Preparação de cerâmicos de YSZ tricamada porosa/densa/porosa com porosidade ajustável

Abstract

O trabalho realizado tem como principal objectivo obter cerâmicos tricamada porosa/densa/porosa de YSZ (sigla inglesa para Yttria-Stabilized Zirconia), com micro e macroporosidade de geometria ajustável, recorrendo a réplicas de materiais orgânicos fibrosos e particulados, bem como obter células electroquímicas de alta temperatura por inflitração de soluções de precursores adequados nas camadas porosas de YSZ. Recorreu-se a várias técnicas de caracterização tais como o cálculo de densidades aparentes pela relação volume:massa e pela espessura das diferentes camadas, Método de Arquimedes, Microscopia Electrónica de Varrimento, Análises Térmicas de ATD/TG e Difracção de Raios X. Foram estudadas diversas variáveis nomeadamente, escolha e selecção de agentes porogéneos – fibrosos e particulados –, composição da mistura que dará origem às camadas porosas, isto é, equilíbrio entre o volume incorporado de agente porogéneo e de pó cerâmico, bem como a relação entre o agente fibroso e o particulado; testes para seleccionar entre o ciclo de sinterização convencional e o ciclo de sinterização em duas etapas e eventuais melhorias no processamento cerâmico. Os agentes porogéneos seleccionados foram as fibras de celulose enquanto agente fibroso, e amido de milho enquanto agente particulado. Relativamente à composição, veio a provar-se dos testes efectuados que aquela que mais se adequa e melhores resultados apresentou apresenta 70% de agente porogéneo e 30% de pó cerâmico, 3-YSZ. Quanto à relação entre os dois agentes porogéneos na mistura, veio a evidenciar-se a necessidade de incorporar uma quantidade substancialmente maior de fibras de celulose, 70 - 80% e, 20 a 30% de amido de milho. A co-sinterização de multicamadas cerâmicas, com e sem agentes porogéneos, recorrendo a ciclos em duas etapas permitiu obter estruturas multicamada densa-porosa em que as camadas porosas apresentam, num corpo mecanicamente estável, simultaneamente macroporosidade e nanoporosidade, enquanto que as camadas densas apresentam níveis de densificação superiores a 95%.

ABSTRACT: The main goal of this work was to obtain triple-layered ceramics porous/dense/porous of YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia), with micro and macroporosity of adjustable geometry, using fibrous and particles organic materials, as also obtain high temperature electrochemical cells by impregnation of appropriate precursors solutions on the porous layers of YSZ. Several characterization techniques were used in particular the determination of the apparent density by the relationship between volume:mass and the thickness of the different layer, Archimedes’s Method, Scanning Electronic Microscopy, Thermal Analysis of DTA/TG and X Ray Diffraction. Several variables were studied like the choice and selection of the materials – fibrous and particulate – in order to create porosity; composition of the mixture that will become the porous layers, the relation between organic elements and ceramic powder, as well as the combination between the fibrous and particulate agent; selection of the best sintering cycle – conventional cycle or two step sintering cycle –, and also improvements in ceramic processing. The organic materials selected were cellulose fibers as fibrous element, and corn starch as particulate element. About the composition, the results showed that the best was 70% of porous former element, and 30% of ceramic powder, 3-YSZ. The relation between the two organic elements was 75% in volume for cellulose fibers, and 25% for corn starch. The results showed that it was necessary to incorporate much more volume of fibers than starch. The sintering of ceramic, with and without porous former, in two steps seems to offer better results in densification of dense layers, and also The co-sintering of multilayer ceramics, with and without pore formers, using cycles in two steps, allow to obtain dense-porous multilayered structures, where porous layers were mechanically stable, with macro- and nanoporosity, while the dense layers present levels of densification above 95%.