Desenvolvimento de cerâmicas de mulita a partir de alumina, ácido silícico e aerosil

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Neste trabalho, apresenta-se uma rota alternativa para produção de cerâmicas de mulita (3Al2O3.2SiO2), a partir da mistura de pós de alumina (Al2O3) e sílica (SiO2), para uma possível aplicação em um dispositivo de perfuração de rochas por jato supersônico quente (thermal spallation). Os pós precursores foram utilizados de dois modos diferentes: no primeiro com tamanho micrométrico, tal como fornecido pelos fabricantes; no segundo, a alumina foi moída e misturada separadamente com ácido silícico e aerosil nanométricos, ambos usados como fontes de sílica. O processo consistiu basicamente na mistura a úmido dos pós, secagem, prensagem e sinterização. Além do tamanho das partículas dos pós, foi avaliada a influência da pressão de prensagem (40 a 300 MPa), dos aditivos de sinterização (MgO, CaO e Y2O3), do meio de dispersão (água e álcool), da calcinação dos pós, da temperatura (1600 e 1650 ºC) e do tempo (1 e 3h) de sinterização. As cerâmicas obtidas foram caracterizadas de acordo com a contração, perda de massa, porosidade e densidade aparente e resistência à flexão. A microestrutura foi caracterizada por meio da microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV), e complementada com difração de raios X. Os resultados obtidos mostram que cerâmicas de mulita para aplicações comerciais, que requerem resistência mecânica até aproximadamente 207 MPa, podem ser obtidas utilizando pós de alumina moída e aerosil 380, com 1 % de CaO, homogeneizadas com álcool, calcinadas a 600 ºC, prensadas com 160 MPa (ou mais), pré-sinterizadas a 1000 ºC por 1h e sinterizadas a 1650 ºC por 1h. Estas cerâmicas demonstram também, grande potencial para uso em queimadores para fornos e tubeiras para thermal spallation.

The present study was made in order to obtain an alternative process to produce mullite ceramic (3Al2O3.2SiO2), from powder mixture of alumina (Al2O3) and silica (SiO2), for a possible use in a device for rock drilling hot supersonic jet (thermal spallation). The precursors powders were employed in two different ways: the first powder, in micrometric size, was used as supplied by the manufacturer; the second, milled alumina was alternated with silicic acid and nanometric aerosil®, both used as silica sources. The ceramic processing consisted basically of four steps: mixture of humid powders, drying, pressing and sintering. Besides the powder particle size, it was also evaluated the influence of the pressing (40 to 300 MPa), the sintering additives (MgO, CaO and Y2O3), the middle of dispersion (water and alcohol), the powder calcination and the time (1 and 3h) and sintering temperature (1600 and 1650 ºC). The obtained ceramics were characterized according to the contraction, mass loss, porosity, densification and resistance to flexing. The microstructure was analyzed by light microscopy, scanning electron microscopy (SEM) besides X-ray diffraction. The obtained results show that mullite ceramic for commercial applications requiring mechanical resistance up to about approximately 207 MPa, it can be obtained using milled alumina powder and aerosil 380® with 1 % CaO, homogenized with alcohol, calcined in 600 ºC, pressed with 160 MPa (or more), pre-sintered to 1000 ºC for 1h and sintered to 1650 ºC for 1h. These ceramic also show, great potential to be used in burners for ovens and nozzles for thermal spallation.