro experimental corresponde à incerteza no ajuste dos pontos.

O estágio final da sinterização foi analisado levando-se em conta a equação (D),

uma vez que este estágio ocorre durante o patamar de sinterização. Usando como



11

parâmetros iniciais os valores de Q e n determinados para o estágio intermediário, e

fixando o valor de K0, a equação (D) foi ajustada aos pontos experimentais pelo método

de mínimos quadrados. Os gráficos com os ajustes são apresentados na Figura 6, e a

tabela IV apresenta os valores obtidos para Q e n.

A energia de ativação determinada para o BIT sinterizado a laser, nesta etapa

final do processo, foi superior ao valor determinado para o forno elétrico. Os valores

determinados para o coeficiente de sinterização foram n = 3 (difusão superficial) para os

processamentos a laser e n =2 (difusão por contorno de grão) para o processamento

convencional.

Para o BGO, determinou-se n = 1 tanto para a sinterização a laser quanto para a

convencional. Este valor indica que o transporte de massa por fluxo viscoso é o

principal mecanismo na etapa final de sinterização desta cerâmica, e que não houve

mudança no mecanismo dominante nos três estágios do processo. A energia de

ativação para processamento a laser do BGO nesta etapa final novamente foi 83 % do

valor determinado para o processo convencional.



12

0 120 240 360 480 600 720

2

4

6

8

10

12(a)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

tempo (s)

Data: BIT-LModel: patamarChi^2 = 0.06Q = 312 ± 2 kJ/moln = 3

0 1200 2400 3600 4800 6000 7200

2

4

6

8

10

12 (b)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

Data: BIT-FModel: patamarChi^2 = 0.007Q = 281 ± 1 kJ/moln = 2

tempo (s)

0 600 1200 18000

2

4

6

8(c)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

Data: BGO-LModel: patamarChi^2 = 0.1Q = 266 ± 6 kJ/moln = 1

tempo (s)

0 3600 7200 10800 14400 18000

0

2

4

6

8(d)

tempo (s)

Tam

anho

de

grão

(µm

)

Data: BGO-FModel: patamarChi^2 = 0.03Q = 319 ± 1 kJ/moln = 1

Figura 6: Determinação do mecanismo de sinterização por crescimento de grão,à temperatura constante, no estágio final da sinterização: (a) BIT-L; (b) BIT-F, (c) BGO-L, (d) BGO-F.

Tabela IV – Parâmetros cinéticos da sinterização dos materiais Bi4Ti3O12 e Bi4Ge3O12, calculados para o estágio final da sinterização.

Material / Método de sinterização n Q* (kJ/mol) Bi4Ti3O12 / Laser 3 312±2 Bi4Ti3O12 / Forno 2 281±1 Bi4Ge3O12 / Laser 1 266±6 Bi4Ge3O12 / Forno 1 319±1

* O erro experimental corresponde à incerteza no ajuste dos pontos.



13

CONCLUSÕES

A análise conjunta dos três estágios de sinterização revelou diferenças marcantes

entre os dois processos de sinterização utilizados, e também entre os dois materiais

empregados.

O principal mecanismo determinado na sinterização do BGO foi o de difusão por

fluxo viscoso, independente do tipo de sinterização empregada. As energias de

ativação para sinterização a laser deste material foram inferiores às observadas no

processamento convencional.

Os resultados obtidos para o BIT, no entanto, apresentaram diferenças mais

marcantes entre os dois procedimentos de sinterização. As energias de ativação nas

etapas inicial e intermediária foram inferiores, mas na etapa final foi superior à do

processo convencional. O mecanismo de sinterização por difusão volumétrica foi o

mesmo na etapa intermediária, mas na etapa final da sinterização a laser determinou-

se um mecanismo de difusão superficial, diferente da difusão volumétrica determinada

para sinterização convencional.

Comparando o BIT com o BGO, observou-se que a razão entre as energias de

ativação dos dois materiais no estágio inicial do processamento a laser é comparável à

do estágio intermediário do processamento convencional, o que foi interpretado como

um adiantamento nos estágios da sinterização, provocado por efeito da irradiação a

laser.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao prof. Dr. José A. Eiras e profa. Dra. Ducinei Garcia, do GCFerr-

UFSCar, pelo uso do microscópio eletrônico de varredura.



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REFERÊNCIAS

1. N.J. Shaw, Advanced Ceramics 21, 3 (1989) 16.

2. R.L. Coble, J. Amer. Ceram. Soc. 41, 2 (1958) 55.

3. W.S. Young and I.B. Cutler, J. Amer. Ceram. Soc. 53, 12 (1970) 659.

4. J.L. Woolfrey and M.J. Bannister, J. Am. Ceram. Soc. 55, 8 (1972) 390.

5. S. M. Tebcherani, J. A. Varela, Z. Brankovic, G. Brankovic, P. D. Spagnol, M. Cilense,

L. Perazolli and E. Longo, Cerâmica 49 (2003) 99.

6. T. Senda and R.C. Bradt, J. Am. Cer. Soc. 73, 1 (1990) 106.

7. M.A. Janney, C.L. Calhoun and H.D. Kimrey, J. Am. Ceram. Soc. 75, 2 (1992) 341.

8. Z.S. Macedo and A.C. Hernandes, Anais do 46º. Congresso Brasileiro de Cerâmica,

São Paulo, SP, Maio de 2002, p. 82.



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KINETIC STUDY OF LASER SINTERING

Z.S. Macedo1 A.C.Hernandes2

C. P.: 353; 49100-000 São Cristovão, SE. E-mail: [email protected] 1Universidade Federal de Sergipe, Departamento de Física

2Universidade de São Paulo, Instituto de Física de São Carlos, Grupo Crescimento de Cristais e Materiais Cerâmicos

ABSTRACT

The main goal of this study is to determine the aspects that makes laser sintering

an ultra-fast process when compared to the conventional furnace sintering. The studied

ceramics were bismuth titanate (Bi4Ti3O12) and bismuth germanate (Bi4Ti3O12), sintered

by a continuous CO2 laser. The average grain size, relative density and density against

laser power, temperature and sintering time allowed us to verify a remarkable difference

in the rates of linear shrinkage and densification of the laser sintered samples,

compared to the conventional dilatometer studies. The beginning of linear shrinkage of

the laser sintered Bi4Ti3O12 ceramics occurred 220 °C below the value measured for

electric furnace, and the final density of 98-99 % was reached in few minutes of

irradiation. The final grain size presented a strong dependency on the laser power and

sintering time and the kinetic study of the laser sintering revealed activation energy

values generally lower than that observed in conventional sintering.

Keywords: laser, ceramics; sintering kinetic; Bi4Ti3O12 ; Bi4Ge3O12



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