Pirólise

A figura 35 é a microscopia óptica da superfície de fratura de um compósito SiOC/Al2O3/TiC pirolisado a 1000 °C/1hora com 15% em massa de Al, sem pressão de compactação.

(a) 200x (b)50x

Figura 35 – Aspecto da superfície de fratura do compósito SiOC/Al2O3/TiC sob microscopia óptica.

Na figura 35 (a) se observa uma estrutura análoga à estrutura óssea, com paredes porosas de espessura variável, aleatoriamente orientadas, interconectadas e separadas por vazios.

Se considerarmos essa estrutura como uma treliça estrutural, sua fragilidade reside na variação da seção reta de suas vigas e no excessivo vão que as separam. Isso explica em parte a baixa resistência mecânica observada nos resultados.

Na figura 35 (b) há uma visão geral onde ser observam os vários defeitos da estrutura, como poros, trincas e vazios. Em detalhe, se observa um vazio de dimensões desproporcionais às dimensões da amostra, em se tratando de um compósito estrutural. Saliente-se que o aspecto da figura 35 (b) é apenas uma fração da superfície de fratura que se repete ao longo de todo o volume do corpo cerâmico.

A figura 36 mostra imagem obtida por microscopia eletrônica de varredura (MEV) do aspecto da superfície de fratura de uma amostra sinterizada a 1000 °C, 15% em massa de Al. Observam-se partículas claras de TiC homogeneamente dispersas na matriz escura de SiOC/ Al2O3, bem como poros, trincas e vazios. Esse aspecto também se verificou em amostras sinterizadas a 1050 °C e 1100 °C, sendo inerente à técnica de processamento através de precursores poliméricos. Porém, os defeitos são mais pronunciados quanto maior a temperatura neste trabalho, conforme ilustrado na Tabela 14.

Figura 36 – Aspecto da superfície de fratura de um corpo cerâmico Al2O3/TiC sinterizado a 1000 °C com presença de Al na composição.

Os vazios observados são decorrentes da ausência de pressão de compactação, cujo objetivo foi facilitar a infiltração na etapa seguinte de processamento. Entretanto, suas dimensões são da ordem de 400 m x 100 m, com forte influência na degradação da resistência mecânica.

A porosidade na estrutura observada está de acordo com os resultados de densidade investigados e sua reflexão sobre a resistência mecânica.

A homogênea dispersão das partículas da fase de TiC é responsável pelo intertravamento microestrutural, bem como pela dispersão da energia de propagação de trincas. Sem sua presença a resistência mecânica dos compósitos obtidos teria sido inferior àquelas alcançadas.

As partículas de TiC apresentaram geometrias desde irregulares até próximas do formato esférico. Isso se deve ao fato de a temperatura e o tempo de pirólise adotados neste trabalho (1000 °C) não permitirem a total formação da fase carbeto, quando se observam as dimensões dos pós de partida utilizados, com base nas curvas da figura 9. Segatelli et al. (2006) relaciona a microestrura globular à característica dos materiais cerâmicos. Se neste trabalho a estrutura globular não foi alcançada em sua totalidade, isso pode estar associado ao tempo de pirólise.

A presença de poros e trincas estão associados, também, à intensidade da compactação, assim como à presença de catalisador, conforme observado por Machado et al. (2008), no capítulo 2. Desta forma, aplicação de pressão de compactação e uso de catalisador na preparação dos corpos verdes necessita de experimentação mais aprofundada.

As amostras pirolisadas com 5% de Al na composição apresentaram a mesma estrutura porosa, com uniforme distribuição de partículas de carbeto de Ti, daquelas com 15% de Al. Porém, se constata redução de vazios com a redução de seu teor, conforme se observa na figura 37 (a).

Figura 37 (a) - Imagem de MEV de amostra pirolisada com 5% de Al na composição.

Figura 37 (b) - Imagem de MEV de amostra pirolisada com 5% de Al na composição.

Figura 37 (d) - Imagem de MEV de amostra pirolisada com 5% de Al na composição.

As calotas dotadas de estrutura vítrea, comuns na amostras pirolisadas com 15% de Al, se apresentaram raras naquelas com 5% de Al na constituição e de menor dimensão, envoltas pela estrutura da matriz de forma mais abrangente, como se a redução de Al catalisasse o caminho da reação da equação (12), da seção 4.5, conforme também observado por Feng et al. (1992), favorecendo a conversão da estrutura vítrea de SiCO em alumina e carbeto de titânio. Isso justificaria as superiores propriedades observadas nas amostras com 5% de Al. A figura 37(b) ilustra o discutido, enquanto a figura 37(c) mostra uma partícula de TiC fraturada em decorrência da absorção do esforço de flexão do ensaio.

