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PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 1

TEORIA DA SINTERIZAÇÃO

PMT5783

Samuel Toffoli


SINTERIZAÇÃO – Pressão devida à curvatura


Partículas de látex coalescendo durante a secagem

3

Microscopia TEM: Látex estireno-acrilato de

butila-ácido acrílico produzido em único

estágio.

Agente de contraste: acetato de uranila

Dissertação de Mestrado: José Carlos Rodrigues, PMT-

EPUSP, 2004

Microscopia TEM: Látex estireno-acrilato de

butila-ácido acrílico produzido em único estágio

Agente de contraste: Acetato de uranila + RuO4

Dissertação de Mestrado: José Carlos Rodrigues, PMT-EPUSP,

2004

PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 4 4

14 FACES:

6 faces quadradas

+

8 faces hexagonais

24 VÉRTICES:

2 ângulos de 120º

1 ângulo de 90º

MAS, no “mundo real”:

• Cristais nunca se arranjam direito

• Grãos nunca são do mesmo

tamanho

• Número de faces nas estruturas

com grãos tridimensionais varia de

9 a 18

PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 5 5

Changfa Guo, Yong Hu,

Haisheng Qian, Jiqiang Ning,

Shijie Xu – Magnetite (Fe3O4)

tetrakaidecahedral

microcrystals: Synthesis,

characterization, and micro-

Raman study – Materials

Characterization 62(2011),

148–151.


SINTERIZAÇÃO – Pressão devida à curvatura

Portanto:

Grãos com menos de 6 lados contornos côncavos ( grão tende a encolher)

Grãos com mais de 6 lados contornos convexos ( grão tende a crescer)

(sempre do ponto de vista do centro do grão)


SINTERIZAÇÃO – Definições

• Chiang: sintering refers to the process of firing and consolidating a body

shaped from powder particles

•Richerson*: the densification of a particulate ceramic component is

technically referred to as sintering. Sintering is essentially a removal of the

pores between the starting particles (accompanied by shrinkage of the

component), combined with growth together and strong bonding between

adjacent particles. The following criteria must be met before sintering can

occur:

1. A mechanism for material transport must be present

2. A source of energy to activate and sustain this material transport

must be present

*D.W. Richerson – Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design – Marcel Dekker, Inc., New York, 1992.


SINTERIZAÇÃO – Definições

• Chiang: sintering refers to the process of firing and consolidating a body

shaped from powder particles

• Richerson*: the densification of a particulate ceramic component is

technically referred to as sintering. Sintering is essentially a removal of the

pores between the starting particles (accompanied by shrinkage of the

component), combined with growth together and strong bonding between

adjacent particles. The following criteria must be met before sintering can

occur:

1. A mechanism for material transport must be present

2. A source of energy to activate and sustain this material transport

must be present

*D.W. Richerson – Modern Ceramic Engineering: Properties, Processing, and Use in Design – Marcel Dekker, Inc., New York, 1992.


SINTERIZAÇÃO

SINTERIZAÇÃO EM FASE ÚNICA

(Single Phase Sintering)

Ocorre em 3 estágios, sem distinção clara entre eles:

• Estágio Inicial

• Estágio Intermediário

• Estágio Final

PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais PMT2311 - Cerâmica Física 10

SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO INICIAL


SINTERIZAÇÃO

ESTÁGIO INICIAL

Mecanismos:

1. Fluxo viscoso

2. Difusão no volume ou no reticulado (rede)

3. Evaporação e condensação

4. Difusão na superfície

Características:

• Partículas mantêm identidade

• A estrutura de poros é aberta e interconectada

0 < x/r < 0,3

Centros se aproximam

Retração; Densificação

Centros NÃO se aproximam

Sem Retração; Sem Densificação


SINTERIZAÇÃO ESTÁGIO INICIAL


SINTERIZAÇÃO

tTfr

xm

n

).(

ESTÁGIO INICIAL

Equação de crescimento do pescoço, segundo Kuczynski

Mecanismo n m f(T) Gráfico para verificar

dependência com t

Fluxo viscoso 2 1 Viscosidade t1/2

Evaporação e condensação 3 1 Pressão de vapor t1/3

Difusão na superfície 5 2 Difusividade t2/5

Difusão no volume 5 2 Difusividade t2/5


SINTERIZAÇÃO

ESTÁGIO INTERMEDIÁRIO

Mecanismo único: Difusão

Características:

• Estrutura de poros ainda interconectada, mas cilíndricos.

