Obtenção de compósitos de alumina reforçados com nanopartículas de aluminossilicatos de lítio e niobato de alumínio

Abstract

Na busca por materiais mais resistentes a impactos balísticos as cerâmicas de alumina tem ganhado maior atenção devido a sua relação custo/benefício e suas propriedades mecânicas, entretanto a tenacidade à fratura é uma propriedade inferior quando comparada aos carbetos. Assim, a comunidade científica tem dedicado grandes esforços para aprimorar essa propriedade por meio de novas tecnologias baseadas em alumina. O uso de matrizes de alumina com aditivos para melhorias das propriedades é uma alternativa para ganho da tenacidade à fratura. A fase niobato de alumínio utilizada como aditivo em matrizes de alumina tem potencial tanto para diminuição da temperatura de sinterização, quanto para melhoria das propriedades mecânicas. Já fases de aluminossilicatos de lítio, como a eucriptita e o espodumênio-β, de baixo coeficiente de expansão térmica podem melhorar a tenacidade à fratura da alumina devido à formação de tensões de compressão em torno dos grãos. Neste sentido, o objetivo desta pesquisa foi desenvolver um compósito de alumina com adições das fases de niobato de alumínio, eucriptita e espodumênio-β para melhoria da tenacidade à fratura. A fase nanoestruturada de niobato de alumínio foi obtida via síntese coloidal seguida de reação no estado sólido com tamanhos de partículas de 19 á 32 nm. Já as fases nanoestruturadas de espodumênio-β e eucriptita foram obtidas via síntese coloidal de heterocoagulação seguida de reação em estado sólido com tamanho médio de 24 e 44 nm e CET de 0,52x10-6°C-1 e 0,46x10-6 °C-1, respectivamente. A adição das fases nanoestruturadas diminuiu em até 300 °C a temperatura de sinterização mantendo 95% de densificação. Os compósitos de matriz de alumina foram produzidos pelo método de colagem em moldes de gesso. As formulações analisadas continham adição de 5 %vol. das três fases produzidas, além de uma formulação contendo 95 %vol. de alumina com adição de 2,5 %vol. da fase niobato de alumínio 2,5 %vol. da fase eucriptita e outra contendo 95 %vol. de alumina com adição de 2,5 %vol. da fase niobato de alumínio e 2,5 %vol. da fase espodumênio-β. Todos os compósitos apresentaram diminuição no tamanho de grãos. Os principais resultados mostraram que a adição da fase AlNbO4 promoveu a fratura transgranular e o melhor resultado foi obtido na amostra de alumina com adição de 5 %vol. da fase AlNbO4 sinterizada a 1400 °C com patamar de 35 min. A tenacidade à fratura obteve um ganho de 63%, aumentando de 3,25 MPa·m0,5 para 5,34 MPa·m0,5, módulo de elasticidade de 350 GPa, dureza de 14,2 ± 1,4, mostrando-se a melhor formulação e potencial para uso em proteção balística contra projéteis de calibres típicos de armas de uso pessoal e sugerindo a continuidade dos estudos para validação prática.