A figura 37(d) revela uma estrutura interconectada de paredes formadas e outras em formação, dotadas de pequenos glóbulos, também observada em amostras com 15% de Al.

4.6.2 Infiltração

4.6.2.1 Infiltração com Al

A figura 38 mostra a superfície de fratura de uma amostra de compósito pirolisado e infiltrado com Al por 30 min sob vácuo.

Figura 38 (a) - Imagem de MEV de compósito infiltrado com Al.

Figura 38 (b) - Imagem de MEV de compósito infiltrado com Al.

Figura 38 (c) - Imagem de MEV de compósito infiltrado com Al.

Figura 38 (d) - Imagem de MEV de compósito infiltrado com Al.

Na figura 38(a) se observa o efetivo preenchimento de vazios pelo Al fundido, o que colaborou para a densificação e o aumento da resistência mecânica observados nos resultados, quando comparado ao compósito sem infiltração. Na figura 38(b) se observa maior concentração de Al próximo à borda de deposição do infiltrante e a indicação de sua profundidade de infiltração de 71,9 m; porém, também é possível visualizar preenchimento de poros em camadas mais internas, em proporção superior ao observado em amostras não infiltradas. A figura 38(c) mostra ampliação da região da borda e a figura 38(d) mostra a interface entre a região infiltrada e a não infiltrada. Se observa um vazio entre essas duas regiões e a falta de adesão entre as mesmas pode ter colaborado para a limitação do crescimento da resistência mecânica.

4.6.2.2 Infiltração com Vidro

A figura 39(a) mostra a superfície de fratura de amostra do compósito Al2O3/TiC infiltrada com vidro por 30 min sob vácuo. Na mesma se observa uma densa camada próxima à borda da superfície de deposição do infiltrante, bem como a indicação do comprimento de

penetração (50 m). Este valor é inferior ao obtido com o Al (71,9 m). Isso se justifica pela menor viscosidade do alumínio, propriedade que o torna mais eficaz no preenchimento de poros por capilaridade auxiliada pelo efeito de sucção do vácuo. A mesma imagem também mostra um núcleo menos denso e poroso, ampliado na imagem da figura 39(b). Essa porosidade remanescente, não atingida pelo infiltrante, influenciou para que as propriedades observadas fossem inferiores àquelas propiciadas pelo Al como infiltrante. Isso é evidenciado pela imagem da figura 39(c), onde se destacam vazios entre a região infiltrada com o vidro e a região não infiltrada.

Figura 39 (b) - Imagens de MEV de compósito infiltrado com vidro sob vácuo por 30 min.

4.6.2.3 Infiltração com Polímero

A figura 40(a) mostra o aspecto da superfície de fratura de uma amostra infiltrada uma única vez com o polissiloxano (D4Vi + D1107 (PMHS)), a 1000 °C por 30 min sob vácuo. As amostras infiltradas duas vezes consecutivas com o polímero apresentaram o mesmo aspecto e as mesmas propriedades. É observada uma densa camada de infiltração nas proximidades da borda, que se repete para as quatro bordas da superfície de fratura do corpo cerâmico, pois as amostras foram infiltradas por imersão com o polímero no estado líquido sob vácuo por 60 min antes de serem introduzidas no forno.

Figura 40 (a) - Imagem de MEV de amostra infiltrada com um polissiloxano

Figura 40 (b) - Imagem de MEV de amostra infiltrada com um polissiloxano

O comprimento de penetração do polímero (113 m) é superior ao apresentado pelo Al e pelo vidro devido a sua menor viscosidade entre todos os infiltrantes, associado ao preenchimento prévio da porosidade pelo mesmo, conforme explicitado anteriormente. Isso está evidenciado na figura 40(a), em que se observa uma estrutura mais densa e menos porosa que aquelas observadas nas amostras infiltradas com Al e vidro, inclusive em regiões distantes das bordas, em direção ao núcleo do corpo cerâmico.

O preenchimento dos poros pelo polímero e sua posterior conversão em material cerâmico conferiu aos compósitos uma estrutura densa, com reduzida porosidade, influenciando positivamente os resultados de resistência mecânica observados, conferindo ao polímero característica de mais eficaz infiltrante, dentre os três utilizados neste trabalho.

A figura 40(b) mostra a interface da região infiltrada com a não infiltrada. É observada uma interface mais densa que aquelas observadas nas amostras infiltradas com vidro e Al, confirmando o exposto anteriormente.