ESTUDO DA INFILTRAÇÃO ESPONTÂNEA DE Y 2 O 3 -AlN, Y 2 O 3 -Al 2 O 3, R 2 O 3 - AlN EM COMPACTOS DE SiC

ESTUDO DA INFILTRAÇÃO ESPONTÂNEA DE Y2O3-AlN, Y2O3-Al2O3, R2O3-AlN EM COMPACTOS DE SiC

G. C. R. Garcia, S. Ribeiro, R. M.Balestra E-mail: sebastião@demar.faenquil.br

Universidade de São Paulo – USP - Escola de Engenharia de Lorena – EEL Departamento de Engenharia de materiais – DEMAR – CP116 - 12600-970

Lorena SP

RESUMO

As cerâmicas de carbeto de silício, SiC, apresentam excelentes propriedades quando obtidas por infiltração de determinados líquidos. Na infiltração o tempo de contato entre os líquidos e o SiC à temperaturas elevadas é muito curto, diminuindo a probabilidade de formação dos produtos gasosos que diminuem a resistência da peça final, como ocorre na sinterização via fase líquida. O objetivo deste trabalho é mostrar uma correlação entre molhabilidade e capacidade de infiltração de alguns aditivos em compactos de SiC. Foram confeccionados compactos de SiC por prensagem isostática a frio e posterior pré-sinterização via fase sólida. Nesses compactos foram infiltradas misturas de Y2O3-AlN, Y2O3-Al2O3, R2O3-AlN, nas

composições eutéticas, 10oC acima da temperatura de fusão das respectivas misturas por 4, 8 e 12 minutos. Após infiltração, as amostras foram analisadas quanto à densidade aparente e real, fases cristalinas, microestrutura e grau de infiltração, sendo que as amostras infiltradas com Y2O3-AlN apresentaram melhores

resultados.

Palavras chave: SiC, infiltração, molhabilidade. INTRODUÇÃO

O carbeto de silício (SiC) é uma substância química inorgânica com massa específica de 3,17 g/cm3, apresenta duas fases cristalinas: β-SiC estável até

2000oC, e α-SiC estável até 2300o_{C; acima desta temperatura decompõe-se em} silício e carbono (1-4).

Para o estudo da infiltração a porosidade e sua distribuição no compacto têm influência na homogeneidade da microestrutura resultante, e conseqüentemente nas propriedades das cerâmicas finais. Os fatores que mais influenciam na porosidade de compactos são: o tamanho e a distribuição de tamanho de partículas dos pós iniciais, a pressão de compactação, o tempo e a temperatura de possíveis pré-sinterizações (5).

A altura infiltrada de um líquido em um compacto poroso, em função do tempo, pode ser previsto pela seguinte equação (6-11):

(

)

em que h é a distância da infiltração, η é a viscosidade do líquido, t é tempo de infiltração, D é o tamanho médio das partículas do compacto, ρ é a massa específica do compacto.

Na prática, a infiltração de um líquido num substrato sólido é normalmente medida pelo grau de infiltração, que pode ser definido como a porcentagem do volume de poros original no compacto preenchido com o líquido. A seguinte equação é utilizada para o cálculo do grau de infiltração(7):

(

)

em que f é o grau de infiltração, ρs e a massa específica da amostra infiltrada; ρ é a massa específica do compacto a verde; ρa é a massa específica do líquido (g.cm-3_).

A microestrutura típica de um compacto geralmente é heterogênea, apresentando gradientes de empacotamento e tamanhos de poros variados, levando a um gradiente de infiltração do líquido no interior dele. A atração capilar aumenta com a diminuição do diâmetro do poro, isso indica que na infiltração o líquido flui com maior facilidade para dentro dos poros de menores diâmetros. A força motora para a infiltração é a pressão capilar da fase líquida localizada entre as finas partículas sólidas (12).

A infiltração pode ser espontânea ou forçada, dependendo fortemente da capacidade de molhamento do líquido no sólido do compacto, sendo a espontânea mais atrativa. As variáveis mais importantes para a infiltração são: o molhamento, o tempo, a temperatura, o tamanho de partículas do compacto, a viscosidade do líquido e a porosidade do compacto.

