ESTUDO DO PRÉ TRATAMENTO TÉRMICO DE PÓS DE ZIRCÔNIA DOPADA COM MAGNÉSIO OBTIDOS PELO MÉTODO PECHINI

Ricardo Sanson Namur (PIBIC/CNPq-UEPG), Adilson Luiz Chinelatto (Orientador), e-mail: adilson@uepg.br.

Universidade Estadual de Ponta Grossa/Departamento de Engenharia de Materiais /Ponta Grossa, PR.

Área: Engenharias; Sub-área: Engenharia de Materiais e Metalúrgica

Palavras-chave: Método Pechini, Zircônia, Eletrólitos sólidos.

Resumo:

A síntese de pós cerâmicos por meios químicos tem possibilitado a obtenção de pós nanométricos, os quais podem produzir materiais com tamanhos de grãos submicrométricos. Estes materiais com grãos submicrométricos possuem potencial para desenvolver propriedades mecânicas e elétricas superiores aos materiais com grãos micrométricos. A dificuldade durante a sinterização dos pós nanométricos é densificar o material e manter os grãos com tamanhos submicrométricos. A zircônia estabilizada com magnésia é uma cerâmica utilizada na fabricação de sensores de oxigênio. Neste trabalho foram estudados os efeitos do pré tratamento térmico durante a obtenção de pós nanométricos de zircônia estabilizada com magnésia. Os resultados mostraram que os valores de densidade aparente foram influenciados pelo pré tratamento térmico.

Introdução

A investigação da zircônia tem atraído continuamente a atenção de inúmeros cientistas em função de suas excelentes propriedades mecânicas e elétricas, e da ampla aplicação dessa cerâmica avançada. As propriedades elétricas têm sido uma área de grande destaque em inúmeras aplicações como sensores de oxigênio e principalmente, como células a combustível.

A introdução de dopantes na matriz de zircônia é responsável pelo aumento das propriedades mecânicas e elétricas, induzindo ou reprimindo mudanças de estrutura e fases, que para cada caso vão proporcionar uma propriedade diferente.

Um dos dopantes utilizados é o MgO o qual é utilizado na fabricação de sensores de oxigênio, em função da excelente condutividade iônica que o mesmo provoca.

Com o advento da nanotecnologia, diversas técnicas têm sido empregadas com o intuito de obter pós cerâmicos com dimensões nanométricas a partir de processos químicos. A síntese química permite a

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manipulação da matéria ao nível molecular, possibilitando uma boa homogeneidade química. Com a síntese, torna-se possível um melhor controle do tamanho de partícula, de sua forma e da sua distribuição de partículas. Contudo, existem diversos fatores que afetam as propriedades finais dos materiais, tais como a aglomeração das partículas do pó que acabam dificultando a densificação da cerâmica.

Neste trabalho foram estudados os efeitos do pré tratamento térmico durante a obtenção de pós nanométricos de zircônia estabilizada com magnésia.

Materiais e métodos

Os pós foram preparados pelo método Pechini, utilizando os seguintes reagentes: oxicloreto de zircônio octahidratado, nitrato de magnésio, etilenoglicol e o ácido cítrico monohidratado. A composição utilizada foi de 90% em mol de zircônia e 10% em mol de magnésia. O oxicloreto de zircônio e o nitrato de magnésio foram dissolvidos em etilenoglicol, adicionou-se então o ácido cítrico monohidratado e manteve-se sobre agitação e aquecimento a 80ºC, durante meia hora, gerando uma resina.

A partir desta resina foram preparados três pós: o primeiro pó (pó 1) foi tratado termicamente a 300ºC por 90 minutos, macerado e calcinado a 800ºC por 2 horas; o segundo pó (pó 2) foi tratado termicamento a 200ºC por 15 minutos, macerado e calcinado a 800ºC por 2 horas; o terceiro pó foi tratado termicamente a 400ºC por 15 minutos, macerado e calcinado a 800ºC por 2 horas. Todos os pós foram prensados na forma de pastilhas em pressões 90 MPa até 700 MPa.

