materiais cerâmicos para altas temperaturas - guilherme lenz - pmt poli usp
DESCRIPTION
Palestra: Graduação USPTRANSCRIPT
![Page 1: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/1.jpg)
Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas
- “Non-Oxide Ceramics”
PMT-POLI / USP
LM2C2
- “Non-Oxide Ceramics”
Aula extra
Prof. Dr. Guilherme F. B. Lenz e Silva
PMT-POLI/USP
Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
LM2C2 – Laboratório de Moagem de Alta Energia, Materiais de
Carbono e Compósitos para Altas Temperaturas – PMT-POLI/USPM2 C2
L
![Page 2: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/2.jpg)
Materiais para altas temperas
• Metais e elementos de alto ponto de fusão
( boro, C, tungstênio, etc.)
• Aços e ligas especiais
• Óxidos
• Carbetos, boretos, silicetos e nitretos:
“Non-oxide ceramics”Compósitos:
CMM: compósitos de matriz metálicaCMM: compósitos de matriz metálicaCMC: compósitos de matriz cerâmica
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 3: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/3.jpg)
http://www.keramverband.de/brevier_engl/5/5_2.htm
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 4: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/4.jpg)
Seleção para aplicações em altas temperaturas
• Propriedades mecânicas: limite de resistência, creep, fragilização à quente, resistência ao choque térmico, etc.
• Propriedades químicas: resistência à oxidação, • Propriedades químicas: resistência à oxidação, vapor de água, nitrogênio, etc.
• Propriedades físicas: temperatura de fusão, densidade, etc.
• Disponibilidade & Custo
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 5: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/5.jpg)
Mechanical
tribology PhysicalChemical
corrosion
FUNCTIONAL MATERIALSSTRUCTURAL MATERIALS
Metals and Alloys
PolymersCeramics and Glasses
Steel-cord tyres
CFRP GFRP
Filled polymers
Wire-reinforced cementCermetsMMCs
Composites
MATERIAL
tribologyfatigueKIC
σy
UTSE
Thermal
αKHTm
TTransition
Environmental
recyclingenergy consumptionwaste
Other
feellook
Physical
opticalmagneticelectrical
corrosionoxidation
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 6: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/6.jpg)
Seleção de Materiais
![Page 7: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/7.jpg)
Metais x Cerâmicas
Oxide dispersion strengthened (ODS) alloys: Ligas de níquel, Fe-Al-Cr e ligas de platina
Lingotes de ligas ODS
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 8: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/8.jpg)
Fórmula Nome Ponto
fusão (oC)
Estutura
Al2O3 Alumina 2015 Trigonal
Al 660 CFC
Al4C3 2200(decomp. 1400 oC)
Romb.
AlB2 e AlB12 1655 Hexagonal
AlN 2200 Hexagonal
MgO Magnésia 2800 Cúbica
Mg Magnésio 650 Hexagonal
Fórmula Nome Ponto fusão
(oC)
Estutura
ZrO22715 monoclínico
Zr 1852 HCC
ZrC 3532 cúbico
ZrB23246 Hexagonal
ZrN 2980 cúbico
C 3500 Hexagonal
B 2076 α,β,γ,Τ
B O 450~510 Trigonal e Mg2C3 ???? Instável
MgB2 ~800 Hexagonal
Mg3N2 ~1500 -
SiO2 1713 Cristob.
Si Silício 1410 Cúbico
SiC Carbeto de silício
2730 polimorfismo
SiB6 e SiB4 ???? -
Si3N4 1900 Decomp.
B2O3 450~510 Trigonal e monoclínico
Nb 2468 CCC
Nb2O5 1460 Monoclínico
Th 1842 CFC
ThO2 3050 Cúbico
W 3410 CCC
WO2 1700decompõe
Monoclínico
WO3 1473 Monoclínico
![Page 9: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/9.jpg)
Seleção:
- Estabilidade química ( oxigênio, água, vapores ácidos, enxofre, etc.)- Ponto de fusão- Produtos da oxidação/corrosão- Estabilidade térmica, etc.
