Sinterização alternativa de cerâmicos por flash: um caso de estudo em alumina e estruturas de alumina

Abstract

A problemática da sustentabilidade está atualmente na agenda de qualquer organização, incluindo, na indústria. O desenvolvimento de processos que reduzam as emissões de CO2, ou seja, que levem à descarbonização, e a redução do desperdício são objetivos globais. Um exemplo de sector industrial com interesse e potencial para a descarbonização é a produção de cerâmica. No processo de fabrico de uma peça cerâmica, aproximadamente 60% do consumo energética está associada às etapas de secagem e cozedura das peças. Este é precisamente o caso da porcelana. Assim sendo, o desenvolvimento de técnicas de cozedura (ou sinterização) alternativas e mais sustentáveis, apesar de muito desafiante, é imperativo. A sinterização por FLASH, surge como alternativa ao processo convencional de cozedura, e é uma técnica que possibilita a redução de tempos e temperaturas de sinterização. Esta redução é possível devido ao efeito combinado de um campo elétrico e de uma corrente elétrica diretamente aplicados nos materiais a densificar. A aplicação de uma corrente a um material cerâmico, gera calor por efeito de Joule, o que, associado a um movimento acelerado de espécies condutoras, leva à densificação das peças em poucos segundos. Neste trabalho, estuda-se a sinterização por FLASH de alumina. A alumina é um cerâmico técnico bastante utilizado, sendo as elevadas temperaturas de cozedura entraves à sua produção sustentável. A aplicação da tecnologia de FLASH a um cerâmico como a alumina apresenta diversos desafios, sendo o primeiro o elevado caracter resistivo deste material. Assim sendo, neste trabalho estuda-se a aplicabilidade da sinterização por FLASH em diferentes compósitos de alumina com um elemento condutor responsável pela passagem de corrente elétrica no compacto. Para tal, testaram-se diferentes variáveis como o material condutor a utilizar, o método de mistura, atmosferas de sinterização e o campo elétrico inicial aplicado. Verificou-se que a intensidade do campo elétrico inicialmente aplicado tem um forte impacto na densidade final dos cerâmicos. De notar que, pela primeira vez, foi possível sinterizar alumina à temperatura ambiente, recorrendo a um campo elétrico inicial de 80 V/cm, uma densidade de corrente de 50 mA/mm2 por um período de 25min, obtendo-se uma densificação final de 85%. Atmosferas de árgon e ar, demonstraram um papel crucial no FLASH, bem como na liberação da grafite da amostra final de alumina.

Nowadays, the industry worldwide is increasingly focused on such sustainability issues as decarbonization and reduction of waste, having a particular interest in the development of manufacturing processes with diminished CO2 emission. The ceramic manufacturing is exactly one of these industries, aimed at a reduction in the use of natural resources. Approximately 60% of its energy budget is associated with the sintering of ceramic materials, including porcelain. Therefore, the development of alternative and more sustainable sintering techniques, although very challenging, is imperative and will lead to a milestone in this industry. FLASH sintering emerges as an alternative to the conventional sintering process in ceramics. It is an innovative technique that allows the reduction of sintering time and temperature due to the combined effect of an electric field and current that generates heat by Joule effect leading to the densification of the ceramic body at reduced thermal budget. However, it is hard to be employed for such materials as a This work has a high interest for the ceramic industry, considering the novelty it represents, with no literature on it. Alumina due to its insulating character and high temperatures required in conventional sintering. In this work the applicability of FLASH sintering has been proven, studying different alumina structures mixed with a conductive element responsible for the passage of electric current in the compact. Besides the conductive material, such variables as the mixing method, sintering atmospheres and the electric field were tested. The intensity of the initially applied electric field was found to have an important impact on the final ceramic density. Alumina with the relative density of 85% was obtained, for the first time, at room temperature by initial addition of graphite and application of 80 V/cm electric field and a current density of 50 mA/mm2 for a period of time 25min. Argon and air working atmospheres have also demonstrated a crucial role in the FLASH sintering process as well as in the graphite release from the final alumina ceramics.