blog

Oct 04, 2023

Alta resistência à flexão a 1800 °C superior a 1 GPa em TiB2

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6915 (2023) Citar este artigo

306 acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

Compósito cerâmico de alta densidade (99,5%) composto de boreto de titânio e carboneto de boro (70/30 vol%) foi obtido por sinterização por faísca de plasma e testado por flexão em 3 pontos em atmosfera de Ar a 1800 °C. A resistência à flexão foi alta, em torno de 1,1 GPa. A curva resistência-deformação apresenta uma forma peculiar composta por três regiões onde estão ativas deformações elásticas e plásticas com pesos diferentes. Com base em observações de microscopia eletrônica de transmissão, propomos um processo de absorção de energia mecânica conduzido por tensão de cisalhamento nos cristais de carboneto de boro: empilhamento de falhas com (1-11) e (011) planos de empilhamento e gêmeos com (1-11) plano de geminação rearranjados em nano-gêmeos com (10-1) planos de geminação, ortogonais mas equivalentes aos iniciais. Este mecanismo de rearranjo fornece em primeira instância uma assinatura plástica, mas contribui ainda mais para o fortalecimento.

Os avanços tecnológicos em domínios estratégicos, como energia nuclear e indústrias aeroespaciais, estão principalmente relacionados à engenharia de materiais funcionais avançados inovadores1. Tais materiais para condições extremas devem ser capazes de resistir a temperaturas muito altas, possuir alta dureza, tenacidade e, idealmente, uma boa condutividade térmica, elétrica e estabilidade química. Todos os recursos mencionados acima devem ocorrer simultaneamente. Além disso, a produção desses materiais deve ser barata, rápida e escalável2.

Apenas algumas famílias de materiais3 atendem ao conjunto específico e restrito de requisitos mencionados acima. Entre eles estão metais refratários (por exemplo, W e Mo), óxidos (ZrO2 e MgO), boretos (TiB2 e TaB)4, carbonetos (TaC, ZrC e TiC) ou nitretos (TaN e HfN). Em geral, à temperatura ambiente, os metais são dúcteis e sofrem deformação plástica, enquanto as cerâmicas são frágeis, duras e deformam-se elasticamente. No entanto, totalmente inesperado, pode ocorrer um comportamento de deformação acompanhado de mecanismos físicos incomuns de deformação. Por exemplo, algumas cerâmicas como carboneto de tântalo (TaC), boreto de háfnio (HfB2) e carboneto de boro (denotado BC) são capazes de acomodar em altas temperaturas deformação plástica semelhante a metais devido, por exemplo, à dinâmica de defeitos cristalográficos5,6,7, 8. Sob carga mecânica, a interação entre as propriedades intrínsecas do material (química do cristal e defeitos) e a microestrutura em escala nano e micro (tamanho, distribuição, forma e limites de grão) pode promover novos mecanismos físicos de relaxamento de energia. Esses mecanismos resultam nos perfis peculiares das curvas tensão x deformação. Além disso, é sabido que é preciso considerar as condições de aplicação da carga (por exemplo, tipo de carga, taxa de aplicação e ângulo), tamanho e forma da amostra.

Nos últimos anos tem havido um grande interesse em cerâmica TiB2 e compósitos reforçados com, por exemplo, B4C e SiC9,10,11,12,13,14,15. Essas cerâmicas são investigadas por testes de flexão geralmente à temperatura ambiente. Em geral, dependendo do tamanho do grão, reforço e microestrutura do compósito considerando também os defeitos, a resistência à flexão à temperatura ambiente atinge valores de 600 a 900 MPa. Mecanismos macroscópicos de fratura estão relacionados com a formação e desenvolvimento de trincas, sendo esses mecanismos típicos de cerâmicas frágeis. Dentre eles, a literatura aponta o endurecimento de microfissuras interfaciais devido a diferenças nos coeficientes de expansão térmica dos componentes do compósito, deflexão das trincas, clivagem e intensificação da fratura intergranular14. Um número muito menor de estudos sobre as propriedades mecânicas desses materiais em altas temperaturas foi relatado. Na ref.9 são revisados ​​trabalhos que apresentam resistência à flexão em altas temperaturas do TiB2. Aprendemos que os valores de resistência à flexão também não excedem 1GPa, embora uma tendência de aumento com o aumento da temperatura do teste seja notável e mereça atenção. Foi recentemente relatado que a resistência à flexão do compósito TiB2-B4C atinge valores ultraaltos de até 8,4 GPa a 2000 °C16. Esses valores excedem significativamente o limite de 1GPa para resistência à flexão à temperatura ambiente.