Metais celulares de poros abertos esponjas metálicas

► Replicação de pré-formas poliméricos

É possível a obtenção de metais celulares de poros abertos e interconectados por meio de técnicas de fundição em cera perdida, pela replicação de arranjos poliméricos. Assim, esponjas de polímeros são revestidas com fino material cerâmico, formando uma casca sobre as paredes poliméricas. Com a retirada do polímero por aquecimento, o molde cerâmico oco resultante é preenchido com metal líquido sob pressão, produzindo o material celular idêntico à esponja polimérica. O processo demanda longos tempos de fabricação, além de resultar em paredes metálicas usualmente finas.

Este processo foi patenteado com a denominação de processo Erg-Duocell™, e é empregado para a fabricação de esponjas de Ti para uso como biomateriais (BIRBARA et al., 1999), ou em esponjas de Al e outros metais e ligas, para uso em trocadores de calor (SADEGHI, et al., 2011).

► Deposição de metal em pré-formas poliméricas

Técnicas mais sofisticadas e muitas vezes de alto custo têm sido empregadas para a fabricação de produtos celulares de poros abertos, como a deposição de metal sobre modelos poliméricos. Após deposição, o modelo deve ser eliminado, produzindo a esponja metálica, que neste caso, apresenta paredes metálicas ôcas.

Um processo comercial conhecido por Incofoam™, patente da empresa Inco Limited, descreve a obtenção de esponjas de Ni por processo CVD - Chemical Vapor Deposition -, por meio das seguintes etapas (BABJAK et al., 1990),:

• Fabricação de pré-forma (esponja) de poliuretano

• Sopramento de gás (NiCO)4 sobre a pré-forma de poliuretano

• Aquecimento do gás a 100 °C, ocorre reação: (NiCO)4  Ni + 4CO

• Ni é depositado sobre as superfícies da esponja, formando uma camada porosa • Aquecimento para queima do polímero e sinterização do Ni - redução da porosidade

das paredes metálicas (densificação)

• O material resultante apresenta paredes metálicas Ni frágeis e porosas.

Esponjas de Ni assim obtidas são empregadas como baterias para veículos elétricos híbridos, eletrodos de baterias recarregáveis, catalisadores, etc. (PASERIN, et al., 2003).

► Uso de espaçadores pós-removíveis

A obtenção de poros abertos e interconectados em materiais metálicos pode ser alcançada com o uso de agentes espaçadores, que são particulados que podem apresentar diferentes geometrias; são inseridos no metal por diferentes técnicas e retirados após as paredes metálicas se consolidarem em paredes contínuas nos espaços entre eles. Ao serem retirados, os espaços deixados pelas partículas do agente bloqueador constituem os poros abertos do metal. A geometria e dimensões dos poros replicam estas características das partículas do espaçador.

Os agentes espaçadores devem ser inertes em relação ao metal durante todo o processamento; sua retirada pode ocorrer via dissolução em meio apropriado, como água, ácidos, etc., e a total retirada é garantida pela existência de contato entre suas partículas.

Diferentes tipos de agentes espaçadores pós-removíveis podem ser empregados, como NaCl, CaCO3, carbonato hidrogenado de amônia, entre outros. Um dos mais populares para emprego em ligas de Al, por exemplo, é o NaCl.

O processo de fabricação pode envolver o metal no estado de pó, o qual é misturado com as partículas do agente bloqueador. A mistura é compactada e aquecida para a sinterização do metal, após a qual é feita a retirada do agente bloqueador. Pode ainda envolver o metal no estado líquido, que, por infiltração, preenche os espaços entre partículas espaçadores, neste caso parcialmente agregadas em uma pré-forma. Após solidificação, a pré- forma é retirada. Processos de fundição convencionais, mesmo, por exemplo, fundição utilizando moldes de areia, podem ser empregados (RAZMI et al., 2013).

Também processos de fabricação de metais celulares de poros abertos usando metal no estado semissólido, em técnicas de tixoconformação, podem ser empregados. Neste tipo de processo, o metal ou liga é infiltrado em pré-formas parcialmente sinterizadas do agente bloqueador, no estado pastoso tixotrópico. Após solidificação do material, o agente é retirado, à semelhança dos outros processos, por lavagem ou dissolução.

Como exemplo, pode ser citada a produção de esponjas de Al e suas ligas, empregando NaCl como agente bloqueador. O processo é apresentado esquematicamente na Figura 2.10, bem como resultado típico obtido (DELBIN, 2006; SILVA, 2008).

(c)

Figura 2.10: (a) Desenho representativo do processo de produção de metais celulares por tixoconformação em pré-formas pós-removíveis: ligas de Al com NaCl como espaçadores,

aspecto geral do produto obtido, (c) paredes celulares. (DELBIN, 2006; SILVA, 2008).

Pré-forma Pasta Tixotrópica Pasta Tixotrópica F (a) (b)

► Uso de espaçadores pré-removíveis

Produtos celulares com poros abertos também podem ser obtidos com o uso de espaçadores pré-removíveis, isto é, suas partículas devem ser retiradas do metal antes da formação das paredes metálicas contínuas. Portanto, os vazios interconectados são produzidos antes da etapa final do processamento do material, onde ocorre a consolidação das paredes metálicas contínuas entre vazios.

Diferentes tipos de agentes espaçadores podem ser empregados, como por exemplo, NaCl, polímeros, açúcar e outros, que são retirados por dissolução ou queima.

Alguns exemplos do uso de espaçadores pré-removíveis para a produção de esponjas metálicas podem ser citados: Pavon et al., 2015, utilizam processo envolvendo a mistura de pó de Ti e NaCl e sua compactação, seguida de lavagem em água do compactado para a dissolução do NaCl. O compactado poroso é então sinterizado para a agregação das partículas do pó de Ti, resultando em uma esponja cujos vazios reproduzem os grãos do bloqueador empregado. A mesma técnica é também empregada para a fabricação de esponjas de Ti, por por Shbeh et al., 2016.

O uso de açúcar como agente bloqueador pré-removível é utilizado, por exemplo, por Jakubowicz et al., em trabalhos de 2013 e 2015, para a fabricação de esponjas de Ti. Também empregam a técnica de metalurgia do pó, à semelhança dos exemplos citados anteriormente. A retirada do açúcar se dá por dissolução em água destilada a 20-80 °C, por um período de 2 a 6 h. Segue-se a necessidade de secagem do compactado por 1h a 80 °C.

A fabricação de Al com poros abertos, também a partir do metal na forma de pó, e empregando açúcar como agente bloqueador, foi utilizado por Michaelidis et al., em trabalhos apresentados em 2011 e 2012. O procedimento utilizado envolve a retirada do açúcar por lavagem do compactado em água à temperatura ambiente (sem detalhamento), e sinterização do compactado a 680-750 °C por 3 h. Os autores observam que a lavagem em água acarreta aumento da espessura da camada de óxido na superfície das partículas do pó de Al, o que prejudica a etapa seguinte de compactação, promovendo o colapso do material. Além disso, observam ainda que na formação de Al2O3, a partir da reação de Al e água, há liberação de H2, promovendo a desagregação do compactado. Portanto, o emprego de açúcar como agente espaçador na fabricação de esponjas de Al deve ser tomado com precaução e seguido de especial atenção para a garantia da complementação do processamento, no caso de sua remoção ser feita por dissolução em água.