[O] óxidos
Al4C3 - carbeto de alumínio
Instável:
Al2O3
AlSi2
Al
[C] carbetos
[N] nitretos[B] boretos
[Si] silicetosInstável:
Al4C3 + H2O – Al(OH)3 + CH4
AlN
“cooler” circular de AlN
AlB2 e AlB12
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 10: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/10.jpg)
Rotas de síntese
http://www.morgantechnicalceramics.com/products-materials/process-animations
![Page 11: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/11.jpg)
Principais fornecedores
•
http://www.ceradyne.com/materials/materials.aspx
![Page 12: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/12.jpg)
Algumas propriedades comparativas ...
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 13: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/13.jpg)
Carbetos
• Tipos de carbetos:
Covalentes: pouca diferença de eletronegatividade
Intersticiais: grande diferença de eletronegatividade, dimensão atômica
Ex: B, Si
Ex: Ti, V, Cr (exceção), Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Weletronegatividade, dimensão atômica
adequada a formação de compostos intersticiais
Intermetálicos: normalmente instáveis e hidrolisáveis (água ou ácido diluídos)
- Grupo VI a VIII:
Iônicos “salt like” : Grupos I, II e III: altos pontos de fusão, hidrolisáveis
Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
Ex: Fe, Co, Ni ...
Ex: CaC2, Al4C3, Be2C,
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 14: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/14.jpg)
Formação de carbetos
• Diferença de eletronegatividade
• Regra de Häag
Covalentes
Intersticiais
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 15: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/15.jpg)
Carbetos intersticiais
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 16: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/16.jpg)
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 17: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/17.jpg)
Carbetos Covalentes: SiC e B4C
a) Carbeto de boro
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 18: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/18.jpg)
Carbeto de silício
(α)6H-SiC4H-SiC
(β)3C-SiC
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 19: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/19.jpg)
http://www.lspceramics.com/Silicon_Carbide_Brochure.pdf
![Page 20: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/20.jpg)
SiCp = 35 bar.
Scace & Slack
http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC/thermal.html
SiC
Melting point3C-SiC 3103 (40) K
p = 35 bar.Peritectic decomposition temperature
Scace & Slack (1960)
4H-SiC 3103 ± 40 K at 35 atmTairov & Tsvetkov (1988)
6H-SiC 3103 ± 40 Kat 35 atm. see also Phase diagram
Tairov & Tsvetkov(1988)
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 21: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/21.jpg)
Propriedades mecânicas
HMPC: High melting point
compounds (nanostructured)
τ (%): porosidade
L (nm): tamanho do grão
Microdureza Vickers (Hv)Microdureza Vickers (Hv)
Tenacidade a fratura KIC
![Page 22: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/22.jpg)
Processo Acheson
Principais processos:
• Acheson;
• Lely (1955)
- Lely modificado
• Crescimento Epitaxial
1859-1931
https://www.ifm.liu.se/semicond/new_page/research/sic/Chapter3.html
• Crescimento Epitaxial
- Feixe molecular
- CVD
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 23: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/23.jpg)
Fluxo de produção de SiC
Gest. Prod. vol.12 no.1 São Carlos Jan./Apr. 2005
http://www.treibacher.com.br Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 24: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/24.jpg)
Carbeto de boro
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 25: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/25.jpg)
Aplicações: proteção balística
Ceralloy® 546 Boron Carbide is the lightest technical ceramic material (2.5 g/cm³) as well as the hardest (second only to diamond). This fully dense boron carbide is produced by hot pressing and is characterized as follows:
•Light Weight •High Hardness •High Hardness •Erosion Resistance •High Modulus •Neutron Absorber
Ceralloy® 546 Boron Carbide is used for the following applications:
http://www.ceradyne.com/materials/boron-carbide.aspx
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 26: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/26.jpg)
B4C
Difícil
Demorado
Caro
![Page 27: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/27.jpg)
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 28: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/28.jpg)
CaB6
Boretos refratários : TiB2, ZrB2, HfB2, CrB2, MoB2
Boretos
28
AlB2
Supercondutor
Their crystal structure and chemical bonding depend strongly on the metal element M and on its atomic ratio to boron. When B/M ratio exceeds 12, boron atoms form B12 icosahedra which are linked into a three-dimensional boron framework, and the metal atoms reside in the voids of this framework. Those icosahedra are basic structural units of most allotropes of boron and boron-rich rare-earth borides. In such borides, metal atoms donate electrons to the boron polyhedra, and thus these compounds are regarded as electron-deficient solids.
