A tenacidade é a propriedade que os materiais apresentam de absorver energia de deformação até sua ruptura. Os materiais cerâmicos têm baixa capacidade de absorção dessa energia, constituindo-se no principal fator limitante de seu uso. Esse comportamento é justificado pela presença dos defeitos micro-estruturais, em que a propagação de trincas é o
principal mecanismo de falha catastrófica dos materiais cerâmicos monolíticos quando submetidos à tensão.
A tenacidade à fratura dos materiais cerâmicos pode ser melhorada pela adição de uma ou mais fases dispersas em sua estrutura. Essa segunda fase atua como reforço, pelo acréscimo da resistência à propagação do defeito. A esse material reforçado se convencionou denominar material compósito, com propriedades específicas, como alta tenacidade à fratura, que seriam impossíveis de se obter dos materiais constituintes isoladamente.
A geometria do tipo de reforço classifica os compósitos em partículas, plaquetas, fibras e whiskers, conforme mostra a figura 3 (FONSECA, 2006).
Figura 3 – Tipos de reforços de materiais compósitos (FONSECA, 2006).
As principais estratégias de reforço dos materiais cerâmicos se baseiam na perda de energia de propagação da trinca.
Um dos métodos aplicados é o alongamento de sua trajetória ao fazê-la se desviar de uma fase reforço de elevado módulo elástico, em adição à resistência das fortes ligações da interface reforço-matriz. Além disso, durante esse desvio é comum a ramificação da trinca principal em micro-trincas. A propagação de várias micro-trincas absorve mais energia do que uma única trinca (COUTINHO, 2005).
Outro método bastante difundido na literatura é a tenacificação de materiais cerâmicos pela transformação de fase do reforço com aumento de volume. Partículas de zircônia (ZrO2)
parcialmente estabilizada (geralmente com Y2O3) à temperatura ambiente comumente é utilizada para tenacificação da Al2O3 pela sua transformação da fase metaestável tetragonal da zircônia para a monoclínica estável, porém com acréscimo de volume da partícula, o que acontece quando a fase metaestável está sob tensão. Quando esse aumento de volume ocorre nas proximidades das extremidades das trincas, tensões compressivas tendem a fechá-las, consumindo energia de propagação (CHAWLA, 1993).
A presença de uma segunda fase de reforço no material cerâmico baseado na alumina tem sido a alternativa principal para ampliar o campo de aplicação desse importante material de engenharia (CUTLER et al., 1989; KOYAMA et al., 1992; CHAE, 1993). Essa segunda fase geralmente é baseada em carbetos ou nitretos (RAK & CZECHOWSKI, 1998) cujas propriedades físicas e mecânicas de alguns deles são apresentadas na Tabela 3 (GOMES, 1995).
Tabela 3 – Propriedades de carbetos de metais refratários (GOMES, 1995).
Carbeto Dureza (HV) Estrutura Cristalina Ponto de fusão (°C) Densidade teórica (g/cm3) Módulo de elasticidade (GPa) WC 2080 Hexagonal ~2800 15,8 669 TiC 3200 Cúbica 3065±15 4,92 448 NbC 2400 Cúbica 3500±75 7,82 290 TaC 1790 Cúbica 3915±50 14,5 276 VC 2950 Cúbica 2730±75 5,48 434 HfC 2700 Cúbica 3925±50 12,67 - ZrC 2600 Cúbica 3440±20 6,56 474 MO2C 1950 Hexagonal 2490-2520 9,12 227 Cr3C2 2280 Ortorrômbica ~1900 6,68 386
Com base na Tabela 3 se observa que o TiC apresenta baixa densidade e elevados ponto de fusão, dureza e módulo elástico, propriedades próximas às da alumina, capacitando-
o a formar um material compósito com a alumina, interessante do ponto de vista tecnológico (BURDEN et al., 1988; KOYAMA et al., 1992; KI-WOONG CHAE & DOH-YEON KIM, 1995). Em virtude dessas propriedades, o TiC é usado como cermet (compósito cerâmica + metal) ou material de corte, podendo substituir o metal duro, WC aglomerado com Co, substituindo-se o ligante Co pelo Ni.
A célula cristalina do TiC é cúbica com o Ti ocupando os vértices, conforme se observa na figura 4.
Figura 4 – Estrutura cristalina do TiC (COUTINHO, 2005).
