Estudo do Processo de Sinterização de Materiais Cerâmicos Leves Metaestáveis

Abstract

O presente estudo enquadra-se no desenvolvimento de materiais duros e leves, à base de carboneto de boro, vulgarmente designado por B4C, para proteção balística. É objetivo deste trabalho estudar a influência da adição de alumínio (Al), silício (Si) e magnésio (Mg) no processo de sinterização (Sintering) do B4C. Pretende contribuir-se para o desenvolvimento de uma metodologia laboratorial que retifique as principais desvantagens dos métodos convencionais e permita, simultaneamente, melhorias das propriedades mecânicas e balísticas a aferir função do binómio composição-microestrutura. Para tal selecionaram-se 9 amostras, resultantes de trabalhos de mestrado precedentes, que foram tratadas termicamente sem pressão num forno horizontal à temperatura de 1200ºC durante tempos cumulativos de 1, 4 e 7 horas, perfazendo um total de 12 horas. Os resultados obtidos mostraram diferenças a nível estrutural, morfológico e mecânico dos 3 sistemas estudados, função do teor e do tipo de elemento adicionado ao B4C. Dos três elementos estudados, o mais favorável parece ser o Al, apesar da formação de borato de alumínio Al18B4O33. Concluiu-se que a sinterização a 1200ºC durante 12 horas, não foi suficiente para a obtenção de formas cerâmicas fully dense, previamente sinterizadas por Síntese Mecânica (Mechanical Alloying, MA) e compactadas por ondas de choque geradas pela detonação de um explosivo (ShockWave Compactation, SWC).

The present study is inserted in the development of hard and lightweight materials based on boron carbide, commonly known as B4C, for ballistic protection. The purpose of this work is to study the influence of the addition of aluminium (Al), silicon (Si) and magnesium (Mg) in the sintering process of B4C and to check the stability of the solid solutions produced by Mechanical Alloying (MA), after heat treatment. The objective is to contribute to the development of a laboratory methodology that rectifies the main disadvantages of conventional processing methods and allows, simultaneously, improvement of mechanical and ballistic properties, function of the composition-microstructure. Therefore, 9 samples were selected, from previous Master Thesis works, and sintered in a horizontal oven at 1200˚C during cumulative periods (1, 4 and 7 hours), performing a total of 12 hours. The experimental results obtained for the 3 systems presented some differences on the structural, morphological and mechanical properties, function of the content and type of element added to the B4C powder. Concerning the three studied elements, Al seems to be the most advantageous on the sintering process, despite the formation of aluminium borate, Al18B4O33. It was concluded that heat treatment at 1200˚C for 12 hours was not enough to achieve fully dense ceramic shapes, from the materials chemically optimized by Mechanical Alloying (MA) and compacted by shock waves generated by the detonation of an explosive (Shock Wave Compaction, SWC).