O molhamento de líquidos em cerâmicas de SiC tem sido estudado, nos últimos anos, por um grupo de pesquisadores da EEL-USP, obtendo se excelentes resultados e que inspirou o desenvolvimento desse presente trabalho (13-15).

A figura 1 ilustra um esquema para realização do teste de infiltração espontânea: em (a) observa-se o “modelo de infiltração indireta”, no qual a parte que fica submersa no líquido deve ser descartada, pois o estudo da infiltração requer que esse processo seja unidirecional e contínuo, o que não acontece na região da amostra que fica em contato com o líquido. Os modelos (b) e (c) são chamados de “modelos de infiltração direta”, nos quais a amostra analisada entra em contato direto com o aditivo. Pan (16-17) _{verificou que o método da infiltração indireta} representado pela (a) apresenta maior grau de infiltração, enquanto que o método (c) apresenta mais baixo valor de infiltração.

Aditivo Amostra Aditivo (a) (b) (c) Compacto Aditivo Cadinho

Figura 1 - Esquema ilustrativo dos métodos de infiltração (a) indireto, (b) e (c) direto (16-18).

O método da infiltração indireta consome o líquido em uma menor taxa, possibilitando o espalhamento dele através dos poros dos compactos. Pelo método indireto, o aditivo funde com o aquecimento, e o líquido começa a infiltrar pelos poros da amostra com o aumento da temperatura e tempo, até atingir o equilíbrio da pressão capilar. A parte superior do compacto pode ser analisada quanto a densidades relativas utilizando o método geométrico, e as microestruturas via MEV.

O principal objetivo deste trabalho foi mostrar uma correlação entre molhabilidade e capacidade de infiltração de alguns aditivos em compactos de SiC. MATERIAIS E MÉTODOS

Para realização deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais: Carbeto de silício, β - SiC, tipo GRADE BF - 12 da Hermann C. Starck (HCST) da Alemanha; Óxido de alumínio (Al2O3) do tipo CR6 AS 250 KC produzido pela Baikalox; Óxido de ítrio (Y2O3) do tipo GRADE C (fine) da HCST; PA, Hermann C. Starck; Nitreto de alumínio (AlN); Óxido misto de terras raras (RE2O3); Argônio (Ar) tipo 5.0 analítico, fornecido pela White Martins, com pureza mínima de 99,999%; Álcool isopropílico, 1:15 v/v , PA, Nuclear;

Preparação dos aditivos infiltrantes

As misturas dos pós foram realizadas em moinho de atrição com copo de poliéster e bolas de SiC, por 2 horas, a 1000 rpm em meio álcool isopropílico. Em seguida as suspensões foram secas em evaporador rotativo a 100°C. Após secagem, os pós foram passados em peneira (malha 45) para quebra dos aglomerados grandes. Os pós foram prensados na forma de pastilhas de 20 mm de diâmetro, em prensa uniaxial a 30 MPa.

A tabela I apresenta os códigos das misturas de pós e suas respectivas composições, que foram escolhidas devido aos seus baixos ângulos de contato, conforme trabalhos anteriores do grupo. Os valores dos ângulos de contato citados na Tabela I referem-se aos valores encontrados experimentalmente a 10oC acima das suas respectivas temperaturas de fusões, cujas temperaturas foram adotadas para a realização deste trabalho.

Tabela I - Composição das misturas dos pós Al2O3/Y2O3, AlN/Y2O3, RE2O3/Al2O3 e AlN/RE2O3, em % massa.

Composição (% massa) Código

Al2O3 Y2O3 RE2O3 AlN

Ângulo de Contato (o₎ AY2 64,35 35,65 0,00 0,00 10 NY2 0,00 87,96 0,00 12,04 0 NE8 0,00 0,00 80,00 20,00 10 4

Preparação dos compactos de SiC para os testes de infiltração

O pó de SiC puro foi compactado utilizando pressão 200 MPa em prensa isostática. As amostras foram submetidas a tratamento térmico a 1500ºC por 30 minutos em forno de resistência de grafite, tipo astro para adquirir resistência mecânica suficiente para usinagem e melhor controle da porosidade.

