Sinterização ultra-rápida de materiais cerâmicos usando radiação laser

Abstract

Nessa comunicação apresentamos nossos primeiros resultados de sinterização ultra-rápida em materiais cerâmicos óxidos usando a radiação de um laser de CO2 como fonte de aquecimento. Os compostos Bi4Ti3O12 (BIT) e Bi4Ge3O12 (BGO) foram sintetizados via reação do estado sólido, conformados em corpos cerâmicos cilíndricos de 12 mm de diâmetro e 2 mm de espessura e, posteriormente, levados ao laser para o processo de sinterização. A análise dos pós reagidos, efetuada por difratometria de raios X, confirmou a presença de fase cristalina única em cada um dos sistemas investigados. A potência máxima do laser necessária para a sinterização apresentou forte dependência com a estratégia usada na irradiação. A análise da microestrutura, realizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV), revelou um alto grau de eficiência do processo desenvolvido. Em alguns casos, pudemos verificar que a sinterização ocorreu a uma profundidade de até 1 mm, apontando para a viabilidade de obtenção de corpos cerâmicos sinterizados como um todo.

Sinterização de filmes espessos de Ba(Ti0,85Zr0,15)O3 por varredura laser

“…Como agente auxiliar na densificação dos filmes espessos usamos como aditivo (1 mol%) o composto Bi 4 Ti 3 O 12 (BIT), como sugerido [15]. A preparação do BIT seguiu a rotina estabelecida [4,5].…”

“…A condução de calor a partir da superfície passa a ser responsável pelo aquecimento no interior da amostra e o resultado final irá depender das propriedades térmicas do material. Além disso, para uma situação em que o feixe do laser é fixo, o diâmetro da amostra também será limitado à dimensão do feixe de luz laser [5].…”

“…Tem sido demonstrado que o uso da técnica de sinterização a laser é eficiente na obtenção de cerâmicas com alta densidade relativa, excelente homogeneidade de tamanho médio de grãos e baixo dano microestrutural [4][5][6]. No entanto, a utilização da técnica para sinterização de corpos cerâmicos tem como fator limitante a espessura das amostras.…”

“…As técnicas propostas procuram contornar ou modificar algum estágio da cinética de sinterização, favorecendo ou inibindo determinados mecanismos de transporte de massa. Entre as técnicas mais promissoras estão a "spark plasma sintering" [1], sinterização por microondas [2], a sinterização em duas etapas [3] e a sinterização laser [4].Tem sido demonstrado que o uso da técnica de sinterização a laser é eficiente na obtenção de cerâmicas com alta densidade relativa, excelente homogeneidade de tamanho médio de grãos e baixo dano microestrutural [4][5][6]. No entanto, a utilização da técnica para sinterização de corpos cerâmicos tem como fator limitante a espessura das amostras.…”

“…A condução de calor a partir da superfície passa a ser responsável pelo aquecimento no interior da amostra e o resultado final irá depender das propriedades térmicas do material. Além disso, para uma situação em que o feixe do laser é fixo, o diâmetro da amostra também será limitado à dimensão do feixe de luz laser [5].Materiais ferroelétricos produzidos na forma de filmes espessos (>10 µm de espessura) têm sido utilizados em transformadores de impedância, micro-atuadores, sensores piezelétricos [7][8][9] e no desenvolvimento de MEMS (microelectromechanical systems) devido a sua alta sensibilidade e amplo intervalo de freqüência de trabalho quando comparados aos filmes finos [8,9]. Entre os materiais viáveis para estas aplicações, o Ba(Ti 1-x Zr x )O 3 é um dos candidatos por apresentar propriedades elétricas sintonizáveis com alterações na quantidade de Zr na composição química das cerâmicas [10,11].…”