As pastilhas prensadas foram sinterizadas pelo método “Two-Steps Sintering” com taxa de aquecimento de 10ºC/h até 1550ºC, ficando nesta temperatura por 5 min e então resfriado com uma taxa de 15ºC/h até 1300ºC, sendo mantido nesta temperatura por 2h. As pastilhas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura, por densidade aparente e por porosidade aparente.

Resultados e Discussão

A figura 1 mostra os resultados de porosidade aparente e densidade aparente em função da pressão de compactação. Pode ser observado que a porosidade aparente diminui com o aumento da pressão de compactação e que a densidade aparente aumenta com o aumento da pressão de compactação. Este resultado mostra que o aumento da pressão melhora a compactação e com isto ocorre a melhoria da densidade. Este resultado ocorreu para os 3 pós.

Na figura 2 a) e b) são apresentadas as micrografias eletrônicas de varredura do pó 1 prensado a 700 MPa e sinterizado. Estas micrografias foram feitas de superfícies polidas e atacadas termicamente. Na figura 2 a) é

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possível observar que existem regiões que densificaram cercadas por regiões com muitos poros. Este efeito ocorre, pois os pós obtidos pelo método Pechini formam agregados, os quais densificam, entretanto, os poros entre estes agregados são difíceis de serem eliminados, gerando esta região porosa. Na figura 2 b) pode ser observado que as regiões formadas pelos aglomerados densificaram e geraram grãos com tamanho menor que 1 µm. Este efeito foi observados nos 3 pós.

Figura 1 – Medidas de porosidade aparente (a) e densidade aparente (b) em função da pressão de compactação medidos para o pó 1.

Figura 2 – Microscopia eletrônica de varredura do pó 1 sinterizado feita em superfície polida e atacada. Na figura a) a barra de aumento é de 50 µm, na figura b) a barra de aumento é

de 500 nm.

Na tabela 1 são apresentados os dados de densidade aparente para os 3 pós, obtidos para as pressões de compactação de 700 MPa. Pode ser observado uma pequena variação dos resultados, sendo que o melhor valor de densidade foi obtido para o pó 2. Isto pode ser devido a menor temperatura utilizada para o tratamento térmico antes da calcinação.

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Tabela 1 – Valores de densidade aparente dos pós compactados a 700MPa obtidos para cada pó.

Pó 1 Pó 2 Pó 3 Densidade Aparente

5,3 g/cm³ 5,6 g/cm³ 5,5 g/cm³

Conclusões

As condições de pré tratamento térmico dos pós de zircônia dopada com magnésia obtidos pelo método Pechini alteram os valores de densidade aparente e porosidade aparente.

O melhor resultado de densidade aparente foi obtido para o pó 2, mostrando que o pré tratamento térmico influencia os valores de densidade aparente.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq, pela bolsa concedida.

Referências

1. ZHANG, Y.; ANG, L.; YAN, Z.; XU, G.; LIAO, C.; YAN, C., (ZrO2)0.85(REO1.5)0.15 (RE=Sc, Y) solid solutions prepared via three Pechini-type gel routes: 1 - gel formation and calcination behaviors, Journal of Solid State Chemistry n. 171, p. 434-438, 2003.

2. ZHANG, Y.; ANG, L.; YAN, Z.; XU, G.; LIAO, C.; YAN, C., (ZrO2)0.85(REO1.5)0.15 (RE=Sc, Y) solid solutions prepared via three Pechini-type gel routes: 2 - sintering and electrical properties, Journal of Solid State Chemistry n. 171, p. 439-443, 2003.

3. Laberty-Robert, Ch.; Ansart, F.; Deloget, C.; Gaudon, M.; Rousset A. Powder synthesis of nanocrystalline ZrO2–8%Y2O3 via apolymerization route , Materials Research Bulletin, n.36, p. 2083-2101, 2001.

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