Processamento de compósitos cerâmicos de titanato de alumínio/alumina de alta temperatura de fontes limpas

Jun 21, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 5957 (2022) Citar este artigo

1451 Acessos

3 Citações

Detalhes das métricas

Produzir novos materiais tecnológicos com alto desempenho a partir de fontes limpas tornou-se uma exigência mundial. Compósitos de titanato de alumina/alumínio (Al2O3/Al2TiO5) são materiais portentosos de alta temperatura usados ​​em várias aplicações avançadas. Neste trabalho, diferentes compósitos Al2O3/Al2TiO5 foram obtidos com altas propriedades térmicas e mecânicas para aplicações em altas temperaturas por um processo de baixo custo. Os compósitos visados ​​foram produzidos a partir de alumina calcinada e minério rutílico extraído das areias negras egípcias por sinterização sem pressão a uma temperatura de 1650 °C/2 h. O rutilo foi adicionado à alumina com um teor diferente (0-40% em peso) para promover sua sinterabilidade e resposta termomecânica. A avaliação dos compósitos produzidos em termos de composição de fase, densificação, características microestruturais, propriedades mecânicas e térmicas foi investigada. Os resultados indicaram que a adição de pequenas quantidades de rutilo (10 e 20% em peso) conseguiu formar uma estrutura estável do compósito Al2O3/Al2TiO5. No entanto, o maior teor de rutilo levou à formação de compósitos de matriz rica em Al2TiO5. Além disso, compósitos altamente densos com microestrutura harmônica e maior resistência mecânica foram obtidos com o aumento do teor de rutilo. O compósito com apenas 10% em peso de adição de rutilo apresentou a maior densidade de 3,6 g/cm3 e os maiores valores de resistência ao esmagamento a frio e módulo de ruptura de 488,73 MPa e 106,19 MPa, respectivamente. Notavelmente, a adição de rutilo tem um efeito substancial na promoção das propriedades térmicas e estabilidade térmica dos compósitos obtidos até uma alta temperatura de 1400 °C. O presente estudo mostra que a adição de minério de rutilo à alumina é uma forma econômica de melhorar a densificação e a expansão térmica do Al2O3 para aplicações em altas temperaturas. O uso de uma fonte limpa, como minério de rutilo que contém alguns estabilizadores térmicos como Fe2O3, Al2O3, SiO2, ZrO2 e MgO, em vez de TiO2 puro, desempenhou um papel notável na melhoria da sinterização da reação e resultou em um material altamente qualificado. Assim, os compósitos Al2O3/Al2TiO5 sinterizados podem ser considerados como um material promissor de alta temperatura para aplicações avançadas.

Hoje em dia, com o desenvolvimento contínuo dos diferentes setores da indústria, o processamento de materiais avançados de alta temperatura tornou-se uma necessidade urgente. Foi estabelecido que materiais de alta temperatura são aqueles que suportam ambientes de temperatura na faixa de 500–600 °C1,2,3,4. Assim, os materiais cerâmicos e refratários foram considerados os candidatos mais promissores para aplicações em altas temperaturas. Verificou-se também que a adequação e sustentabilidade dos materiais para aplicações de alta temperatura dependia de seu desempenho térmico e mecânico de alta temperatura, bem como de seus custos de produção. Além disso, do ponto de vista econômico e industrial, uma das questões mais críticas enfrentadas por esses materiais de alta temperatura é a redução de seu custo5. Assim, o principal desafio é obter materiais de alta temperatura com altas propriedades térmicas e mecânicas com baixo custo.

Um dos materiais cerâmicos de alta temperatura mais conhecidos é a alumina (Al2O3, A). É um conhecido material cerâmico estrutural que pode ser amplamente empregado em vários campos de aplicações devido às suas propriedades superiores. Algumas dessas propriedades são alto ponto de fusão, inércia química, boa resistência à corrosão, resistência ao desgaste, dureza, alto isolamento e facilidade de processamento. No entanto, a falha catastrófica da alumina ocorre em um ambiente térmico agudo devido a grandes tensões sofridas pelas variações térmicas. Além disso, apesar da alta resistência mecânica da alumina, sua alta expansão térmica (α20–1000 °C = 8 * 10–6 K−1) e condutividade térmica, limitam sua faixa para algumas aplicações estruturais de alta temperatura6,7,8,9 .