O compacto foi colocado no centro de um cadinho de SiC sinterizado com sua parte mais grossa para cima. As pastilhas de aditivos foram fragmentadas e colocadas em volta do compacto. O conjunto cadinho-compacto-infiltrante foi submetido ao aquecimento até a fusão dos aditivos e sobreaquecidos 10oC, por tempos variados: as amostras do tipo AY2 com tempos de 4 e 8 minutos e as demais com 4, 8 e 12 minutos, com o objetivo de avaliar o grau de infiltração.

A Figura 2 ilustra o conjunto constituído por cadinho-infiltrante-SiC utilizado para o estudo da infiltração espontânea proposto.

Figura 2 – Esquemas de: (a) compacto de SiC, (b) aditivo prensado, (c) cadinho-SiC-aditivo sólido (d) após fusão do cadinho-SiC-aditivo (13-15)_.

Os testes de infiltração foram realizados em forno de resistência de grafite da Thermal Technology Inc. tipo 1000-4560-FP20 tipo ASTRO, em atmosfera de argônio (0,1 MPa). As fotografias das amostras após infiltração foram obtidas com câmera analógica JVC COLOUR VIDEO CAMERA.

Depois de infiltradas, as amostras foram cortadas, lixadas e polidas com suspensões de diamante de até 3 µm para as análises microestruturais, por MEV. As análises de fase foram realizadas por difratometria de raios.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 3 ilustra a microestrutura do compacto prensado e pré-sinterizado antes da infiltração de aditivos. Nelas pode-se ver as partículas de SiC interconectadas, fase branca, e a rede de poros abertos, fase escura.

Figura 3 – Fotomicrografia,obtida por Microscopia Eletrônica de Varredura, do compacto de SiC tratado termicamente a 1500oC por 30 minutos, antes da infiltração de aditivos.

Na Figura 4 estão ilustradas as fotografias dos vários compactos submetidos à infiltração. As partes escuras das amostras, indicadas por 1, são as regiões onde ocorreram as infiltrações e as claras, 2, onde os compactos se mantém como antes do processo de infiltração, ou seja, região sem infiltração.

AY2-1 (4 min) AY2-2 (8 min) NY2 (4 min) NY2 (8 min) NY2 (N12) NE8 (4 min) NE8 (8 min) NE8 (12 min)

Figura 4 - Fotografias das amostras de SiC após testes de infiltração.

Pode-se verificar que somente as amostras N8 e N12 produziram infiltração

significativa, enquanto os demais apresentaram dificuldades no processo, com os seus respectivos aditivos infiltrantes.

Deve-se ressaltar que em todos os casos era esperado que houvesse infiltração significativa, pois todos os aditivos testados apresentaram ângulos de contado muito baixos (vide Tabela I). Estes resultados contrariam muitos trabalhos de infiltração, em que os autores dizem que para infiltrar espontaneamente basta se ter ângulos de contatos inferiores a 90o. Dessa forma pode-se dizer que as variáveis da equação são muito mais relevantes que o próprio ângulo de contato.

Os tamanhos originais dos compactos foram mantidos mesmo após infiltração, mostrando que o processo tem potencial para produção de cerâmicas com dimensões controladas. As dimensões das amostras originais se encontram na Figura 2.

Diante desses resultados, somente as amostras denominadas de NY2 (8 min) e NY2 (12 min) serão exploradas neste estudo.

Amostra NY2 (8 minutos)

A amostra NY2 (8 min) foi infiltrada com Y2O3 (87,96%)/AlN (12,04%), 10°C acima da temperatura de fusão do mesmo (1956°C), por 8 minutos. A altura média de infiltração da mistura dos aditivos observada foi de 27,88 ± 0,89 mm.

Na figura 6 observa-se a microestrutura da amostra após infiltração, referente a região infiltrada.

Figura 6 – Fotomicrografia, obtida por Microscopia Eletrônica de Varredura, da amostra NY2 (8 min) após infiltração.

Observam-se nesta fotomicrografia três fases distintas: a preta que são poros, onde não houve preenchimento pelo líquido infiltrante; a cinza, constituída pelos

grãos de SiC, e a branca, que é formada essencialmente pelo infiltrante. Nota-se uma porosidade relativamente aceitável para cerâmicas de SiC para várias aplicações. Resultados semelhantes são encontrados para SiC sinterizado via fase líquida.