Um processamento típico para obtenção de TiC foi realizado por Chae et al. (1993), em que sinterizaram um compósito Al2O3 – TiC a 1650 °C – 1800 °C por 5 min, utilizando como aditivo Y2O3 em fase líquida, visando a uma melhor densificação.
A literatura também apresenta a síntese de TiC via redução carbotérmica usando-se misturas de nanopartículas de TiO2 e metil celulose (MC) como fonte de carbono a 1300 °C por 2 h (GOTOH et al., 2001).
O compósito cerâmico baseado em
Al
2O
3 apresenta melhores propriedades que aAl
2O
3 monolítica ou os carbetos isoladamente, como pode ser observado na figura 5, em que diversos materiais cerâmicos utilizados como ferramentas de corte são comparados em relação à dureza com a temperatura. Observa-se que a dureza aumenta, para uma mesma temperatura, quando aAl
2O
3 forma compósitos com fases de reforço, como o TiC e SiC.Figura 5 – Influência da presença de carbetos na dureza da Al2O3. (Fonte: FERRAMENTAS, 2010).
NbC é outro material de reforço da alumina bastante utilizado. Pasotti et al. (1998) sinterizaram um compósito
Al
2O
3/NbC aditivada com Y2O3 a 1650 °C/30 min e 1750 °C/15 min e observaram que esse carbeto, além de reforçar a matriz, controlou seu crescimento de grão e esse efeito foi mais efetivo a 1750 °C. Granulação grosseira da alumina implica em propriedades mecânicas desfavoráveis. Entretanto, quanto maior o teor de NbC menor a densidade do compósito obtido. Os melhores resultados foram em presença de Y2O3, notável aditivo de sinterização densificador daAl
2O
3.A presença de NbC retarda a retração volumétrica, fenômeno típico do processamento dos materiais cerâmicos, pelo bloqueio dos mecanismos de difusão devido à sua inércia química e à sua rigidez. A Y2O3 favorece os mecanismos de difusão e melhora a densificação da alumina. Embora esses comportamentos sejam antagônicos, um máximo de 20 % em massa de NbC favorece a ação da ítria ao elevar a temperatura em que seu efeito é otimizado, melhorando o módulo elástico (RUMBAO, 2002). Algumas literaturas (FONSECA, 2006; DINIZ, 2007; PERRARD et al., 2006) demonstram que esse tipo de compósito possui grande atrativo tecnológico.
Borsa et al. (1997) avaliaram a influência de nanopartículas de SiC e cita a possibilidade de aumentos de 300% na resistência à flexão e 50% na tenacidade à fratura da alumina com adição de 5% em volume de partículas de SiC de 200 nm. Entretanto, seus resultados não confirmaram esses valores, embora o SiC seja utilizado como reforço na alumina por conferir propriedades tipicamente exigidas por ferramentas de corte (RAK & CZECHOWSKI, 1998).
Compósitos
Al
2O
3/TiN também foram avaliados com relação à influência da microestrutura nas propriedades mecânicas e elétricas. Teores de TiN em torno de 25% melhoraram a resistência mecânica e reduziram a resistividade elétrica. Em razão de seu alto ponto de fusão (2950 °C), extrema dureza (18-21 GPa), alta condutividade térmica (21 W/mK) e baixa resistividade à temperatura ambiente (3,34 x 10-7 .cm), o TiN é selecionado como revestimento de ferramentas de corte. A boa condutividade do compósitoAl
2O
3/TiN o capacita a aplicações como material de aquecimento e de ignição. Entretanto, seu uso acima de 800 °C o oxida rapidamente (RAK & CZECHOWSKI, 1998).Outros tipos de materiais compósitos baseados na alumina são desenvolvidos com o objetivo de obter materiais cerâmicos com propriedades específicas (CHEN et al., 2010), e desde a década de 30 do século passado, quando o processo Bayer de produção de alumina em escala industrial foi desenvolvido (ACCHAR, 2000), a perspectiva de demanda por este material é crescente.
Por causa de sua inércia química e invariabilidade dimensional em temperaturas próximas à ambiente, a alumina tem sido usada como biomaterial de implante, notadamente na substituição de ossos e dentes humanos. Como nesses casos o material deve absorver esforços, é comum o uso do compósito
Al
2O
3/ ZrO2 , cujo mecanismo de reforço se dá por transformação de fase da zircônia. (CHANG et al., 1998).2.4 PROCESSAMENTO DE MATERIAIS COMPÓSITOS CERÂMICOS À BASE DE