Espumas de alumínio reforçadas com nanotubos de carbono

Abstract

Este trabalho procurou potenciar as propriedades das espumas metálicas, já de si interessantes, através da incorporação de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) uniformemente distribuídos na matriz metálica, de modo a obter uma nova geração de materiais porosos com propriedades extraordinárias. As espumas metálicas de estrutura porosa fechada e leve são materiais com potencialidades de serem usados na produção de componentes estruturais ultraleves para aplicações industriais relacionadas com absorção de energia e amortecimento sonoro, em particular para as indústrias automóvel e aeroespacial. A incorporação de pequenas quantidades de MWCNTs e a sua distribuição uniforme na matriz metálica através de um processo inovador que combina o método de Pulverotecnologia com o processamento coloidal, permitiu melhorar as propriedades das espumas compósitas, quando comparadas com as espumas de alumínio tradicionais. O novo método de produção de espumas metálicas reforçadas com MWCNTs supera as limitações das escassas tentativas até agora feitas para alcançar este objectivo. Neste trabalho utilizaram-se pós de uma liga de alumínio (AISil2), como matriz, de hidreto de titânio (TiH*), como agente expansor, e MWCNTs funcionalizados com o grupo carboxilo -COOH. Todos os componentes foram caracterizados por recurso a diversas técnicas (DRX, ATDIATG, SEM, EDX, entre outras). Os MWCNTs foram dispersos em meio aquoso com a ajuda de um dispersante adequado (Nanosperse AQ), sob agitação mecânica e ultra-sónica. Os pós de AISil2 e TiH2 foram dispersos em outra suspensão aquosa e depois adicionados a suspensão de MWCNTs. A mistura coloidal resultante foi homogeneizada e posteriormente usada para a obtenção de grânulos por aspersão sobre azoto líquido seguida de liofilização (Freeze granulation). Este método permite preservar o elevado grau de homogeneidade conseguido na mistura coloidal. Os grânulos assim obtidos foram prensados a quente (400°C) sob uma carga aplicada de de 20 ton para obter corpos de prova do material precursor (diâmetro: 30 mm, altura: 5 mm) de boa qualidade para a produção de espumas de alumínio reforçadas com nanotubos de carbono. Através de medidas de microdureza verificou-se que esta propriedade aumentou de 60.08k5.18 HV (espumas de AISil2 sem nanotubos) para 93.4k19.30 HV (atingindo valores de 135 HV), no caso das novas espumas reforçadas com MWCNTs.

This study sought to further enhance the already fascinating properties of metallic foams by incorporating multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) uniformly distributed in the metal matrix to obtain a new generation of porous materials with extraordinary properties. The metallic lightweight foams with a closed porous structure are materials with potential to be used in the production of ultra-light aircraft structural components for industrial applications related to energy absorption and sound-damping, particularly in the automotive and aerospace industries. The incorporation of small amounts of MWCNTs and their uniform distribution in the metallic matrix by an innovative process that combines the Powder Metallurgy method with colloidal processing enabled to improve the properties of composite foams in comparison to current aluminum foams. The new method of producing metal foams reinforced with MWCNTs overcomes the limitations of the few attempts made so far to achieve this goal. This work was done using powder of an aluminum alloy (AISi12), as matrix, titanium hydride (TiH2) as blowing agent, and MWCNTs functionalized with the carboxyl group -COOH. All components were characterized by using different techniques (XRD, DTA 1 TGA, SEM, EDS, etc.). The MWCNTs were dispersed in aqueous medium with the aid of a suitable dispersant (Nanosperse AQ) under mechanical and ultrasonic stirring. The powders of AISil2 and TiH2 were dispersed in another aqueous suspension and then added to the suspension of MWCNTs. The resulting colloidal mixture was homogenized and subsequently used to obtain granules by Freeze granulation (spraying into liquid nitrogen followed by lyophilization). This method allows preserving the high degree of homogeneity achieved in the colloidal mixture. The granules thus obtained were hot pressed (400°C) under an applied load of 20 tons to obtain test samples of the precursor material (diameter: 30 mm, height: 5 mm) of good quality for the production of aluminum foams reinforced with carbon nanotubes. Microhardness measurements revealed that this property has increased from 60.08k5.18 HV (foams AISil2 without nanotubes) to 93.4119.30 HV (with some values reaching 135 HV), in the case of new foams reinforced with MWCNTs.