Análise e caracterização mecânica da alumina reforçada com grafeno

Abstract

Os avanços na ciência dos materiais têm impulsionado o desenvolvimento de cerâmicas avançadas, destacadas por propriedades como alta dureza, estabilidade térmica, biocompatibilidade, inércia química e resistência à corrosão. Contudo, a fragilidade inerente desses materiais ainda limita seu uso em diversas aplicações. Nesse contexto, os alótropos de carbono, como o grafeno, têm despertado grande interesse como reforço em matrizes cerâmicas. Embora promissor, o desempenho do grafeno depende fortemente das condições de mistura e sinterização adotadas. Neste trabalho, foram fabricados e caracterizados compósitos alumina-grafeno, utilizando duas matrizes cerâmicas diferentes (A1000 SG e AKP-53) e concentrações de 0,80%, 1,60% e 2,40% em peso de grafeno. Os corpos de prova foram produzidos por meio de mistura em meio úmido, secagem, compactação e sinterização em atmosfera redutora. Os resultados mostraram que, para a matriz A1000 SG, concentrações de grafeno de até 1,60% proporcionaram melhor dispersão, com menor formação de aglomerados. Esses compósitos apresentaram melhorias nos valores de resistência à flexão e tenacidade à fratura, enquanto aumentos na dureza foram observados até a concentração de 0,80%. Em contrapartida, para a matriz AKP-53, os compósitos com grafeno exibiram menor densidade e maior porosidade em comparação à matriz pura. Esses resultados foram atribuídos à formação de aglomerados e à incompatibilidade dimensional entre o grafeno e os grãos menores da matriz AKP-53, o que resultou em quedas progressivas na resistência à flexão, tenacidade à fratura e dureza. A avaliação do módulo elástico dinâmico indicou uma tendência de redução com o aumento do teor de grafeno em ambas as matrizes, associada principalmente ao aumento da porosidade, à fraca adesão interfacial e à formação de regiões estruturalmente descontínuas. Esses efeitos comprometeram a rigidez dos compósitos, especialmente em concentrações mais elevadas. Este estudo demonstra que a utilização do grafeno como reforço em matrizes cerâmicas pode melhorar significativamente suas propriedades mecânicas, desde que sejam otimizadas as condições de dispersão e compatibilidade dimensional entre os componentes. A preservação estrutural do grafeno em ambas as matrizes confirma a eficácia do método de sinterização empregado, oferecendo uma abordagem viável para a fabricação de compósitos cerâmicos com boas propriedades mecânicas.

Advances in materials science have driven the development of advanced ceramics, which stand out for their high hardness, thermal stability, biocompatibility, chemical inertness, and corrosion resistance. However, their inherent brittleness still limits their application in several fields. In this context, carbon allotropes such as graphene have gained increasing attention as reinforcement phases in ceramic matrices. Although promising, the performance of graphene strongly depends on the mixing and sintering conditions employed. In this study, alumina-graphene composites were fabricated and characterized using two different ceramic matrices (A1000 SG and AKP-53) and three graphene concentrations: 0.80 wt.%, 1.60 wt.%, and 2.40 wt.%. The samples were produced through wet mixing, drying, compaction, and sintering under a reducing atmosphere. The results showed that, for the A1000 SG matrix, graphene concentrations up to 1.60 wt.% favored better dispersion and reduced agglomeration. These composites exhibited improved flexural strength and fracture toughness, while the highest hardness was observed at 0.80 wt.% graphene. In contrast, composites based on the AKP-53 matrix presented lower density and higher porosity compared to the monolithic matrix. These results were attributed to agglomerate formation and dimensional incompatibility between the graphene and the finer grains of the AKP-53 matrix, leading to progressive reductions in flexural strength, fracture toughness, and hardness. The evaluation of dynamic elastic modulus indicated a decreasing trend with increasing graphene content in both matrices, mainly due to higher porosity, weak interfacial adhesion, and the formation of structurally discontinuous regions. These factors reduced the overall stiffness of the composites, especially at higher reinforcement levels. This study demonstrates that graphene has strong potential as a reinforcement in ceramic matrices, provided that dispersion and dimensional compatibility between the phases are optimized. The structural preservation of graphene in both matrices confirms the effectiveness of the sintering method employed, offering a viable approach for producing ceramic composites with good mechanical properties.