Fabricação e caracterização mecânica e estrutural de compósitos cerâmica-grafeno
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Data
2022-02-03
Autores
Faglioni, Felipe Dias
Título da Revista
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
A fabricação de compósitos é uma forma efetiva para aumentar os valores da baixa tenacidade à fratura de materiais cerâmicos, o que caracteriza sua fragilidade. A influência microestrutural que garante tal aumento para essa propriedade já foi amplamente estudada, todavia, existe uma lacuna no conhecimento quanto contribuição estrutural para propriedades como a dureza ou a própria tenacidade à fratura. Sendo assim necessário caracteriza-la para observar seus efeitos. Por caracterização estrutural, estende-se: efeito de difusão observado no parâmetro de rede de cada fase, transições estruturais, textura e direção preferencial de alinhamento e até tipos e densidades de defeitos. A fim de relacionar o efeito da estrutura na propriedade mecânica, foram produzidas amostras cerâmicas reforçadas com grafeno para demonstrar a influência estrutural em suas propriedades mecânicas. Para tal utilizou-se uma matriz com 94% Al2O3 + 6% (92 ZrO2 + 8 Y2O3), disposta em cinco amostras com a adição de 0,0%, 0,5%, 0,75%, 1,00% e 1,25% em massa de grafeno multicamadas. Os compósitos apresentaram um ganho de aproximadamente 40% na tenacidade à fratura e 70% na dureza. O ganho na tenacidade à fratura é explicado através da observação de predominância da fratura transgranular nos compósitos com o melhor resultado, como descrito na literatura. O ganho na dureza recebeu uma abordagem inédita, através da avaliação da estrutura cristalina usando a técnica de difração de raios X. Nesses resultados observou-se que a presença do material de reforço induziu mudança da fase tetragonal para cúbica na zircônia estabilizada com ítria, assim como influenciou os parâmetros de rede nas demais fases. Tais mudanças puderam ser utilizadas para explicação do comportamento da dureza. Assim conclui-se que tais mudanças estruturais são fundamentais para futuras predições das propriedades mecânicas desses compósitos.
Composites Fabrication is an effective way to enhance the ceramics characteristic low fracture toughness value. The microstructural influence ensures such enhancement, and has been widely studied, however, there is a gap in the knowledge about the structural contribution to the properties such as hardness and fracture toughness. So, it is necessary to characterize it to observe its influence. As structural characterization, it is understood carbon diffusion effect in lattice parameters in every crystalline phase, phase transition, texture and preferential alignment direction, and even, density and type of defects. To correlate structural to mechanical properties, ceramic-graphene samples were prepared. The matrix was 94% Al2O3 + 6% (92 ZrO2 + 8 Y2O3), reinforced with 5 multilayered-graphene mass percentages, 0.0, 0.5, 0.75, 1.00, 1.25. The composites presented about 40% enhancement in fracture toughness and 70% in hardness. The fracture toughness enhancement is explained by transgranular fracture predominance, as described in the literature. The increase in hardness had an unprecedented approach when analyzing the structure of the composite by X-ray diffraction. Then, it was observed that the reinforcement material induced the yttria-stabilized-zirconia phase transition from tetragonal to cubic, as well the multilayered graphene induced the increase of lattice parameters in the other phases. Thus, such phenomena can be used to predict hardness behavior. Finally, the study concludes that the structural influence is fundamental to predict the properties of composites.
Composites Fabrication is an effective way to enhance the ceramics characteristic low fracture toughness value. The microstructural influence ensures such enhancement, and has been widely studied, however, there is a gap in the knowledge about the structural contribution to the properties such as hardness and fracture toughness. So, it is necessary to characterize it to observe its influence. As structural characterization, it is understood carbon diffusion effect in lattice parameters in every crystalline phase, phase transition, texture and preferential alignment direction, and even, density and type of defects. To correlate structural to mechanical properties, ceramic-graphene samples were prepared. The matrix was 94% Al2O3 + 6% (92 ZrO2 + 8 Y2O3), reinforced with 5 multilayered-graphene mass percentages, 0.0, 0.5, 0.75, 1.00, 1.25. The composites presented about 40% enhancement in fracture toughness and 70% in hardness. The fracture toughness enhancement is explained by transgranular fracture predominance, as described in the literature. The increase in hardness had an unprecedented approach when analyzing the structure of the composite by X-ray diffraction. Then, it was observed that the reinforcement material induced the yttria-stabilized-zirconia phase transition from tetragonal to cubic, as well the multilayered graphene induced the increase of lattice parameters in the other phases. Thus, such phenomena can be used to predict hardness behavior. Finally, the study concludes that the structural influence is fundamental to predict the properties of composites.
Descrição
Palavras-chave
Cerâmica, Grafeno, Difração de raios-X, Dureza, Synchrotron radiation, Ceramics, Graphene, X-ray diffraction, Hardness, Synchrotron radiation