Amostra NY2 (12 minutos)

A amostra NY2 (12 min) infiltrada com Y2O3 (87,96%)/AlN (12,04%), 10°C acima da temperatura de fusão do mesmo, por 12 minutos. A altura média de infiltração da mistura dos aditivos observada foi de 30 mm, em que se observa infiltração total de todo o volume do compacto.

Na figura 10 observa-se a microestrutura da amostra após infiltração. Pode-se observar as mesmas fases presentes na Figura 9, somente uma microestrura com uma quantidade de poros inferior à anterior, mostrando que o tempo de infiltração não só contribui para o aumento da altura infiltrada como também produz um material com melhores qualidades microestruturais, utilizando um mesmo infiltrante.

Figura 10 – Fotomicrografia, obtida por Microscopia Eletrônica de Varredura, da amostra NY2 (12 min) após infiltração.

Altura média e grau de infiltração

A Tabela III mostra a altura média de infiltração e grau de infiltração dos compactos de SiC.

Com as análises de massa específica real realizadas das amostras NY2 (8 min) e NY2 (12 min), e com o cálculo da massa específica pelo método geométrico, foi possível calcular a densidade aparente das amostras infiltradas, o que é muito importante, pois o usual é se trabalhar com a massa específica calculada a partir da

regra da mistura, o que não produz resultados verdadeiros.

Tabela III - Resultados de altura e grau de infiltração dos compactos de SiC, altura média e grau de infiltração obtidas a partir de cinco testes distintos para cada composição.

Amostra Altura média de infiltração (mm) Grau de infiltração (%)

NY2(8min) 27,88 ± 0,89 48,99±0,87

NY2(12min) 30,00 ± 0,00 48,67±0,71

Os resultados do grau de infiltração da amostra NY2(8min) e da NY2(12min) mostram que aproximadamente 50% dos poros do compacto foram preenchidos pelo infiltrante, significando que ainda existem poros na amostra, o que pode ser confirmado pelas fotomicrografias das Figuras 6 e 7. Além das fotomicrografias, a infiltração não completa dessas amostras pode ser avaliada pelas suas respectivas densidades relativas, que foram de 89,14 ± 0,45% (NY2-8min) e . 90,61±0,33% (NY2-12min).

Para se obter cerâmicas de SiC via infiltração, pode-se escolher a condição de infiltração da amostra NY2 (8min) ou NY2 (12min), pois os resultados foram surpreendentes.

5 – CONCLUSÕES

O ângulo de contato isolado não é um parâmetro decisivo para previsão de infiltração de líquidos em compactos cerâmicos visando produção de cerâmicas por infiltração espontânea.

A medida do grau de infiltração, microscopia eletrônica de varredura e medidas de densidade são técnicas que se complementam na avaliação de processos de infiltração de líquidos em compactos cerâmicos.

6 – AGRADECIMENTOS

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq, pela bolsa de Produtividade em Pesquisa, processo 302612/2004-1.

Ao INPE de Cachoeira Paulista, especialmente ao Dr. José Augusto Jorge Rodrigues, pela análises de massa específica via picnometria de hélio.

7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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STUDY OF THE EXPONTANEOUS INFILTRATION SIC COMPACTS BY Y2O3-AlN,

Y2O3-Al2O3, R2O3-AlN

ABSTRACT

Silicon carbide ceramic show good properties when they are obtained by infiltration. In the infiltration process the contact time between SiC compact and infiltration liquids is shorter than the same way in liquid phase sintering because this the

reaction which SiC and additives are avoided. The aim of this work is show the wettability and infiltration capacity correlations of the some additives and SiC compacts. Compacts from SiC powder were pressed at 200 MPa and treated at 1500oC to improve the mechanical resistance of the sample. The additives used to infiltrate into SiC compacts were based in Y2O3-AlN, Y2O3-Al2O3, R2O3-AlN systems. The infiltration temperatures were 10oC higher melting points of each system and the used times were 4, 8 and 12 minutes. After infiltration the samples were analyzed by its apparent and real densities, microstructural behavior and infiltration degree. The infiltrate sample with Y2O3-AlN shows the better results than others.

KEY-WORDS: SiC, infiltration, wettability