![Page 29: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/29.jpg)
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 30: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/30.jpg)
•One of the main reactions for industrial production is:6
CaO + 3 B2O3 + 10 Mg → CaB6 + 10 MgO
Other methods of producing CaB6 powder include:•Direct reaction of calcium or calcium oxide and boron at 1000°C;
Ca + 6B → CaB6
•Reacting Ca(OH)2 with boron in vacuum at about 1700 °C ( carbothermalreduction);11
Síntese de hexaboreto de cálcio
reduction);11
Ca(OH)2 +7B → CaB6 + BO(g) + H2O(g)
•Reacting calcium carbonate with boron carbide in vacuum at above 1400 °C (carbothermal reduction)
•Reacting of CaO and H3BO3 and Mg to 1100°C. 5
•Low-temperature (500 °C) synthesisCaCl2 + 6NaBH4 → CaB6 + 2NaCl + 12H2 + 4Na
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 31: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/31.jpg)
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 32: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/32.jpg)
Silicetos
• Exemplo: Super Kanthal
• Dissiliceto de molibdênio
Silicetos refratários: MoSi2, WSi2, Cr3Si2
Application Properties
Heating elements air furnaces
Gas burner
Diesel engine glow plugs
Molten metal lances
Aerospace gas turbine engines blade outer seal
•High melting point 2030 C
•Excellent oxidation resistance
•Moderate density 6.24 g cm-3
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 33: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/33.jpg)
http://www.caret.hokudai.ac.jp/labo/hightemp-e.html
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 34: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/34.jpg)
Nitretos
Nitretos Refratários:
Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, B, Al, Si.
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 35: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/35.jpg)
AlN
TiN
�High melting point�High strength �Wear resistance �High electric conductivity
�Coating material�Cermet material�High heat resistance�Decorative purposes
ApplicationApplicationPropertiesProperties
�High thermal conductivity�Excellent electrical isolation
PropertiesProperties
�Electronic substrate
ApplicationApplication
TiAlN
�Excellent electrical isolation�High heat resistance�High-corrosion resistance
�Power device�Heatsink
�Coating material�Mold tool�Optical apparatus
ApplicationApplication
�High vickers hardness (TiAlN>TiN)�High oxidation onset temperature�High-corrosion resistance
Powder colorPurple / Broun
Vickers hardness 2800 HV
Oxidation temperature
788゜C
Frictional coefficient 0.8
PropertiesProperties
![Page 36: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/36.jpg)
Nitreto de alumínio
Microestrutura donitreto de alumínio
![Page 37: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/37.jpg)
Nitreto de silício
trigonal α-Si3N4.
Nitreto de silício sintereizado sob
hexagonal β-Si3N4
cubic aγ-Si3N4
Si3N4 bearing parts
Nitreto de silício sintereizado sob alta pressão de nitrogênio (100 Bar)
Prof. Dr. Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
![Page 38: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/38.jpg)
Processamento e aplicações: nitreto de silício
Exemplo de Aplicações
![Page 39: Materiais Cerâmicos para Altas Temperaturas - Guilherme Lenz - PMT POLI USP](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022081716/5501603b4a7959c51e8b4e74/html5/thumbnails/39.jpg)
PMT-POLI / USP
LM2C2
• Próxima aula ... Compósitos de matriz cerâmica e coatingscerâmicos
Guilherme Frederico B. Lenz e Silva, PMT-POLI/USP
LM2C2 – Laboratório de Moagem de Alta Energia, Materiais de
Carbono e Compósitos para Altas Temperaturas – PMT-POLI/USPM2 C2
L
FIM