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

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 5957 (2022) Citar este artigo

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Produzir novos materiais tecnológicos com alto desempenho a partir de fontes limpas tornou-se uma exigência global. Os compósitos de alumina/titanato de alumínio (Al2O3/Al2TiO5) são materiais portentosos de alta temperatura usados ​​em diversas aplicações avançadas. Neste trabalho foram obtidos diferentes compósitos Al2O3/Al2TiO5 com elevadas propriedades térmicas e mecânicas para aplicações em altas temperaturas por um processo de baixo custo. Os compósitos alvo foram produzidos a partir de alumina calcinada e minério de rutilo 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 fases, 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 composta Al2O3/Al2TiO5 estável. 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 da estabilidade térmica dos compósitos obtidos até uma temperatura elevada 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 expansão térmica do Al2O3 para aplicações em altas temperaturas. O uso de uma fonte limpa como o 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 reação de sinterização e resultou em um material altamente qualificado. Assim, os compósitos sinterizados de Al2O3/Al2TiO5 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 em 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, materiais cerâmicos e refratários foram considerados os candidatos mais promissores para aplicações em altas temperaturas. Verificou-se também que a adequação e a sustentabilidade dos materiais para aplicações a altas temperaturas dependiam do seu desempenho térmico e mecânico a altas temperaturas, bem como dos seus custos de produção. Além disso, do ponto de vista económico e industrial, um dos problemas mais críticos enfrentados por estes materiais de alta temperatura é a diminuição do seu custo5. Assim, o principal desafio é a obtenção de materiais de alta temperatura, com elevadas propriedades térmicas e mecânicas e com baixo custo.

Um dos materiais cerâmicos de alta temperatura mais conhecidos é a alumina (Al2O3, A). É um material cerâmico estrutural bem conhecido que pode ser amplamente utilizado em diversos campos de aplicação 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 sofisticadas em relação às 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 seu alcance para algumas aplicações estruturais de alta temperatura6,7,8,9 .