αSiC

Aug 16, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 4306 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Neste estudo, as propriedades mecânicas das amostras sinterizadas sem pressão de compósito à base de α-SiC contendo 0–3% em peso de grafeno e 0–15% em peso de nano β-SiC foram investigadas. O uso simultâneo de nano β-SiC e grafeno e a transformação de β-SiC (3C) em α-SiC (6H/4H) resultou no alongamento de grãos α-SiC secundários, o que melhorou significativamente as propriedades mecânicas (por exemplo, tenacidade à fratura) de SiC cerâmica. De acordo com os resultados, a maior densidade relativa de 99,04%, módulo de Young de 537,76 GPa e tenacidade à fratura de 5,73 MPa × m1/2 foram obtidos na amostra contendo 5% em peso de nano β-SiC e 1% em peso de grafeno (5B1G ). Além disso, dois métodos de medição de resistência à flexão, incluindo testes de flexão de três pontos e testes biaxiais (pistão em três esferas), foram comparados. Corpos de prova em forma de faixa foram preparados para ensaio de flexão em três pontos e corpos de prova em forma de disco foram preparados para ensaio de flexão biaxial. Cada teste de flexão foi avaliado usando uma máquina de teste universal. Os resultados mostraram que a resistência à flexão biaxial é menor que a resistência à flexão de três pontos. Além disso, a resistência máxima à flexão de três pontos de 582,01 MPa e flexão biaxial de 441,56 MPa foram obtidos em 5% em peso de Nano β-SiC e 1% em peso de amostras de grafeno (5B1G). Estudos têm mostrado que, além das muitas vantagens de se utilizar o método de flexão biaxial, os resultados apresentam uma tendência muito semelhante à resistência à flexão em três pontos. Além disso, as durezas mais aumentadas de 28,03 GPa e 29,97 GPa foram observadas na amostra contendo 5% em peso de nano β-SiC (5B) com forças de 10 N e 1 N, respectivamente. Um dos mecanismos eficazes para melhorar a tenacidade à fratura da cerâmica α-SiC é a deflexão/ponte da trinca. Além disso, a diferença na expansão térmica da matriz α-SiC e das armaduras, levando à criação de tensões residuais entre os grãos da matriz e a armadura, é eficaz na melhoria das propriedades mecânicas (por exemplo, resistência e tenacidade à fratura).

Atualmente, o carboneto de silício (SiC) é uma cerâmica não óxido amplamente utilizada, com uma produção global de cerca de 700.000 toneladas/ano. Devido à sua dureza ultra-alta e resistência ao calor/oxidação, é empregado como abrasivo e matéria-prima para a produção de peças como fornos refratários e elementos de aquecimento1,2,3,4,5,6,7,8,9. SiC tem duas estruturas cristalinas diferentes β-SiC e α-SiC com mais de 180 politipos. O politipo 3C com estrutura cúbica é conhecido como β-SiC e outros politipos (Hexagonal e Romboédrico) são conhecidos como α-SiC. 6H, 4H e 2H são os politipos α-SiC mais comuns. Em altas temperaturas, o β-SiC (3C) é instável e se transforma em α-SiC (6H/4H), levando a um aumento no comprimento de grão8,10,11. Outra aplicação importante do SiC é seu uso como agente de siliconização e carburação na metalurgia do ferro e do aço. No entanto, as aplicações do SiC devido à sua baixa tenacidade à fratura e baixa sinterização são limitadas e, portanto, muitos estudos já foram realizados nesta área11,12,13,14,15,16.

Aditivos e altas temperaturas são necessários para a sinterização do SiC11,17. Dependendo do tipo e quantidade de aditivo, a cerâmica SiC pode ser compactada por sinterização no estado sólido ou líquido18,19,20,21,22,23,24. A sinterização em estado sólido geralmente requer uma temperatura de sinterização acima de 2100 °C25,26,27. Os aditivos de sinterização atingem alta densidade reduzindo a energia do contorno de grão e reagindo com a sílica remanescente nas superfícies das partículas de SiC9,11. Em contraste, o processo de sinterização em estado líquido realizado em temperaturas entre 1850 e 2000 °C degrada algumas propriedades, como a tenacidade à fratura em alta temperatura28,29,30,31,32,33,34,35,36. Nos últimos anos, o uso da nanotecnologia para melhorar as propriedades das cerâmicas de SiC vem chamando a atenção. Nesse sentido, o uso de nanopartículas como reforço em comparação com as de tamanho micro resultou em propriedades mais perceptíveis37,38.