• Partículas perdem identidade gradativamente

• Densificação

• Crescimento de grão (no final da etapa)

• Quando a porosidade cai para 8%, a rede aberta de poros se torna instável

geometricamente e colapsa para poros esféricos. Quando poros tornam-se

independentes Estágio Final

~ 70 – 90% rteórica


SINTERIZAÇÃO

ESTÁGIO FINAL

Mecanismo único: Difusão

Características:

• Crescimento de grão

• Estrutura de poros fechada

• Poros tendem a tornar-se esféricos

• Lento

• Quando gás fica aprisionado nos poros, solubilidade do gás na matriz

influencia a taxa de eliminação dos poros sinterização em vácuo OU uso

de atmosfera solúvel no material que sinteriza

• Pode ocorrer o fenômeno chamado “crescimento exagerado de grãos”

(afinal de contas, quanto maior o grão, mais rápido ele cresce!!)

Porosidade < 8%

Mas frequentemente desenvolvem lados

curvados – ver discussão mais adiante


SINTERIZAÇÃO


SINTERIZAÇÃO

Representação esquemática dos 3 estágios do processo de sinterização:

a) Particulado; b) 1º Estágio; c) 2º Estágio; d) 3º Estágio

Randall M. German – Fundamentals of

Sintering. In: S.J. Schneider –

Engineered Materials Handbook, Vol.4,

Ceramics and Glasses – ASM

International, 1991

a b

d c


SINTERIZAÇÃO





International, 1991


SINTERIZAÇÃO

COM AUXÍLIO DE FASE LÍQUIDA

(Liquid Phase Sintering)

Formação de líquido a alta temperatura transporte rápido sinterização alta

• Líquido forma-se e flui por entre as partículas

• Líquido elimina interfaces sol-vap

• Alguns poros podem ficar aprisionados no líquido

• O líquido precisa molhar completamente o sólido

• É necessária alguma solubilidade do sólido no líquido


SINTERIZAÇÃO


Ocorre em 3 fases:

• Rearranjo (I):

• Líquido flui e penetra; deslizamento de partículas; reempacotamento;

densificação rápida

• Dissolução-Reprecipitação (II):

• Fase sólida dissolve-se no líquido, quantidade de líquido aumenta até

saturar-se em componente sólido e líquido torna-se transportador de

átomos da fase sólida

• Retração Final (III):

• Estado sólido apenas; crescimento de pescoço; crescimento de grão;

aumento de tamanho do poro.


SINTERIZAÇÃO


II

I

III

t

%rteo


SINTERIZAÇÃO



SINTERIZAÇÃO






International, 1991


EX

EM

PL

OS

de

MIC

RO

ES

TR

UT

UR

AS


S.J. Bennison – Grain Growth. In: S.J.

Schneider – Engineered Materials

Handbook, Vol.4, Ceramics and

Glasses – ASM International, 1991

EX

EM

PL

OS

de

MIC

RO

ES

TR

UT

UR

AS


B.-N. Kim, K. Hiraga, K. Morita, H. Yoshida, Y.

Kagawa – Light scattering in MgO-doped

alumina fabricated by spark plasma sintering –

Acta Materialia 58 (2010) 4527–4535

EX

EM

PL

OS

de

MIC

RO

ES

TR

UT

UR

AS


Porcelana Técnica

EX

EM

PL

OS

de

MIC

RO

ES

TR

UT

UR

AS


SINTERIZAÇÃO

CONSIDERAÇÕES GERAIS

• É difícil conseguir-se 100% de densificação por sinterização, já que diversos

fatores inibem a eliminação total dos poros. Portanto, é sempre importante

manipular a microestrutura inicial do particulado e o ciclo de aquecimento.

• Geralmente a sinterização acontece por uma combinação de mecanismos

• Evitar-se crescimento dos grãos, porque isso diminui a taxa de densificação

• Não se esquecer que a a taxa (velocidade) de densificação diminui ao longo

da sinterização (porque a superfície vai gradativamente reduzindo – força

motriz ↓)


SINTERIZAÇÃO

CONSIDERAÇÕES GERAIS

• Cerâmicas covalentes (ou seja, aquelas em que as ligações entre os átomos

são eminentementes covalentes) são particularmente difíceis de sinterizar,

uma vez que as taxas de difusão nesses materiais são baixíssimas! Ex.: SiC

• Uma alternativa para contornar-se as dificuldades de densificação

(particularmente em cerâmicas difíceis de sinterizar) é o uso de forças

externas durante a sinterização:

• Prensagem a quente (hot pressing)

• Prensagem isostática a quente – HIP (hot isostatic pressing)


SINTERIZAÇÃO – Prensagem a quente

D.W. Richerson – Modern Ceramic

Engineering: Properties, Processing,

and Use in Design – Marcel Dekker,

Inc., New York, 1992.


SINTERIZAÇÃO – Prensagem a quente


SINTERIZAÇÃO – Prensagem isostática a quente

D.W. Richerson – Modern Ceramic

Engineering: Properties, Processing,

and Use in Design – Marcel Dekker,

Inc., New York, 1992.


SINTERIZAÇÃO – Prensagem isostática a quente


SINTERIZAÇÃO

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